Mądre oszczędzanie w systemach automatyki

Transkrypt

1 MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Mądre oszczędzanie w systemach automatyki Przetwornice częstotliwości - prawidłowy dobór komponentów napędu elektrycznego i redukcja kosztów

2 Redukcja kosztów Oszczędzanie zasobów Ochrona środowiska Ceny energii rosną od lat. Dlatego też coraz większe jest 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 wobec konkurencji konstruując urządzenia o mniejszym zużyciu energii, a tym samym generujących niższe koszty eksploatacji. 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 korzyści. Także polityka wywiera wpływ na energooszczędne podejście do budowy urządzeń technicznych. Przykładowo dyrektywa UE Energy using Products (EuP, 2005/32/EG i 2008/28/EG) definiuje wymagania wobec przyjaznego środowisku kształtowania produktów używających energię. Dyrektywa realizuje koncepcję Zintegrowanej Polityki Produktu (IPP) UE, która ma na uwadze cały cykl życia danego urządzenia elektrycznego od chwili wyprodukowania do momentu jego utylizacji. Technika napędów elektrycznych jako klucz do obniżenia kosztów Kluczową technologię dla zwiększenia energooszczędności stanowią napędy elektryczne. Są one w chwili obecnej najbardziej efektywnym rozwiązaniem pozwalającym szybko i w istotny sposób zredukować zużycie energii. Regulacja prędkości obrotowej w silnikach elektrycznych może na przykład energetycznie zoptymalizować eksploatację kompresorów w lodówkach i szafach chłodniczych, klimatyzacji i wielu innych napędów używanych w przemyśle. Centralny Związek Przemysłu Zawsze obowiązuje zasada: Oszczędność energii tak, ale nie za wszelką cenę 2

3 Szybko, łatwo i niedrogo Celem musi być realizacja oszczędności w zużyciu energii zarówno w przypadku nowych, jak i istniejących maszyn i urządzeń. Z reguły użytkownicy, jak również konstruktorzy maszyn i urządzeń wymagają w pierwszym rzędzie, aby odpowiednie środki były łatwe, szybkie i przede wszystkim niedrogie w realizacji. 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 (ekonomicznie) optymalnej 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 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, iż tendencje cenowe czynią przetwornice coraz atrakcyjniejszymi. Ale uwaga: nie wszystkie pompy i wentylatory nadają się do regulacji prędkości obrotowej. I nie zawsze nawet najtańsza przetwornica stanowi ekonomicznie optymalne rozwiązanie. W wielu przypadkach zastosowanie przetwornic częstotliwości przynosi oszczędność energii. W niektórych jednak ich zastosowanie nie jest opłacalne i może być nawet 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 wysokość oszczędności zależy 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 podejmować 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. 50% oszczędność Redukcja prędkości obrotowej w pompach o 20% może w idealnym przypadku obniżyć koszty energii nawet o 50%. Przetwornice częstotliwości są dzisiaj standardowym rozwiązaniem i znajdują coraz szersze zastosowanie. Spośród około 75 milionów zainstalowanych w Europie silników mniej więcej co ósmy z nich posiada regulację prędkości obrotów. 3

4 Oszczędzać, ale nie za wszelką cenę Najważniejsza jest opłacalność i zasadność podejmowanych działań Najważniejsza jest opłacalność i zasadność podejmowanych działań Dzięki regulacji prędkości obrotowej maszyn elektrycznych można uzyskać oszczędność zużycia energii. Aby takie działania przyniosły pożądany efekt, użytkownicy i konstruktorzy urządzeń powinni uwzględnić kilka ważnych punktów. Ocena potencjału oszczędności Niezależnie od tego, czy chodzi o nowe czy już istniejące urządzenia lub maszyny, użytkownik powinien najpierw ustalić stan rzeczywisty systemu. Zalicza się do tego ustalenie aktualnego zużycia energii, wyjaśnienie, jakie procesy pozwalają na regulację prędkości obrotowej oraz analiza, gdzie kryją się możliwości rozsądnego oszczędzania. Można także zauważyć efekty synergii. Umożliwia to lepszą identyfikację rozwiązań i pozwala na późniejszą weryfikację tego, czy podjęte środki są skuteczne, innymi słowy czy uzyskane zostały pożądane oszczędności. Analiza budowy systemu Najważniejszymi kryteriami efektywnej analizy stanu istniejącego są: Współczynnik sprawności Najprostsza możliwość uzyskania oszczędności energii polega na zastosowaniu komponentów o lepszym współczynniku sprawności. Regulacji wielkości procesów Procesy można efektywnie zoptymalizować poprzez regulację ciśnienia, przepływu, prędkości itd. Jeżeli, przykładowo, miała dotychczas miejsce tylko jedna regulacja dwupołożeniowa, należy porównać jej efektywność energetyczną z regulacją prędkości obrotowej. Budowa systemu Projektowanie wielu systemów niekoniecznie odbywa się w oparciu o aspekty energetycznie korzystnego czy nawet optymalnego projektu. Przykładowo wszelkiego rodzaju rurociągi dają możliwość optymalizacji. Sposób poprowadzenia rur, urządzeń rozdzielczych i wybór zaworów powinien być taki, aby opory przepływu były jak najmniejsze. Sprężone powietrze Sprężone powietrze jest prostym, ale drogim sposobem do przenoszenia siły. Nierzadko z energetycznego punktu widzenia lepiej jest zastosować zamiast tego bezpośredni silnikowy napęd nastawczy. Generalnie użytkownik powinien utrzymywać ciśnienie na możliwie najniższym poziomie. Obniżenie ciśnienia tylko o 1 bar pozwala zaoszczędzić ok. 7-8% energii. Także nieszczelności są drogie: jeden otwór o średnicy 1 mm prowadzi, w zależności od ciśnienia w danym układzie, do wzrostu zużycia energii o rząd od 1500 do 5000 kwh w skali roku! Pompy Wentylatory Inne zastosowania: mieszanie, transport,... Kompresory chłodnicze Kompresory sprężonego powietrza n Napędy główne n Napędy pomocnicze Największa część energii potrzebna jest w napędach pomocniczych. Źródło: Franhofer ISI, Karlsruhe (EU-15) 4

