Oszczędność energii dzięki przetwornicy VLT do sprężarek chłodniczych

W ostatnich latach zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wydajności sprężarek chłodniczych stało się standardem. Tkwi w tym bowiem duży potencjał oszczędności energii elektrycznej i uzyskania wymiernych oszczędności finansowych, co może zapewnić zwrot kosztów inwestycyjnych w krótkim czasie. Do urządzeń spełniających te kryteria należy przetwornica częstotliwości VLT Refrigeration Drive FC 103 do sprężarek chłodniczych.

W klimatyzacji i chłodnictwie przemysłowym sprężarki są głównym odbiornikiem energii elektrycznej. W porównaniu z rozwiązaniami regulacji wydajności chłodniczej przy stałej szybkości, tj. regulacją wydajności sprężarki spiralnej (scroll) on/off, tłokowej on/off lub przez zmianę liczby tłoków albo śrubowej przy stałej prędkości za pomocą suwaka, przetwornica częstotliwości reguluje wydajność chłodniczą sprężarki przez regulację jej prędkości obrotowej. Na rysunku 1 przedstawiono zależność wydajności chłodniczej od częstotliwości zasilania/prędkości obrotowej silnika dla danych warunków temperaturowych układu chłodniczego. Zasadniczą kwestią jest prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości.

Dobór przetwornicy do sprężarki śrubowej

Prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości do sprężarki śrubowej powinien uwzględniać jej maksymalne zapotrzebowanie na energię przy maksymalnej wydajności chłodniczej oraz chwilowe przeciążenia w trakcie rozruchu lub pracy. Charakterystyka mechaniczna sprężarki śrubowej (moment statyczny obciążenia w funkcji prędkości obrotowej) jest w przybliżeniu stałomomentowa, gdyż średnia wartość statycznego momentu obciążenia sprężarki w przybliżeniu jest stała i nie zmienia się wraz ze zmianą prędkości obrotowej.

Z reguły przetwornica częstotliwości dobierana jest do sprężarki śrubowej na podstawie kryterium prądowego, czyli prądu znamionowego silnika w tzw. trybie normalnego obciążenia z niską przeciążalnością prądową (np. 110% prądu znamionowego przetwornicy przez minutę). Wynika to z faktu, że sprężarki śrubowe są odciążane przez zawór obejściowy w trakcie rozruchu, uruchamiane do minimalnej prędkości obrotowej (typowo 25 Hz) przy ustawieniu suwaka na 50% i nie generują przeciążeń przy rozruchu. Moment rozruchowy odciążonej sprężarki śrubowej może wynosić do 70% momentu nominalnego silnika. Dopiero po uzyskaniu stałej prędkości sprężarka jest dociążana i regulacja mocy chłodniczej odbywa się przez zwiększenie obrotów oraz nastawy punktu pracy suwakiem.

Podczas doboru przetwornicy do sprężarki należy zwrócić uwagę, dla jakich warunków producent silnika podaje jego dane znamionowe – moc mechaniczną na wale, prędkość znamionową i wynikający z nich moment obrotowy, prąd znamionowy, napięcie, częstotliwość, sprawność, współczynnik mocy.

Istotną kwestią jest górny zakres częstotliwości użytkowej zasilania silnika 50 Hz lub 60 Hz i wynikający z tej częstotliwości zakres regulacji prędkości obrotowej dla sprężarki. Jeżeli silnik jest znamionowany dla częstotliwości 50 Hz, jak pokazano na rysunku 2, wzrost częstotliwości zasilania silnika powyżej 50 Hz powoduje osłabienie pola magnetycznego w silniku i w konsekwencji osłabienie momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik. Moc rośnie liniowo P = k*n do 50 Hz. Po jej osiągnięciu P = const ze względu na brak możliwości zwiększenia napięcia zasilania silnika przez przetwornicę powyżej napięcia zasilania z sieci.

