Przetwornice częstotliwości VLT firmy Danfoss – sposób na mądre oszczędzanie w systemach automatyki

Ceny energii rosną od lat - dlatego też jest coraz większe zainteresowanie możliwościami oszczędności energii w systemach automatyki w przemyśle, handlu i drobnej wytwórczości. W ten sposób, mimo rosnących cen, użytkownicy mogą utrzymać koszty produkcji na takim samym poziomie lub nawet je obniżyć. Producenci maszyn i urządzeń zyskują przewagę nad konkurencją, konstruując urządzenia o mniejszym zużyciu energii, a tym samym niższych kosztach eksploatacji.

Technika napędów elektrycznych kluczem do obniżenia kosztów

Rys. 1. Bezpośrednie porównanie przetwornic częstotliwości jest bardzo trudne z powodu różnych danych ramowych, jak prądy znamionowe czy zdolność przeciążania. Straty mocy dają lepszą możliwość porównania

W technologii budowy maszyn niezwykle ważny obszar dla zwiększenia energooszczędności stanowią napędy elektryczne. Są one w chwili obecnej najbardziej efektywnym rozwiązaniem pozwalającym szybko i w istotnym stopniu zredukować zużycie energii. Regulacja prędkości obrotowej w silnikach elektrycznych może na przykład energetycznie zoptymalizować eksploatację kompresorów w systemach chłodniczych, wentylatorów w układach klimatyzacji, pomp w gospodarce wodno-ściekowej i wielu innych napędów używanych w przemyśle.

Centralny Związek Przemysłu Elektrotechnicznego i Elektrycznego w Niemczech (ZVEI) zakłada w samym tylko przemyśle możliwość oszczędności powyżej 15% zużycia prądu w przypadku systemów napędzanych silnikami elektrycznymi. Ale uwaga - obojętnie, jakie środki podejmą użytkownicy, muszą je oni zawsze przed realizacją sprawdzić pod względem realnej opłacalności. Zawsze obowiązuje zasada: oszczędność energii - tak, ale nie za wszelką cenę.

Mądre oszczędzanie

Potencjał oszczędzania energii ukryty jest niemal we wszystkich dziedzinach. Niezależnie od tego, czy chodzi tutaj o techniczne wyposażenie budynków, czy procesy chemiczne, trudność leży w identyfikacji potencjału i w optymalnej ekonomicznie realizacji. Przy podejmowaniu działań użytkownik musi szczególną uwagę zwrócić na płynące z nich korzyści. Do realizacji oszczędności znakomicie nadają się pompy i wentylatory.

Z jednej strony należą one do największych odbiorników energii elektrycznej w przemyśle, z drugiej zaś strony w przypadku pomp wirowych i wentylatorów zużycie energii zmniejsza się w trzeciej potędze wraz z prędkością obrotową. Szybkim i prostym rozwiązaniem byłoby wyposażenie wszystkich pomp i wentylatorów w przetwornice częstotliwości i regulowanie ich prędkości obrotowej. Za takim rozwiązaniem przemawia również fakt, że tendencje cenowe czynią przetwornice coraz bardziej atrakcyjnymi.

Ale uwaga: nie wszystkie pompy i wentylatory nadają się do regulacji prędkości obrotowej. I nie zawsze nawet najtańsza przetwornica stanowi rozwiązanie optymalne ekonomicznie. W wielu przypadkach zastosowanie przetwornic częstotliwości przynosi oszczędność energii. W niektórych jednak ich zastosowanie nie jest opłacalne, a wręcz może być szkodliwe. Dane szacunkowe zakładają, że w przypadku około 50% wszystkich napędów elektrycznych regulacja prędkości obrotowej jest z ekonomicznego punktu widzenia dobrym rozwiązaniem.

Obok rodzaju układu automatyki oszczędności zależą od rachunku zysków i strat (często ukrytych), które generuje użyta przetwornica. Przykładowo, wyższa cena urządzenia o lepszej sprawności zwraca się często już po krótkim czasie. Dlatego też, aby nie wykonywać nieopłacalnych i szkodliwych działań, przed podjęciem decyzji o inwestycji konieczne jest sprawdzenie zarówno aspektów technicznych, jak i komercyjnych i logistycznych.

Aby dzięki wdrożeniu tych rozwiązań technicznych stosunek kosztów do efektywności był możliwy do zaakceptowania, użytkownik danej przetwornicy częstotliwości nie powinien kierować się najniższą ceną, lecz ekonomicznie najbardziej uzasadnioną i najatrakcyjniejszą ofertą, mając na uwadze całkowity czas życia urządzenia.

Dokładne oszacowanie pozwala oszczędzić wydawane pieniądze

Filtry zewnętrzne generują dodatkowe straty. Dlatego przy projektowaniu przetwornic częstotliwości trzeba uważać, aby wszystkie niezbędne filtry były już wbudowane w urządzenie

Rozważmy następujący problem: czy podawane przez różnych producentów współczynniki sprawności urządzeń są rzeczywiście takie same? Przy porównywaniu współczynników sprawności na pierwszy rzut oka nie widać dużych różnic między urządzeniami. Czy aby na pewno tak jest? Czy dwa urządzenia identyczne pod względem mocy i współczynnika sprawności wykazują takie same straty? Współczynnik sprawności przetwornic częstotliwości oblicza się na podstawie stosunku czynnej mocy wyjściowej do całkowitej wejściowej.

