Spänningsoptimering
Spänningsoptimering är en term som ges till den systematiska kontrollerade minskningen av de spänningar som tas emot av en energikonsument för att minska energianvändningen, effektbehovet och behovet av reaktiv effekt. Medan vissa spänningsoptimeringsenheter har en fast spänningsjustering, reglerar andra elektroniskt spänningen automatiskt.
Spänningsoptimeringssystem installeras vanligtvis i serie med elnätet till en byggnad, vilket gör att all dess elektriska utrustning kan dra nytta av en optimerad försörjning.
Bakgrund
Spänningsoptimering är en elektrisk energibesparande teknik som huvudsakligen installeras i serie med elnätet för att ge en reducerad matningsspänning för platsens utrustning. Typiskt kan spänningsoptimering förbättra strömkvaliteten genom att balansera fasspänningar och filtrera övertoner och transienter från strömförsörjningen, men inte alltid. Spänningsoptimerare är i huvudsak transformatorer som används för att leverera ström till en reducerad spänning från det obehandlade nätaggregatet.
Termen spänningsoptimering missbrukas ofta, eftersom termen antyder någon form av selektiv spänningsreduktion, vilket kommer att förbättra energiförbrukningen i en byggnad, medan dessa enheter vanligtvis består av en transformator i en låda, som inte erbjuder någon selektivitet och sänker spänningen på alla försörjningar , om detta skulle erbjuda en kommersiell fördel eller inte. Vissa VO-enheter har installerats på högfrekventa belysningskretsar, vilket ger liten eller ingen kommersiell nytta, därför måste man vara försiktig när termen används.
De flesta VO-enheter installeras i kommersiella lokaler, mellan den råa nättransformatorn och lågspänningscentralen. Detta ger dock ingen selektivitet och anses i eltekniska termer vara en dålig lösning. En fullständig studie bör genomföras av anläggningschefen och VO-företaget för att välja vilka leveranser som skulle kunna gynna ägaren genom att minska spänningen och vilka leveranser som inte skulle ge någon kommersiell fördel. På så sätt köper ägaren bara en VO av rätt storlek och inte en som är för alla förnödenheter. Att installera en VO-enhet för att "optimera" alla leveranser skulle ge en längre avkastning på investeringen, ett högre kapitalutlägg och inte vara någon kommersiell mening.
Storbritannien
Den deklarerade lågspänningsförsörjningen i Storbritannien enligt Electrical Safety, Quality and Continuity Regulations 2002 är nu 230 V med en tolerans på +10% till -6%. Detta innebär att matningsspänningen teoretiskt sett kan vara någonstans mellan 216 V och 253 V beroende på lokala förhållanden. Den genomsnittliga spänningen från det nationella nätet (på fastlandet i Storbritannien) är dock 242 V, jämfört med den typiska europeiska spänningen på 218-222 V. (Den genomsnittliga matningsspänningen i Nordirland är cirka 239 V och 235 V i Republiken av Irland.)
Äldre elektrisk utrustning tillverkad för Storbritannien klassades till 240 V, och äldre utrustning tillverkad för Kontinentaleuropa klassades till 220 V (se Worldwide Mains Voltages ). Ny utrustning bör konstrueras för 230 V. En blandning av utrustning finns sannolikt i äldre lokaler. All utrustning som släppts ut på marknaden inom EU sedan spänningsharmoniseringen 1995 bör fungera tillfredsställande vid spänningar inom området 230 V +/-10 %. Utrustning klassad till 220 V bör fungera tillfredsställande ner till 200 V. Genom att effektivt bringa matningsspänningar till den nedre delen av det lagstadgade spänningsintervallet, skulle spänningsoptimeringstekniken kunna ge genomsnittliga energibesparingar på cirka 13 % [ citat behövs ] .
Ju högre spänning desto högre effektförbrukning vid en ren motståndsbelastning. En sänkning av spänningen påverkar inte energin som används av hushållsapparater som använder resistiva belastningar förutom i enheter som vattenkokare och brödrostar som kommer att ta längre tid att utföra sitt jobb på grund av atmosfäriska förluster. Den största kommersiella fördelen vid installation av VO-enheter är induktiva belastningar, som motorer som driver pumpar, fläktar och liknande. [ citat behövs ] I hemmet kan den potentiella energibesparingen vara upp till 12 % på elräkningen. En VO-enhet kommer att sänka spänningen till den mest effektiva nivån för att maximera besparingen på elförbrukningen, så du kanske märker att vissa saker tar lite längre tid, som att en vattenkokare kan ta lite längre tid att koka.
