Falowniki z funkcją zwrotu energii do sieci

Rosnące wymagania energooszczędności produkcji wynikają głównie z założeń ekonomicznych firmy, jak również z wymagań związanych z ochroną środowiska. Wysokie ceny energii elektrycznej sprawiają, że producenci szukają możliwości jak najoszczędniejszego jej wykorzystywania lub efektywnego używania energii biernej.

Również Unia Europejska część swoich działań skupia na zagadnieniach związanych z oszczędnością energii. Zaliczyć można do nich na przykład wprowadzenie dyrektywy Eco-design, dotyczącej produktów wykorzystujących energię. Przedsiębiorstwa mogą ubiegać się o dofinansowanie ze środków Unii Europejskiej działań ukierunkowanych m.in. na zmniejszenie negatywnego oddziaływania przedsiębiorstwa na środowisko, na budowę lub przebudowę instalacji i urządzeń sprzyjających oszczędności energii.

W większości zakładów produkcyjnych napędy elektryczne pochłaniają nawet trzy czwarte zużywanej przez nie energii. Dlatego, szukając oszczędności w przedsiębiorstwie, w pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na napędy. Mimo dostępności nowoczesnych serwonapędów i napędów hybrydowych, których jedną z licznych zalet jest oszczędność energii, nadal najpopularniejsze są napędy bazujące na klasycznych silnikach prądu przemiennego.

Większość napędów często nie może pracować bez zatrzymania, co wynika z charakterystyki ich pracy. Konieczne jest więc ich ciągłe zatrzymywanie i uruchamianie. To zazwyczaj wymaga zużycia bardzo dużej ilości energii (ponad dziesięciokrotnie większy pobór prądu niż przy pracy nominalnej). Nie można też pomijać kwestii zwiększonego zużycia mechanicznego napędów.

Zastosowanie falowników

Jednym ze sposobów zwiększenia energooszczędności napędów z silnikami prądu przemiennego jest stosowanie odpowiednio dobranych przekształtników częstotliwości (powszechnie zwanych falownikami), które dzięki wykorzystaniu ramp prędkości rozruchu i hamowania w znacznym stopniu eliminują powyższe problemy, a nawet zwiększają żywotność układów napędowych. Możliwe staje się uruchamianie napędów jedynie wtedy, kiedy jest to konieczne oraz dynamiczne dopasowanie prędkości do aktualnego zapotrzebowania. Niektóre typy przekształtników (w szczególności przekształtniki wektorowe) umożliwiają optymalizację pobierania energii. Możliwe jest sterowanie momentowe dla zmiennego obciążenia podczas pracy napędu, jak również podczas pracy przy bardzo niskich prędkościach.

Na rynku dostępne są przekształtniki częstotliwości nie tylko umożliwiające oszczędzanie energii, ale również jej odzyskiwanie, tzw. napędy regeneracyjne. Falowniki te mają dodatkową funkcję odzyskiwania energii. Podczas hamowania energia jest oddawana z powrotem do sieci zasilającej, a nie na przykład wytracana na ciepło przy użyciu rezystorów hamujących. Przy energooszczędnej produkcji, gdy tylko jest to możliwe, nadmiar energii powinien być zwracany z powrotem do sieci.

Zastosowanie przemiennika częstotliwości i regulacja pracy silnika wydłuża okres eksploatacji urządzeń oraz umożliwia modyfikację parametrów układu napędowego, bez konieczności kosztownej rekonfiguracji mechanicznej.

Jak działa napęd regeneracyjny

Moduł mocy standardowego przekształtnika częstotliwości składa się z sekcji wejściowej, akumulatora energii (DC Link) i sekcji wyjściowej (rys. 1). Zasada działania polega na zasilaniu akumulatora z sekcji wejściowej (pobierającej energię z sieci), a następnie obustronnym przepływie poprzez sekcję wyjściową do napędu. Podczas hamowania energia z napędu nie może przepłynąć poprzez sekcję wejściową z powrotem do sieci (budowa mostka diodowego), natomiast wytracana jest na oporniku, dołączonym w odpowiedni sposób do akumulatora.

