ELEKTRİK MOTORLARINDA ENERJİ VERİMLİLİĞİ

1. Elektrik Motorları ve Çeşitleri

Elektrik motorları, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürerek makine ve ekipmanları tahrik eden motorlardır. Elektrik motorlarının temel yapısında, sabit bölüm olan stator ve kendi çevresinde dönen rotor bulunur.

Elektrik motorları; doğru akım (DC) motorları, alternatif akım (AC) motorları ve hibrit motorlar olmak üzere farklı gruplarda incelenir. Sanayide özellikle asenkron motorlar yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elektrik motorları; havalandırma ve fan sistemleri, pompalar, kompresörler ve diğer motor tahrikli ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yaygın kullanım, elektrik motorlarını enerji tüketimi ve enerji verimliliği açısından önemli ekipmanlardan biri haline getirmektedir.

 

Şekil 1. Elektrik enerjisi tüketiminin dağılımı

 

2006 yılı verilerine dayanan dağılım, sanayi ve motor tahrikli sistemlerin elektrik tüketimindeki payını birlikte göstermektedir. Bu görünüm, elektrik motorlarında enerji verimliliğinin neden önemli olduğunu ortaya koymaktadır.

2. Elektrik Motorlarında Enerji Verimliliği

Elektrik motorlarında enerji dönüşümü sırasında çeşitli kayıplar meydana gelmektedir. Elektrik motorlarında enerji verimliliğinin temel amacı, ihtiyaç duyulan mekanik gücün mümkün olduğunca düşük kayıpla sağlanmasıdır. Yüksek verimli motorların kullanılması, standart motorlara göre kayıpların ve buna bağlı enerji tüketiminin azaltılmasına katkı sağlayabilir.

Elektrik motorlarında enerji verimliliği yalnızca daha yüksek verim sınıfına sahip bir motor kullanılmasıyla sağlanmaz. Doğru motor seçimi, değişken hız sürücüsü ile tahrik, uygun sistem tasarımı, doğru çalıştırma ve doğru bakım birlikte değerlendirilmelidir.

Motor seçiminde yalnızca verimlilik sınıfına bakılmamalıdır. Motorun kullanım alanına ve ihtiyaç duyulan güce uygun olması, kutup sayısının ve işletme koşullarının doğru değerlendirilmesi gerekir. Yüksek verimli bir motorun seçilmesi, tek başına enerji verimli bir çalışma anlamına gelmez.

Bu makalede elektrik motorlarının IE1, IE2, IE3 ve IE4 verimlilik sınıfları ele alınmaktadır.

 

Şekil 2. Elektrik motorlarında enerji verimliliğini etkileyen unsurlar

 

3. Elektrik Motorlarındaki Kayıplar ve Verim Arttırma Yöntemleri

Literatürde yer alan çalışmalarda, elektrik motorlarına ait toplam enerji tüketiminin özel sektör içindeki payının %37 olduğu, bu enerji tüketimine karşılık gelen karbondioksit emisyonu payının ise %36 olduğu belirtilmektedir. Bu nedenle elektrik motorlarında oluşan kayıpların azaltılması, enerji verimliliği açısından önemli bir konudur.

Elektrik motorlarında enerji verimliliği, harcanan enerjinin beklenen işe karşılık gelmesi ve mevcut kayıpların mümkün olduğunca azaltılması ile sağlanır. Motorlarda verimi etkileyen başlıca kayıplar; stator ve rotor bakır kayıpları, motor çekirdeği kayıpları, sürtünme ve diğer mekanik kayıplar ile ek kayıplardır.

Stator kayıpları; stator sargıları, oluk doluluk oranı, iletken yalıtımı ve sargı başlarının uzunluğu ile ilişkilidir. Rotor kayıplarında rotor çubuk malzemesi öne çıkarken, motor çekirdeği kayıplarında laminasyon malzemesi, dış çap büyüklüğü, çekirdek paket boyutu, amorf malzeme kullanımı ve iletken-çekirdek arasındaki yalıtım gibi unsurlar dikkate alınmaktadır. Mekanik kayıplar da motor verimliliğini etkileyen önemli kayıplardır.

