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Energieverschwendung, von der Sie noch nicht einmal wussten. Interessiert Sie das?

Netzqualität, Energie Management
Energieverschwendung, von der Sie noch nicht einmal wussten. Interessiert Sie das? | Fluke
Verwenden Sie die Unified Power Measurement-Funktion und den Energy Loss Calculator der neuen Netz- und Stromversorgungsanalysatoren von Fluke der 430 Serie II, um zu ermitteln, wie viel Leistung vom Auftreten von Oberschwingungen und Schieflasten betroffen ist.

2005 haben die meisten Einrichtungen ihre monatliche Stromrechnung noch als Standardkosten für die Ausführung ihrer geschäftlichen Tätigkeiten hingenommen. Als der Ölpreis über 100 USD pro Barrel anstieg, hat sich dies praktisch über Nach geändert, und das Interesse an energiesparenden Nachrüstungen, die vorher nicht kosteneffizient waren, stieg stark an. Und obwohl die Energiekosten später wieder sanken, blieben diese neue Haltung und Praktiken größtenteils erhalten. Die USA versuchte noch immer, die Rezession abzuschütteln. Der globale Wettbewerb für das Angebot von Produkten und Dienstleistungen hat stark zugenommen. Amerikanische Einrichtungen haben in Form ihrer monatlichen Energierechnung eine potenziell neue Quelle für eine größere Handelsspanne und mehr Profitabilität gefunden, und die geben sie nicht mehr auf.

Gleichzeitig haben Energieversorgungsunternehmen in den USA Kundendienstkampagnen gestartet, mit dem Ziel, dass Einrichtungen die Energie, die sie verbrauchten, besser nutzten. Aber warum sollte ein Energieversorgungsunternehmen seinen Kunden dabei helfen, ihre Rechnungen zu senken? Weil die Kapazität begrenzt ist. Gemessen an den Rahmenvorgaben, der Dauer des Projekts und den Kosten, um neue Energieerzeugungsanlagen zu bauen, haben Energieversorgungsunternehmen ein berechtigtes Interesse daran, die Reichweite ihrer derzeitigen Kapazität zu vergrößern. Neben der Aufnahme immer neuer Kunden in das Versorgungsnetz muss auch die Nutzung durch die bereits bestehenden Kunden optimiert werden. Die neuzeitlichen Katastrophen mit Ölplattformen und nuklearen Anlagen haben uns vor Augen geführt, wie begrenzt unsere Optionen sind.

In den letzten vier Jahren wurden die meisten mittelgroßen Einrichtungen von Ihren Energieversorgungsunternehmen darin geschult, ihre monatliche Energierechnung besser im Auge zu behalten, und manche dieser Unternehmen haben ein Energie-Audit durchgeführt, um zu ermitteln, wie viel Energie die verschiedenen betrieblichen Funktionen pro Monat verbrauchen. Viele Anlagen haben ihre Chance erkannt: Ein Energieverbrauch, der ohne große Investitionen gesenkt werden kann. Häufige Beispiele hierfür sind: Abschaltung von Ausrüstung und Systemen über Nacht, Umrüstung von Beleuchtungssystemen und großen Lasten wie Kühlanlagen in hocheffiziente Modelle, Nutzung von Energieeffizienzförderungen der Regierung, Behebung von Leckagen in Druckluftleitungen und Einbau zusätzlicher Steuerungen, um die Leistung der mechanischen Ausrüstung den Leistungsanforderungen anzupassen.

IEEE-Beurteilung

Parallel zu diesen Entwicklungen begann die Gesellschaft für Netzqualitätsstandards des IEEE mit der Beurteilung der erforderlichen akademischen Arbeit für eine genauere Segmentierung und Quantifizierung des Energieverbrauchs in dreiphasigen elektrischen Anlagen. Diese Beurteilung begann vor über einem Jahrzehnt. Es war schon seit Jahren bekannt, dass das mathematische Modell hinter der klassischen Berechnung der 3-Phasen-Leistungsmessung Lücken aufwies. Insbesondere die Auswirkungen von Blindleistung, Oberschwingungen und Schieflasten wurden in den klassischen verwendeten Methoden in den meisten Überwachungseinrichtungen für Netzqualität und Verbrauch nicht berücksichtigt.

Damals wurden Oberschwingungen und Schieflasten als Imperfektionen in der ansonsten reinen Energie verstanden, die für Leistungsprobleme in der Ausrüstung sorgten und hinsichtlich des Leistungsfaktors die Nutzbarkeit der verteilten Leistung minderten. Eine Quantifizierung der unbrauchbar gemachten Leistungsmenge wurde nicht in Betracht gezogen. Oberschwingungen und Schieflasten betrafen allein die Fehlersuche und waren keine Probleme des Energieverbrauchs. Bis Energie zu einem Premiumprodukt wurde.

