Stabiele stroom vermindert elektriciteitsfactuur

Netkwaliteit onder druk

‘Mijn installatie valt voortdurend uit’, ‘Mijn motoren voelen heet aan’, ‘Er zitten storingen in mijn systeem’, ‘Ik betaal me blauw aan de elektriciteitsfactuur’. Industriële elektriciens worden wel vaker geconfronteerd met dergelijke uitspraken van klanten. Het lijkt bovendien dat de klachten daarover alleen maar toenemen. Is dat ook zo? En wat kan je eraan doen?

Harmonischen

We kunnen de situatie wat vergelijken met een zwembad. Stel dat u de eerste zwemmer bent die ’s morgens een zwembad betreedt. Een biljartvlakke watermassa wacht op u, zonder enige turbulentie. U trekt zonder energie te verspillen rustig een baantje. Stel nu dat u datzelfde baantje een uur of twee later trekt. Ondertussen zitten er spelende kinderen in hetzelfde water. Een paar volwassenen trekken naast u hun baantjes, ergens stroomt water van een waterglijbaan in het bad. Als u nu hetzelfde baantje trekt als 2 uur daarvoor, zal u een pak meer energie nodig hebben om de toegenomen turbulenties te counteren.
Zo gaat het ook met het elektriciteitsnet in de industrie, waar talloze invloeden zorgen voor een inefficiëntie werking. De hoofdoorzaak hoeven we niet ver te zoeken, want in vele gevallen is het hoogfrequent schakelen in elektronica de boosdoener.

De opgewekte harmonischen zijn vaak de oorzaak van problemen. De gevolgen kunnen voor bedrijven ingrijpend zijn.

Frequentiesturingen, omvormers en dergelijke schakelen zo snel dat er harmonischen gevormd worden, iets wat bij de voornamelijk lineaire belastingen uit het verleden niet aan de orde was. De opgewekte harmonischen zijn op hun beurt vaak de oorzaak van problemen. De gevolgen kunnen voor bedrijven ingrijpend zijn. De gevolgen van een slechte stroomkwaliteit, in het bijzonder door de vermogensfactor (cos phi) en harmonischen zijn:

• toename van lijn- en apparatuurstromen die leidt tot extra ohmse verliezen;
• toename van de lijn- en apparatuurstromen die leidt tot een vermindering van de effectieve output of verhoging van de energiekosten;
• toegenomen verliezen die leiden tot hogere bedrijfstemperaturen met als gevolg een kortere levensduur van de apparatuur;
• voortijdige uitval van apparatuur als gevolg van verhoogde elektrische en thermische spanning;
• storingen in de apparatuur;
• ongeplande (micro-)onderbrekingen die leiden tot productieverlies en slechte productiekwaliteit.

Nu kunnen we twee richtingen uit: ofwel leggen we de schuld eenvoudig bij ‘het elektriciteitsnet’ en beperken we ons tot wat doekjes voor het bloeden: een andere dimensionering van de kabels, andere veiligheden, betere koeling van warm aangelopen motoren, noem maar op. Maar u voelt het al: deze oplossingen pakken het kwaad niet bij de wortels aan. Gelukkig zijn er andere oplossingen die wel de koe bij de hoorns vatten en bovendien een mooie besparing kunnen opleveren.

TYPES STORINGEN
Een correcte oplossing kan enkel geleverd worden als we weten wat de exacte oorzaak is. In een voorgaand artikel gingen we al dieper in op de mogelijke oorzaken van storingen. In dit artikel gaan we dieper in op de mogelijke oplossingen, met aandacht voor innovaties op dat vlak. Let wel: voor u actie onderneemt, is het van het allergrootste belang dat u de nodige metingen uitvoert om de oorzaak te bepalen. Ook daarover vindt u meer informatie in het bovenvermelde artikel.

