Energiasäästust elektriajamisüsteemides

Ilmunud ajakirjas Elektriala nr. 1 / 2000

Jüri Joller
Tehnikateaduste magister,
Tallinna Tehnikaülikooli lektor

Raik Jansikene
Tehnikateaduste magister,
Tallinna Tehnikaülikooli lektor
 

Teatavasti on Eestis energiatarve kogutoodangu maksumuse ühiku kohta ebanormaalselt suur (4 korda kõrgem kui maailma keskmine ja 5 korda kõrgem kui nt. Soomes). Üheks võimaluseks meie energiatarvet otsustavalt vähendada on säästlike elektriajamite ja ajamisüsteemide laialdasem kasutamine. Sellel eesmärgil on TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituudis energiasäästlikke elektriajameid viimastel aastatel intensiivselt uuritud. Ühtlasi on tehtud mitmete tööstuslike süsteemide energiasäästu võimaluste uuringuid. Käesolev artikkel tutvustab peamisi energiasäästu võimalusi ajamisüsteemides.

Mitmesugused elektriajamisüsteemid tarbivad 6070 % kogu toodetavast elektrienergiast (joon. 1).


Joonis 1. Elektriajamite energiatarbe jaotus


Sellest omakorda tarbivad u. 1/3 mitmesugused pumbad, 1/3 ventilaatorid ja kompressorid ning 1/3 muud ajamid. Et püsida kogu aeg tugevnevas konkurentsis, peavad ettevõtted vähendama tootmiskulusid. Paljudes tööstusharudes on elektrienergia osatähtsus tootmiskuludes küllaltki suur ja kuna selle hind pidevalt kasvab, on elektrienergia sääst tööstusettevõtetes eriti päevakohane.

Üks kõige tõhusamaid energiatarbe vähendamise võimalusi seisneb reguleeritava kiirusega ning sagedusjuhtimisega elektriajamite kasutamises; sageli on saadav sääst kuni 70 %. Küllalt hästi ollakse teadlikud ka tavalisest kõrgema kasuteguriga nn. säästumootorite ja -trafode, efektiivsemate pumpade, ventilaatorite jm. töömasinate kasutamisest. Nii näiteks võib pumbaajamite üleviimisel sagedusreguleerimisele kujuneda tasuvusaeg vägagi lühikeseks [1].

Et leida ja õigesti hinnata energiatarbe vähendamise võimalusi, tuleb enamasti uurida mitte ajamisüsteemi üksikosi, vaid süsteemi tervikuna. Joonisel 2 on üldistatult kujutatud levinumate ajamisüsteemide põhilised alamsüsteemid ja komponendid.
 


Joonis 2. Elektriajamisüsteem


 



Ajamisüsteemi energiasäästuvõimalused

Jaotusvõrgus tuleb käesoleval ajal kõne alla eeskätt

Käivitus- ja juhtimisaparatuuri ning muundurite valiku võimalustest on olulisimad Mootorite valikul tuleb silmas pidada, et Mehaanilises sidestuses Käitatavate seadmete talitlusviisi valikul Mehaanilises, hüdraulilises või pneumaatilises jaotussüsteemis tuleb Tehnoloogilise protsessi kujundamisel Säästuprojekti teostamisest

Kui tegemist on keerukama ajamisüsteemiga, pole projekti algstaadiumis tavaliselt teada, kas moderniseerimine on tasuv (tehnilis-majanduslikult õigustatud) või mitte. Majandusliku riski oodatust väiksem säästu, lubamatult pika tasuvusaja, protsessi katkemise jm. tõenäoliste ohtude vähendamiseks tuleb keerukatele säästuprojektidele läheneda samm-sammult, järjestikuste või osalt kattuvate etappide kaupa. Iga etapi lõpus hinnatakse projekti jätkamise teostatavust ning otsustatakse, kas jätkata või mitte. Jätkamisotsust ei tohi mõjutada uuringule tehtud kulutused.

Ajamisüsteemi moderniseerimise projekti esimene samm on eeluuring, mille jooksul selgitatakse välja projekti ulatus ja võimalused, eesmärgid, tehnilised parameetrid, probleemid, võimalikud lahendused ning antakse hinnang projekti järgnevates etappides vajalikele kuludele ja tuludele. Eeluuring lõpeb projekti teostatavuse hinnangu ning soovitustega.

Kui eeluuring andis soovituse jätkata, teostatakse olemasoleva ajamisüsteemi põhjalik analüüs. Lisaks sellele, et tuleb täielikult aru saada, miks ja kuidas ajamisüsteem toimib, tuleb välja selgitada, kas loodetud eesmärke on antud juhul võimalik saavutada. Süsteemne lähenemine energiasäästu võimalustele hõlmab lisaks ajamisüsteemi üksikosade talitluse parandamisele kogu süsteemi energiabilansi ja kasutegurite analüüsi, mis on energiasäästumeetmete väljatöötamise aluseks. Süsteemne lähenemine haarab järgmisi omavahel seotud tegevusi:

Analüüsietapi aruandes esitatakse probleemid, mis tuleb lahendada, ja piirangud, mida tuleb arvestada projekti jätkamisel või lõpetamisel.