5 Obliczanie aktualnego zużycia energii Okres obliczeniowy aktualnego zużycia energii zależy od typu analizowanej instalacji. W przypadku zdefiniowanych procesów technicznych, godne zaufania dane dotyczące zużycia dostępne są z reguły po przejściu kilku pełnych cykli technologicznych. Szczególnie długotrwała jest analiza profilu zużycia energii dla aplikacji zależnych od warunków klimatycznych. Przykładowo potrzebna wydajność pompy ściekowej wiąże się bezpośrednio z aktualną ilością opadów. Automatyczna Optymalizacja Zużycia Energii Start z dużym przyspieszeniem Prędkość obrotowa Napięcie silnika Prąd silnika Regulacja AEO Automatyczne dostosowanie do aktualnego obciążenia Analiza rozwiązań napędowych ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej W zastosowaniach ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej, do których należą między innymi pompy i wentylatory, w pierwszej kolejności użytkownik musi określić aplikacje, dla których technologia dopuszcza możliwość regulacji. Ponadto powinien on dowiedzieć się, jaki jest optymalny współczynnik sprawności i na tej podstawie ustalić optymalny zakres regulacji. Na koniec należy sprawdzić wpływ podjętych działań na system. Układ przenoszenia napędu Maksymalną oszczędność można uzyskać tylko poprzez analizę całego układu przenoszenia napędu. Dlatego należy sprawdzić, czy stosowane są wysokosprawne silniki, jakie rodzaje przekładni są zamontowane i czy zoptymalizowano długości kabli. Ponadto należy wyjaśnić, czy podjęto wszelkie niezbędne środki w zakresie zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej i czy rozwiązanie nie przeciąża sieci. Ważne jest też określenie strat cieplnych oraz koniecznej do ich odprowadzenia wydajności wentylacji szafy rozdzielczej lub nawet klimatyzacji elektrycznego pomieszczenia technicznego. Specjaliści pomagają oszczędzać Użytkownicy nie powinni też wykluczać z analizy zainstalowanych już przetwornic. Mogło dojść do zmian warunków ramowych w instalacji, które pierwotnie prowadziły do ich zastosowania. Dopiero taka kompleksowa analiza pokazuje, czy dana inwestycja jest opłacalna. Aby mądrze oszczędzać, użytkownik musi przede wszystkim ocenić, jakie zalety i wady ma określone rozwiązanie techniczne. Należy przy tym mieć na uwadze to, że zwykle jakość rozwiązania technicznego rośnie wraz z jego Dopasowane strategie regulacji umożliwiają energetycznie optymalną pracę. W przetwornicach Danfoss wprowadzono sprawdzoną regulację AEO. ceną. Ponieważ w dzisiejszych czasach użytkownicy nie mają raczej możliwości poznania wszystkich urządzeń technicznych w najdrobniejszych szczegółach, jak najbardziej celowe jest skorzystanie z usług ekspertów, aby wspólnie z nimi rozważyć wszystkie techniczne wady i zalety. Liczy się wiedza. Tylko osoby posiadające wiedzę fachową i znające urządzenia są w stanie ocenić nakłady na realizację poszczególnych działań zmierzających do uzyskania oszczędności energii i zmniejszyć niepotrzebne rezerwy związane z projektowaniem 5