Mogelijke Oplossingen

Spannings/Voltageregelaars

Het principe achter een spanningsregelaar is relatief eenvoudig: Deze werkt als een soort transformator die een vastgelegde spanning geeft op de uitgang. De transformator heeft daarvoor een deel van één wikkeling gemeenschappelijk voor zowel de primaire als de secundaire wikkeling. De spanning kan nauwgezet gekozen worden in functie van de te verwachten belasting. Wisselt de belasting, dan zal de spanningsregelaar automatisch terug richting de vooropgestelde spanning bewegen. Die werkwijze is vooral effectief voor lineaire belastingen zoals conventionele verlichting (gloei- en fluorescentielampen). Voor deze toepassingen kunnen zij een mooie financiële besparing opleveren, al zullen ze bij een reductie in voltage wel proportioneel minder licht afgeven. Deze oplossing is dan weer minder geschikt bij bedrijven die al overschakelden op ledverlichting. Specifiek voor industriële bedrijven is er ook nog een ander minpuntje. Als de motoren draaien met een standaard belasting dicht bij het nominale vermogen (wat in de overgrote meerderheid van de gevallen het geval is), levert de spanningsverlaging geen echte besparing op, maar slechts een verlaging van het uitgangsvermogen. Bovendien kan de spanningsverlaging extra verliezen in de lijn veroorzaken, door een toename van de compenserende stroom. Voor motoren die werken op basis van een frequentiesturing is er zelfs helemaal geen besparing te verwachten, want zij ondervinden minder invloed van spanningsschommelingen.

CONDENSATOR BANK

Een condensatorbank is een systeem dat bestaat uit verschillende condensatoren die in serie of parallel zijn geschakeld om een energieopslagsysteem te vormen. Dit systeem helpt bij het corrigeren van de vertraagde vermogensfactor en de faseverschuiving in een wisselstroomvoeding, waardoor de efficiëntie van de elektrische energieoverdracht toeneemt.

Om na te gaan of er gevaar voor gevaarlijke resonanties bestaat, moet het kortsluitvermogen van het netwerk worden vergeleken met het vermogen van de condensatorbank.

Ter bescherming tegen overspanning op het systeem voor correctie van de vermogensfactor kunnen overgedimensioneerde condensatoren (d.w.z. 440V voor een 400V-net) en harmonische filters (speciale reactoren die in serie met de condensatoren worden geplaatst en de totale reactantie inductief maken) worden gebruikt, met een omvang die is afgestemd op het spectrum van de in het net aanwezige harmonischen.

Daarom is het resonantie-effect een probleem dat voor de systemen voor correctie van de vermogensfactor leidt tot een toename van de spanningsharmonischen in het netwerk, en daarom moet ervoor worden gezorgd dat dit geen schadelijke gevolgen heeft voor zowel het systeem voor correctie van de vermogensfactor als het netwerk, terwijl dit probleem bij de apparaten in het E-Power-systeem niet bestaat..

Frequentieregelaars (VFD) hebben een relatief goede vermogensfactor en vereisen geen correctiecondensatoren. In feite doen correctiesystemen voor de vermogensfactor vaak meer kwaad dan goed, waar frequentieregelaars (VFD) aanwezig zijn. Meestal mogen systemen ter correctie van de vermogensfactor nooit worden gebruikt in combinatie met een aandrijving (VFD).

Harmonischen filters

Om de harmonischen te filteren kan gebruikgemaakt worden van filters. Er zijn twee types: de actieve en passieve filtering. Daarnaast is er ook een combinatie van beide mogelijk, de zogenaamde hybride filtering.

Een passieve uitvoering heeft een ‘statische’ werking en is erop gericht om specifieke harmonischen te filteren. De filter is opgebouwd uit een combinatie van spoelen, capaciteiten en weerstanden, waarmee een bepaald spectrum afgedekt wordt. Er moet met andere woorden zicht zijn op de verschijningsvorm van de harmonischen, anders zal de filtering niet efficiënt verlopen. Als het spectrum van harmonischen verandert, zullen de parameters van een passief filter opnieuw ingesteld moeten worden om de goede werking te garanderen. Een passief filter wordt daarom in de praktijk veelal toegepast bij belastingen welke constant hetzelfde spectrum aan harmonische vervuiling produceren. Door zijn relatief eenvoudige opbouw is dit een budgetvriendelijke en robuuste oplossing.

