Elektrik Motorlarında Enerji Verimliliği

Yazı Dizisi-2

Cihan Karamık-Enes Akgün

 

Motorun Aktif İşletimi



Motorun aktif işletimi ise, en büyük tasarrufların sağlanabileceği kalemleri oluşturmaktadır. Sanayide işletilen motorların çok büyük bir kısmının dur-kalk şeklinde çalıştığı ve yine büyük bir kısmında motordan talep edilen gücün sürekli olarak değişkenlik gösterdiği düşünüldüğünde, yalnızca yüksek verimli motor seçimi yapmanın veya motor bakımlarını düzenli yaptırmanın tek başına yeterli olmadığı, motorun interaktif bir şekilde işletilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bunu sağlamanın da en etkin yolu, motor yolvericilerin kullanımı, yıldız-üçgen yolverme ve değişken hız sürücüleri kullanmaktır.

Bilindiği üzere elektrik motorları, kalkış esnasında nominal akımlarının 10-12 katına varan oranlarda (demeraj akımları) enerji tüketirler. Bu tüketimler genellikle kısa süreli (birkaç saniye) olmakla birlikte, sık sık dur-kalk yapan motorlarda bu sürelerde harcanan enerjiler büyük boyutlara ulaşmaktadır. Üstelik bunu engellemek de mümkündür. Ayrıca, bu enerji tüketimlerinin yüksek maliyetlerinden daha da önemlisi, belirli bir akım değerine göre tasarlanmış olan motor iletkenlerinden böyle yüksek akımların kısa sürede olsa akması, bu iletkenlerin çok daha hızlı bir şekilde yıpranmasına ve motor ömrünün önemli ölçüde kısalmasına neden olacaktır. Sık dur-kalk yapan motorlarda bu etkiler daha belirgin şekilde ortaya çıkacaktır.

Yukarıda bahsedilen yüksek akımları engellemek ve böylece hem enerji maliyetlerini azaltmak hem de motor ömrünü uzatmak amacıyla birtakım yöntemler mevcuttur. Bunlardan en sık kullanılanı motorlara yıldız-üçgen yolverme, en sağlıklı olanı ise yumuşak yolvericiler (softstarter) kullanmaktır.

Yıldız-üçgen yolverme yönteminde, motorun kalkışı esnasında motorun gerilimi sınırlandırılarak demeraj akımları aynı oranda azaltılır. Motor belirli bir hıza ulaştığında ise nominal gerilim değerlerine çıkılarak motor normal çalışmasına devam eder. Yani motor iki aşamada nominal çalışma koşullarına ulaşır. Böylece de motorun iletkenlerine kademeli olarak yük bindirilir. Ancak bu yöntemde motor iletkenlerine yine de yük binmektedir. Elbette doğrudan yolvermeye oranla daha iyi bir yöntem olmakla birlikte halen yeteri kadar sağlıklı değildir.



Yumuşak yolvericiler ise motoru, kalkış anından itibaren nominal hızına ulaşıncaya kadar yumuşak bir şekilde hızlandırır. Bunu da motor akımını yavaş yavaş artırarak yapar ve motor nominal akım, gerilim ve hız değerine ulaştığında devreden çıkar. Böylece motor iletkenlerine hiç bir zaman aşırı yük binmediği gibi, nominal akımdan daha yüksek akımlar da görülmeyeceği için enerji verimliliği sağlanmaktadır.

Hem sanayi tesislerinde hem de binalarda en sık karşılaşılan sorunlardan birisi de motorların genelde yüksek boyutlu seçilmesidir. Bu durumda, özellikle fan-pompa gibi uygulamalarda olması gerekenin 1,5-2 katına varan oranlarda gereksiz tüketimlerle karşılaşılmaktadır. Bu tip sistemlerde, yüksek boyutlu motor seçilmesi sonucunda istenen hava/sıvı debisinin sağlanabilmesi için klape/vana sistemleri kullanılmaktadır. Yüksek boyutlu motor seçilmediği durumlarda ise fan/pompa sistemindeki motor, tesisteki maksimum debi talebini karşılayacak seçilmektedir ancak tesiste sürekli olarak bu talep bulunmamaktadır ve yılın büyük çoğunluğunda daha düşük debilerde çalışılmaktadır. Bu değişken debiler de yine klape/vana kullanılarak sağlanmaya çalışılmaktadır. Halbuki bilindiği üzere bu tip durumlarda motor tam yükünde çalışmaktadır ve tam debi göndermektedir ancak debi diğer sistemlerle azaltılmaktadır.

Fan-pompa dışındaki sistemlerde ise yüksek güçte motor seçilmesi durumunda motorun çalışma eğrisi, tasarlanan eğrisinden kayarak daha verimsiz bir bölgede çalışmaktadır. Bu da % 5’lere varan oranlarda motor verimini düşürmektedir.