6 Silniki: Potencjał oszczędzania i przyszłe tendencje rozwojowe Już od 1998 roku dostępne są w Europie energooszczędne trójfazowe asynchroniczne silniki indukcyjne. Przeprowadzono podział na klasy sprawności eff1 do eff3. To dobrowolne porozumienie zostaje zamienione przez obowiązującą na świecie normę IEC Motoreduktory Zastosowanie energooszczędnych silników elektrycznych do napędu przekładni jest dziś standardem. Zależnie od producenta użytkownik może wybierać między różnymi klasami sprawności, jakie powinien mieć jego silnik napędowy. Klasa sprawności silnika odnosi się jednakże tylko do samego silnika, a nie do kombinacji przekładni z silnikiem. Istotny potencjał stwarza wybór rodzaju przekładni. Przekładnie zębate czołowe i przekładnie kątowe (stożkowe) mają z reguły znacznie lepsze współczynniki sprawności, niż przekładnie ślimakowe. Jeżeli użytkownik zamiast przekładni ślimakowych użyje alternatywnie przekładni stożkowych, które również mają kompaktową budowę, powstaną wyższe koszty inwestycji. Jednakże dzięki lepszemu współczynnikowi sprawności i mniejszemu zużyciu powierzchni nośnej, koszty te amortyzują się zwykle w relatywnie krótkim czasie. Motoreduktory są wręcz idealnym rozwiązaniem do współpracy z przetwornicami częstotliwości. Z jednej strony przetwornica optymalizuje pracę silnika elektrycznego, z drugiej strony użytkownik może dzięki niej zrezygnować z mechanicznych przekładni nastawczych (regulacyjnych). Zakres mocy MPES Alternatywa MPES Od 16/06/ kw IE 2 Od 01/01/ kw IE kw IE 3 Od 01/01/ kw IE 3 IE 2 + przetwornica częstotliwości IE 2 + przetwornica częstotliwości Silniki PM (z magnesami trwałymi) Silniki PM (Permanent Magnet) to silniki synchroniczne dysponujące bardzo dobrym współczynnikiem sprawności. Silniki te zwykle znajdują zastosowania w dynamicznych napędach typu serwo i tam gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola momentu i położenia wału. W porównaniu do silników asynchronicznych o podobnych współczynnikach sprawności (np. IE 3) silniki PM mają znacznie mniejszą wagę i rozmiary mechaniczne. IEC IE 1 (standard efficiency) IE 2 (high efficiency) IE 3 (premium efficiency) IE4 (super premium) Klasy eff Porównywalne eff2 Porównywalne eff1 ok % lepiej niż IE2 UE uchwaliła dla realizacji Dyrektywy Ecodesign 2005/32/WE wprowadzenie minimalnych współczynników sprawności (MPES) w asynchronicznych trójfazowych silnikach indukcyjnych. W czerwcu 2009 roku dyrektywa ma wejść w życie. 6

7 Regulacja prędkości obrotowej: Duży potencjał szybka realizacja Obecnie spadające ceny magnesów trwałych wykorzystywanych przy produkcji silników PM czynią te silniki atrakcyjnymi także dla zastosowań popularnych, o mniej dynamicznych wymaganiach. Opłacalność wymiany asynchronicznych trójfazowych silników indukcyjnych na silniki PM zależy od wielu czynników. W odpowiednich badaniach użytkownik powinien mieć na uwadze, obok kosztów zakupu, przebudowy i energii rzecz jasna, także koncepcję konserwacji i użycia silników zastępczych. Regulacja prędkości obrotowej napędów maszyn przynosi często korzyści energetyczne, które można bardzo szybko zauważyć bezpośrednio na rachunku za prąd. Warto zwrócić uwagę na: Oszczędność energii W zależności od charakterystyki momentu obrotowego obciążenia mamy różne poziomy możliwych do uzyskania oszczędności. W zastosowaniach z charakterystyką stałomomentową oszczędność zużycia energii jest tylko 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 φ Wiele przetwornic częstotliwości koryguje cos φ niemal do wartości 1 i redukuje w ten sposób indukcyjny pobór mocy biernej. Tym samym zmniejszają się straty w kablu zasilającym napęd. Zoptymalizowana praca w zakresie obciążeń częściowych Współczynniki sprawności podane są zazwyczaj dla silników indukcyjnych trójfazowych tylko dla punktu nominalnego. Jeżeli silnik pracuje zasilany bezpośrednio z sieci z obciążeniem poniżej nominalnego, znacznie pogarsza się jego sprawność z powodu stałych strat mechanicznych i elektromagnetycznych. Praca przetwornicy częstotliwości zapewnia - w zależności od jakości metody regulacji - zawsze optymalne namagnesowanie silnika. Dlatego też przy zastosowaniu przetwornicy współczynnik sprawności całego układu napędowego nie spada tak bardzo przy pracy z niedociążonym silnikiem. Wyczuwalną poprawę można zauważyć zwykle przy silnikach o mocach 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 oszczędność zużycia energii, dodatkowa w stosunku do tej wynikającej ze zmniejszenia obrotów. Funkcja ta sprawdziła się przy wszystkich powolnych regulacjach, jakie zwykle spotyka się w pompach i wentylatorach. 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. Dzienna liczba roboczogodzin Roboczogodziny Betriebsstunden Starts Rozruchy Liczba rozruchów Kwartał 01 Kwartał 02 Kwartał 03 Kwartał 04 Kwartał 05 0 Przykład z praktyki: z wprowadzeniem napędów z regulacją prędkości obrotowej w 4. kwartale doszło do znacznej redukcji rozruchów, a tym samym mechanicznego obciążenia układu. 7

