Fagyártmánytermelő üzemeink villamosgépeinek (motorjainak) gazdaságos üzemeltetése LAIJíCSÁK ISTVÁN Előző tanulmányom elején Az Erdő 1963. 12. számában röviden rámutattam a meddőenergia-gazdálkodás országos jelentőségére. Ez alkalommal a fogyasztói oldalon a háromfázisú aszinkron (indukciós) motorokat a hálózati kedvezőtlen teljesítménytényező fő okozóit vizsgálom. A teljesítménytényező váltóáramú berendezéseknél az induktív terhelés következtében a feszültség és az áram vektor között beállott fáziseltolás eredménye. Geometriailag a fázisszög cosinusaként fejezhető ki : cos (p PujS (Jm) 1. ábra: Hatásos (wattos), meddő és lászólagos teljesítmény vektoros ábrázolása A váltakozóáramú indukciósmotor működéséhez olyan mágnesező áram szükséges, amely időben fázisban 90 -kal marad el a feszültségtől. E mágnesező áram vektora merőlegesen áll a feszültségvektorra ; a két vektor szorzata nulla, tehát a feszültség és mágnesező áram szorzata a meddőteljesítmény (Q). A meddőteljesítmény és a hasznos teljesítmény (Ph) vektora összeadódik : eredőjük a látszólagos teljesítmény (8). Hasonlóan, a vezetéken tényleg folyó, a hálózatot terhelő áram (I t ) felbontható hasznos (I w ) és meddő (I m ) összetevőkre. A teljesítményvektorok háromszögétől csak léptékben különbözik az áramok vektordiagramja. Azonos feszültségnél a teljesítmény, illetve az áramháromszög hasonló, a q> fázisszög ugyanaz. Végeredményben teljesen szimmetrikus háromfázisú rendszerre definiálva a teljesítményeket : a hatásos teljesítmény P h = V 3 ^ o s * kw (watt, kilowatt) (1) a meddő teljesítmény: a látszólagos teljesítmény : V 3 UI sn Q = 1 0 0 0 kvar (var, kilovar) S = ^QQ^" kva (voltamper, kilovoltamper) Minél rosszabb a teljesítménytényező, illetve minél nagyobb a meddő (mágnesező) áram, annál nagyobb a látszólagos áram és a látszólagos teljesít-
meny. A hasznos áramnak látszólagos árammá való növekedése azonban nagyon hátrányos. Irányítsuk tehát vizsgálatunkat a teljesítménytényező csökkenésére, amely az alábbi káros hatásokat idézheti elő : a) Az energiaellátási rendszer generátorainak, transzformátorainak stb. teljesítménye és méretei megnövekednek. A kedvezőtlen teljesítménytényező növeli az 1 kw hasznos teljesítményre eső beruházási költséget (nyersanyagszükségletet! ). A meddőteljesítmény szállítása miatt nagyobb áramra van szükség. b) A villamos teljesítményveszteség és a vezetők szükséges keresztmetszete növekszik. A meddőáram fellépése következtében a berendezések kisebb teljesítmények szállítására lesznek alkalmasak. Ismeretes, hogy az energiaveszteségek az áram négyzetével arányosak (V = I 2 R), így nyilvánvaló, hogy a meddőigény miatt fellépő nagyobb áram négyzetes arányban növekvő veszteségeket okoz. 2. ábra: 3 db 8 kvar-os CPE 380 3 8 MBF típusfejű kisfeszültségű fázisjavító kondenzátor 3. ábra: Lakatfogó, Reich fogó hatásos és meddőteljesítmény, áram- 'és feszültség mérésre c) A hálózat feszültségesése megnövekszik. A teljesítménytényező csökkenése a vezetékekben, a kábelekben stb. az áramerősség növekedésével jár, ez megnöveli a feszültségesést. A gazdaságos megoldás tehát az, hogy a berendezés feleslegesen terhelő meddőáramát megszüntessük. A meddőáram termelésének okát kiküszöböljük, vagy csökkentjük, lehetőleg a fogyasztás helyéhez minél közelebb. Kompenzálni kell a meddőigényt beruházást igénylő, egyben műszaki és gazdaságossági intézkedéseket kívánó módszerekkel, fázisjavító (sztatikus) kondenzátorok alkalmazásával. Ezen kondenzátoroknak elektrosztatikus kapacitása negatív irányú fáziseltolódást idéz elő. Ha a beépített kondenzátorok megfelelő kapacitásúak, akkor nemcsak az adott mező pozitív fáziseltolódását szüntetik meg, hanem a szomszédos mezőkre is kihatnak, így az egész üzemi elosztóhálózatot mentesítik a meddőáramoktól. Ha pl. a teljesítménytényezőt cos 9? = 0,8-ról csak 1%-kal javítjuk, akkor országos viszonylatban több mint 5000 kw fel nem használt (generátor) teljesítményt szabadíthatunk fel. Tanulmányom célja a teljesítménytényező javításának vizsgálata, a meddő teljesítményű fázisjavító kondenzátor tervezése és gazdasági felülvizsgálata olyan vonatkozásban, hogy a kondenzátor beruházási költségtöbblete arányban áll-e a megtakarított energiaköltségekkel.
