Modernisatie van aandrijfinstallaties met vaste snelheid via frequentieomvormers: technisch onderbouwing en berekening van de terugverdienperiode

1. Inleiding

Onderwerpen van de industriële bedrijven in Oekraïne worden geconfronteerd met strenge eisen betreffende het verminderen van energieverbruik en het verhogen van de betrouwbaarheid van het uitrusting. Een aanzienlijk deel van de pompen, ventilatie- en compressorparken op de fabrieken in het land gebruikt nog steeds aandrijvingen met vaste snelheid en een drosselregeling van de stroom. Deze benadering is ondoeltreffend vanuit thermodynamisch en mechanisch oogpunt.

EU-richtlijnen betreffende ecodesign en eisen van nationaal energie-efficiëntie-wetgeving dwingen ondernemingen tot energie-audities uit te voeren. Continue werking van een motor op nominale toerental bij variabel belasting leidt tot overmatige slijtage van mechanische onderdelen, hoge elektrische energie-uitgaven en frequent onderbrekingen voor reparatie. De overgang naar een gereguleerd elektrisch aandrijf via frequentieomvormers (VFD) elimineert deze verliezen.

In dit artikel bespreken we de technische aspecten van het heruitrusten van verouderde drives, geven we een methode voor het berekenen van de terugverdienperiode van kapitaaluitgaven (CAPEX) en stellen we een stapsgewijze implementatieplan voor van moderne apparatuur, zoals de frequentieomvormers van de serie ABB 990055 (artikelnummer ex.746927), die UNITEC-D GmbH leveren volgens de standaarden ISO 50001 en EN 61800-3.

2. Onderzoek van verouderde systemen

Voordat een besluit wordt genomen over het vervangen van apparatuur moet de hoofdingenieur een volledige audit uitvoeren van de huidige toestand van de aandrijving. Verouderde oplossingen op basis van directe starten (DOL) of verouderde tiristoromvormers tonen vaak een lage vermogensfactor en veroorzaken aanzienlijke harmonische vervormingen in het net.

Hieronder staan de criteria voor het beoordelen van verouderde aandrijfsystemen voorafgaand aan de modernisering:

Het argument "maar de oude systeem werkt nog" komt vaak van de voorraad- of financiële afdelingen. Echter een analyse van het totale levenscyclus (LCC) toont aan dat de elektrische energiekosten over 3 jaar van een 110 kW motor vier tot vijf keer hoger liggen dan de kosten van het apparaat zelf. Het gebruik van verouderd apparaat leidt tot versteckte verliezen door ongeplande stilleggingen.

3. Moderne alternatieven

Een vergelijking van technologieën toont de technische voordelen en economische reden om over te stappen op moderne frequentieomzetters in combinatie met energieefficiënte motoren.

Toepassing van de wetten van gelijkvormigheid voor centrale mechanismen toont een kwadratische afhankelijkheid van het koppel en een kubische afhankelijkheid van de vermogensverbruik van de rotatiesnelheid ($P \propto n^3$). Een vermindering van de rotatiesnelheid van de pompen met slechts 20% verlaagt het verbruikte vermogen bijna met 50%.

4. Berekening van de terugverdienperiode (ROI)

Voor de onderbouwing van investeringen voor de raad van bestuur of investeerders geven we een gedetailleerd berekening weer voor een typisch productiebedrijf in Oekraïne. Het te moderniseren object is een retourwatervoorzieningssysteem met een motor van 132 kW (klasse IE2) dat 7500 uur per jaar werkt.

Begindata voor berekening:

• Nominaal vermogen van de motor: $P_n = 132 ext{ кВт}$
• Gemiddeld belasting per cyclus van de technologische proces: 70% van de nominale waarde
• Jaarlijkse fonds van werktijd: $T = 7500 ext{ uur}$
• Kosten van elektrische energie voor een industriële onderneming: $C_e = 6,50 ext{ грн/кВт}\cdot ext{год}$ (met rekening houding met transport en belastingen)
• Kostprijs van het modernisatiepakket (frequentieomvormer ABB 990055 (ex.746927), spoelen, montage materialen, start- en instelwerkzaamheden): $CAPEX = 450\,000 ext{ грн}$

Energieverbruik van de oude aandrijving (drosseling):

Bij werken met een drossel blijft het verbruik op het niveau van ongeveer 85% van het nominale niveau door drukverliezen: $132 \text{ кВт} \times 0.85 = 112.2 \text{ кВт}$.