8 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. Zaliczają się tutaj między innymi podajniki linii produkcyjnych, taśmociągi, podnośniki, mieszadła, młyny. Rozważając przykład aplikacji podajnika gdzie korpus montowanego do samochodu silnika stoi na taśmie produkcyjnej, oczywiste jest, że ciężar korpusu jest zawsze taki sam, obojętnie czy taśma pracuje szybko 75% 75% czy wolno. 75% 79% 79% 79% 80% 80% 80% 81% 81% 81% Tym samym moment potrzebny do poruszania tego bloku jest zawsze taki sam. Oczywiście zmieniają się momenty tarcia i przyspieszenia zależnie od stanu pracy, 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 bezpośrednio także oszczędności energetyczne. Często ilość towaru transportowana na taśmie nie jest stała. Jeżeli prędkość taśmy dopasowana jest to transportowanej ilości materiału, umożliwia to nie tylko płynność i ciągłość transportu, lecz także oszczędność potrzebnej energii. Jeżeli jednak dopasowanie prędkości jest niemożliwe lub niepożądane, to i tak w przypadku większości przetwornic częstotliwości możliwa jest oszczędność energii. Regulują one zależnie od obciążenia napięcie wyjściowe silnika. Przetwornice częstotliwości są dziś szeroko stosowane do regulacji prędkości obrotowej systemów transportowych. Optymalizują one zużycie energii w zależności od transportowanego ciężaru i potrzebnej prędkości obrotowej. Przetwornica częstotliwości zasila na przykład silnik 400 V w trybie jałowym przy częstotliwości wyjściowej 50 Hz często tylko napięciem 380 V. Przy wzroście obciążenia zaś podnosi wartość napięcia. Jakość takiej regulacji określana jest jakością przetwornicy. Same oszczędności energetyczne, jakie można uzyskać dzięki tej funkcji, jednak nie wystarczają do uzasadnienia inwestycji w przetwornicę częstotliwości. 100% prędkości obrotowej i 100% momentu 50% prędkości obrotowej i 100% momentu 50% prędkości obrotowej i 50% momentu Moment [Nm] Punkt roboczy Moment [Nm] Punkt roboczy Moment [Nm] Punkt roboczy Zapotrzebowanie na energię Zapotrzebowanie na energię Prędkość obrotowa [min-1] Prędkość obrotowa [min-1] Prędkość obrotowa [min-1] Poprzez optymalizację momentu obrotowego i prędkości obrotowej można zwiększyć energooszczędność w wielu zastosowaniach ze stałym momentem obrotowym. Zapotrzebowanie na energię 8

9 Zastosowania układów napędowych ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej Zastosowania ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej to najczęściej pompy i wentylatory. W przypadku pomp należy jednak odróżnić szeroko rozpowszechnione pompy wirowe posiadające zmienną charakterystykę momentu, od pomp mimośrodowych, próżniowych, bądź wyporowych, które mają moment obciążenia o stałym przebiegu. Udział zastosowań pomp i wentylatorów jest ogromny. Około 70% prądu używanego do celów przemysłowych w całej UE (15) zużywają silniki elektryczne. Pompy i wentylatory mają w tym spory udział (37%). W handlu, drobnej wytwórczości i sektorze usług udział ten wynosi w całej UE nawet ok. 40%. Prostą, ale bardzo efektywną metodą oszczędzania energii w maszynach przepływowych ze zmiennym momentem obciążenia jest regulacja prędkości obrotowej. Przy zmniejszeniu prędkości obrotowej zapotrzebowania 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 pamiętać, 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 po krótkim czasie. W układzie kaskadowym, pompa z regulacją prędkości obrotowej pokrywa zapotrzebowanie podstawowe. Z chwilą wzrostu zapotrzebowania przetwornica częstotliwości załącza kolejne pompy. W ten sposób pompy pracują możliwie przy swoim optymalnym współczynniku sprawności. Regulacja pompy zapewnia zawsze najlepsze pod względem energetycznym wykorzystanie układu. Taki sam układ może być analogicznie zastosowany do zespołu wentylatorów. W zależności od producenta i wersji, odpowiednie regulatory kaskady są już wbudowane w przetwornicy lub są dostępne jako moduły zewnętrzne. Ciśnienie [bar] Zapotrzebowanie pompy na energię Charakterystyka pompy Charakterystyka urządzenia Punkt roboczy Ciśnienie [bar] Zapotrzebowanie na energię przy regulacji dławikiem Punkt roboczy Charakterystyka urządzenia Ciśnienie [bar] Zapotrzebowanie na energię przy regulacji prędkości obrotowej Charakterystyka pompy Charakterystyka urządzenia Punkt roboczy Charakterystyka pompy Zapotrzebowanie na energię Zapotrzebowanie na energię Zapotrzebowanie na energię Przepływ [Q] Przepływ [Q] Przepływ [Q] Przy zmniejszeniu prędkości obrotowej następuje zmniejszenie zapotrzebowania na energię w funkcji trzeciej potęgi. Zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wentylatorów i pomp wirowych amortyzuje się tym samym w wielu zastosowaniach już w ciągu niecałych 2 lat. 9