Fan-pompa sistemlerinde istenen hava/sıvı debisinin klape/vana sistemleriyle ayarlanması, yukarıda da bahsedildiği üzere oldukça fazla enerji kaybına neden olmaktadır. Bu tür ihtiyaçları tam olarak karşılayabilmek ve bunu olabilecek en verimli şekilde gerçekleştirebilmek için ise Değişken Hız Sürücüleri (DHS, VSD-Variable Speed Drive, VFD-Variable Frequency Drive) kullanılmalıdır. Bilindiği üzere, pompa ve fan gibi sistemler “Afinite Kanunları” uyarınca çalışmaktadır. Bu kanunlara göre sistemin hızı ile debisi, basıncı ve gücü arasında şu şekilde bir ilişki mevcuttur;

 

Görüldüğü üzere pompa fan sistemlerinde motor hızı, yani debi değiştirildiğinde basınç bunun karesi ile, güç ise bunun küpü ile değişmektedir. Bunun anlamı, debi ayarlaması için klape veya vana kullanıldığı zaman motorun güç tüketiminde önemli bir değişiklik yaşanmazken, bu ayarlama bir hız sürücüsü kullanılarak yapıldığında motorun enerji tüketimi, düşürülen debi oranının küpü oranında azalacaktır. Bunu somutlaştırmak adına, yukarıda örneği verilen IE1 sınıfı motorun (380 V, 50 Hz, 8.760 çalışma saati) bir pompayı sürdüğü varsayımından yola çıkarak bir örnek vermek gerekirse, bu pompanın debisinin % 10 kısılması istendiğinde;



Görüldüğü üzere, pompa debisini % 10 azaltmak için vana yerine hız sürücüsü kullanmak, motor tüketimini yaklaşık % 27 azaltmaktadır. Aynı pompanın sürekli olarak % 90 debide çalıştığı ve çok fazla değişiklik olmadığı kabul edilirse;

Pompanın mevcut durumdaki enerji tüketimi;

33,71 kW x 8.760 saat = 295.281 kWh/yıl

Pompanın mevcut durumdaki enerji maliyeti;

295.281 kWh/yıl x 0,22 TL/kWh = 64.962 TL/yıl

Pompanın Hız Sürücüsü ile debi kontrolü durumundaki enerji tüketimi;

(24,57 kW x 8.760 saat) + % 2 Hız Sürücüsü Kaybı = 219.538 kWh/yıl

Pompanın VSD ile debi kontrolü durumundaki enerji maliyeti;

219.538 kWh/yıl x 0,22 TL/kWh = 48.298 TL/yıl



Pompa debisinin vana yerine Hız Sürücüsü kullanılarak % 10 azaltılması durumundaki tasarruflar;

Enerji tüketimindeki tasarruf;       295.281 kWh/yıl - 219.538 kWh/yıl = 75.743 kWh/yıl

Enerji maliyetindeki tasarruf;        64.962 TL/yıl -  48.298 TL/yıl = 16.664 TL/yıl



Görüldüğü üzere, yalnızca bir pompanın debisinin vana yerine Hız Sürücüsü ile kontrol edilmesi ve debinin yalnızca % 10 azaltılması durumunda dahi yıllık olarak 16.000 TL’nin üzerinde enerji tasarrufu sağlanabilmektedir. Tesislerde bulunan yüzlerce fan ve pompa motoru düşünüldüğünde ve bu fan ve pompaların çok değişken debilerde (fan/pompa nominal debisinin % 30’una varan değerlerde) çalıştırıldığı düşünülürse, bu debi kontrollerini vana/klape yerine Hız Sürücüsü yapmak oldukça fazla önem taşımaktadır. Aynı zamanda hız sürücüleri, motorun kalkışı esnasında motora verilen akımı da yumuşak bir şekilde artırdıkları için aynı zamanda bir yumuşak yolverici vazifesi de görmektedir.

Yukarıda verilen tüm bilgiler ve örnekler gözönüne alındığında, enerji tüketimlerinin büyük kısmından sorumlu olan motorlardan sağlanabilecek tasarrufların yalnızca motorun değişimi ile mümkün olamayacağı, bunu etkileyen birçok faktör olduğu açıktır. Motorun doğru boyutlu ve verimli sınıftan seçilmesi verimlilik açısından büyük önem taşımakla birlikte, motorlarda elde edilebilecek verimliliklerin büyük kısmının motorun işletilmesi aşamasında ortaya çıktığı da yukarıda verilen örneklerde net bir şekilde görülebilmektedir. Bütün bunların sistem bazlı verimlilik analizleri gerektirdiğinden yola çıkılırsa EVD şirketlerinin de bu çalışmalarda aktif olarak rol alması mutlaka değerlendirilmesi gereken bir konudur.



Kaynak: Schneider Electric dokümanları