Fagyártmánytermelő üzemeink általában az 50 kw alatt fogyasztó üzemek csoportjába tartoznak. Ezen üzemek fajlagos fogyasztása a gyakorlat szerint jóval nagyobb, mint a nagyüzemeké, mert berendezéseik, munkamódszereik kevésbé felelnek meg a korszerű technológiai követelményeknek. A teljesítménytényező megállapítását célzó méréseimet átlagos terhelésnél a művelet technológiai sajátosságainak megfelelően, különböző típusú biztosítókba, vezetékbontás nélküli belépést biztosító mérőhurok segítségével végeztem. Az árammérés lakatfogóval, a cos 9? és árammérés Reich-fogóval történt. A kihasználási óraszámot üzemi feljegyzésekből vettem. A kondenzátoros fázisjavítás módjai közül egyelőre még legkevésbé elterjedt, de bizonyos feltételek esetén kétségkívül a legolcsóbbat és legegyszerűbbet, az egyeskompenzációt választottam. Ez a kompenzáció ideálisan elégíti ki a fázisjavítás gazdaságosságának azt a fő szempontját, amely szerint a kompenzációt leghelyesebb mindjárt a meddőigény jelentkezésének helyén végrehajtani. 4. ábra: Egyeskompenzáció aszinkron motornál A motor mágnesezőáram-szükségletét közvetlenül a motor kapcsaira kötött kondenzátor fedezi és így a motor a kondenzátorral villamos egységet képez.' A motorvédővel kikapcsolt motor tekercselésén át a kondenzátor néhány periódus alatt akadálytalanul kisülhet. Külön szerelvények nem szükségesek, a kompenzálás a hálózatot egészen a fogyasztóig tehermentesíti. Mivel a kondenzátor fedezi a motor meddőáramának egy részét, s így a betáplálási vonalon csökken az üzemáram, a védőkapcsoló kioldószervét (bimetál relé) erre, a fázisjavítás következtében csökkent áramerősségre kell beállítani, hogy a motort túlterhelés ellen védje. Az egyes kompenzáció elvi hátrányaként megemlíthető, hogy a kondenzátorokat 100%-os együttjárásra kell méretezni. Továbbá kis teljesítményű motorok nem kompenzálhatok, az alsó határ 1,5 kvar-os, háromfázisú kondenzátor alapulvételével hazai vonatkozásban 7 8 LE-nél van. A motorok egyes kompenzációjánál lényeges szempont még az is, hogy csak az évi 2600 3000 üzemórán át dolgozó motoroknál érdemes kondenzátorokat beépíteni. A gazdaságos teljesítménytényező értéke a fogyasztás helyén mérve általában 0,9 0,95 között mozog. Mint ismeretes az ez idő szerint érvényben levő árszabásnak (7/1958. Á. Sz. 41./Á. H. sz.) a teljesítménytényezővel kapcsolatos rendelkezései szerint minden, legalább 2 kw erőátviteli teljesítményt igénybe vevő fogyasztó, ha a rendeletben előírt módon mért teljesítménytényezője nem éri el a cos 9? = = 0,85 értéket. 4 80%-ig terjedő felárat köteles fizetni. E többletköltségek erdőgazdaságaink energetikai számláit súlyosan terhelik. Ezért kívánatosnak