10 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, poprzez dławienie, punkt roboczy przesuwa się wzdłuż krzywej charakterystyki pracy pompy. Dochodzi jedynie do minimalnej redukcji potrzebnej energii w porównaniu 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 pomp ze zmiennym kwadratowym przebiegiem charakterystyki momentu obciążenia. Na przedstawionym poniżej wykresie, obok krzywej charakterystyki pompy i systemu narysowano także krzywe graniczne współczynnika sprawności. Można dzięki temu zauważyć, że zarówno przy regulacji dławieniowej, jak i regulacji zmianą prędkością obrotowej, punkt roboczy wychodzi z optimum współczynnika sprawności. Z przedstawionej specyficznej krzywej zużycia energii (dotyczy tylko wybranej pompy) można odczytać wpływ regulacji na zmianę współczynnika sprawności pompy. Od 32 Hz w dół dodatkowe straty pompy zaczynają przewyższać oszczędności zużycia energii w stosunku do pracy z nominalnymi parametrami (zasilanie bezpośrednie 50 Hz). W rozpatrywanym urządzeniu energetycznie optymalna częstotliwość wynosi, zatem 38 Hz. Gdyby pompa nie posiadała regulacji prędkości obrotowej, bilans energetyczny byłby znacznie gorszy. W praktyce okazuje się, że właśnie maszyny przepływowe często nie zawsze pracują (nie mogą pracować) w optymalnym punkcie roboczym. Przykładowo, urządzenia klimatyzacyjne muszą latem wykonać większą pracę niż zimą. Ponieważ jednak system musi być zaprojektowany dla maksymalnego zapotrzebowania mocy, skutkuje to nieuchronnie 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 ok. 70% wydajności pompowania. Ciśnienie [bar] Regulacja dławieniowa Punkt pracy Charakterystyka 75% systemu 79% 80% 81% Charakterystyka pompy Regulacja prędkości obrotowej Przepływ [Q] Na wykresie charakterystyk, obok charakterystyki pompy i systemu pokazano także kilka krzywych granicznych współczynnika sprawności. Zarówno przy regulacji dławieniem jak i przy regulacji zmianą prędkości obrotowej, punkt roboczy wychodzi poza optimum współczynnika sprawności. kwh/m 3 Właściwe zużycie energii przy regulacji pompy zmianą częstotliwości / obrotów Krzywa przedstawia zużycie energii wybranej pompy przy regulacji prędkości obrotowej. Przy częstotliwości poniżej 32 Hz dodatkowe straty pompy przewyższają oszczędności. W przedstawionym urządzeniu optymalna energetycznie częstotliwość wynosi więc 38 Hz. Gdyby pompa nie miała regulacji prędkości obrotowej, bilans energetyczny byłby znacznie gorszy. 10

11 Czy współczynniki sprawności są rzeczywiście takie same? Dokładne spojrzenie pozwala oszczędzić wydawane pieniądze Przy porównywaniu współczynników sprawności na pierwszy rzut oka nie widać dużych różnic między różnymi 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 z o zbliżonych współczynnikach sprawności różnią się o ok. 1%. Aby móc rzetelnie porównać współczynniki sprawności różnych przetwornic, użytkownik musi wiedzieć, w jakich warunkach producent je wyliczył. Dla przykładu jest istotna różnica między znamionowaniem dla pracy z przeciążeniem normalnym (110%) a wysokim (160%). Podobnie jak uwzględnienie trybu przeciążalności, także niezwykle ważna jest 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. Naturalnie 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 dwóch różnych rodzin przetwornic częstotliwości. Dla obu grup urządzeń podany przez producenta współczynnik sprawności w całym zakresie mocy jest identyczny. Co to oznacza dla całego okresu użytkowania danego urządzenia? Zakładając żywotność godzin i sprawność samego silnika 90%, dla przedstawionych na wykresie konkretnych modeli przetwornic dla mocy 75 kw otrzymamy dla jednego producenta całkowitą stratę mocy rzędu kwh, podczas gdy dla drugiego tylko kwh. Chociaż na obu urządzeniach podany jest taki sam współczynnik sprawności, jedno z nich ma większe zużycie energii o ok kwh! Różnica ta zmniejsza się przy mniejszych mocach, tendencja jest jednak jednoznaczna Porównanie strat mocy (UNetz=400V) 2000 Straty mocy Typowa moc silnika (kw) n Przetwornica A (współczynnik sprawności 98%) n Przetwornica B (współczynnik sprawności 98%) Bezpośrednie porównanie przetwornic częstotliwości jest bardzo trudne z powodu różnych danych ramowych, jak prądy znamionowe, zdolność przeciążania. Straty mocy dają lepszą możliwość porównania. 11

