Regulacja prędkości obrotowej silników elektrycznych według firmy Danfoss

Kluczem do oszczędności w systemach automatyki są dziś szybka realizacja i energooszczędność.

Wiele zalet napędów Danfoss

Regulacja prędkości obrotowej napędów maszyn przynosi często korzyści energetyczne, które bardzo szybko znajdują odzwierciedlenie w rachunkach za prąd. Warto przyjrzeć się dokładniej wszystkim zaletom rozwiązań oferowanych przez firmę Danfoss.

Oszczędność energii

W trakcie eksploatacji napędu elektrycznego, w zależności od charakterystyki momentu obrotowego obciążenia, możliwe jest uzyskanie różnego stopnia oszczędności energii. W przypadku zastosowań z charakterystyką stałomomentową oszczędność zużycia energii jest wprost proporcjonalna do redukcji momentu i prędkości obrotowej na wale, podczas gdy w zastosowaniach ze zmiennym momentem o kwadratowej charakterystyce obciążenia oszczędności te rosną w trzeciej potędze do zakresu zmniejszenia prędkości obrotowej.

Dostosowanie cos 

Wiele przetwornic częstotliwości koryguje cos  niemal do wartości 1 i redukuje w ten sposób indukcyjny pobór mocy biernej. Minimalizuje to straty w kablach zasilających napęd.

Zoptymalizowana praca w zakresie obciążeń częściowych

Współczynniki sprawności dla silników indukcyjnych trójfazowych są zazwyczaj podane tylko dla punktu nominalnego. Jeżeli silnik jest zasilany bezpośrednio z sieci z obciążeniem poniżej nominalnego, znacznie pogarsza się jego sprawność z powodu stałych strat mechanicznych i elektromagnetycznych. Praca z przetwornicą częstotliwości zapewnia – w zależności od jakości metody regulacji – optymalne namagnesowanie silnika. Z tego względu zastosowanie przetwornicy sprawia, że współczynnik sprawności układu napędowego nie spada tak bardzo przy pracy z niedociążonym silnikiem. Wyczuwalną poprawę można zwykle zauważyć w przypadku silników o mocy powyżej 11 kW.

Automatyczna Optymalizacja Zużycia Energii

W zastosowaniach, w których nie występują szybkie zmiany obciążenia, użytkownik może zastosować Automatyczną Optymalizację Zużycia Energii (AEO). Przetwornica obniża wówczas namagnesowanie silnika do optymalnego minimum. Efektem jest dodatkowa oszczędność zużycia energii, w stosunku do tej wynikającej ze zmniejszenia obrotów. Funkcja ta sprawdza się przy wszystkich powolnych regulacjach, jakie zwykle spotyka się w układach automatyki pomp i wentylatorów.

Zmniejszenie cykli rozruchu

Regulacja prędkości obrotowej może w wielu zastosowaniach zredukować liczbę uruchomień. Każdy nieregulowany rozruch silnika elektrycznego wymaga dodatkowej energii. W przypadku pomp zużycie energii na uruchomienie wynosi zazwyczaj 5–10% całkowitego zużycia energii, ale istnieją przykłady na to, że na rozruch konieczne jest do 40% energii. Ponadto zmniejszają się prądy szczytowe i obciążenia udaru mechanicznego przy rozruchu. Inne korzyści z zastosowania regulacji prędkości obrotowej to dłuższy czas życia urządzeń z uwagi na zmniejszenie mechanicznego obciążenia jego komponentów. Wszystkie te możliwości dostępne są dzięki zintegrowanym funkcjom oprogramowania zastosowanych w nowoczesnych przetwornicach częstotliwości.

Zastosowania układów napędowych ze stałomomentową charakterystyką obciążenia

Do zastosowań z charakterystyką stałego momentu obciążenia należą takie, w których obciążenie nieznacznie zmienia się przy zmianie prędkości obrotowej w szerszym zakresie. Przykładami są m.in. podajniki linii produkcyjnych, taśmociągi, podnośniki, mieszadła, młyny.