Jaarlijks elektriciteitsverbruik:

Jaarlijkse elektriciteitsverbruik:

Energieverbruik van de nieuwe aandrijving (VFD ABB 990055):

Bij een kubische afhankelijkheid van de vermogensverbruik bij een productiviteitsdaling tot 70%, daalt het verbruikte vermogen tot een niveau van ongeveer 45% van de nominale waarde: $132 \text{ кВт} \times 0.45 = 59.4 \text{ кВт}$.

Jaarlijks elektriciteitsverbruik:

Jaarlijkse elektriciteitsverbruik:

Berekening van de economische voordeel en de terugverdientijd:

• Jaarlijks besparing elektrische energie: $841\,500 - 445\,500 = 396\,000 ext{ кВт}\cdot ext{год/рік}$
• Jaarlijks besparing in geldwaarde: $5\,469\,750 - 2\,895\,750 = 2\,574\,000 ext{ грн/рік}$
• Verlaging van reparatiekosten en vervanging van slijtende lagers/stopcontacten (vermindering van belasting): 120 000 грн/jaar
• Algemene jaarlijkse winst: $2\,574\,000 + 120\,000 = 2\,694\,000 ext{ грн/рік}$

Terugverdientijd (Payback Period):

Eenmalig met een conservatief verminderde energieverbruik van 25%, bedraagt de terugverdienperiode niet meer dan 4 maanden.

5. Stapsgewijze implementatieplan

Om de productieonderbreking tijdens de herstructurering te minimaliseren, moet de ingenieursdienst strikte procedures volgen met vier fasen.

1. Fase planning en audit (Weken 1–2):
   • Uitvoeren van metingen van netwerkparameters en belasting van de bestaande motor.
   • Ontwerp van aansluitingschema's voor de frequentieomvormer ABB 990055 met rekening houdend met de afmetingen en de eisen van de standaard EN 60204-1 betreffende elektrische veiligheid.
   • Bestelling van apparatuur via UNITEC-D GmbH voor het waarborgen van directe leveringen van originele onderdelen.
2. Fase van voorbereiding en voorinstallatie (Weken 3–4):
   • Vervaardiging en montage van een nieuwe krachtbedieningskast buiten de actieve productiezone.
   • Lijnlegging van kabeltrassen en montage van geschermd krachtverbruikerskabels (volgens de EMC-vereisten van standaard EN 61800-3).
3. Fase korte stilstand en fysieke vervanging (Venster 24–48 uur):
   • Demontage van verouderde startregelapparatuur.
   • Installatie van de frequentieomvormer ABB 990055 (ex.746927).
   • Aansluiten van sterkstroomkabels en bedrijfskabels op de PLC van het bedrijf.
4. Fase van starten en overdracht (Week 5):
   • Parametrisatie van de beschermende functies van de converter, instellen van de PID-regelaar voor druk of stroomonderhoud.
   • Uitvoeren van belastingtests en ondertekening van het inbedrijfstellingsschrift.

6. Technische problemen en manieren van hun oplossing

Modernisatie van de aandrijving wordt vaak gevolgd door specifieke ingenieursuitdagingen die op het ontwerpproces moeten worden opgelost:

• Elektrische storingen en elektromagnetische compatibiliteit (EMC): De hoge frequentie van de schakeling van de krachttransistoren (IGBT) in de VFD veroorzaakt harmonischen en hoge frequentie stroomuitstoken. Oplossing: het gebruik van geschermd motorkabel, montage van uitgangs du/dt filters of sinusfilters bij een kabellengte van meer dan 50 meter.
• Verwarming van de motor bij lage toerental: Bij langdurige werking van een oude motor op een verlaagde frequentie (minder dan 30 Hz) verliest de ingebouwde koelventilator zijn efficiëntie. Oplossing: installatie van een onafhankelijk verplicht koelsysteem (gatventilator) of vervanging van de motor door een model van klasse IE3/IE4, aangepast voor gebruik met een invertor.
• Resonantiebewegingen van de mechanische onderdelen: Verandering van snelheid kan samenvallen met de eigen frequenties van de assenstel of koppeling. Oplossing: programmeren van frequentieblokkering zones (Skip Frequencies) in de parameters van de omvormer ABB 990055.