12 Przy ocenie współczynnika sprawności i strat cieplnych należy uwzględnić obecność modułów filtrów Z uwagi na swą zasadę działania przetwornice częstotliwości wytwarzają zakłócenia elektromagnetyczne. Aby ograniczyć zakłócenia, dla każdej przetwornicy częstotliwości producent prezentuje w ofercie dedykowane filtry zakłóceń elektromagnetycznych (filtr EMV/RFI). Filtry te mogą być wbudowane w urządzeniu lub zewnętrznie podłączane od strony zasilania. Możliwa jest także kombinacja wbudowanych 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 silnika napięcie to może stwarzać zagrożenie uszkodzenia izolacji uzwojeń silnika. Jest to problematyczne przede wszystkim w przypadku starszych silników. Filtry silnikowe ograniczają szybkość narastania napięcia na zaciskach uzwojeń silnika i ograniczają amplitudę napięć szczytowych. Tym samym chronią izolację uzwojeń przed przebiciem. Niewątpliwie zaletą przetwornic częstotliwości z opcjonalnym filtrem zewnętrznym, jest cena przetwornicy. Urządzenia są tańsze i często bardziej kompaktowe niż te z wbudowanymi filtrami. Wadą jest jednak potrzeba dodatkowego miejsca szafie rozdzielczej na montaż filtru. Większa szafa i robo- cizna montażu to także koszty, których możemy uniknąć stosując rozwiązania z filtrami zintegrowanymi wewnątrz. Ponadto wszystkie filtry zewnętrzne generują zawsze dodatkowe straty, które nie są uwzględnione we współczynniku sprawności samej przetwornicy. Dotyczy to zarówno filtrów zakłóceń elektromagnetycznych (filtry EMV/ RFI), jak również filtrów silnikowych: filtrów sinusoidalnych czy filtrów du/ dt instalowanych od strony silnika. Te dodatkowe straty należy uwzględniać również 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 posiadają wbudowane filtry i czy odnośnie filtrów EMV/RFI spełniają te same normy ograniczania zakłóceń. 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 montaż klimatyzacji. Strata mocy przetwornicy 7,5 kw 700 W 600 W Strata mocy 500 W 400 W 300 W 200 W 100 W W n VLT FC 300 n EMC C2/C3 n EMC C2/C1 n EMC C2/C1 (150 m) 655 Filtry zewnętrzne generują dodatkowe straty. Dlatego przy projektowaniu przetwornic częstotliwości trzeba uważać, aby wszystkie niezbędne filtry byłu już wbudowane w urządzeniu. 12

13 On On Status Warn. Alarm Hand on Status Warn. Alarm Hand on Back Back Quick Menus Off Mains Quick Menus Off Mains OK OK Ext. Menu Auto on -DC +DC Brake Motor Ext. Menu Auto on -DC +DC Brake Motor Cancel AutomationDrive Cancel AutomationDrive Alarm log Info Reset Alarm log Info Reset Moduły zwrotu energii i Active Front End Celowe jedynie w rzadkich przypadkach W większości przypadków użytkownik odprowadza tą energię do rezystorów hamowania i tam zamienia się na ciepło. Czy nie lepiej byłoby odprowadzić tą energię z powrotem do sieci lub doprowadzić do innych maszyn? [Hz] Praca generatorowa W praktyce stosuje się zwykle dwa rozwiązania techniczne: Podział obciążenia wspólną magistralą DC Wiele przetwornic posiada możliwość łączenia swych obwodów pośrednich prądu stałego z obwodami pośrednimi innych urządzeń. Te w grupie, których obciążenie pobiera energię czynną będą wówczas zasilane z energii zwracanej z innych zespołów będących aktualnie w trybie pracy generatorowej. Jednakże należy uwzględnić kilka warunków brzegowych. Należy na przykład zapewnić, aby zwarcie w jednym z urządzeń nie uszkodziło innych urządzeń, także użytkownik musi przewidzieć rozwiązanie dla przypadku, gdy wszystkie sprzężone urządzenia będą chciały oddawać energię generatorową jednocześnie. Moduły zwrotu energii Moduły wejściowe mające zdolność zwrotu energii mogą poprzez aktywnie Start n Częstotliwość wału silnika n Częstotliwość wyjściowa FU sterowany prostownik oddawać energię generatorową bezpośrednio z powrotem do sieci zasilającej. Należy cały czas pamiętać, że w większości zastosowań napędowych dominuje tryb pracy silnikowej. Energia uzyskana z trybu pracy generatorowej jest często mniejsza niż dodatkowe straty przełączania z tytułu specjalnej konstrukcji prostownika w trakcie dla długotrwałej pracy układu w trybie silnikowym. Dlatego też przetwornice posiadające aktywny moduł 13,16 kw 10,23 kw V L T 11 kw Stop wejściowy (Active Front End) opłacają się często dopiero przy większych mocach po analizie cyklu obciążenia szczególnie na przykład przy częstym hamowaniu. Użytkownicy powinni dokładnie sprawdzić sensowność inwestycji w opcje podziału obciążenia lub aktywne moduły zwrotu energii. Z reguły przeceniają oni udział wytwarzanej energii. Obliczenie udziału energii generatorowej w cyklu pracy, jak również oszacowanie przeciętnej energii hamowania układu są nieodzowne dla przeprowadzenia oceny opłacalności. W większości przypadków ekonomicznie i ekologicznie bardziej opłacalne jest zastosowanie rezystorów hamowania, niż używanie energii wytworzonej w trybie hamowania. [S] 550 W 451 W 1155 W 770 W 7,73 kw 10,23 kw V L T 9,51 kw 476 W 312 W 999 W 716 W Przy ocenie układu napędowego do pracy z aktywnym modułem zwrotu energii do sieci, trzeba pamiętać, że także przy tym rozwiązaniu powstają w układzie straty. Z tego powodu energia, która mogłaby być odprowadzona z powrotem do sieci jest znacznie zredukowana. 13