W przypadku aplikacji podajnika, w którym korpus montowanego do samochodu silnika stoi na taśmie produkcyjnej, ciężar korpusu jest zawsze taki sam – niezależnie od tego, czy taśma przesuwa się szybko, czy wolno. Tym samym moment potrzebny do poruszania tego bloku jest zawsze taki sam. W zależności od stanu pracy zmieniają się oczywiście momenty tarcia i przyspieszenia, jednak zapotrzebowanie na moment obciążenia jest stałe. Moc, jakiej wymaga taki system, jest proporcjonalna do potrzebnego momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika. Jeżeli możliwe jest zmniejszenie prędkości obrotowej przy stałym obciążeniu, pojawią się także oszczędności energetyczne.

Często zdarza się, że ilość towaru transportowana na taśmie nie jest stała. Dostosowanie prędkości taśmy do transportowanej ilości materiału przekłada się to nie tylko na płynność i ciągłość transportu, lecz także na oszczędność energii. Jednak nawet jeśli dopasowanie prędkości jest niemożliwe lub niepożądane, większość przetwornic częstotliwości umożliwia uzyskanie oszczędności energii.

Regulują one bowiem, w zależności od obciążenia, napięcie wyjściowe silnika. Przykładowo przetwornica częstotliwości często zasila silnik 400 V w trybie jałowym przy częstotliwości wyjściowej 50 Hz tylko napięciem 380 V, zaś w przypadku wzrostu obciążenia podnosi wartość napięcia. Jakość takiej regulacji zależy od jakości przetwornicy. Jednak oszczędności energetyczne, jakie można uzyskać dzięki tej funkcji, nie są wystarczającym uzasadnieniem inwestycji w przetwornicę częstotliwości.

Zastosowania układów napędowych ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej

Układy regulacji obrotów pomp i wentylatorów to najczęstsze zastosowania napędów ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej. W przypadku pomp należy jednak odróżnić szeroko rozpowszechnione pompy wirowe ze zmienną charakterystyką momentu od pomp mimośrodowych, próżniowych bądź wyporowych, które mają moment obciążenia o stałym przebiegu.

Spektrum zastosowań pomp i wentylatorów jest ogromny. Około 70 proc. prądu używanego do celów przemysłowych w całej UE (15) zużywają silniki elektryczne. Pompy i wentylatory mają w tym spory udział (37 proc.). W handlu, drobnej wytwórczości i sektorze usług udział ten wynosi w całej UE nawet około 40 proc.

Prostą, ale bardzo efektywną metodą oszczędzania energii w maszynach przepływowych ze zmiennym momentem obciążenia jest regulacja prędkości obrotowej. Przy zmniejszeniu prędkości obrotowej zapotrzebowanie na energię maleje aż w trzeciej potędze. Ten wysoki potencjał oszczędności czyni wszystkie aplikacje z momentem o kwadratowym przebiegu idealnymi obiektami do rozpoczęcia działań zmierzających do analizy energooszczędności.

Dla uniknięcia niespodzianek przy regulacji prędkości obrotowej pomp i wentylatorów użytkownik powinien w fazie projektowania uwzględnić fakt, że wraz ze zmianą prędkości obrotowej zmienia się także punkt roboczy i tym samym współczynnik sprawności maszyny przepływowej.

Zespół złożony z maszyny przepływowej i przetwornicy ze zmiennym zakresem prędkości obrotowej to system, który oszczędza energię. Jeżeli różnica między maksymalną potrzebną mocą a przeciętną pracą z niedociążonym silnikiem jest zbyt duża, dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie układu kaskadowego. Także przy przebudowie istniejącego już systemu takie inwestycje zwracają się w krótkim czasie. W układzie kaskadowym pompa z regulacją prędkości obrotowej pokrywa zapotrzebowanie podstawowe.

