Spenningsoptimalisering - Voltage optimisation
Spenningsoptimalisering er et begrep gitt til systematisk kontrollert reduksjon i spenningene som mottas av en energiforbruker for å redusere energibruk, kraftbehov og reaktiv effektbehov. Mens noen spenningsoptimaliseringsenheter har en fast spenningsjustering, regulerer andre spenningen automatisk.
Spenningsoptimaliseringssystemer er vanligvis installert i serie med strømforsyningen til en bygning, slik at alt dets elektriske utstyr kan dra nytte av en optimalisert forsyning.
Bakgrunn
Spenningsoptimalisering er en elektrisk energispareteknikk som hovedsakelig installeres i serie med strømforsyningen for å gi en redusert forsyningsspenning for stedets utstyr. Vanligvis kan spenningsoptimalisering forbedre strømkvaliteten ved å balansere fasespenninger og filtrere overtoner og transienter fra forsyningen, men ikke alltid. Spenningsoptimerer er i hovedsak transformatorer som brukes til å levere strøm med redusert spenning fra rå strømforsyning.
Begrepet spenningsoptimalisering blir ofte misbrukt, ettersom begrepet innebærer en eller annen form for selektiv spenningsreduksjon, noe som vil forbedre energiforbruket i en bygning, mens disse enhetene generelt består av en transformator i en boks som ikke gir selektivitet og fallende spenning på alle forsyninger. , om dette vil gi en kommersiell fordel eller ikke. Noen VO-enheter er installert på høyfrekvente belysningskretser, og gir liten eller ingen kommersiell fordel, derfor må man være forsiktig når begrepet brukes.
De fleste VO-enheter er installert i kommersielle lokaler, mellom råstrømstransformatoren og hoveddistribusjonskortet. Dette gir imidlertid ingen selektivitet og betraktes i elektrotekniske termer som en dårlig løsning. En fullstendig studie bør gjennomføres av anleggssjefen og VO-selskapet for å velge hvilke forsyninger som kan være til nytte for eieren ved å redusere spenningen og hvilke forsyninger som ikke vil gi noen kommersiell fordel. På denne måten kjøper eieren bare en VO av riktig størrelse og ikke en for alle forsyninger. Installering av en VO-enhet for å 'optimalisere' alle forsyninger vil gi lengre avkastning på investeringen, et høyere kapitalutlegg og gir lite kommersiell mening.
Storbritannia
Den erklærte lavspenningsforsyningen i Storbritannia i henhold til Electrical Safety, Quality and Continuity Regulations 2002, er nå 230 V med en toleranse på + 10% til -6%. Dette betyr at forsyningsspenningen teoretisk kan være hvor som helst mellom 216 V og 253 V, avhengig av lokale forhold. Imidlertid er gjennomsnittsspenningen fra det nasjonale nettet (på fastlands-Storbritannia) 242 V, sammenlignet med den typiske europeiske spenningen på 218-222 V. (Den gjennomsnittlige forsyningsspenningen i Nord-Irland er rundt 239 V og 235 V i Republikken av Irland.)
Eldre elektrisk utstyr produsert for Storbritannia ble vurdert til 240 V, og eldre utstyr produsert for kontinentale Europa ble vurdert til 220 V (se verdensomspennende nettspenninger ). Nytt utstyr bør utformes for 230 V. En blanding av utstyr er sannsynlig å finne i eldre lokaler. Alt utstyr som er markedsført i EU siden spenningsharmoniseringen i 1995, skal fungere tilfredsstillende ved spenninger i området 230 V +/- 10%. Utstyr klassifisert til 220 V bør fungere tilfredsstillende ned til 200 V. Ved effektivt å bringe forsyningsspenninger til den nedre enden av det lovpålagte spenningsområdet, kan spenningsoptimaliseringsteknologi gi gjennomsnittlig energibesparelse på rundt 13%.
