Odzyskiwanie energii elektrycznej w aplikacjach napędowych z falownikami Danfoss Drives

W wielu układach napędowych silnik elektryczny może pracować przez część cyklu maszyny w trybie generatorowym, czyli wytwarzać energię elektryczną. Dzieje się tak np. w aplikacji o dużej inercji obciążenia przy zmianie obrotów falownikiem z wyższych na niższe albo podczas zatrzymywania napędu. Przykładami takiego układu są wentylator osiowy czy wirówka odśrodkowa. W czasie hamowania układu napędowego energia z silnika musi zostać odprowadzona na zewnątrz.

Warianty odzyskiwania energii

Najprostszym sposobem jest rozproszenie energii w postaci ciepła na rezystorze hamowania. Nie jest to sposób ekonomiczny, chyba że energia cieplna zostanie w pełni wykorzystana w towarzyszącym procesie i w ten sposób zaoszczędzimy energię potrzebną do procesu. W praktyce pojawiającą się podczas hamowania energię powinno się jednak wykorzystać w możliwie najbardziej ekonomiczny sposób.

Najwydajniejszą metodą odzyskania energii jest zastosowanie falowników z możliwością zwrotu energii bezpośrednio do sieci zasilającej, nazywanych AFE (Active Front End) lub AIC (Active Infeed Converters) – rys. 1. Falowniki AFE/AIC są wyposażone w sterowany mostek prostownikowy, filtr LCL i sterownik z odpowiednim oprogramowaniem obsługującym przepływ energii zwracanej do sieci zasilającej.

W układzie z kilkoma falownikami, gdzie występuje częste hamowanie, można je połączyć wspólną szyną napięcia DC, przekazywać energię obwodu pośredniego danej aplikacji do innych falowników i w ten sposób „zasilić” je energią odzyskaną z hamowania – rys. 2. Istnieją jednak pewne, dodatkowe wymagania dla konfiguracji napędu ze wspólną szyną DC. Użytkownik musi zabezpieczyć połączenia DC między falownikami, tak aby awaria któregokolwiek z nich nie wykluczyła z pracy pozostałych i aby w przypadku braku energii hamowania wszystkie mogły pracować z pełną wydajnością. Dodatkową zaletą współpracy falowników na wspólną szynę DC jest odporność na krótkotrwałe zaniki napięcia zasilającego (nawet o 40% wartości nominalnej). Największym obszarem dla zastosowania aplikacji ze wspólną szyną DC jest przemysł metalurgiczny, papierniczy oraz systemy transportu bliskiego, np. podajniki nachylone – opadające.

Kryteria opłacalności

W praktyce należy wziąć pod uwagę trzy czynniki decydujące o opłacalności zastosowania falownika ze zwrotem energii do sieci zasilającej: ilość odzyskiwanej energii hamowania, straty energii i częstość hamowania.

Ilość odzyskiwanej energii hamowania

Energia w układzie napędowym jest generowana podczas zmniejszania prędkości. Dynamika (częstość) hamowania decyduje o ilości generowanej energii. Teoretycznie energia generowana w układzie napędowym podczas hamowania stanowi 50% różnicy energii początkowej i końcowej cyklu. W praktyce w większości aplikacji ilość możliwej do odzyskania energii to rząd 10–20%. Wyjątkiem są aplikacje windowe i dźwigowe. Jednak i w tym przypadku, ze względu na różne sprawności silników (układu napędowego) i ich częste przewymiarowanie układu, faktyczny bilans energii różni się od teoretycznego.

Straty energii

Silniki, kable, przekładnie, a także falownik aktywny AFE są elementami, w których jest tracona energia. Na rys. 3 i rys. 4 przedstawiono za pomocą strzałek przekazywaną moc i straty podczas pracy silnikowej i generatorowej regulowanego układu napędowego.

Straty generowane przez falownik ze zwrotem energii do sieci są większe niż dla standardowego falownika, ze względu na straty prostownika sterowanego, występujące podczas pracy jak i podczas trybu ‘czuwania’. Falowniki bez odpowiednich filtrów wejściowych mogą generować harmoniczne, które są kolejnym źródłem strat energii w układzie. Falowniki AFE redukuje całkowitą zawartość harmonicznych prądu THDi do poziomu mniej niż 5%, co pozwala na oddawanie energii do sieci zasilającej zgodnie z wymogami normy IEEE-519.

Niska wartość THDi pozwala na traktowanie napędu z falownikiem AFE, jako obciążenia rezystancyjnego. Falownik wymienia z siecią tylko moc czynną (cos  jest bliskie 1). W niektórych konstrukcjach falowników AFE, możliwa jest dodatkowo w pewnym zakresie automatyczna kompensacja współczynnika mocy – przetwornica działa jak sieciowy filtr aktywny.

Częstość hamowania

Im silnik jest częściej hamowany, tym częściej następuje zwrot energii. Należy zawsze rozważyć częstość hamowania i dynamikę zmian obciążenia silnika w cyklu jego pracy.

Zastosowanie falownika ze zwrotem energii do sieci jest zawsze rozwiązaniem droższym niż zastosowanie zwykłego falownika. Dopiero dokładna analiza bilansu energii stanowi o opłacalności stosowania tego rozwiązania. Nawet w przypadku wind porównanie to może niekiedy wypaść na niekorzyść falownika AIC.