7. Voorbeeld uit de praktijk (Case Study)

Op een van de cementfabrieken in Oekraïne werd een rookzuiger met een asynchrone motor van 200 kW gebruikt, waarbij het regelen van de branding in de oven werd gedaan via een schoteltje. De vibratie niveau op de lagers overschreed constant 5,8 mm/s door de turbulentie van de stroom, en de motor stond elke 9 maanden stil vanwege het oververhitten van de wikkelingen.

Resultaten van modernisatie:

• Geïnstalleerd frequentieomzetter ABB 990055 met uitgangsfilter.
• Schotter volledig geopend en vastgezet in positie 100%. Regeling van de afgifte is overgezet naar verandering van de motoromwentelingen.
• Gemeten KPI voor en na:
  • Energieverbruik is met 38% gedaald (van 1650 duiz. kWh naar 1023 duiz. kWh per jaar).
  • De vibratiehoogte is gedaald tot 1,8 mm/s (overeenkomstig de norm ISO 10816-3 voor apparatuurklasse).
  • De MTBF is toegenomen van 6000 uur naar meer dan 35 000 uur continue werking.
  • Feitelijke terugverdienperiode van het project bedroeg 3,2 maanden.

8. Start- en validatieprocedure

Na afronding van de montage werkzaamheden wordt een compleet ontvangst- en overnamecontrole uitgevoerd volgens de standaarden EN 60204-1 en DSTU EN 60034.. De procedure omvat:

• Meet van de isolatieweerstand van de motorwikkelingen met een megohmmeter (spanning 1000 V).
• Controleer de correctheid van de fasevolgorde en de rotatiedoelrichting van de ventilator of pompen.
• Testen van het activeren van noodstopcircuiten (Safe Torque Off — STO).
• Metingen van de harmonischen in het net en bevestiging van de energie-efficiëntieparameters volgens ISO 50001.

Alle gegevens worden opgenomen in het elektriciteitsinstallatiepaspoort, wat de juridische en technische veiligheid van de verdere bedrijfsvoering garandeert.

9. Conclusie

Overgang van vaste snelheid aandrijfingen naar frequentie-regelbare aandrijvingen op basis van moderne apparatuur, zoals ABB 990055 (ex.746927), is een verplichte stap voor Oekraïnske industriële ondernemingen die hun energie-uitgaven willen verminderen en de betrouwbaarheid van productielijnen willen verhogen. Een lage terugverdienperiode (2–4 maanden) maakt deze investeringen prioriteit voor CAPEX-budgetten.

UNITEC-D GmbH biedt het leveren van gekeurde onderdelen voor modernisatie van elke industriële systemen overeenkomstig Europese normen. Bekijk onze UNITEC-D E-Catalog voor het sortiment aan apparatuur.

10. Referentie

• DS TU EN 61800-3:2015 Stelsels van frequentiegecontroleerde krachtige elektrische aandrijvingen. Deel 3. Vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit en speciale toetsmethoden.
• EN 60204-1 Veiligheid van machines. Elektrische uitrusting van machines en mechanismen. Deel 1. Algemene eisen.
• IEC 60034-30-1 Elektrische machines met draaiing. Deel 30-1. Efficiëntieklassen van wisselstroommotoren (IE-code).
• ISO 50001:2018 Energiebeheersystemen. Voorwaarden en richtlijnen voor toepassing.
• Technische documentatie van de fabrikant: Handleiding voor montage en bediening van frequentieomvormers van de serie ABB 990055.