Kui tellija otsustas säästuprojekti jätkata, määratletakse ja kooskõlastatakse järgneval nõuete määratlemise etapil tellija tehnilised tingimused ja nõudmised. Heaks abivahendiks on sellel etapil ajamisüsteemi arvutimudel. Saadaval on mitmeid modelleerimisprogramme (nt. Matlab Simulink), mis võimaldavad ajamisüsteemi struktuuri, käitumist ja parameetreid kirjeldada ülekandefunktsioonide abil. Mudeli käivitamisel ehk simuleerimisel saab kõik talitlused läbi proovida ning leida vajalikud parameetrid ning energiatarbimine. Ühtlasi selgub, kas või mil määral saab tellija nõudeid täita. Projekti jätkamine on võimalik endastmõistetavalt üksnes siis, kui tellija nõudmised on täidetavad.

Nõudmiste alusel valitakse tehnilis-majanduslikult parim teostatav lahendusvariant, mis kooskõlastatakse tellijaga. Järgneb moderniseerimise eelprojekti koostamine. Projekteerimine on aeganõudev ja peensuslik tehniline tegevus. Valitud lahenduse teostamiseks on tohutult erinevaid võimalusi. Tuleb otsustada, kas vajalik riist- ja tarkvara osta või valmistada ise, millise firma tooteid kasutada jne. Lahendusvariante hinnatakse tehnilise teostatavuse, nõuete täidetavuse ja maksumuse alusel. Lõpliku lahenduse valikusse kaasatakse harilikult ka tellija.

Soetamisetapil ostetakse nõuetele vastav ning sobiva hinnaga riist- ja tarkvara ning koostatakse lõplik moderniseerimisprojekt.

Projekteerimisetapil koostatakse väljavalitud tehnilis-majanduslikult parima lahendusvariandi projektdokumentatsioon. Alustatakse protsessist, mille vajadustele kogu ülejäänud ajamisüsteem peab vastama.

Süsteemi koostamise ja katsetamise etapp on tavaliselt kõige pikem. Kui eelnevad etapid polnud piisavalt põhjalikud või puudusid üldse, võib see etapp tunduvalt pikemaks venida kui esialgu kavandati.

Kättetoimetamise etapil tuleb vana ajamisüsteem sujuvalt uuega asendada. Sellesse etappi kuulub ka kasutusjuhendite koostamine ja töötajate väljaõpe.

Viimasel, hooldamise ja täiustamise etapil vajab ajamisüsteem perioodilist kontrolli, hooldust ja täiustamist. Küllaltki tavalised on tarkvaravead, mis pahatihti ei ilmne eelnevatel etappidel. Töö käigus võib olla vajalik ka mõnede funktsioonide täiustamine, häireprobleemide lahendamine jms. Selles etapis tuleks teostada ka mõõtmised tegeliku energiatarbimise määramiseks.
 
 

Süsteemse lähenemise näide

USA Energiadepartemangu ühes energisäästu käsitlevas ülevaates [2], milles on esitatud kümneid näiteid ulatuslike sammude kohta, mida tööstusfirmad on võimelised astuma süsteemse lähenemise suunas, vaadeldakse muuhulgas selle probleemi lahendamist firmas 3M Corporation. See mitmekülgse tootmisprofiiliga firma (märgime, et 3M tuleneb tema esialgsest nimest Minnesota Mining & Manufacturing) alustas 1994. aasta jaanuaris oma tootmiskompleksi ajamisüsteemide optimeerimist. Vastavasse töörühma kaasati nii oma kui ka teiste firmade spetsialiste. Turunõudluse spetsialist palgati energiasüsteemist Northern States Power Company, müügiinsener kontsernist General Electric Company ja automaatikainsener firmast Landis & Gyr, Inc. Kõigepealt määratles töörühm projektid, mis oma järkjärgulise rakendamise korral võimaldavad saada olulist energiasäästu ning tagavad investeeringute mõistliku tasuvuse. Töötati välja konkreetsed ettepanekud, mis esitati juhtkonnale. Järgnevalt võttis töörühm endale vastutuse heakskiidetud projektide väljatöötamise, lepingute sõlmimise ja realiseerimise eest. Teostati kontrollmõõtmised, mis võimaldasid võrrelda tegelikult saadavat energiasäästu ennustatuga. Projekti näitlik esitlus toimus firma keskettevõtte ühe tootmisüksuse kohta tehtud uuringu põhjal, milles esitati järgmised täiustused:

Käsitletud süsteemide energiatarve vähenes kokku 41 % võrra, kusjuures investeeringute maht oli 79 500 USD, aastane sääst 77 600 USD ja projekti tasuvusaeg seega 1,03 aastat. Kogu tootmiskompleksi energiatarve vähenes 6,4 % võrra.
 

Kokkuvõte

Energiatarbimise minimeerimise seisukohalt tuleb süsteemi või protsessi käsitleda tervikuna. Energiasäästu võimalused leitakse süsteemi põhjaliku analüüsi teel, mis eeldab paljude kogu protsessi valdavate asjatundjate koostööd ning projekti samm-sammulist arendamist.

Energiasäästu võimalusi võib leida igas ettevõttes. Saadav sääst peab aga tehtud kulutused mõistliku ajaga tagasi teenima. Üldreeglina tasuvad vastavad uuringud ja nende juurutamine end ära ühe kuni kahe aastaga.
 

Allikad

  1. Joller, J. Sagedusmuunduri tasuvusajast // Elektriku kalender 1998. Lk 153...156.
  2. Motor Challenge Energy Savings Network http://www.motor.doe.gov/
  3. http://www.ewweb.com/articles/energy2.htm
  4. http://unicade.com/Articles/ACEEE99.htm