Zastosowanie przetwornic częstotliwości VLT RefrigerationDrive FC103 do sprężarek chłodniczych z uwzględnieniem oszczędności energii elektrycznej

Rys. 1. Zależność mocy chłodniczej Q w jednostkach względnych od częstotliwości zasilania silnika sprężarki

W ostatnich latach zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wydajności sprężarek chłodniczych stało się pewnym standardem. Związany z tym duży potencjał oszczędności energii elektrycznej i wymiernych oszczędności finansowych może zapewnić zwrot kosztów inwestycyjnych w krótkim czasie. W klimatyzacji i chłodnictwie przemysłowym sprężarki są głównym odbiornikiem energii elektrycznej.

W porównaniu z rozwiązaniami regulacji wydajności chłodniczej przy stałej prędkości tj. regulacją wydajności sprężarki spiralnej (scroll) on/off, tłokowej on/off lub przez zmianę liczby tłoków lub śrubowej przy stałej prędkości za pomocą suwaka, przetwornica częstotliwości reguluje wydajność chłodniczą sprężarki przez regulację jej prędkości obrotowej.

Na rysunku 1 pokazano zależność wydajności chłodniczej od częstotliwości zasilania / prędkości obrotowej silnika dla danych warunków temperaturowych układu chłodniczego. Zasadniczą kwestią jest prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości. W dalszej części artykułu zostaną omówione istotne kwestie dotyczące zastosowania przetwornicy do sprężarki śrubowej.

DOBÓR PRZETWORNICY CZĘSTOTLIWOŚCI DO SPRĘŻARKI ŚRUBOWEJ

Rys. 2. Zależność momentu silnika Torque M, momentu sprężarki Torque C oraz mocy Power P w funkcji częstotliwości i napięcia zasilania

Prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości do sprężarki śrubowej powinien uwzględniać jej maksymalne zapotrzebowanie na energię przy maksymalnej wydajności chłodniczej oraz uwzględniać 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 1 min. Wynika to z faktu że przeważnie sprężarki śrubowe są odciążane przez zawór obejściowy w trakcie rozruchu i są 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 mieścić się w granicach do 70% momentu nominalnego silnika .

Dopiero po uzyskaniu stałej prędkości sprężarka jest dociążana i dalej regulacja mocy chłodniczej odbywa się poprzez 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 mechaniczna 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 wynikającej 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, podczas pracy dynamicznej oraz uwzględniającego 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 na ten zakres prędkości odpowiednio dobrany.

Dopuszczalna, chwilowa przeciążalność prądowa i długotrwała obciążalność prądowa przetwornicy powinna 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.

OSZCZĘDNOŚCI ENERGII WYNIKAJĄCA Z REGULACJI SPRĘŻARKI ŚRUBOWEJ PRZETWORNICĄ CZĘSTOTLIWOŚCI

Rys. 3. Zależność między mocą chłodniczą a napędową sprężarki w jednostkach względnych w % dla dwóch sposobów regulacji wydajności chłodniczej

Jak można zauważyć z (rys. 3), przy metodzie regulacji suwakiem, bez przetwornicy (linia czarna), wraz ze zmniejszaniem wydajności chłodniczej, następuje pogorszenie wartości COP = Q/P przez zwiększone zapotrzebowanie sprężarki na moc napędową. Korzyści z zastosowania metody regulacji wydajności przetwornicą (linia niebieska) wynikają z poprawy tego współczynnika wraz ze zmniejszeniem 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, lepsze dociążenie sprężarki. Z powyższego (rys. 3) wynika, że dla metody regulacji wydajności chłodniczej przetwornicą częstotliwości, dla określonych temperatur skraplania i parowania oraz temperatury przegrzania można przyjąć w przybliżeniu COP=const. Jest to założenie poprawne zwłaszcza że zakres regulacji prędkości obrotowej sprężarki śrubowej jest zawężony (typowo od 25 do 50 lub 60 Hz).

Do wyznaczenia/ oszacowania ewentualnych oszczędności energii niezbędne są jeszcze: profil obciążenia sprężarki, 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, zmniejszając koszty eksploatacji układów chłodniczych. Chroni środowisko, zmniejszając emisję gazów cieplarnianych. Jest w stanie zapewnić zwrot kosztów inwestycyjnych w relatywnie krótkim czasie.

Analiza energetyczna jest stosunkowo przystępna ze względu na liniowe zależności między wielkościami fizycznymi.

Andrzej Sokołowski
Danfoss Poland Sp. z o.o.
www.danfoss.pl/napedy