Praktyczne przykłady

Winda w budynku mieszkalnym

Obciążenie: 1100 kg

Cykl pracy: 1 godz./dzień

Sprawności: hprzekł = 90%, hukł. mech. = 80%,

hsiln = 93% (IE2), hAIC = 95% (IE2), hVSD = 97%

Straty postoju: AIC = 40 W, VSD = 40 W

Wartość założona dla cyklu pracy w jednym dniu jest w przykładzie zawyżona, a mimo to bilans energetyczny jest niekorzystny. Ten przykład pokazuje, że nawet aplikacja pozornie korzystna dla zastosowania falownika ze zwrotem energii powinna być szczegółowo przeanalizowana pod względem opłacalności. Pozytywnym przykładem opłacalności aplikacji ze zwrotem energii do sieci są duże napędy dźwigów przemysłowych o dużej liczbie załączeń na dobę (przemysł wydobywczy, stoczniowy).

Wirówka odśrodkowa

W przypadku dużych wirujących mas, jak wirówki odśrodkowe, energia zgromadzona w obciążaniu wynosi:

E = ½ Jw2 ,

gdzie J = moment bezwładności w kg,

w = prędkość obrotowa w rad/s.

Oznacza to, że energia hamowania wirówki zależy od kwadratu prędkości obrotowej, a więc zmniejszenie obrotów o ½, skutkuje wygenerowaniem ¼ energii kinetycznej układu. W trakcie hamowania z zatrzymaniem energia przekazywana do sieci będzie maleć liniowo aż do zera.

Znając cykl pracy konkretnej wirówki – tj. liczbę hamowań na godzinę, czas hamowania i sprawność elementów układu – można obliczyć koszty zaoszczędzonej energii.

Przy wirówkach o mocy przekraczającej kilkanaście kW i cyklu pracy z dużą liczbą hamowań ilość energii odzyskanej z hamowania może być znacząca. Dodatkowo dzięki dynamicznemu hamowaniu można skrócić czas trwania procesu technologicz­nego.

Przenośnik taśmowy

Dla tego typu obciążenia charakterystyczna jest dość duża masa podajnika oraz stosunkowo duża masa transportowana. Jeśli prędkość podajnika jest zmniejszana, zgromadzona energia kinetyczna wyniesie:

E = ½ Mv2,

gdzie M = masa w kg,

v = prędkość w m/s.

W trakcie hamowania energia przekazywana do sieci będzie liniowo maleć w każdym cyklu hamowania. Zastosowanie falownika AFE można rozważać w zależności od sumarycznej mocy napędów podajnika oraz dynamiki zmian obciążenia.

Transporter ze spadem nachylenia

W czasie transportu materiałów podajnikiem ze spadem nachylenia energia kinetyczna obciążenia może być przekazywana do układu zewnętrznego w sposób ciągły.

W trakcie pracy podajnika energia przekazywana do sieci będzie praktycznie stała. To bardzo dobry przykład dla aplikacji z falownikiem AFE, szczególnie w przypadku dużych podajników w przemyśle wydobywczym. Przy długim podajniku stosuje się kilka silników, a sumaryczne moce napędów podajnika sięgają kilkuset kW. W takich przypadkach można zastosować kilka falowników pracujących na wspólną szynę DC i jeden (lub więcej) falowników AFE dla całego systemu – tak jak na rys. 2, gdzie pokazano dwa falowniki AFE.

Precyzyjny dobór rozwiązania

Istnieją aplikacje, w przypadku których kwestia zwrotu energii jest sprawą drugorzędną, a ważny jest np. krótki czas i skuteczność hamowania. Przykładem może być drukarska maszyna offsetowa z jednym wspólnym napędem głównym, gdzie zatrzymanie wszystkich sekcji musi nastąpić maksymalnie szybko i najskuteczniejsze jest hamowanie na rezystor zewnętrzny.

Wśród wielu producentów falowników standardowych jest stosunkowo niewielu producentów przetwornic AFE. Firma Danfoss, do której należą marki VLT oraz VACON, od dawna oferuje własne dedykowane rozwiązania falowników ze zwrotem energii do sieci. Falowniki AFE mają wbudowane specjalne oprogramowanie, pozwalające sparametryzować pracę danego układu. Do konkretnej aplikacji ze zwrotem energii specjaliści grupy Danfoss dobierają i przedstawiają kompletne rozwiązanie dla danego systemu napędowego, uwzględniając przy tym wiele czynników mających wpływ na ostateczny dobór elementów systemu oraz cenę.

Modernizując układ napędowy, zawsze należy wziąć pod uwagę sprawność istniejącego silnika elektrycznego. Zgodnie z normą IEC 60034-30-2 dla modernizowanych i nowo budowanych układów napędowych z silnikami indukcyjnymi od 1 stycznia 2017 r. w zakresie mocy 0,75–375 kW silniki bez regulacji obrotów muszą odpowiadać klasie sprawności co najmniej IE3, a silniki o klasie sprawności IE2 muszą być wyposażone w falownik. Oznacza to, że stosowanie falownika w wielu modernizowanych aplikacjach z silnikami klasy IE2 stanie się obligatoryjne.

DANFOSS POLAND Sp. z o.o.
ul. Chrzanowska 5
05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel. 22 755 06 68, fax 22 755 07 01
www.danfoss.pl/napedy

source: Automatyka 10/2018