Jo høyere spenning jo høyere strømforbruk i tilfelle ren motstandsbelastning. En reduksjon i spenning påvirker ikke energien som brukes av husholdningsapparater som bruker motstandsbelastning, bortsett fra i apparater som vannkokere og brødristere som det vil ta lengre tid å gjøre jobben sin på grunn av atmosfæriske tap. Den viktigste kommersielle fordelen ved installasjon av VO-enheter er på induktive belastninger, som motorer som kjører pumper, vifter og lignende. I hjemmet kan den potensielle energisparingen være opptil 12% på strømregningene. En VO-enhet vil senke spenningen til det mest effektive nivået for å maksimere besparelsene på strømforbruket, så du kan legge merke til at visse ting tar litt lenger tid, for eksempel en vannkoker kan ta litt lenger tid å koke.
Det er en vanlig misforståelse at kjøleskap og frysere ikke gir besparelser gjennom spenningsoptimalisering fordi de er utstyrt med en termostat. Kjøleskap og frysere fungerer helt annerledes enn resistive oppvarmingsenheter. Hvis en resistiv oppvarmingsenhet drives fra en høyere spenning, blir resultatet varme som er nyttig i sitt tiltenkte formål (oppvarming). Hvis et kjøleskap eller fryser drives fra en høyere spenning, blir resultatet også varme, men dette er ikke nyttig i det tiltenkte formålet (kjøling). Effekten på kompressormotoren reduseres noe ved spenningsoptimalisering, slik at kjøleskap / frysetermostaten holder motoren litt lenger, men generelt sett er effekten at motoren går litt lenger med mye lavere tap. Tester ved Manchester University viste en reduksjon på 10 ° C i motortemperaturen under spenningsoptimalisering på grunn av reduserte tap i motoren.
Vanlige problemer med strømkvaliteten
Overspenning
Overspenning refererer til spenning som er høyere enn spenningen som utstyret er designet for å fungere mest effektivt. Det kan føre til en reduksjon i utstyrets levetid og økte energiforbruk uten forbedring av ytelsen. En kommentar til ledningsforskriften BS 7671 gir følgende uttalelser i forbindelse med overspenning: "En 230 V-lampe som brukes ved 240, vil bare oppnå 55% av dens nominelle levetid" (refererer til glødelamper ) og "Et 230 V-apparat brukt på en 240 V forsyning vil ta 4,3% mer strøm og vil forbruke nesten 9% mer energi ".
Forskjellige teknologier kan brukes for å unngå overspenning, men det må gjøres så effektivt at energibesparelser som følge av å bruke riktig spenning ikke blir oppveid av energi bortkastet i enheten som brukes til å gjøre det. Pålitelighet er også viktig, og det er potensielle problemer som ligger i å kjøre full innkommende kraft gjennom elektromekaniske enheter som servostyrte variable autotransformatorer.
Underspenning refererer til lavere spenning enn spenningen som utstyret er designet for å fungere mest effektivt. Hvis utformingen av VO ikke tar hensyn til spenningsfall over avstand til eksterne kraftbrukere, kan dette føre til for tidlig utstyrssvikt, feil ved oppstart, økt temperatur i tilfelle motorviklinger og tap av service.
Harmoniske
Overtoner er strøm- og spenningsbølgeformer ved multipler av grunnfrekvensen til 50 Hz (eller 60 Hz) hovedforsyning. Overtoner er forårsaket av ikke-lineære belastninger, som inkluderer strømforsyninger for datautstyr, stasjoner med variabel hastighet og utladningsbelysning. "Triplen" -overtoner (odde multipler av den tredje overtonen) oppstår når fasespenninger ikke balanseres i et trefaset kraftsystem og tilfører nøytral, noe som fører til at sløsende strømmer strømmer.