Det är en vanlig missuppfattning att kylar och frysar inte ger besparingar genom spänningsoptimering eftersom de är försedda med en termostat. Kyl och frys fungerar helt annorlunda än resistiva värmeanordningar. Om en resistiv värmeanordning drivs från en högre spänning blir resultatet värme som är till hjälp i sitt avsedda syfte (uppvärmning). Om en kyl eller frys drivs från en högre spänning blir resultatet också värme, men detta är inte till hjälp i sitt avsedda syfte (kylning). Kompressorns motoreffekt reduceras något genom spänningsoptimering så kyl/frystermostaten kommer att hålla motorn på lite längre, men totalt sett blir effekten att motorn går något längre med mycket lägre förluster. Tester vid Manchester University visade en 10 °C minskning av motortemperaturen under spänningsoptimering på grund av de minskade förlusterna i motorn. [ citat behövs ]
Vanliga problem med strömkvaliteten
Överspänning
Överspänning avser spänning högre än den spänning vid vilken utrustningen är konstruerad för att fungera mest effektivt. Det kan orsaka en minskning av utrustningens livslängd och ökad energiförbrukning utan att prestanda förbättras. En kommentar till ledningsföreskrifterna BS 7671 gör följande påståenden i relation till överspänning: "En 230 V-lampa som används vid 240 uppnår endast 55 % av sin märkta livslängd" (avser glödlampor) och "En 230 V-linjär apparat används på en 240 V-matning kommer att ta 4,3% mer ström och kommer att förbruka nästan 9% mer energi".
Olika tekniker kan användas för att undvika överspänning, men det måste göras så effektivt så att energibesparingar som är resultatet av att använda rätt spänning inte kompenseras av energi som går till spillo i enheten som används för att göra det. Tillförlitlighet är också viktigt, och det finns potentiella problem med att köra full inkommande kraft genom elektromekaniska enheter som servostyrda variabla autotransformatorer.
Underspänning avser spänning som är lägre än den spänning vid vilken utrustningen är konstruerad för att fungera mest effektivt. Om konstruktionen av VO inte tar hänsyn till spänningsfall över avståndet till fjärranslutna strömanvändare, kan detta leda till för tidigt utrustningsfel, misslyckande att starta, ökad temperatur vid motorlindningar och förlust av drift.
Övertoner
Övertoner är ström- och spänningsvågformer vid multiplar av grundfrekvensen för 50 Hz (eller 60 Hz) huvudförsörjning. Övertoner orsakas av icke-linjära belastningar, som inkluderar strömförsörjning för datorutrustning, frekvensomriktare och urladdningsbelysning. "Tridubbla" övertoner (udda multipler av den tredje övertonen) uppstår när fasspänningar inte är balanserade i ett trefaskraftsystem och adderar till nollan, vilket gör att slösaktiga strömmar flyter .
De möjliga effekterna om nivån av övertoner, känd som total övertonsdistorsion blir för hög, inkluderar skador på känslig elektronisk utrustning och minskning av effektiviteten hos HV-transformatorn. Effektiviteten hos elektriska belastningar kan förbättras genom att dämpa övertoner vid tillförseln eller genom att förhindra att de genereras. Vissa spänningsoptimeringsanordningar dämpar också övertoner, vilket minskar förluster i samband med övertonsinnehåll i det elektriska systemet.
Övergående
Transienter är stora, mycket korta och potentiellt destruktiva spänningsökningar. Deras orsaker inkluderar blixtnedslag, omkoppling av stora elektriska belastningar som motorer, transformatorer och elektriska drivenheter, och genom att byta mellan kraftgenereringskällor för att balansera utbud och efterfrågan. Även om de vanligtvis bara varar tusendelar eller miljondelar av en sekund, kan transienter skada elektroniska system som orsakar dataförlust, försämrar utrustningskomponenter och förkortar utrustningens livslängd. Vissa spänningsoptimeringsenheter inkluderar transientskydd.
Fasspänningsobalans
Industri- och kommersiella platser försörjs med 3-fas el . Obalans mellan faserna orsakar problem som uppvärmning av motorer och befintliga ledningar, vilket leder till slösaktig energiförbrukning. Vissa spänningsoptimeringsanordningar kan förbättra balansen på byggnadens elförsörjning, minska förluster och förbättra livslängden hos trefasa induktionsmotorer.
Kraftnedgångar
Effektdippar är spänningsminskningar, oftast av kort varaktighet (<300 ms) men ibland längre. De kan orsaka ett antal problem med utrustningen, till exempel kan kontaktorer och reläer falla ut och göra att maskiner stannar. Det finns ett antal lågspänningstekniker, inklusive avbrottsfri strömförsörjning, användningen av kondensatorer på lågspänningslikströmsstyrkretsar, användningen av kondensatorer på DC-bussen till frekvensomriktare med variabel hastighet. Försiktighet måste iakttas så att spänningsoptimeringsåtgärder inte minskar spänningen i en sådan utsträckning att utrustningen är mer sårbar för effektfall.