Een actief filter gaat een stap verder en detecteert autonoom de aanwezige harmonische stromen in de installatie. Deze zal hij vervolgens compenseren. Hij is dus een pak flexibeler in te zetten in de industrie, waar wisselende belastingspatronen met wisselende harmonischen frequent voorkomen en moeten weggefilterd worden. De detectie kan plaatsvinden in de voeding van een potentiële opwekker van harmonische of in de hoofdvoeding.
Verder maken we nog het onderscheid tussen een spanningsgeregelde of stroomgeregelde actieve filter. De spanningsgevoede heeft een condensator op de tussenkring en een DC-spanningsregeling; de stroomgevoede uitvoering heeft een spoel op de tussenkring en een DC-stroomregeling. De spanningsgevoede actieve harmonische filter heeft minder verliezen en een betere filtercapaciteit voor harmonischen die door PWM regelaars (Pulse Widht Modulation) worden gegenereerd. De stroomgevoede actieve harmonische filters scoren dan weer beter op het gebied van dynamische stroomcompensatie en betrouwbaarheid.

Bij een hybride harmonischen filter wordt een actieve filter in parallel geplaatst met een passieve filter. De actieve filter zal dan de harmonischen in het laagste spectrum filteren, terwijl de hogere harmonischen door de passieve filter aangepakt worden. Een nadeel van deze benadering is de efficiëntie: deze filter heeft zelf energie nodig om te functioneren en draagt zo bij aan de systeemverliezen.

Powerfactor correctie

Wie geconfronteerd wordt met hoge reactieve belastingen, kan via een powerfactor correctie een grote elektriciteitsfactuur vermijden. Via een voortdurende monitoring van de powerfactor, kan zeer snel ingegrepen worden om de arbeidsfactor opnieuw richting 1 te brengen.

Line reactors

Lijnreactoren bestaan uit een elektromagnetische opbouw, met een kern van ijzerhoudend materiaal omwikkeld met een spoel. De spoel genereert een tegenliggend magnetisch veld als er stroom doorheen vloeit, piekstromen worden hierdoor beperkt. Dat vermindert op zijn beurt de harmonischen.

Innovatie: E-Power EP-X / Power Quality verbeteraar

De Italiaanse fabrikant Energia Europa en de Universiteit van Firenze kwamen onlangs met interessante bevindingen naar buiten rond een nieuw gepatenteerd Energiebesparings, Netgrid Filtering en -Stabilisatie systeem, dat op het eerste zicht over enkele interessante voordelen ten opzichte van de genoemde oplossingen beschikt. Het zogenoemde E-Power systeem werkt met overlappende elektromagnetische velden via een feedbacklus, met de bijzonderheid dat de terugkoppellus in realtime opereert. Bovendien wordt de primaire stroom verschoven ten opzichte van de secundaire stroom, dankzij een geavanceerde wikkeling van de spoelen en speciaal materiaal waaruit de filter bestaat. Als de stroom toeneemt, blijft de spanning constant.

Het werkingsprincipe is gebaseerd op dat van een inductieve set van spoelen en elektromagnetische interferentiefilters (EMI filter) en passieve filters die in serie geschakeld worden tussen de voeding en de belasting, maar met de bijzonderheid dat de inductie niet constant is. Dankzij een onderling gekoppeld systeem van schakelaars en spoelen, verandert de inductie van het systeem dynamisch van waarde, zodat het de harmonische invloed op het net countert.

We zouden het systeem in feite kunnen omschrijven als een hybride actief/passief systeem, maar zonder de problemen eigen aan de vermogenscomponenten voor actieve filters. De verliezen kunnen als praktisch nihil worden beschouwd dankzij de aanwezigheid van louter reactieve componenten en neutrale schakelaars/contacten. Dit in tegenstelling tot de weerstanden en schakelende vermogenscomponenten in de traditionele actieve/hybride filters. Voorts is de configuratie zodanig opgebouwd dat het apparaat kan aangesloten of losgekoppeld worden van een het systeem dankzij een gepatenteerd bypass-systeem.