De mulige effektene hvis nivået av harmoniske, kjent som total harmonisk forvrengning blir for høyt, inkluderer skade på sensitivt elektronisk utstyr og reduksjon i effektiviteten til HV-transformatoren. Effektiviteten til elektriske belastninger kan forbedres ved å dempe overtoner ved forsyningen, eller ved å forhindre at de genereres. Noen spenningsoptimaliseringsenheter demper også harmoniske, og reduserer tap knyttet til harmonisk innhold i det elektriske systemet.
Transienter
Transienter er store, veldig korte og potensielt destruktive økninger i spenning. Årsakene deres inkluderer lynnedslag, bytte av store elektriske belastninger som motorer, transformatorer og elektriske stasjoner, og ved å bytte mellom kraftproduksjonskilder for å balansere tilbud og etterspørsel. Selv om de vanligvis bare varer tusendeler eller milliontedeler av et sekund, kan transienter skade elektroniske systemer som forårsaker datatap, nedbrytende utstyrskomponenter og forkorter utstyrets levetid. Noen spenningsoptimaliseringsenheter inkluderer forbigående beskyttelse.
Ubalanse i fasespenning
Industrielle og kommersielle anlegg leveres med 3-faset strøm . Ubalanse mellom fasene forårsaker problemer som oppvarming i motorer og eksisterende ledninger, noe som fører til sløsende energiforbruk. Noen spenningsoptimaliseringsenheter er i stand til å forbedre balansen i bygningens strømforsyning, redusere tap og forbedre levetiden til trefasede induksjonsmotorer.
Kraftdyp
Effektfall er reduksjoner i spenning, for det meste av kort varighet (<300 ms), men noen ganger lenger. De kan forårsake en rekke problemer med utstyr, for eksempel kan kontaktorer og reléer falle ut og føre til at maskiner stopper. Det er en rekke lavspenningskjøringsteknikker , inkludert avbruddsfri strømforsyning, bruk av kondensatorer på DC-kretser med lav spenning, bruk av kondensatorer på DC-bussen til frekvensomformere. Det må tas hensyn til at tiltak for spenningsoptimalisering ikke reduserer spenningen i en grad at utstyret er mer sårbart for strømfall.
Kraftfaktor og reaktiv kraft
Den effektfaktor av en elektrisk tilførsel er forholdet mellom den virkelige kraften til den tilsynelatende effekt av tilførselen. Det er den nyttige kraften som brukes av nettstedet delt på den totale kraften som trekkes. Sistnevnte inkluderer kraft som er ubrukelig, så en effektfaktor på 1 er ønskelig. En lav effektfaktor vil bety at strømleverandøren effektivt vil levere mer energi enn forbrukerens regning tilsier, og leverandører har lov til å ta betalt for laveffektfaktorer.
Reaktiv kraft er navnet på ubrukelig kraft. Det fungerer ikke i det elektriske systemet, men brukes til å lade kondensatorer eller produsere et magnetfelt rundt en induktor. Reaktiv kraft må genereres og distribueres gjennom en krets for å gi tilstrekkelig reell kraft til at prosesser kan kjøres. Reaktiv effekt øker betydelig med økende spenning når reaktansen til utstyret øker. Å korrigere dette med spenningsoptimalisering vil derfor føre til reduksjon i reaktiv effekt og forbedring av effektfaktor.
Effekter på elektriske belastninger
En vanlig misforståelse når det gjelder spenningsoptimalisering er å anta at en reduksjon i spenning vil resultere i en økning i strøm og dermed konstant effekt. Selv om dette er tilfelle for visse belastninger med fast strøm, har de fleste nettsteder et mangfold av belastninger som i større eller mindre grad vil ha fordeler med energibesparelser som samler seg over et område som helhet. Fordelen med typisk utstyr på trefasesteder er diskutert nedenfor.