14 Optymalizacja systemu: Ocena potencjału oszczędności całego systemu 60% może być osiągnięte poprzez optymalizacje systemu W układzie napędowym około 10% możliwego do osiągnięcia potencjału oszczędności zużycia energii można uzyskać poprzez zastosowanie wydajnych wysokosprawnych silników. Praca z regulacją prędkości obrotowej pozwala uzyskać potencjał oszczędności rzędu ok. 30%. Największe możliwości oszczędności rzędu ok. 60% drzemią jednak w optymalizacji całego układu. Możliwości optymalizacji Dlatego też użytkownik musi przy wszystkich działaniach zawsze uwzględnić ich wpływ na cały system. Z tego powodu powinno się zawsze sprawdzić, czy istnieje możliwość łączenia ze sobą różnych rozwiązań oszczędności energii. Warto tu przypomnieć o optymalnym poprowadzeniu rurociągów przy pracach związanych z przebudową, podobnie jak o możliwości wykorzystania dedykowanych funkcji oprogramowania w nowoczesnych przetwornicach częstotliwości. W zależności od gałęzi gospodarki możliwości uzyskania oszczędności znacznie różnią się między sobą w odniesieniu do używanych nośników energii. Przykładowo, w przemyśle istnieje znacznie większe zapotrzebowanie na ciepło procesowe niż w handlu. Zwykle największy potencjał oszczędności kryje się w obszarze z największym zużyciem. Ok. 43% prądu zużywa przemysł, natomiast tylko 23% zużycia przypada na handel i sektor usługowy. Dla określenia potencjału oszczędności w różnych obszarach, niezbędna jest dokładna wiedza fachowa i znajomość urządzeń. Tylko mając taką wiedzę możliwa jest ocena, czy i jakie działania są sensowne z gospodarczego punktu widzenia. Niezależnie od tego, czy chodzi o nowe czy istniejące urządzenia lub maszyny, użytkownik powinien przed podjęciem działań ustalić stan istniejący całego systemu. Umożliwia to lepszą identyfikację rozwiązań i pozwala na późniejszą weryfikację tego, czy przeprowadzone działania są skuteczne, innymi słowy - czy uzyskane zostały pożądane oszczędności. SIlniki Kontrola prędkości Możliwości optymalizacji Jeżeli nie można wykonać optymalizacji układu, zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji prędkości obrotowej daje możliwość szybkiej i efektywnej oszczędności energii. Także przy modernizacji urządzeń. 14

15 Redukcja kosztów w całym okresie użytkowania Przetwornice częstotliwości pozwalają zaoszczędzić gotówkę nie tylko w przypadku zużycia energii elektrycznej Koszty Jethro Macey Przetwornice częstotliwości są w chwili obecnej standardem technicznym i znajdują coraz szersze zastosowanie. Jednakże, aby nie podejmować nieopłacalnych i szkodliwych działań, przed podjęciem decyzji o inwestycji konieczne jest sprawdzenie zarówno aspektów technicznych jak i komercyjnych oraz logistycznych. Zgodnie z najnowszymi badaniami, koszty zakupu w ocenie całości kosztów okresu użytkowania stanowią tylko około 10%. 90% wygenerowanych kosztów to koszty eksploatacji, na przykład nakłady na energię, konserwację i serwis. Oprócz tego nie należy też bagatelizować kosztów zakupu klimatyzacji, dławików i filtrów sieciowych. Znanymi metodami ogólnej oceny wszystkich kosztów są metoda LCC (Life Cycle Costs = koszty cyklu życia) i TCO (Total Cost of Ownership = całkowity koszt posiadania w danym okresie). Uwzględniają one nie tylko koszty zakupu, lecz także dalsze koszty związane z poborem energii, naprawami i konserwacją. Może się okazać, że urządzenie droższe w zakupie będzie tańsze uwzględniając ocenę całego cyklu życia. Do takiej oceny można też włączyć na przykład dyspozycyjność danego produktu. W razie awarii użytego urządzenia powstają koszty, np. w związku z zatrzymaniem produkcji. Aby temu zapobiec, użytkownik potrzebuje magazynu, w którym będzie dostępne jedno bądź kilka urządzeń zastępczych. Wielkość magazynu zależy między innymi od tego, jak szybko w razie potrzeby producent może dostarczyć nowe urządzenia. Regularne przeglądy dla zmniejszenia kosztów i zwiększenia dyspozycyjności Nowoczesne przetwornice częstotliwości posiadają wiele funkcji, które pozwalają zaoszczędzić na komponentach zewnętrznych i ich kosztownym okablowaniu. Stanowiąc jednocześnie układ łagodnego rozruchu chronią silniki i podzespoły maszyny, podnoszą żywotność i obniżają koszty konserwacji i serwisu. Bogate funkcje zabezpieczeń silnika i przetwornicy na bieżąco monitorują aktualny stan pracy napędów i całego układu. Zabezpieczając komponenty, mogą wydłużyć okresy między przeglądami, a dzięki wcześniejszemu wykryciu śladów zużycia podnoszą dyspozycyjność urządzeń. Inwestycja Koszt energii Koszty eksploatacji i konserwacji Koszty utylizacji Czas Zazwyczaj udział kosztów zakupu z perspektywy także kosztów całego okresu użytkowania urządzenia wynosi zaledwie ok. 10%. Wyższe koszty zakupu energooszczędnego urządzenia amortyzują się często już w bardzo krótkim czasie. 90% nakładów które zostały poniesione mogą być ulokowane jako koszty operacyjne 15