Effektfaktor och reaktiv effekt
Effektfaktorn för en elförsörjning är förhållandet mellan den verkliga effekten och den skenbara effekten hos försörjningen . Det är den användbara effekten som används av webbplatsen dividerat med den totala effekten som dras. Det senare inkluderar effekt som är oanvändbar, så en effektfaktor på 1 är önskvärt. En låg effektfaktor skulle innebära att elleverantören i praktiken skulle leverera mer energi än vad konsumentens räkning skulle indikera och leverantörer får ta betalt för låga effektfaktorer.
Reaktiv effekt är namnet på oanvändbar effekt. Det fungerar inte i det elektriska systemet, utan används för att ladda kondensatorer eller producera ett magnetfält runt en induktors fält. Reaktiv effekt måste genereras och distribueras genom en krets för att ge tillräcklig verklig effekt för att processer ska kunna köras. Den reaktiva effekten ökar avsevärt med ökande spänning när utrustningens reaktans ökar. Att korrigera detta med spänningsoptimering kommer därför att leda till en minskning av reaktiv effekt och förbättring av effektfaktor.
Effekter på elektriska belastningar
En vanlig missuppfattning när det gäller spänningsoptimering är att anta att en spänningsminskning kommer att resultera i en ökning av strömmen och därför konstant effekt. Även om detta är sant för vissa fasta belastningar, har de flesta anläggningar en mångfald av belastningar som kommer att gynnas i större eller mindre utsträckning med energibesparingar som samlas över hela webbplatsen. Fördelarna med typisk utrustning på trefasplatser diskuteras nedan.
Trefasmotorer
Trefas induktionsmotorer är förmodligen den vanligaste typen av trefaslast och används i en mängd olika utrustningar inklusive kylning, pumpar, luftkonditionering, transportörer samt deras mer uppenbara tillämpningar. De sänkande effekterna av överspänning och trefasobalans på AC-motorer är välkända. För hög överspänning resulterar i mättnad av järnkärnan, slöseri med energi genom virvelströmmar och ökade hysteresförluster. Dragning av för hög ström resulterar i överskottsvärme på grund av kopparförluster. Den extra påfrestningen av överspänning på motorer kommer att minska motorns livslängd.
Att undvika överspänning som är tillräckligt hög för att orsaka mättnad minskar inte effektiviteten, så avsevärda energibesparingar kan göras genom att minska järn- och kopparförlusterna. Motorer konstruerade för den nominella spänningen (t.ex. 400 V) bör dock kunna klara normal variation i spänningen inom matningsgränserna (+/-10%) utan mättnad, så detta är osannolikt ett betydande problem.
Att sänka spänningen till en induktionsmotor kommer att påverka motorhastigheten något eftersom slirningen ökar, men hastigheten är främst en funktion av matningsfrekvensen och antalet poler. Motorverkningsgraden är optimal vid rimlig belastning (vanligtvis 75 %) och vid den designade spänningen, och kommer att falla något med små variationer på båda sidor om denna spänning. Större variationer påverkar effektiviteten mer.
Mycket lätt belastade motorer (<25%) och små motorer drar mest nytta av att minska spänningen.
När det gäller motorer som drivs av frekvensomriktare, när ingångsspänningen reduceras, kommer det att ske en proportionell minskning av utspänningen från frekvensomriktaren och motorn kommer att dra mindre ström och så småningom förbruka mindre ström. Men om motorn körs med hög belastning (>80%), kommer spänningsminskningen att resultera i minskat vridmoment och motorn kommer att sluta dra mer ström och effekt.
Belysning
När belysningslaster används under en stor del av tiden är energibesparingar på belysningsutrustning extremt värdefulla. När spänningen sänks kommer glödlampsbelysningen att se en stor minskning av strömförbrukningen, en stor minskning av ljuseffekten och en ökad livslängd, vilket de tidigare utdragen från Elektrikerguiden illustrerar. Eftersom minskningen av ljuseffekten kommer att överstiga minskningen av effekt som dras, kommer energieffektiviteten - ljuseffektiviteten - för belysningen att sjunka.
Men andra typer av belysning kan också dra nytta av förbättrad strömkvalitet, inklusive system med resistiva eller reaktiva förkopplingsdon. Lysrör och urladdningsbelysning är effektivare än glödlampsbelysning. Lysrörsbelysning med konventionella magnetiska förkopplingsdon kommer att se en minskad strömförbrukning, men också en minskad lumeneffekt från lampan. Lysrör på moderna elektroniska förkopplingsdon kommer att använda ungefär samma effekt och ge samma ljus.