(cos 99) felá "tartom a gyakorlat számára ismertetni a teljesítménytényező rakat : cos cp felár történt. 0,82 0,84 4% 0,80 0,82 8% 0,78 0,80 ' 12% 0,76 0,78 14% 1 0,74 0,76 16% 0,72 0,74 18% 0,70 0,72 20% 0,68 0,70 22% 0,66 0,68 24% 0,64 0,66 26% 0,62 0,64 28% 0,60 0,62 30% 0,58 0,60 34% 0,56^-0,58 38% 0,54 0,56 42% 0,52 0,54 46% 0,50 0,52 50% 0,45 0,50 54%.0,40 0,45 66% 0,40 alatt 80% A kompenzálandó meddő teljesítmény kiszámítása, az 5. ábra szerint 5. ábra: Fázisjavításvektor ábrája a wattos teljesítmény állandósága mellett Ha a fázisjavítás előtti fázisszög cp 1 kompenzálással 9? 2 -re csökken, akkor az 5. ábra alapján az alábbi, mindkét fázisszöget tartalmazó összefüggések írhatók fel : Qe = P {tg <Pi tg <p 2 ) kvar (3) ahol Q c a fázisjavítással beépített meddőteljesítmény (kondenzátorteljesítmény) ; P w a berendezés névleges teljesítménye ; cp 1 a javítandó fázisszög ; <p 2 a javított fázisszög. Az Északsomogyi Állami Erdőgazdaság zamárdi fagyártmánytermelő üzeme a kisüzemi alapdíjas tarifa elszámolásúakhoz tartozik. Erőátvételi egységára, nappali fogyasztás után 1,80 Ft/kWó, csúcs-időben 2,16 Ft/kWó. Teljesítménytényezője csak 0,64-0,76, ezért 26 16 %-os felárat fizet a meddőfogyasztás után, ami kéthavonkint 800 1200 forintnak felel. meg.
A mért 7 kw-os szalagfürész hajtómotor jellemző adatai : U = 660/380 V. I = 8,3/4,4 A, n = 1440, kapcsolás : Y/A, periódusszám : 50 Hz, COSIJ? = 0,86. A választék neve : nyers parkettaléc (friz) hossz : 1,20 m, átmérő : 28 cm, fafaj : tölgy, fürészlap : 35 mm-es Mérési eredmények: Munkaművelet Elvolt I Amper cos <p Szelvényvágás 380 6 5 5,6 0,60 0,65 0,70 6 7 6 0,68 0,75 0,82 Szeletelés 380 4 5 5 0,50 0,72 0,54 6 7 6 0,60 0,62 0,70 Darabolás 380 5 6 7 0,40 0,50 0,44 6,4 7 6,2 0,60 0,72 0,64 380 2,6 0,26 Az üzemközben kapott mérések számtani átlagolásával értékelve a munkaműveletben mért teljesítményeket számításaink így alakulnak : Szelvényvágás Ph = ]A_3 380 5,7 0,70 = 2,623 W = 2,623 kw Q = M 3-380 -5,7-0,71 = 2,660 VAr = 2,660 kvar Szeletelés P h = y~3.380-5,5-0,61 = 2,206 W = 2,206 kw Q = y~3.380-5,5-0,79 = 2,857 VAr = 2,857 kvar Darabolás Összes Ph = V 3 380 6,2-0,55 = 2242 W = 2,242 kw Q = V 3-380-6,2.0,83 = 3383 VAr = 3,383 kvar p h = 7071 Q = 8900 tg <p = 1,258 ; cos f = 0,62 Teljesítménytényező felár : 0,62 0,64, tehát 28 % Méréseink után tervezzük meg, mekkora meddőteljesltményű fázisjavító kondenzátort kell beépíteni, ha a teljesítménytényezőt cos q> = 0,85-re akarjuk javítani. Megjegyezendő, hogy a teljesítménytényezőt nem szokásos 0,95-nél nagyobbra javítani, mert ehhez akkora meddőteljesítményű kondenzátorok szükségesek, amelyek beruházási költségtöbblete nem áll arányban a megtakarított energiaköltségekkel. Szögfüggvénytáblázatból kikeresve a megfelelő értékeket : cos (p l = 0,62-nek tg <p 1 = 1,266 cos <p 2 = 0,85-nek tg q> 2 = 0,620 felel meg. Ezekkel az értékekkel a beépítendő kondenzátor teljesítménye a (3) összefüggés alapján : Qc = 7/1,266 0,620) = 4 kvar. A meglevő kondenzátortípusok, illetve csoportok figyelembevételével 1 db 3 kvar-os (típusjel : OPE-380-3-3-MBF) egységet választunk a motor kompenzációjára. A fázisjavítás gazdaságosságát vizsgálva 1 kvar kondenzátor beruházási összköltségét 500 Ft/kVAr-ra vehetjük fel. Az évi kihasználási óraszám : (Tké) 300 munkanappal és műszakonkénti 5 órával számítva : Tké = 3600 óra a kétműszakos üzemben.