Trefasemotorer
Trefaset induksjonsmotorer er trolig den vanligste typen trefasebelastning og brukes i en rekke utstyr, inkludert kjøling, pumper, klimaanlegg, transportdrev samt deres mer åpenbare bruksområder. Effekten av overspenning og trefase ubalanse på vekselstrømsmotorer er velkjent. Overdreven overspenning resulterer i metning av jernkjernen, kaster bort energi gjennom virvelstrømmer og økte hysteresetap. Å trekke for mye strøm resulterer i overflødig varmeeffekt på grunn av tap av kobber. Den ekstra belastningen med overspenning på motorene vil redusere motorens levetid.
Å unngå overspenning høyt nok til å forårsake metning reduserer ikke effektiviteten, så det kan oppnås betydelige energibesparelser ved å redusere jern- og kobbertap. Motorer som er konstruert for den nominelle spenningen (f.eks. 400 V), skal imidlertid kunne takle normal variasjon i spenning innenfor forsyningsgrensene (+/- 10%) uten metning, så dette er neppe et vesentlig problem.
Å redusere spenningen til en induksjonsmotor vil påvirke motorhastigheten litt ettersom glid øker, men hastigheten er hovedsakelig en funksjon av forsyningsfrekvensen og antall poler. Motoreffektiviteten er optimal ved rimelig belastning (vanligvis 75%) og ved den konstruerte spenningen, og vil falle av litt med små variasjoner på hver side av denne spenningen. Større variasjoner påvirker effektiviteten mer.
Svært lett belastede motorer (<25%) og små motorer har mest nytte av å redusere spenningen.
Når det gjelder motorer som drives av variabel hastighet, vil inngangsspenningen reduseres, det vil være en proporsjonal reduksjon av utgangsspenningen fra VSD, og motoren vil trekke mindre strøm og til slutt forbruke mindre strøm. Imidlertid, hvis motoren går på høy belastning (> 80%), vil reduksjonen i spenning føre til redusert dreiemoment, og motoren vil ende opp med å trekke mer strøm og kraft.
Belysning
Når belysningsbelastninger er i bruk en høy andel av tiden, er energibesparelser på belysningsutstyr ekstremt verdifullt. Når spenningen reduseres, vil glødelysene se en kraftig reduksjon i kraftuttaket, en stor reduksjon i lyseffekten og en økning i levetiden, som tidligere utdrag fra Electricians Guide illustrerer. Siden reduksjonen i lyseffekt vil overstige reduksjonen i effektuttaket, vil energieffektiviteten - lyseffekten - av belysningen synke.
Imidlertid kan andre typer belysning også ha nytte av forbedret strømkvalitet, inkludert systemer med resistive eller reaktive forkoblinger. Fluorescerende og utladningsbelysning er mer effektiv enn glødelampe. Fluorescerende belysning med konvensjonelle magnetiske forkoblinger vil se et redusert strømforbruk, men også redusert lumeneffekt fra lampen. Fluorescerende lamper på moderne elektroniske forkoblinger vil bruke omtrent samme kraft og gi samme lys.
For å gi samme watt ved redusert spenning vil det kreve større strøm og øke kabeltap. Imidlertid er lyskontrollere og forkoblinger ansvarlige for å generere høye nivåer av harmonisk forvrengning, som kan filtreres med noen typer spenningsoptimerer, i tillegg reduserer behovet for lyskontrollere. En vanlig bekymring er at noe belysning ikke vil slå på lavere spenninger. Dette bør imidlertid ikke skje siden målet med spenningsoptimalisering ikke bare er å redusere spenningen så langt som mulig, men å bringe den til den servicenivåspenningen den ble designet for å fungere mest effektivt.
Oppvarming
Varmeapparater bruker mindre strøm, men gir mindre varme. Termostatstyrt rom eller varmtvannsbereder bruker mindre strøm mens de kjører, men må kjøre lenger i hver time for å produsere den nødvendige effekten, noe som ikke resulterer i sparing.
Strømforsyninger i byttet modus
Strømforsyninger med byttemodus vil bruke samme strøm som før, men vil trekke en litt større strøm for å oppnå dette, med litt økte kabeltap, og liten risiko for at den økte strømutløsende MCB-en .