                                                                           Şekil 3. Elektrik motorundaki başlıca kayıp kaynakları

Verim artırma yöntemleri arasında doğru ve düzenli bakım, uygun motor seçimi ve boyutlandırma, ayarlanabilir hız sürücüsü kullanımı ve elektriksel çalışma koşullarının kontrolü değerlendirilebilir. Doğru bakım, enerji tasarrufuna ve motor ömrünün uzamasına katkı sağlarken, gerilim dengesizliklerinin azaltılması titreşim, ısınma ve kayıpların artmasının önlenmesine yardımcı olabilir.

4. Motor Seçimi, Boyutlandırma ve Motor Sarımı

Elektrik motorlarında enerji verimliliği için motorun çalışma koşullarına uygun seçilmesi ve doğru boyutlandırılması önemlidir. Motor seçiminde hız, frekans, gerilim, akım ve sıcaklık gibi çalışma koşulları dikkate alınmalı; motorun çalışma yüküne uygun boyutlandırma yapılmalıdır. Özellikle nominal yükün çok altında çalışan motorlarda boyutlandırmanın yeniden değerlendirilmesi gerekebilir.

Literatürde yer alan çalışmalarda, elektrik motorlarında yapılan sarım işlemlerinin motor verimi üzerindeki etkisi de ele alınmaktadır. Elektrik motorlarının her sarım işlemi sonrasında yaklaşık %1-2 seviyelerinde verim kaybına uğrayabildiği belirtilmektedir. Motor veriminin düşmesi, aynı mekanik gücü üretebilmek için daha fazla elektrik enerjisi tüketilmesi anlamına gelmektedir.

Bu nedenle motor sarımı, motor seçimi ve boyutlandırma ile birlikte enerji verimliliği açısından değerlendirilmelidir. Düşük verimli motorların yüksek verimli IE4 motorlarla değiştirilmesi de enerji tüketiminin ve buna bağlı işletme maliyetlerinin azaltılmasına katkı sağlayabilir.

75 kW Motor Örneği: Sarım Sonrası Verim Kaybı ve IE4 Motor ile Değişim

Aşağıdaki hesaplama bir örnektir. Hesaplamalarda motorun mekanik çıkış gücü 75 kW sabit kabul edilmiş, verim değişimine bağlı olarak elektriksel giriş gücündeki değişim ve buna karşılık gelen yıllık enerji ve maliyet etkisi hesaplanmıştır. Bu örnekte yıllık çalışma süresi 4.200 saat/yıl ve elektrik birim fiyatı 3,5 TL/kWh olarak esas alınmıştır.

Mevcut Elektrik Motoru Verimi (IE3): %94

1. Sarım Sonrası Verim: %92

2. Sarım Sonrası Verim: %90

Yüksek Verimli Elektrik Motoru (IE4): %96

1. Sarım İşlemi

Anlık Güç Kaybı = (75 / 0,92) − (75 / 0,94) = 1,73 kW

Yıllık Enerji Kaybı = [(75 / 0,92) − (75 / 0,94)] × 4.200 = 7.284,92 kWh/yıl

Yıllık Mali Kayıp = [(75 / 0,92) − (75 / 0,94)] × 4.200 × 3,5 = 25.497,22 TL/yıl

2. Sarım İşlemi

Anlık Güç Kaybı = (75 / 0,90) − (75 / 0,92) = 1,81 kW

Yıllık Enerji Kaybı = [(75 / 0,90) − (75 / 0,92)] × 4.200 = 7.608,70 kWh/yıl

Yıllık Mali Kayıp = [(75 / 0,90) − (75 / 0,92)] × 4.200 × 3,5 = 26.630,43 TL/yıl

75 kW Yüksek Verimli Elektrik Motoru (IE4)

Aşağıdaki örnekte, ikinci sarım sonrasında verimi %90 olan motorun %96 verime sahip IE4 motor ile değiştirilmesi ve yıllık 8.400 saat çalışma süresi esas alınmıştır.