För att ge samma watt vid den reducerade spänningen krävs en större ström och ökade kabelförluster. Belysningskontroller och förkopplingsdon är dock ansvariga för att generera höga nivåer av harmonisk distorsion, som kan filtreras med vissa typer av spänningsoptimerare, och dessutom minskar behovet av belysningskontroller. Ett vanligt bekymmer är att viss belysning kommer att misslyckas med att slå vid lägre spänningar. Detta bör dock inte ske eftersom syftet med spänningsoptimering inte bara är att reducera spänningen så långt som möjligt, utan att få den till den servicenivå spänning vid vilken den är designad för att fungera mest effektivt.
Uppvärmning
Värmare kommer att förbruka mindre ström, men ge mindre värme. Termostatstyrda utrymmen eller varmvattenberedare kommer att förbruka mindre ström medan de körs, men kommer att behöva köras längre varje timme för att producera den önskade effekten, vilket resulterar i ingen besparing.
Strömförsörjning med switchat läge
Switchade nätaggregat kommer att använda samma effekt som tidigare, men kommer att dra en något större ström för att uppnå detta, med något ökade kabelförluster och liten risk för att den ökade strömmen löser ut MCB:er .
Energi sparande
Energibesparingarna som uppnås med spänningsoptimering är en sammanläggning av den förbättrade effektiviteten för all utrustning på en plats som svar på förbättringarna i strömkvalitetsproblemen som beskrivs ovan. Det är möjligt teknik för besparingar i energiförbrukning under vissa omständigheter.
Forskning i Taiwan antydde att det, för en industriell försörjning, för spänningsreduktion uppströms om transformatorn, finns en 0,241 % minskning av energiförbrukningen när spänningen minskas med 1 %, och en ökning med 0,297 % när spänningen ökas med 1 %. Detta förutsatte en blandning av belastningar inklusive 7 % lysrörsbelysning, 0,5 % glödlampsbelysning, 12,5 % trefas luftkonditionering, 5 % motorer, 22,5 % små 3-fasmotorer, 52,5 % stora 3-fasmotorer.
Det är troligt att en modern installation skulle ha mindre möjligheter: nästan ingen glödlampsbelysning, delvis högfrekvent lysrörsbelysning (ingen besparing), vissa frekvensomriktare (ingen besparing), högre motorverkningsgrad (så mindre avfall att spara). En nordeuropeisk installation skulle inte ha det stora antalet små enfasmotorer för luftkonditionering.
Energibesparing är möjlig med äldre belysning, på bekostnad av lägre ljuseffekt, (t.ex. glöd- eller lysrörsbelysning och urladdningsbelysning med ineffektiv driftdon eller driftdon). Därför kan äldre affärs- och kontorslokaler spara mer än moderna byggnader eller industritomter. Men moderna belysningssystem (vanligtvis LED) kommer att spara betydligt mer energi på grund av högre effektivitet än energi som sparas på äldre belysningssystem efter installation av en spänningsoptimerare.
Att uppnå energibesparingar med en spänningsoptimerare som används med moderna belysningssystem är mycket tveksamt. Moderna elektroniska omkopplingskontroller för LED- eller lysrörsbelysningssystem är designade för att driva lamporna med optimal ljuseffekt och lång livslängd med hög effektivitet. Variationer i matningsspänning kommer därför inte att göra någon skillnad för den totala energianvändningen för dessa typer av lampor. Det finns dock typer av lågkostnadskontroller för LED och lysrör som minskar spänningen genom att avge energi som värme (t.ex. flera lysdioder i serie med serieresistans). Att variera matningsspänningen skulle påverka energin som används av dessa typer av lampor, men dessa typer av lampor har i allmänhet låg effekt och ljuseffekten skulle också påverkas.
Arbetat exempel
En typisk 100 watts glödlampa har en verkningsgrad på högst 17,5 lumen per watt (l/W) och kommer därför att producera 1750 lumen vid sin märkspänning. En typisk modern LED-lampa har en verkningsgrad på cirka 150 lumen per watt, och kräver därför inte mer än 12 watt för samma ljuseffekt. Enligt lampanvändningsformler minskar spänningen över en glödlampa med 10 % effekten (och därmed energin) med cirka 16 % och minskar ljuseffekten med cirka 31 %.
Därför kommer en spänningsoptimerare som minskar spänningen på en glödlampa med 10 % att minska energin med 16 % och ljuseffekten med 31 %, producera endast 1210 lumen och förbruka 84 watt. Att byta glödlampan till en LED-lampa med liknande ljuseffekt skulle ha minskat förbrukningen mer effektivt, ner till 12 watt. Dessutom, eftersom ljuseffekten reduceras med så mycket, kan större besparingar göras genom att byta till en 75 watts glödlampa utan spänningsoptimerare (1312,5 lumen förutsatt 17,5 L/W). LED-lampan kan också minskas i storlek till 8W, om bara 1210 lumen krävs.