Szalagfűrészünk évente kihasznál 7 kw 3600 órát = 25 200 kwó-t. A vizsgáitüzem 1,80 Ft/kWó erőviteli egységára mellett 45 360 Ft a wattos teljesítmény után az áramdíj. A rossz teljesítménytényező miatt az áramszolgáltató vállalat 28 %-os. felárat számol fel : 12 700 Ft. Beruházás : 3 kvar-500 Ft = 1500 Ft. A térülési idő : beruházott összeg, Ft 1500 0,12 év évi megtakarítás, Ft/év 12 700 A beruházás tehát 1 hónap alatt megtérül. Számítás helyett a szükséges kondenzátorteljesítményt egyszerűbben a 6. ábra nomogrammjából is meghatározhatjuk. A három függőleges skálából álló nomogramm baloldali szélső skáláján megkeressük az üzem mért teljesítménytényezőjét (cos 9^), majd a jobboldali oszlopon a javítás után kívánt teljesítménytényezőt (cos g? 2 )- Ezt a két pontot vonalzóval összekötve, a középső skálával adódó metszéspont mutatja azt a szorzót, amellyel az üzemnek a mérés pillanatában fennálló terhelését (kw) meg kell szorozni, hogy a szükséges kondenzátorteljesítményt megkapjuk. A motorok egyedi kompenzálásához a gyakorlatban kész táblázatok állnak rendelkezésre, amiből közvetlenül is kivehetők a szükséges fázisjavító kondenzátorok, meddő teljesítmények. Ezek, valamint a számítás, illetve a szerkesztésből adódó értékek azonban csak tájékoztató jellegűek. Pontos eredményt a gépek egyenkénti lemérésével, átlagos üzemviszonyoknak megfelelő terheléssel, a munkafolyamat technológiai ciklusokra, terhelési szakaszokra vóló bontásával kaphatunk. Összefoglalva: A sztatikus kondenzátorok felhasználása olcsó és gyors módja a rossz teljesítménytényező megjavításának. A magyar ipar igen jó minőségű kondenzátorokat gyárt. Ezek alkalmazása csökkenti a rossz teljesítménytényezőt. A beruházások költségei aránytalanul kisebbek a megtakarított energiaköltségeknél. Népgazdasági szinten még nagyobb a megtakarítás, mert a meddő teljesítmény kompenzálásával véglegesen kiküszöböljük a meddő energiát. A fázisjavítás annál gazdaságosabb, minél rosszabb cos 99-ről megy végbe. Ha a motor délelőtti időszakban (országosan jelentkező meddőhiány idején) rendszeresen 6 órát jár, az évi átlagos 300 munkanapot szá- cos % kvar cos f. r-0,50 0.55 0,60 0,65 0,70 t-0,75 0,80 OflS 0,90 0,95 0,98 1.7 írté F-M 1,1 h 1, t<>,9 0JS 0,7 to,s. 02 0A 0,2 0,1 0,0 2 1.0 [-0,95 0,98 Y-0.90 b0,85 0,80 0,75 \-0,70 0,65 0,60-0,55 6. ábra: Nomogramm a szükséges kondenzátorteljesítmény meghatározására