Warum ist es wichtig, wie viel Energie von Oberschwingungen und Schieflasten betroffen ist? Weil wir die Energie erzeugt und dafür bezahlt haben, sie aber nicht nutzen können.

Wenn 100 Kilowatt in eine Anlage eingespeist werden, und ein Teil davon wird durch eine minderwertige Netzqualität unbrauchbar gemacht, bezahlt die Anlage für 100 kW, kann jedoch nur 100 kW minus des nicht nutzbaren Teils nutzen. Wenn diese Verschwendung quantifiziert und mit dem Frequenzplan des Energieversorgungsunternehmens multipliziert werden könnte, würde deutlich werden, ob die verschwendete Menge teuer genug war, um eine Behebung der Netzqualitätsprobleme zu rechtfertigen.

Das Ergebnis der Bemühungen des IEEE war der neue Standard IEEE 1459-2000, der ansatzweise die Berechnung der Verschwendung aufgrund der Netzqualität ermöglichte, dies jedoch in einem sehr akademischen Rahmen. Es fehlte noch immer eine deutliche Definition der physikalischen Menge der Energieverschwendung. Kurz nach der Einführung des neuen Standards machten es sich zwei Professoren der polytechnischen Universität von Valencia in Spanien zur Aufgabe, die erforderliche Mathematik zu entwickeln, um die durch Oberschwingungen und Schieflasten hervorgerufene Energieverschwendung zu quantifizieren.

Zunächst entwickelten die Professoren Vincente Leon und Joaquín Montañana mathematische Methoden auf Basis der Empfehlungen des Standards IEEE 1459-2000, der die Quellen bestimmter Verschwendungsarten festlegt. Anschließend entwickelten Sie eine Messinstrument mit einem Berechnungssystem, welches das berechnete, was sie unter dem Begriff „Unified Power“ zusammenfassten.

Ihr bahnbrechendes Unified Power-Messverfahren vereinte die besten Aspekte der Empfehlungen von IEEE 1459 und berechnete die energieverschwendenden Auswirkungen von Blindleistung, Oberschwingungen und Schieflasten im elektrischen System.

Fluke hörte von diesem Durchbruch und trat an die beiden Professoren zwecks einer Zusammenarbeit heran. Zusammen übertrugen die Ingenieure von Fluke und die beiden Professoren die Wissenschaft aus einem akademischen Instrument in eine Unified Power-Messfunktion und einen Energieverlustberechner, der nun als tragbarer Netz- und Stromversorgungsanalysator verfügbar ist. Beide Parteien halten Patente für die verschiedenen Aspekte dieser neuen Möglichkeit.

Was ist Unified Power?

Das Unified Power Measurement-System drückt Leistungs- und Energiemessungen aus, welche die verschwendete Energie in elektrischen Systemen mithilfe einer Kombination aus klassischen Methoden, IEEE 1459-2010 und den mathematischen Berechnungen der polytechnischen Universität Valencia direkt quantifizieren. Unified Power misst die Energieverschwendung in Kilowatt, die aus Oberschwingungen und Schieflasten hervorgeht. Durch die Berücksichtigung der Kosten pro Kilowattstunde können so die Kosten für die Verlustenergie über eine Woche, einen Monat oder ein Jahr berechnet werden.

Wie verschwenden Oberschwingungen Energie?

Eine der deutlichsten Auswirkungen von Oberschwingungen in elektrischen Systemen ist die übermäßige Wärme, die sie an den Leitern erzeugen, an denen sie entstehen. Viele Untersuchungen haben ergeben, dass es absolut notwendig ist, die Größe solcher neutralen Leiter in Energieversorgungssystemen zu erhöhen, um den hohen Strom zu kompensieren, der im neutralen Leiter von Oberschwingungen der 3. Ordnung und ihren Vielfachen auftreten. Zudem gibt es dokumentierte Fälle, in denen Transformatoren aufgrund von Oberschwingungen überhitzt sind. Diese Hitze ist eine Form der unbeabsichtigten Leistungsaufnahme. Anhand dieser neuen Berechnungsmethode kann nun die Höhe des Verlusts in Watt quantifiziert statt anhand der Wärme ermittelt werden.

Warum verschwenden Schieflasten Energie?