Przekształtnik z odzyskiem energii ma zmodyfikowaną budowę sekcji wejściowej, podobną do sekcji wyjściowej (rys. 2). Dodatkowo zawiera tranzystory IGBT lub GTO kontrolowane przebiegiem PWM (rys. 3). Dzięki takiej konstrukcji możliwy jest przepływ energii powrotnej do sieci, gdy poziom akumulatora (DC Link) jest zbyt wysoki.

Zwrot energii do sieci jest procesem złożonym i obarczonym wymaganiami ze strony energetyki. Przede wszystkim konieczna jest synchronizacja z częstotliwością sieci energetycznej oraz zapewnienie odpowiedniego poziomu napięcia każdej z faz. Dodatkowo, konieczne jest stosowanie filtrów przeciwzakłóceniowych (EMC), ponieważ podczas formowania przebiegów sinusoidalnych zawsze występują różnego typu zakłócenia (szpilki, dystorsje, składowe stałe).

Atutem wykorzystania półprzewodników IGBT dużej mocy po stronie wejściowej (koniecznych przy generacji przebiegu napięcia sinusoidalnego zwracanego do sieci) jest także zwiększenie sprawności urządzenia. Jest ono uzyskiwane poprzez złagodzenie przebiegu procesu ładowania napięcia DC Link, w sposób zmniejszający piki poboru prądu z sieci oraz redukcję negatywnych prądów harmonicznych, zakłóceń w urządzeniach sąsiadujących.

Zastosowanie

W każdym przekształtniku podczas hamowania (a także zmniejszania prędkości) powstaje naddatek energii.

W tradycyjnych rozwiązaniach podczas aktywnego hamowania silników odprowadzana energia wytracana jest na ciepło, na ogół za pomocą rezystorów hamujących. Przykładowo, w aplikacjach wymagających szybkiego zatrzymywania napędów cała ich energia kinetyczna musi być wyemitowana w bardzo krótkim czasie, co wymaga zastosowania drogich, chłodzonych rezystorów. Jednak energia ta wcale nie musi być tracona, gdyż w przedsiębiorstwie z powodzeniem można wykorzystać ją ponownie.

W przypadku zastosowania przekształtników regeneracyjnych naddatek energii, powstający podczas hamowania, jest kierowany z powrotem do sieci zasilającej lub współdzielony z innymi falownikami. W obu przypadkach oszczędzana jest energia, a koszty redukowane. Mimo ewidentnych zalet zastosowanie falowników z funkcją odzyskiwania energii należy dobrze przemyśleć. W układach, w których nie występuje hamowanie, nie warto ich stosować. Takie przekształtniki częstotliwości najlepiej sprawdzą się w następujących zastosowaniach:

• 

  systemy przenośników,
• dźwigi, windy,
• suwnice,
• separatory odśrodkowe,
• nawijarki itp.,

czyli wszędzie tam, gdzie zachodzi częste hamowanie i jest możliwy odzysk dużej ilości energii biernej.

Zastosowanie tego typu przekształtników częstotliwości bardzo dobrze obrazuje przykład sterowania silnikiem dźwigu. Podczas jazdy w dół silnik działa jak prądnica (generator) i nadmiar energii może być oddany do sieci (rys. 4).

Przy zastosowaniu falowników z funkcją zwrotu energii do sieci należy pamiętać o zapewnieniu odpowiednich parametrów jakościowych zwracanej do sieci energii elektrycznej. Sieć musi być zabezpieczona przed zwarciami i przepięciami, a wartości kondensatorów filtrujących muszą być odpowiednio dobrane.

Na rynku dostępnych jest kilka przekształtników częstotliwości z funkcją odzyskiwania energii. By poznać parametry sześciu wybranych przykładowo urządzeń przeczytaj cały artykuł. Wszystkie są przekształtnikami wektorowymi, zasilanymi napięciem trójfazowym. Każdy przekształtnik ma wejścia analogowe i cyfrowe. Poszczególne modele mają różne zakresy mocy. Również pozostałe parametry tych urządzeń cechuje duża różnorodność. Dlatego użytkownicy powinni bez problemu znaleźć falowniki spełniające wymagania różnych układów napędowych.