Prawidłowy dobór polega na przyjęciu i zastosowaniu właściwego kryterium doboru prądowego silnika i przetwornicy częstotliwości, uwzględniającego przeciążenie momentem w trakcie rozruchu i podczas pracy dynamicznej oraz zapotrzebowanie na moment sprężarki dla górnej wartości zakresu regulacji prędkości obrotowej. Przy pracy z prędkością nadsynchroniczną >50 Hz nawet przewymiarowana przetwornica może nie być w stanie „wspomóc” silnik w wygenerowaniu większego momentu przez dodatkowe „podbicie” napięcia zasilania silnika (np. zwiększenie napięcia o 15% przez włączenie tzw. overmodulation), jeżeli sam silnik nie został dobrany odpowiednio do tego zakresu prędkości.

Dopuszczalna, chwilowa przeciążalność prądowa i długotrwała obciążalność prądowa przetwornicy powinny uwzględniać także specyficzne warunki zasilania i pracy silnika wynikające z możliwych chwilowych zakłóceń sieci oraz funkcjonowania samej instalacji chłodniczej. Dla niektórych instalacji należy wziąć pod uwagę zapewnienie ciągłej pracy sprężarki w przypadku chwilowych zapadów lub spadków napięcia zasilania sieci, nawet w granicach do –20% napięcia nominalnego. Chwilowe spadki napięcia zasilania powodują wzrost poboru prądu przez silnik sprężarki. Problemy w instalacji chłodniczej, np. wysokociśnieniowej z CO2, związane z nagłą zmianą ciśnień, przenoszą się na silnik sprężarki i w konsekwencji na przetwornicę, wywołując przeciążenie prądowe lub przepięcie w obwodzie DC przetwornicy, a w konsekwencji mogą spowodować wyłączenie awaryjne sprężarki.

Oszczędność energii

Jak można zauważyć na rysunku 3, przy metodzie regulacji suwakiem bez przetwornicy (linia czarna), wraz ze zmniejszaniem wydajności chłodniczej, następuje pogorszenie wartości COP = Q/P w wyniku zwiększonego zapotrzebowania sprężarki na moc napędową. Korzyści z zastosowania metody regulacji wydajności przetwornicą (linia niebieska) wynikają z poprawy tego współczynnika i zmniejszenia wydajności sprężarki. Efekt ten jest już widoczny dla nominalnych obciążeń, ze względu na lepszą jakość i dynamikę regulacji, mniejsze straty na ssaniu i tłoczeniu, krótszy czas i mniejszą bezwładność w reakcji na wartość zadaną, a także lepsze dociążenie sprężarki. Dla metody regulacji wydajności chłodniczej przetwornicą częstotliwości, dla określonej temperatury skraplania, parowania i przegrzania, można przyjąć w przybliżeniu, że COP = const. Jest to założenie poprawne, zwłaszcza że zakres regulacji prędkości obrotowej sprężarki śrubowej jest zawężony (typowo od 25 Hz do 50 Hz lub 60 Hz).

Do wyznaczenia/oszacowania ewentualnej oszczędności energii niezbędne są jeszcze: profil obciążenia sprężarki oraz dane Q i P dla analizowanego okresu. Oczywiście porównanie obu rozwiązań powinno dotyczyć tych samych warunków temperaturowych układu chłodniczego.

Wnioski

Zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wydajności chłodniczej sprężarek śrubowych przez zmianę prędkości obrotowej zapewnia optymalizację energii elektrycznej, obniżając koszty eksploatacji układów chłodniczych oraz chroni środowisko, zmniejszając emisję gazów cieplarnianych. Może też zapewnić zwrot kosztów inwestycyjnych w relatywnie krótkim czasie. Analiza energetyczna jest stosunkowo przystępna ze względu na liniowe zależności między wielkościami fizycznymi.

DANFOSS POLAND Sp. z o.o.
ul. Chrzanowska 5
05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel. 22 755 07 00 
fax 22 755 07 01
www.danfoss.pl

source: Automatyka 3/2017