Bei Dreiphasen-Motoren mindern Schieflasten die Leistung und verkürzen die Nutzungsdauer. Spannungsunsymmetrien an den Statoranschlussklemmen des Motors verursachen Phasenstrom-Unsymmetrien, die in keinem Verhältnis mit der Spannungsunsymmetrien mehr stehen. Unsymmetrische Ströme hingegen führen zu Drehmomentimpulsen, vermehrte Vibrationen und mechanische Belastungen sowie mehr Verluste und Motorüberhitzung. Jede dieser Auswirkungen verbraucht Energie, die jetzt in Watt quantifizierbar ist.

Unified Power im Einsatz: Wie groß ist der Verlust?

Die Professoren Leon und Montañana haben zahlreiche Feldstudien durchgeführt, um ihre Hypothese zur Verbindung zwischen Netzqualitätsproblemen und den Auswirkungen auf den Energieverlust nachzuweisen. Nach dem Beitritt von Fluke führte das Team weitere Studien durch, um zu prüfen, ob diese neue Möglichkeit auch anderen Menschen als Elektrotechnikfachleuten nutzbar gemacht werden könnte.

Zwei Studien von besonderer Bedeutung wurden in einemIndustriepark und einer Automobil-Produktionsanlage durchgeführt.

Der Industriepark wurde von einer lokalen elektrischen Genossenschaft versorgt. Es handelt sich um einen gemischten Industriepark mit zahlreichen elektrischen Anforderungen. Manche der Parkkunden hatten deutliche induktive Lasten, und das Energieversorgungsunternehmen hatte bereits beschlossen, eine Leistungsfaktorkorrektur zu installieren, um die Auswirkungen des mangelhaften Leistungsfaktors zu reduzieren.

Als jedoch das Unified Power-Gerät der Professoren angeschlossen wurde, zeigte dies deutliche Blindleistungsverluste im sekundären Leistungstransformator im Park an. Die Verluste traten überwiegend nachts auf, wenn die induktiven Lasten nicht in Betrieb waren, die Leistungsfaktorkorrektur-Kondensatoren hingegen schon. Die Energieverluste wurden mit 353,6 kWh pro Tag (im Durchschnitt) berechnet; multipliziert mit dem Frequenzplan des Energieversorgungsunternehmens ergab dies eine Summe von 14.000 USD pro Jahr. Auf der Grundlage dieser Informationen überlegten sich das Energieversorgungsunternehmen und der Parkverwalter gemeinsam eine Lösung, die auf zeitgesteuerten Relais basierte, welche die Kondensatorgruppe nachts vom Netz nahm. Energierückgewinnungszeit: weniger als ein Jahr.

Eine andere Lösung betrifft eine große Automobil-Produktionsanlage. Es wurden sechs unterschiedliche Bereiche der Anlage untersucht, und in der gesamten Anlage konnten zahlreiche Ursachen für Energieverluste festgestellt werden, darunter Blindleistung aus Entladungslampen und leicht belastete, ineffizienten Transformatoren. Die Gesamtsumme der Verluste belief sich auf 50.000 USD pro Jahr. Durch die Installation einer Leistungsfaktorkorrektur an den Entladungslampen und Rationalisierung der Transformatoranordnung sowie Verwendung eines hocheffizienten Transformators an Stelle von fünf leicht belasteten Transformatoren konnte die Anlage deutlich Energiekosten einsparen.

Oberschwingungen und Schieflasten verschwenden also wirklich Energie. Was unternehmen Sie dagegen?

Die Bekämpfung von Oberschwingungen und Schieflasten erfordert meist die Unterstützung eines Elektroinstallateurs und der Mitarbeiter oder von Vertragselektroingenieuren. Die Auflösung von Oberschwingungen erfordert meist die Minimierung der Ausrüstung oder Verwendung einer anderen elektronischen Ausrüstung. Die Auflösung von Schieflasten erfordert die Neuverteilung von Lasten, den Einbau von Ausrüstung zum Ausgleich von Schieflasten oder manchmal eine Erhöhung der Gesamtkapazität des elektrischen Verteilungssystems.

Mit der neuen Unified Power-Möglichkeit ist die Rechnung für Arbeitsaufwand und Kosten für die Ausrüstung zum Verringern der Oberschwingungen und Schieflasten im Vergleich zu der Menge der verschwendeten Energie ziemlich einfach.

Beachten Sie, dass der Einbau eine Oberschwingungsfilters ebenso die Netzqualität insgesamt verbessert, indem die Zuverlässigkeit der Anlage sowie ihre Effizienz und Nutzungsdauer erhöht und Ausfallzeiten gemindert werden.

Früher konnte nicht repariert werden, was man nicht sehen konnte. Später wurde nicht ohne Grund repariert. Und heute heißt Sehen Glauben, und die Reparatur ist kinderleicht.

Eine Version dieses Artikels ist zuvor in Maintenance Technology erschienen.