mítva 1800 órás kihasználás mellett érdemes a motort (keretfűrész, rönkhasító-szalagfűrész, körfűrész) egyes kompenzációval ellátni. A kisfeszültségű fázisjavító kondenzátorok általában nem kényesebbek, mint a legtöbb villamos berendezés vagy gép, de konstrukciójuk és üzemi jellegük mégis megkívánja, hogy bizonyos előírásokhoz feltétlenül ragaszkodjunk, mert ellenkező esetben vagy a kondenzátorban, vagy az üzemben eshet kár. A kondenzátorok telepítése szempontjából fontos a helyiség jellegének és állapotának felülbírálata. A fűrészüzemek levegője különösen nyári időszakban meleg, faliszttel erősen szennyezett. A kondenzátorokat fedett, száraz, szellős helyen kell elhelyezni. A környezeti hőmérséklet ne legyen több, mint 35 C, a kondenzátoredények külső felületén mérhető hőmérséklet 60 C alatt legyen. Azt, hogy hol van szükség a kondenzátorok felszerelésére, előzetes bejelentés alapján az OVILLEF állapítja meg, elsősorban az áramszolgáltatás érdeke szerinti sorrendben, másodsorban a fogyasztónál jelentkező veszteségek és beruházások figyelembe vételével. Végül a meddő fogyasztások csökkentése, illetve a fázisjavító kondenzátorok előnyeiként említhetők : 1. növelik a berendezések terhelhetőségét, ami beruházási megtakarítást eredményez ; 2. csökkentik az energiatermelés és -elosztás üzemi költségeit ; 3. az energiaátviteli hálózatban a feszültségesések csökkennek, ezáltal a feszültségtartás műszaki problémái és költségei is csökkennek ; 4. üzemük zajtalan ; 5. szikrázó részek hiánya miatt tűzveszély nem állhat elő ; 6. súlyuk kicsi, ezért különleges alapozásra nincs szükség ; 7. szerelésük egyszerű ; 8. a veszteség a kondenzátorban jelentéktelen : a teljes meddőteljesítménynek mindössze 0,3 1,0%-a ; 9. üzemük a forgó- és súrlódórészek hiánya miatt megbízható, feleslegessé teszi a különösebb ellenőrzést; 10. a berendezés bővítése, a kondenzátorok számának növelésével egyszerű és könnyű, ha a fogyasztók száma növekszik, és a hálózat terhelése változik. Szeretném, ha tanulmányom ösztönzést adna fagyártmánytermelő üzemeink energetikai költségeinek fázisjavító-kondenzátorokkal történő csökkentésére. Javaslat a női szakmunkaerő foglalkoztatására. Szaklapunk idei 2. számának Egyesületi Közleményei" között olvashattuk, hogy az oktatási bizottság feladatává tette annak vizsgálatát, milyen mérvű lehetőség van a jövőben az erdőmérnöknők foglalkoztatására. A magam részéről ezt a feladatot még azzal is kiegészíteném., hogy az erdészeti technikumból kikerülő nők foglalkoztatását is mérlegre tenném. Javaslatom az volna, hogy mindkét végzettségű nőket a számvevőségi és adminisztrációs munkakörben alkalmaznám olyan formán, hogy ezen munkakörök ismereteinek megtanulására adnék módot, s így a vezető munkakörökbe a mérnöknőket, míg a könyvelőségi, SZTK, számlázás, anyag- és egyéb nyilvántartások, pénzkezelés, leltári stb. munkáit főleg a technikumból kikerülő nőkkel végeztetném. Elgondolásom azt célozza, hogy a szakma bizonyos mértékben elfoglalhatná helyét a számvevőségben és az adminisztrációban is, aminek erdőgazdálkodásunk csak hasznát látná. Füry Mihály ny, erdőmérnök