Energibesparelser
Energibesparelsene som oppnås ved spenningsoptimalisering er en sammenstilling av den forbedrede effektiviteten til alt utstyr over et område som svar på forbedringene i strømkvalitetsproblemene som er skissert ovenfor. Det mulig teknikk for besparelser i energiforbruk under visse omstendigheter.
Forskning i Taiwan antydet at det for en industriell forsyning for spenningsreduksjon oppstrøms transformatoren er en nedgang på 0,241% av energiforbruket når spenningen reduseres med 1%, og en økning på 0,297% når spenningen økes med 1 %. Dette antok en blanding av belastninger inkludert 7% fluorescerende belysning, 0,5% glødelys, 12,5% trefaset klimaanlegg, 5% motorer, 22,5% små 3-fasede motorer, 52,5% store 3-fasede motorer.
Det er sannsynlig at en moderne installasjon ville ha mindre mulighet: nesten ingen glødelys, delvis høyfrekvent lysrør (ikke sparing), noen stasjoner med variabel hastighet (ingen sparing), høyere motoreffektivitet (så mindre avfall å spare). En nordeuropeisk installasjon ville ikke ha det store antallet små enfasemotorer for klimaanlegg.
Energibesparelse er mulig med eldre belysning, på bekostning av lavere lysutbytte, (f.eks. Glødelamper eller lysrør og utladningsbelysning med ineffektiv forkoblings- eller kontrollutstyr). Derfor kan eldre forretnings- og kontorlokaler spare mer enn moderne bygninger eller industriområder. Moderne belysningssystemer (vanligvis LED) vil imidlertid spare betydelig mer energi på grunn av høyere effektivitet enn energisparing på eldre belysningssystemer etter installasjon av en spenningsoptimerer.
Det er veldig tvilsomt å oppnå energibesparelser med en spenningsoptimerer som brukes med moderne belysningssystemer. Moderne elektroniske bryterkontroller for LED- eller fluorescerende belysningssystemer er designet for å kjøre lysene med optimal lysytelse og lang levetid med høy effektivitet. Variasjoner i forsyningsspenning vil derfor ikke utgjøre noen forskjell for den totale energibruken til disse typer lys. Imidlertid finnes det typer lavpris LED- og lysrørkontroller som reduserer spenningen ved å kaste energi som varme (f.eks. Flere lysdioder i serie med seriemotstand). Å variere forsyningsspenningen vil påvirke energien som brukes av disse typer lys, men denne typen lamper har generelt lav effekt, og lyseffekten vil også bli påvirket.
Arbeidet eksempel
En typisk glødelampe på 100 watt har en virkningsgrad på ikke mer enn 17,5 lumen per watt (l / W) og vil derfor produsere 1750 lumen ved nominell spenning. En typisk moderne LED-lampe har en effektivitet på omtrent 150 lumen per watt, og krever derfor ikke mer enn 12 watt for samme lyseffekt. I henhold til lampens omvendte formler reduserer spenningen over en glødelampe med 10% strømmen (og dermed energien) med omtrent 16% og reduserer lyseffekten med omtrent 31%.
Derfor vil en spenningsoptimerer som reduserer spenningen på en glødelampe med 10%, redusere energien med 16% og lyseffekten med 31%, og produserer bare 1210 lumen og bruker 84 watt. Hvis du bytter glødelampe til en LED-lampe med lignende lyseffekt, vil forbruket redusere forbruket mer effektivt, ned til 12 watt. Videre, siden lyseffekten er redusert med så mye, kan du spare større ved å bytte til en 75 watts glødelampe uten en spenningsoptimaliserende (1312,5 lumen forutsatt 17,5 l / W). LED-lampen kan også reduseres i størrelse til 8W, hvis bare 1210 lumen er nødvendig.