De resultaten van het E-Power systeem bij industriële bedrijven zijn verbluffend goed op het vlak van energiebesparing, netfiltering en
-stabilisatie

Er kan met andere woorden op elk mogelijk moment beslist worden om het systeem actief te maken. De resultaten die ondertussen geboekt werden bij ettelijke industriële bedrijven zijn verbluffend goed aangaande energiebesparing, netfiltering en -stabilisatie, en dat is toch iets om nauwlettend in de gaten te houden.

Het E-Power systeem biedt een gecentraliseerde energie-efficiënte oplossing waarbij één enkel apparaat moet worden geïnstalleerd, doorgaans direct na de laagspanningshoofdschakelaar en vóór alle elektrische eindbelasting(en). Waarbij elke installatie wordt geleverd met een fabrieksgarantie op het energiebesparingspercentage (%) volgens door verscheidenen universiteiten gecertificeerd meetprotocol.

In de afbeelding ziet u de opbouw van dergelijke E-Power EP-X met een lokaal monitorscherm waarbij de elektrische parameters, energiebesparingspercentages en CO₂/NOx/SOx-verminderingen kunnen opgevolgd worden met een dagelijkse rapporteringsmogelijkheid (ISO 50.001 en ISO14.001) via een websoftware met internet wifi-, LAN- en/of GPRS-connectie.

Casestudie 1: VAN DAMME (Bananen importeurs en rijpers) 

Dhr. Tom Muylaert verantwoordelijke voor het infrastructuurnetwerk bij Van Damme werd geregeld geconfronteerd met volledige stroomonderbrekingen. Koortsachtig werd er met hun vaste elektricien (Merelec) gezocht naar een technische oplossing, maar omdat het niet evident was om de oorzaak van deze storing(en) te achterhalen, werd er een beroep gedaan bij de Benelux-importeur van de E-power (Sanel NV) om samen een oplossing uit te dokteren. Inmiddels zijn er twee E-Power’s EP 800A & EP-X 1000A operationeel sinds 2019 en 2023. Sindsdien werden geen stroomonderbrekingen meer geconstateerd. De E-Power stabiliseert en harmoniseert niet alleen het intern elektrisch netwerk, het systeem leverde Van Damme ook een gemiddelde energiebesparing van 4.8 % op. Wekelijks worden alle analyserapporten verstuurd door de epowernow websoftware naar de directie, zoals CO₂, NOx/SO_X-besparingen en financiële energiebesparing.

Casestudie 2 - VAN GILS SWEET CREATIONS (Ambachtelijke Ijsfabriek)

Een gelijkaardig verhaal vinden we bij Van Gils Sweet Creations. Sinds de plaatsing van de E-Power (EP-X 1000) in april 2018 wordt men er niet langer geconfronteerd met maandelijkse onderbrekingen. Het elektrisch netwerk wordt gefilterd en gestabiliseerd door de E-Power, waarbij een gemiddelde energiebesparing van 5% op hun totaal jaarlijks factuur bereikt werd. Voor de plaatsing zorgden de vele onderbrekingen tot vervelens toe voor een volledige productiestop van 3 à 4 uur per onderbreking. Telkens moesten ook alle productieprocessen terug herstart worden, en dat was geen sinecure voor zowel bedrijfsleiding als medewerkers. Omdat de E-Power elke 2 seconden de 50 elektrische parameters verstuurt naar de epowernow webserver, stelde Van Gils ook een intern elektrisch latent verlies vast waarvan men nog niet op de hoogte was. Ook dit zorgde voor een extra energiebesparing. Geïnteresseerde elektriciens kunnen meer informatie of een rondleiding verkrijgen via distributeur Sanel (www.sanel.be).