Jest on zwykle podawany w wielkościach procentowych w zaokrągleniu, czyli bez miejsc po przecinku. Co najwyżej przetwornice o zbliżonych współczynnikach sprawności różnią się o około 1%. Aby móc rzetelnie porównać współczynniki sprawności różnych przetwornic, użytkownik musi wiedzieć w jakich warunkach producent je wyliczył. Przykładowo istnieje duża różnica między znamionowaniem dla pracy z przeciążeniem normalnym (110%) i wysokim (160%).

Podobnie jak uwzględnienie trybu przeciążalności, niezwykle ważna jest też wiedza, jak długo układ pracuje z maksymalną wydajnością, a jak długo z obciążeniem mniejszym niż nominalne. Przy mniejszym obciążeniu zwykle tolerancje sprawności są większe. Jeszcze ważniejsze w świetle oceny sprawności układu napędowego są informacje dotyczące strat cieplnych danego urządzenia. Także i tu należy poddać analizie profil czasowy poziomu obciążenia układu w stosunku do parametrów znamionowych.

Ponieważ użytkownicy i konstruktorzy właśnie na tej podstawie ustalają między innymi zapotrzebowanie na wentylację danej szafy rozdzielczej, informacje te mogą być uważane za bardziej rzetelne do ostatecznej oceny sprawności układu. Poniższy wykres przedstawia porównanie strat mocy wybranego typoszeregu przetwornic częstotliwości dwóch różnych producentów. Dla obu grup urządzeń podany przez producenta współczynnik sprawności w całym zakresie mocy jest identyczny, jednak straty mocy istotnie się różnią.

Co to oznacza dla całego okresu użytkowania danego urządzenia? Zakładając żywotność 60 tys. godzin i sprawność samego silnika równą 90%, dla przedstawionych na wykresie konkretnych modeli przetwornic przy mocy 75 kW otrzymamy dla jednego producenta całkowitą stratę równą 124 740 kWh, a dla drugiego tylko 66 538 kWh. Chociaż na obu urządzeniach podany jest taki sam współczynnik sprawności, jedno z nich ma większe zużycie energii o około 58 tys. kWh!

Różnica ta zmniejsza się przy mniejszych mocach, tendencja jest jednak wyraźna. Przy ocenie współczynnika sprawności i strat cieplnych należy uwzględnić obecność modułów filtrów. Z uwagi na swą zasadę działania, przetwornice częstotliwości wytwarzają zaburzenia elektromagnetyczne. Aby je ograniczyć, dla każdej przetwornicy częstotliwości producent prezentuje w ofercie odpowiednie filtry (EMV/RFI). Filtry te mogą być wbudowane w urządzeniu lub podłączane zewnętrznie od strony zasilania.

Możliwa jest także kombinacja filtrów wewnętrznych i zewnętrznych. Kolejnym tematem są filtry sinusoidalne bądź filtry du/dt instalowane od strony silnika. Napięcie wyjściowe przetwornicy częstotliwości jest sygnałem modulowanym, składającym się z impulsów o wysokiej częstotliwości. Skutkiem tego napięcie wyjściowe traci postać sinusoidalną. W zależności od długości kabla silnika i izolacji, napięcie to może stwarzać zagrożenie uszkodzenia izolacji uzwojeń.

Jest to problematyczne przede wszystkim w przypadku starszych silników. Filtry silnikowe ograniczają szybkość narastania napięcia na zaciskach uzwojeń i ograniczają amplitudę napięć szczytowych. Tym samym chronią izolację uzwojeń przed przebiciem. Niewątpliwie zaletą przetwornic częstotliwości z zewnętrznym, opcjonalnym filtrem jest ich cena. Ubogie wyposażenie w standardzie to niższy koszt zakupu. Urządzenia są tańsze i często bardziej kompaktowe niż te z wbudowanymi filtrami. Poważną wadą jest jednak potrzeba dodatkowego miejsca w szafie rozdzielczej na montaż filtru.

Większa szafa i konieczność montażu filtru to także koszty, których możemy uniknąć, stosując rozwiązania z filtrami zintegrowanymi. Jednak najistotniejsze w całej analizie jest to, że wszystkie filtry zewnętrzne generują zawsze dodatkowe straty, które nie są uwzględnione we współczynniku sprawności samej przetwornicy. Dotyczy to zarówno filtrów zaburzeń elektromagnetycznych (filtry EMV/ RFI), jak również filtrów silnikowych: filtrów sinusoidalnych czy filtrów du/dt instalowanych od strony silnika.

Te dodatkowe straty należy uwzględnić przy projektowaniu wentylacji szafy rozdzielczej. W przypadku przetwornic z fabrycznie wbudowanymi filtrami, ich straty są już zwykle ujęte w danych katalogowych urządzenia. Podsumowując, przy porównywaniu współczynników sprawności dwóch przetwornic częstotliwości należy mieć na uwadze, czy obie zawierają wbudowane filtry i czy - odnośnie do filtrów EMV/ RFI - spełniają te same normy ograniczania zaburzeń.

Z drugiej strony oszczędności kosztów poprzez zastosowanie gorszych filtrów EMV/ RFI lub rezygnację z nich (jak również rezygnacja z niezbędnych filtrów silnikowych) mogą pociągnąć za sobą wysokie koszty dodatkowego wyposażenia, dodatkowe straty i konieczność montażu klimatyzacji.

Danfoss sp. z o.o.
www.danfoss.pl