Z chwilą wzrostu zapotrzebowania przetwornica częstotliwości załącza kolejne pompy, dzięki czemu pracują one z optymalnym współczynnikiem sprawności. Regulacja pompy zapewnia zawsze najlepsze pod względem energetycznym wykorzystanie układu. Taki sam układ może być analogicznie zastosowany w zespole wentylatorów. W zależności od producenta i wersji odpowiednie regulatory kaskady są już wbudowane w przetwornicy lub są dostępne jako moduły zewnętrzne.

Szczególne cechy maszyn przepływowych

W przypadku większości układów pompowych lub wentylatorowych zastosowanie znajdują klapy, żaluzje, zawory dławiące, bądź zawory trójdrogowe, które służą do regulacji ciśnienia lub wielkości przepływu. Jeżeli regulacja pompy wirowej odbywa się za pomocą zaworu dławiącego, punkt roboczy przesuwa się wzdłuż krzywej charakterystyki pracy pompy. Dochodzi jedynie do minimalnej redukcji potrzebnej energii w porównaniu z zapotrzebowaniem dla znamionowego punktu pracy pompy.

W przypadku regulacji wydajności pompy za pomocą zmiany prędkości obrotowej, punkt roboczy przesuwa się wzdłuż krzywej charakterystyki systemu. Przy takim sposobie regulacji zapotrzebowanie na energię spada w trzeciej potędze w porównaniu z regulacją dławieniem! Pompa potrzebuje, przykładowo, przy połowie prędkości obrotowej tylko jedną ósmą poboru mocy.

Przez analogię odnosi się to także do wentylatorów i wszystkich innych typów pomp ze zmiennym kwadratowym przebiegiem charakterystyki momentu obciążenia. Na wykresie przedstawiającym krzywą zużycia energii pompy przy regulacji prędkości obrotowej obok krzywej charakterystyki pompy i systemu przedstawiono także krzywe graniczne współczynnika sprawności. Można dzięki temu zauważyć, że zarówno przy regulacji dławieniowej, jak i regulacji zmianą prędkości obrotowej punkt roboczy wychodzi z optimum współczynnika sprawności.

Z przedstawionej specyficznej krzywej zużycia energii (dotyczy ona tylko wybranej pompy) można odczytać wpływ regulacji na zmianę współczynnika sprawności pompy. Przy częstotliwości poniżej 32 Hz dodatkowe straty pompy zaczynają przewyższać oszczędności zużycia energii w stosunku do pracy z nominalnymi parametrami (zasilanie bezpośrednie 50 Hz). W rozpatrywanym urządzeniu optymalna energetycznie częstotliwość wynosi zatem 38 Hz. Gdyby pompa nie miała regulacji prędkości obrotowej, bilans energetyczny byłby znacznie gorszy.

Praktyka pokazuje, że właśnie maszyny przepływowe nie zawsze pracują (nie mogą pracować) w optymalnym punkcie roboczym. Przykładowo urządzenia klimatyzacyjne muszą latem wykonać większą pracę niż zimą. System musi być zaprojektowany z uwzględnieniem maksymalnego zapotrzebowania mocy, co nieuchronnie skutkuje wysokim udziałem czasu pracy układu poniżej parametrów nominalnych. Fakt ten uwzględniają tylko niektórzy producenci układów pompowo-wentylatorowych. Projektują oni system tak, aby zachować rezerwę dla krótkich okresów zapotrzebowania maksymalnej wydajności, ale jednocześnie ustalając optimum sprawności tak, by odpowiadało około 70 proc. wydajności pompowania.

Aby zapewnić sukces realizacji projektów oszczędzania energii, warto zasięgnąć porady specjalistów w tej dziedzinie. Mają oni niezbędne doświadczenie, które umożliwia ominięcie niebezpieczeństw na drodze do zwiększenia efektywności energetycznej i obliczenia maksymalnej oszczędności dla użytkownika.

Firma Danfoss oferuje doradztwo zarówno na etapie przygotowania projektu, jak i na etapie wdrożenia oraz oddania do ruchu. Szczegółowe informacje na temat przetwornic częstotliwości VLT można znaleźć na stronie internetowej www.danfoss.pl/napedy

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

źródło: Automatyka 5/2017