Szeroka oferta firmy Siemens umożliwia wybór jednostki sterującej dla przekształtnika częstotliwości Sinamics G120. W zależności od dokonanego wyboru falownik będzie wyposażony w różną liczbę wejść i wyjść, np. aż do 9 wejść i 3 wyjść cyfrowych, 2 wejść i 2 wyjść analogowych. Dostępne są również 3 moduły pracy do wyboru. Podstawowy moduł o mocy PM240 ma zintegrowany czoper hamowania. Opcjonalnie, do obciążenia dynamicznego hamowania możliwe jest użycie zewnętrznego rezystora hamującego. Z kolei moduł pracy PM250 został zbudowany z prostowników tranzystorowych IGBT, dzięki czemu energia odzyskana z hamowania może być oddana do sieci zasilającej. Jak podaje producent, innowacyjna koncepcja budowy układu gwarantuje niską emisję wyższych harmonicznych prądu. Z kolei moduł mocy PM260 jest wyposażony w zintegrowany filtr sinusoidalny.

Przekształtnik częstotliwości Sinus Penta firmy Elettronica Santerno ma największy z prezentowanych zakres mocy: od 1,5 do 2000 kW. Falownik ten może być wykorzystywany do kontroli systemu kaskadowego zbudowanego na przykład z 4 pomp (maksymalnie). Falownik Sinus Penta wyposażony jest w sterowanie skalarne, bezczujnikowe wektorowe i polowo zorientowane, które umożliwia dokładną i precyzyjną regulację w całym zakresie. Ma również funkcję wektorową SYN dla bezszczotkowych silników asynchronicznych ze stałą charakterystyką magnetyczną, która pozwala uzyskać bardzo dokładne wartości momentu. Falownik Sinus Penta wyposażony jest w 3 konfigurowalne wejścia analogowe, 3 konfigurowalne wyjścia analogowe, 2 wyjścia przekaźnikowe oraz 1 wyjście typu otwarty kolektor.

Przekształtnik częstotliwości CX7800 firmy CES ma osiem wbudowanych aplikacji, np. przenośnik, pompowanie. Producent podkreśla łatwość ich obsługi.

Moduł odzyskiwania energii Regen BU jest dostępny opcjonalnie przy mocy powyżej 15 kW. Do wyboru jest również moduł hamowania dynamicznego PBU.

Falowniki z funkcją zwrotu energii do sieci posiada w swojej ofercie również firma Mitsubishi. Według producenta, zastosowanie jego przekształtnika częstotliwości z funkcją zwrotu energii zwraca się po kilku miesiącach, nawet przy silnikach małej mocy. Dla przykładu podaje koszty z inwestycji dla dwóch rodzajów falowników. Nakłady na sprzęt i koszty energii konwencjonalnego falownika o mocy 22 kW z układem hamowania, rezystorem hamującym i dławikiem AC szacuje się na około 12 839 EUR rocznie. Z kolei zastosowanie przekształtnika częstotliwości FR-A741 ze zwrotem energii będzie generować koszty (z uwzględnieniem zakupu sprzętu) rzędu 8840 EUR rocznie.

Producent przede wszystkim zaleca stosowanie falownika FR-A741 w układach z cyklicznym przyspieszaniem i hamowaniem (np. windowych), w których pracę zadaniową mają ułatwić specjalne funkcje programowania dźwigów. Obejmują one sekwencje sterowania zewnętrznym układem hamowania, funkcje przełączania prędkości na podstawie obciążenia i 4 niezależne wartości progowe momentu dla wszystkich 4 ćwiartek. Falownik FR-A741 może być sterowany skalarnie i wektorowo. Ponadto jest wyposażony w technologię optymalnego sterowania wzbudzeniem. W takim sterowaniu jedyną wielkością dostarczaną do silnika jest strumień magnetyczny.

Z kolei funkcja rzeczywistego bezczujnikowego sterowania wektorowego umożliwia sterowanie szybkością i momentem obrotowym silnika trójfazowego AC bez enkodera. Takie rozwiązanie ma zapewnić uzyskanie maksymalnej wydajności odpowiedzi dynamicznej i dokładność sterowania w całym zakresie obrotów.