16 Wszystko o VLT Danfoss Drives jest światowym liderem w produkcji elektronicznie regulowanych napędów, stosowanych w każdym obszarze działalności przemysłowej. Danfoss ciągle zwiększa swoje udziały rynkowe w sprzedaży napędów. Z dbałością o środowisko Produkty z pod marki VLT wytwarzane są z uwzględnieniem norm środowisk społecznych oraz środowiska naturalnego. Wszystkie plany i działania producenta biorą pod uwagę potrzeby indywidualnych pracowników, środowiska pracy i środowiska przyrody. Produkcja odbywa się bez hałasu, dymów lub innych zanieczyszczeń. UN Global Compact Danfoss parafując UN Global Compact zobowiązał się w swojej działalności kierować się zasadami z zakresu praw człowieka, praw pracowniczych, ochrony środowiska i przeciwdziałania korupcji. Global Compact promuje społeczną odpowiedzialność biznesu. Dyrektywy Europejskie EU Wszystkie fabryki Danfoss Drives są certyfikowane wg ISO i spełniają wymagania europejskich dyrektyw dotyczących bezpieczeństwa produktów (GPSD) oraz dyrektywy maszynowej. Danfoss Drives we wszystkich wytwarzanych produktach zapewnia Zgodność z RoHS Dyrektywą EU o ograniczeniu użycia substancji niebezpiecznych. Wszystkie nowe produkty spełniaja także wymagania dyrektyw europejskich dotyczących kontroli wycofanych z użycia urządzeń elektrycznych i elektronicznych (WEEE). Wpływ produktów Wyprodukowane w ciągu jednego roku napędy VLT zaoszczędzą w aplikacjach tyle energii ile w tym samym czasie wyprodukuje jedna elektrownia atomowa. Lepsza kontrola procesu wytwarzania to także wyższa jakość produktów i mniej odpadów. Specjalizacja w napędach Specjalizacja jest kluczowym słowem w Danfoss od roku 1968, kiedy to jako pierwsza firma na świecie rozpoczął masową produkcję przetwornic częstotliwości urządzeń do płynnej regulacji prędkości obrotowej silni ków prądu przemiennego. Już wówczas nadano im nazwę VLT. Obecnie ponad dwa tysiące osób pracuje przy rozwoju, produkcji, sprzedaży i serwisowaniu przetwornic częstotliwości oraz softstartów i nic więcej tylko przetwornice częstotliwości i softstarty. Inteligentna i innowacyjna Inżynierowie Danfoss Drives opracowali i wykorzystali koncepcję modułową napędu na każdym etapie jego wdrożenia, począwszy od projektu urządzenia przez proces produkcji, aż do finalnej konfiguracji zamówienia. Przyszłe opcje są rozwijane z wykorzystaniem zaawansowanych technologii. Pozwala to na rozwój wszystkich elementów w tym samym czasie, redukując czas oczekiwania i zapewniając klientom możliwość korzystania z najnowszych funkcji. Polegamy na ekspertach Bierzemy odpowiedzialność za każdy element w naszej produkcji. Fakt, że sami rozwijamy i produkujemy hardware, software, moduły mocy, płytki drukowane elektroniki i akcesoria daje Państwu gwarancję, że otrzymacie najwyższej jakości, niezawodny produkt. Lokalne wsparcie globalnie dostępne Danfoss Drives, dzięki globalnej organizacji sprzedaży i serwisu jest obecny i oferuje swoje produkty oraz usługi w ponad 100 krajach. Napędy VLT pracują w aplikacjach na całym świecie, a eksperci Danfoss Drives kończą swoją pracę tylko wtedy, kiedy problemy klientów zostają rozwiązane. Danfoss Sp. z o.o., ul. Chrzanowska Grodzisk Mazowiecki Telefon: (48 22) Telefax: (48 22) info@danfoss.pl Kontakt z serwisem Telefon: (0 22) Hotline: (0 22) Telefax: (0 22) VLT_drives_support@danfoss.pl DKDD.PB.68.G1.49 VLT jest znakiem towarowym Danfoss A/S Wyprodukowane przez DD-SMC