Anlık Güç Tasarrufu = (75 / 0,90) − (75 / 0,96) = 5,21 kW

Yıllık Enerji Tasarrufu = [(75 / 0,90) − (75 / 0,96)] × 8.400 = 43.750,00 kWh/yıl

Yıllık Mali Kazanç = 43.750,00 × 3,5 = 153.125,00 TL/yıl

Bu örnek hesaplamalar, motor veriminin düşmesiyle aynı mekanik gücü üretmek için ihtiyaç duyulan elektrik gücünün arttığını; verim sınıfının yükseltilmesiyle ise elektrik tüketiminin ve buna bağlı maliyetin azalabildiğini göstermektedir.

5. Frekans Konvertörü ile Enerji Tasarrufu

Sanayide pompa ve fan gibi ekipmanlar elektrik motorları tarafından tahrik edilmektedir. Bu sistemlerde debi veya kapasite ihtiyacı azaldığında motorun sürekli tam hızda çalıştırılması, ihtiyaç duyulmayan enerjinin sistemde kaybedilmesine neden olabilir. Bu nedenle motor hızının çalışma ihtiyacına göre kontrol edilmesi enerji verimliliği açısından önemlidir.

Frekans konvertörü (VSD), elektrik motorunun besleme frekansını ve buna bağlı olarak motorun hızını kontrol eden bir sürücüdür. VSD, şebeke ile elektrik motoru arasına bağlanır ve motorun ihtiyaç duyulan hızda çalıştırılmasını sağlar.

Örneğin bir pompanın debisinin vana ile düşürülmesi durumunda motor tam hızda çalışmaya devam eder. Bu durumda pompa tarafından sağlanan enerjinin bir bölümü vana üzerinde kaybolur. VSD kullanıldığında ise debiyi yalnızca vana ile kısmak yerine pompayı tahrik eden elektrik motorunun hızı düşürülerek sistemin ihtiyacına uygun çalışma sağlanabilir.

Fan ve pompa sistemlerinde motor hızının düşürülmesiyle güç tüketimindeki değişim Affinity Yasası ile ifade edilmektedir:

P₂ / P₁ = (N₂ / N₁) ³

Santrifüj pompa ve fanlarda hız azaldıkça debi yaklaşık hızla, basma yüksekliği ise hızın karesiyle değişmektedir. Güç ise debi ile basma yüksekliğinin birlikte etkisiyle değiştiği için yaklaşık olarak hızın küpüyle değişmektedir. Bu nedenle motor hızındaki küçük bir düşüş bile güç tüketiminde daha büyük bir azalma sağlayabilmektedir.

 

Şekil 4. Fan ve pompa sistemlerinde hız-güç ilişkisi (Affinity Yasası)

 

Örnek Hesaplama – 100 kW Pompa ve Elektrik Motoru

Aşağıdaki hesaplama bir örnektir. Pompayı tahrik eden elektrik motorunun tam hızda çektiği güç 100 kW, başlangıç hızı %100, VSD uygulaması sonrasındaki hız ise %80 kabul edilmiştir. Yıllık enerji ve mali tasarruf hesabında 8.400 saat/yıl çalışma süresi ve 3,5 TL/kWh elektrik birim fiyatı esas alınmıştır.

P₁ = 100 kW

N₁ = 100%

N₂ = 80%

P₂ = P₁ × (N₂ / N₁) ³

P₂ = 100 × (0,80) ³ = 51,2 kW

Anlık Güç Tasarrufu = 100 − 51,2 = 48,8 kW

Yıllık Enerji Tasarrufu = 48,8 × 8.400 = 409.920 kWh/yıl

Yıllık Mali Tasarruf = 409.920 × 3,5 = 1.434.720 TL/yıl

Bu örnekte elektrik motorunun hızının VSD ile %100’den %80’e düşürülmesi, motorun tahrik ettiği pompanın güç ihtiyacını 100 kW’tan 51,2 kW’a düşürmektedir. Hesaplanan yıllık enerji ve mali tasarruf, verilen çalışma süresi ve elektrik birim fiyatı varsayımlarına dayanmaktadır.