Z kolei firma Parker oferuje m.in. dwa rodzaje falowników: AC690+ i AC890SD z modułem 4 Quadrant, który umożliwia odzyskiwanie energii i jej zwrot do sieci. Producent również proponuje połączenie wszystkich sekcji danego modułu do szyny DC. W takim układzie sekcje generujące energię przekazują ją bezpośrednio do sekcji, które jej potrzebują. Rozwiązanie to zmniejsza zapotrzebowanie na energię w konkretnym systemie.

Kolejny falownik tej firmy – AC900+ jest przeznaczony do regulacji nie tylko pojedynczych silników, ale również do regulacji integrowanych systemów wielosilnikowych. Zbudowany jest on na 32-bitowym mikroprocesorze, zawierającym model sterowania silnika. Do wyboru są 3 tryby sterowania: zwykłe skalarne, oparte na otwartej pętli U/f, bezczujnikowe sterowanie wektorowe, oparte na algorytmie MRA (ang. Model Reference Adaptive System), polegającym na ciągłym modelowaniu silnika, i wreszcie sterowanie wektorowe ze sprzężeniem, które można osiągnąć poprzez dodanie modułu enkodera ze sprzężeniem zwrotnym. Rozwiązanie to zapewnia ciągły pełny moment obrotowy i wysoką dynamikę pętli prędkości (do 45 Hz pasma). Falownik AC900+ ma 4 konfigurowalne wejścia 10-bitowe i 3 konfigurowalne wyjścia analogowe, 7 konfigurowalnych wejść i 3 konfigurowalne wyjścia cyfrowe.

Falownik AC890, jak informuje producent – firma Parker, jest kompatybilny z każdym silnikiem o praktycznie dowolnej prędkości. Dzięki tak dużej elastyczności, przy jego zastosowaniu w układzie nie potrzeba zmieniać silnika prądu zmiennego, aby osiągnąć wysoką wydajność. Falowniki te mogą być łączone w systemy wielonapędowe. Możliwe rodzaje sterowania są takie same jak w omówionym przekształtniku częstotliwości AC900+. AC890 ma 4 konfigurowalne wejścia i 2 konfigurowalne wyjścia analogowe, 7 konfigurowalnych wejść i 2 konfigurowalne wyjścia cyfrowe oraz 1 wyjście przekaźnikowe.

Zastosowanie zaawansowanego falownika w firmie w większości przypadków w razie potrzeby umożliwi łatwą rekonfigurację układu bez ponoszenia dodatkowych kosztów.

Kluczowym aspektem jest odpowiednie dobranie falownika i ustawienie jego parametrów przez doświadczonych specjalistów. Niektóre zaawansowane przekształtniki częstotliwości mają tysiące parametrów. Praca włożona w ich jak najlepsze ustawienie zaprocentuje optymalną energooszczędnością całego układu napędowego w czasie kolejnych lat eksploatacji.

Należy pamiętać, że w niektórych rozwiązaniach ze względów bezpieczeństwa nie można zrezygnować z rezystorów hamujących. Mogą one być wykorzystywane jedynie podczas hamowania awaryjnego, np. w sytuacji zagrożenia dla ludzi wynikającego z awarii sieci, czyli kiedy sieć nie może przyjąć energii koniecznej do wywołania hamowania.

Falowniki wyposażone w funkcję zwrotu energii mają duży potencjał oszczędności zużycia energii w toku produkcji. Wprawdzie wprowadzenie odpowiednich przekształtników częstotliwości wiąże się z dodatkowymi kosztami, jednak taka inwestycja zwraca się w krótkim czasie.

Poziom oszczędności wynikający z zastosowania przekształtników częstotliwości z funkcją odzyskiwania energii pomogą oszacować umieszczone w internecie programy, na przykład SinaSave (dostępny na stronie firmy Siemens) czy eSaver (do pobrania ze strony firmy Encon).

Należy pamiętać, że oszczędza się nie tylko energię, ale także często użyte przewody i miejsce. Zastosowanie przekształtników częstotliwości z funkcją odzyskiwania energii przyczynia się dodatkowo do zmniejszenia ilości wytwarzanego ciepła, a odpowiednio dobrany falownik może przyczynić się do wydłużenia żywotności napędu.

mgr inż. Dorota Jackiewicz
Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP