WSTĘP Bezpośrednia regulacja prędkości obrotowej silników asynchronicznych przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego znajduje powszechne zastosowanie w układach pompowych. Zmiana prędkości obrotowej pompy wywołuje zmiany charakterystyk przepływu i ciśnienia. Wzrost prędkości obrotowej przesuwa je w kierunku wyższych wartości, natomiast obniżenie prędkości obrotowej przesuwa je w kierunku wartości mniejszych (Rys. 1). Dzięki temu, że dla konkretnej instalacji pompowej zmiana prędkości obrotowej powoduje zmianę parametrów pompy pozwala to na realizację regulacji wydajności instalacji. Dla każdej prędkości obrotowej pompa ma indywidualną charakterystykę. Zmiana prędkości obrotowej i w konsekwencji zmiana charakterystyki przepływu i ciśnienia ma wpływ na położenie aktualnego punktu pracy pompy. Przy uwzględnieniu charakterystyki instalacji punkt pracy przesuwa się po poszczególnych charakterystykach pompy w kierunku większych (przy wzroście prędkości obrotowej) lub mniejszych (przy obniżaniu prędkości obrotowej) wartości wymaganych ciśnień roboczych (Rys. 2). Ciśnienie (wysokość podnoszenia) lub różnica ciśnień są najczęściej wielkościami fizycznymi, które są wykorzystywane do regulacji układów pompowych. Rys 1. Zmiana charakterystyki pompy w funkcji prędkości obrotowej Rys. 2 Zmiana punktu pracy pompy w funkcji prędkości obrotowej z uwzględnieniem charakterystyki instalacji REGULACJA PRĘDKOSCI OBROTOWEJ Pomijając różne rozwiązania ingerujące w konstrukcję pomp mających na celu zmianę prędkości obrotowej poprzez zmiany w części mechaniczno-hydraulicznej najbardziej popularną metodą jest zmiana prędkości obrotowej silnika pompy przez zmianę częstotliwości napięcia zasilania. Ponad 80% stosowanych do napędu pomp silników to silniki asynchroniczne trójfazowe. Ze względu na podstawy fizyczne działania tych silników ich prędkość obrotowa jest wprost proporcjonalna do częstotliwości napięcia zasilania. gdzie: f - częstotliwość prądu zasilającego(hz), s - poślizg (%) określony jako różnica pomiędzy prędkością synchroniczną wirującego pola magnetycznego a obrotami silnika, p - liczba par biegunów. Przy danej częstotliwości w sieci (w Polsce: 50 Hz) oraz konstrukcji silnika, liczba włączonych par biegunów (1-5) i poślizg (3-12%) są ustalone w warunkach nominalnych, zaś moment obrotowy M (Nm) oraz moc 3-fazowego silnika P (W) można obliczyć z zależności [2]: [1] [2]
[3] w których: n - prędkość obrotowa (obr./min), U - napięcie (V), I - natężenie prądu (A), cosφ - współczynnik mocy (stosunek mocy czynnej do pozornej). Wartości nominalne napięcia i prądu, częstotliwości, cosϕ, mocy na wale i sprawności silnika, a ponadto typ połączeń i prąd rozruchu oraz wartości krytyczne są podstawowymi parametrami podawanymi na tabliczce znamionowej silnika. Ze wzoru [1] wynika, że regulacja prędkości obrotowej takiego silnika może być realizowana poprzez: zmianę liczby par biegunów silnika (przez przełączanie), zmianę poślizgu obrotów n w stosunku do synchronicznej prędkości n s pola, magnetycznego (zmiana rezystancji obwodów silnika), zmianę częstotliwości f prądu zasilającego silnik. Ostatni z wymienionych tu sposobów regulacji obrotów silnika, zgodnie ze wzorami [1] [3], prowadzi w efekcie do prostej relacji: [4] Wynika stąd, że dla zachowania niezmiennej wartości momentu obrotowego na wale silnika (K = const., jest stałą), konieczne jest zachowanie stałego stosunku U/f. Tego typu prawo regulacji obrotów jest podstawowym przy realizacji układów z użyciem przetwornicy częstotliwości. Przy założonej prędkości obrotowej silnika np. n = 750 obr/min oraz napięciu U = 400 V, stosunek ten wyniesie 400/50 = 8 przy częstotliwości f = 50 Hz dla liczby par biegunów silnika p = 2. Z tego powodu zmiana częstotliwości z 50 Hz do 25 Hz pozwala zmniejszyć o połowę jego obroty. W praktyce zakres roboczych zmian częstotliwości i obrotów zależy od zastosowań silnika oraz specyfiki obciążeń mechanicznych napędzanej maszyny roboczej. Dobór silnika elektrycznego do konkretnych zastosowań wymaga znajomości zarówno charakterystyk silnika jak i maszyny roboczej (warunki pracy, typ i zakres obciążeń itd.). Zasadnicze formy obciążeń maszyn i urządzeń ze względu na żądany przebieg momentu obrotowego M(n) oraz mocy na wale P(n) w funkcji prędkości obrotowej n to: stała moc: P = const., zaś odwrotna proporcjonalność momentu: M ~ 1/n (ten przypadek obejmuje np. nawijarki bębnowe), stały moment obrotowy: M = const., oraz liniowa zależność mocy: P ~ n, (np. napęd pompy tłokowej, mieszarki, przenośnika taśmowego), liniowa charakterystyka momentu obrotowego: M ~ n, oraz kwadratowa mocy: P ~ n 2, (np. obrabiarki i narzędzia, napęd trakcyjny), kwadratowa zależność momentu obrotowego: M ~ n 2, oraz sześcienna mocy: P ~ n 3, (np. odśrodkowe pompy wirowe, sprężarki śrubowe, dmuchawy, wentylatory). Ta ostatnia z wymienionych wyżej grup maszyn współpracujących z silnikami asynchronicznymi ma obszerny zakres zastosowań w obszarach gospodarki wodno-ściekowej, przemysłu, energetyki głównie w sterowaniu pomp wirowych i wentylatorów.
PRZETWORNICE CZĘSTOTLIWOŚCI KORZYSCI I ZAGROŻENIA Przetwornice częstotliwości - budowa i działanie Przetwornice częstotliwości to urządzenia energoelektroniczne przetwarzające energię pobierana z sieci zasilającej (najczęściej 400V/50Hz) na falę napięciową pozwalająca zasilać silniki prądu przemiennego prądem o regulowanej częstotliwości, pozwalając tym samym na realizację regulacji prędkości obrotowej maszyn roboczych napędzanych tymi silnikami. Zasadnicze elementy typowej przetwornicy częstotliwości pracującej w obwodzie 3-fazowym prądu przemiennego przedstawiono w postaci schematu blokowego na rys. 3. Główne układy elektryczne przetwornicy częstotliwości tworzą: Prostownik - przekształca on na wejściu do układu 3-fazowe napięcie z sieci AC na pulsujące napięcie stałe DC. Jest to mostek 3-fazowy, który składa się z sześciu elementów półprzewodnikowych (diodowy - jeśli jest nie jest sterowany, diodowo-tyrystorowy lub tyrystorowy gdy sterowany); Stopień pośredni - w którym przekształcane jest pulsujące napięcie stałe (o stałej lub regulowanej wartości). Do tego celu stosowane są układy stałoprądowe, stałonapięciowe (układ LC złożony z cewki i kondensatora). Układ ten zasila inwerter mocy i spełnia jednocześnie funkcję akumulatora energii elektrycznej; Inwerter mocy - stanowi końcowy układ przetwornicy, w którym w zależności od zastosowanego algorytmu syntezy napięcia wyjściowego uzyskuje się na wyjściu 3-fazowe przebiegi napięcia prostokątnego o regulowanej szerokości i wypełnieniu impulsów. W połączeniu z impedancją zastępczą silnika powoduje to że prąd zasilania silnika ma charakter prądu sinusoidalnego o częstotliwości zależnej od aktualnych parametrów sterowania inwertera. Efektywna amplituda sinusoidalnej fali napięciowej jest zależna od przyjętej charakterystyki regulacji maszyny roboczej. Np. dla obciążeń o stało momentowej charakterystyce regulacji, np. przenośniki taśmowe, zachowana jest wyżej podana zależność U/f [4], a dla napędów o charakterystyce pompowo-wentylatorowej ma ona zależność zbliżoną do paraboli stąd w przypadku pomp wirowych i wentylatorów posługujemy się określeniem kwadratowej charakterystyki regulacyjnej. Na rys 4 pokazano reprezentacyjne przebiegi fali napięciowej na Rys 4. Przebiegi napięcia wyjściowego inwertera i prądu zasilania silnika Rys 3. Schemat blokowy przetwornicy częstotliwości wyjściu inwertera i fali prądu jaki jest w linii zasilania silnika. Przetwornice częstotliwości w technice pompowej Jak pokazano na rys. 1 i 2 zmiana prędkości obrotowej pompy powoduje zmianę charakterystyki pompy pozwalając tym samym na dopasowanie warunków pracy pompy do aktualnego
zapotrzebowania instalacji na przepływ objętościowy i ciśnienie robocze. Zmiana aktualnej prędkości obrotowej pompy skutkuje zmianami wielkości przepływu objętościowego, ciśnienia roboczego i poboru mocy wg nas tepujących zależności: [5] [6] [7] gdzie: k jest współczynnikiem regulacji definiowanym jako stosunek aktualnej prędkości obrotowej do nominalnej prędkości obrotowej w nominalnych warunkach zasilania z sieci zasilającej; k = N/Nn ; Vn, Hn i Pn są odpowiednio wielkościami przepływu objętościowego, ciśnienia roboczego i poboru mocy w warunkach pracy w nominalnym punkcie pracy a V, H, P wartościami przepływu objętościowego, ciśnienia roboczego i poboru mocy w punkcie pracy wyznaczonym na nowej charakterystyce wynikającej z zmiany prędkości obrotowej. Wartość współczynnika regulacji k jest w większości przypadków mniejsza od jedności (k <1), ale wstępują warunki technologiczne, w których z różnych powodów wartość współczynnika regulacji ma wartość powyżej 1. Rodzi to określone konsekwencje dotyczące nie tylko wielkości hydrauliczne pompy (przepływ i ciśnienie) ale przede wszystkim wyznaczają zapotrzebowanie na moc na wale silnika i w konsekwencji nominalną moc zasilającej go przetwornicy. Jeżeli w przypadkach kiedy celem zastosowania przetwornicy częstotliwości jest jedynie obniżanie prędkości obrotowej (k<1) to dobór przetwornicy może się opierać na parametrach nominalnych silnika pompy z reguły jest to dobór gwarantujący dyspozycję prądu wyjściowego przetwornicy na poziomie nie mniejszym niż prąd nominalny silnika pompy. W takich przypadkach wystarczające jest posłużenie się wartością prądu silnika odczytaną z tabliczki znamionowej. Inna ścieżka doboru przetwornicy częstotliwości obowiązuje dla przypadków gdzie dopuszczamy regulację w zakresie powyżej nominalnej prędkości obrotowej pompy (tzw. praca nadsynchroniczna silnika). Wzrost zapotrzebowania mocy na wale silnika pompy jest opisany współczynnikiem w potędze trzeciej co oznacza nadzwyczajny wzrost na moc na wale silnika a tym samym również dyspozycję prądową przetwornicy. Jeżeli okresy pracy z współczynnikiem regulacji k >1 są krótkie, mają charakter incydentalny i mieszczą się w zakresie dopuszczalnych krótkotrwałych przeciążeń pompy, silnika i przetwornicy to generalnie nie zmienia to ścieżki doboru urządzeń. Ale w przypadkach gdy przekraczamy cienką granicę przeciążeń krótkotrwałych musimy dobierać zarówno pompę, silnik i przetwornicę dla warunków maksy lanego obciążenia tak jak by to miało charakter trwały. Wartości przepływu objętościowego V i ciśnienia roboczego H są wielkościami opisującymi warunki pracy instalacji hydraulicznej i granice regulacji jakie wyznaczymy dla pompy powinny uwzględniać graniczne wartości jakie mogą one przyjmować by zapewnić właściwe warunki pracy i wymagania technologiczne instalacji. Wartość poboru mocy jest wielkością wtórną i jako taka nie powinna być dla nas wyznacznikiem określania maksymalnej głębokości regulacji. Jakkolwiek zależność jaka jest pomiędzy aktualnym poborem mocy, a tym samym wielkością zużytej energii elektrycznej, jest bardzo interesująca z punktu widzenia efektywności energetycznej instalacji pompowych, szczególnie gdy występują dłuższe okresy pracy z dużą głębokością regulacji to powodem zastosowania przetwornicy częstotliwości nie powinna być chęć redukcji poboru mocy a tym samym oszczędności energetycznie wynikającego z tego faktu,
ale celem powinna być optymalizacja pracy instalacji a konsekwencje w postaci lepszej efektywności energetycznej będą dla nas bardzo miłą niespodzianką. Przy wyznaczaniu zakresu regulacji napędu pompy powinniśmy pamiętać i uwzględniać to w swoich szacunkach o zmianach sprawności pompy, silnika i przetwornicy w funkcji prędkości obrotowej (częstotliwości wyjściowej dla przetwornicy) i wielkości aktualnego obciążenia w stosunku do obciążenia nominalnego. Musimy pamiętać, że wartość sprawności podawanej w danych katalogowych ww urządzeń z reguły jest podawana dla warunków nominalnego obciążenia lub maksymalnym punkcie przebiegu sprawności (jeżeli maksymalna sprawność występuje w innym punkcie niż warunki obciążenia nominalnego). W zależności od typu silnika, przetwornicy, pompy sprawność przy zmianie prędkości obrotowej jest zawsze mniejsza od nominalnej a poziom jej redukcji jest uzależniony od typu urządzenia. Zdarza się, że przy nie uwzględnieniu tych faktów cały założony efekt poprawy efektywności energetycznej przez wykorzystanie regulacji jest zaprzepaszczony, bo znaczną część tego co zyskamy na redukcji prędkości obrotowej tracimy na znacznie mniejszej sprawności urządzeń. Na rys. 5, 6 i 7 pokazano zmiany sprawności pomp, silników i przetwornic częstotliwości w funkcji redukcji przepływu (pompa), obciążenia (silnik) i obciążenia i częstotliwości wyjściowej (przetwornica częstotliwości). Pokazane zależności są przykładami dla konkretnych urządzeń lub typowymi zmianami sprawności. W konkretnych przypadkach przebiegi sprawności mogą nieco odbiegać od pokazanych na poniższych rysunkach, ale charakter zmian jest zbieżny z pokazanymi. Rys 5. Charakterystyka VH i wykres zmian sprawności pompy 20W39M-3GV (Powen WAFAPOMP) Rys 6. Porównanie zmian sprawności silników starej generacji i silników nowej generacji wysokosprawnych, w funkcji zmian obciążenia na wale Rys 7. Zmiany sprawności przetwornic częstotliwości w funkcji obciążenia i częstotliwości wyjściowej
Przetwornice częstotliwości korzyści zastosowań w technice pompowej Regulacja częstotliwościowa jako metoda regulacji wydajności pomp znajduje coraz szersze zastosowanie. Pozwala ona na płynne i dokładne prowadzenie pomp i zestawów wielopompowych w celu uzyskania optymalnych parametrów pracy i optymalizacji pracy całych instalacji i procesów technologicznych. Podstawowe korzyści to oprócz możliwości dopasowania punktu pracy pomp dla potrzeb procesu również: - całkowita redukcja lub co najmniej znaczące obniżenie prądów rozruchowych jakie występują przy rozruchu pomp i agregatów pompowych w innych rozwiązaniach rozruch bezpośredni, rozruch gwiazda-trójkąt, soft start - możliwość eliminacji uderzeń hydraulicznych przy wyłączaniu pomp z pracy łagodne zatrzymanie wg kształtowanych charakterystyk, Celem najczęściej stosowanych metod regulacji jest utrzymanie stałych wartości ciśnienia, różnicy ciśnień, przepływu lub poziomu. Nowoczesne przetwornice częstotliwości dysponują z reguły zaawansowanymi wewnętrznymi regulatorami, które pozwalają na podstawie odczytu referencyjnej wielkości fizycznej prowadzić tak pompami by uzyskać stałą wartość technologicznie istotnego parametru. Często też w ramach standardowego oprogramowania regulatorów przetwornic (lub jako opcjonalne rozszerzenie) są dostępne regulatory zestawów pompowych pozwalające na wykorzystanie pomp w takim zakresie regulacji, który gwarantuje pracę pomp w okolicach wzgórka sprawności eliminując tym samym pracę w zakresie niskiej sprawności. Funkcje uśpienia, pozwalające na zatrzymanie pomp bez utraty kontroli nad sterowanym procesem pozwalają na dodatkowe oszczędności zarówno w obszarze nadmiernego zużycia mechanizmów pomp w zakresie niskich prędkości obrotowych jak i obniżają skumulowane zużycie energii elektrycznej niezbędnej do zasilania. W części dostępnych na rynku przetwornic częstotliwości są zaadaptowane pewne funkcje klasy eksperckiej powalające na auto adaptację charakterystyki regulacyjnej i ilości energii dostarczanej do silnika pompy polegające na kontroli namagnesowania silnika. W takich rozwiązaniach poziom magnetyzacji silnika jest dopasowywany do chwilowego zapotrzebowania mocy na wale pompy z uwzględnieniem rzeczywistego punktu pracy. Pozwala to niezależnie od wcześniej przedstawionych korzyści w zużyciu energii elektrycznej na poprawę efektywności energetycznej o dodatkowe 5-8%. Nie jest odosobnionym przypadkiem, że dzięki zastosowaniu przetwornic częstotliwości uzyskuje się oszczędności energetyczne na poziomie dochodzącym do 50% w stosunku do klasycznych metod regulacji takich jak dławienie, praca okresowa, silniki wielobiegowe. Rozwiązania aplikacyjne związane z zastosowaniem przetwornic częstotliwości do regulacji pomp w większości przypadków bazują na pewnych standardach proponowanych zarówno przez producentów przetwornic jak i projektantów rozwiązań. W każdym przypadku należy jednak przeprowadzić przynajmniej analizę przydatności danego rozwiązania dla potrzeb konkretnej instalacji. Tak aby zastosowane rozwiązanie w pełni spełniało nasze oczekiwania związane z optymalizacją pracy instalacji i zapewniało wymagane zakresy regulacji referencyjnej wielkości fizycznej.
Przetwornice częstotliwości zagrożenia Groźnie brzmiący podtytuł nie powinien obecnych i przyszłych użytkowników rozwiązań regulacji pracy pomp z zastosowaniem przetwornic częstotliwości przerażać, że użytkowanie przetwornic częstotliwości wiąże się tylko z problemami eksploatacyjnymi. Przetwornica częstotliwości jako urządzenie energoelektroniczne z nieliniowym charakterem obwodu wejściowego i wykorzystywanym kluczowaniem dość wysokich napięć stałych (dla zasilania 400V napięcie w obwodzie pośrednim osiąga ono wartość ok. 530-540V) jest potencjalnym źródłem zakłóceń harmonicznych. Główne z nich to: - zakłócenia wysokiej częstotliwości o charakterze emisji radioelektronicznej - zakłócenia wysokiej częstotliwości o charakterze przewodzonym - w obwodach zasilania przetwornic - w obwodach zasilania silnika - zakłócenia niskiej częstotliwości o charakterze przewodzonym Rys 8. Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych (wg EN55011) w instalacjach z przetwornicami częstotliwości w zależności od obszaru ich zastosowań Normy i rekomendacje kompatybilności elektromagnetycznej określają z jednej strony maksymalne poziomy emisji poszczególnych rodzajów zakłóceń harmonicznych, których źródłem mogą być urządzenia elektryczne (energoelektroniczne) ale z drugiej strony określają również poziomy odporności jakie muszą spełniać urządzenia by w takim zakłócanym środowisku mogły pracować bez skutków ubocznych. Na rys 8 pokazano dopuszczalne poziomy emisji zakłóceń harmonicznych (wg EN55011) jakie mogą występować w instalacjach z przetwornicami częstotliwości. Podstawową zasada jaką powinniśmy się kierować przy instalacjach z przetwornicami częstotliwości by spełnić wymagania dotyczące ograniczenia wpływu harmonicznych na sieć zasilającą, zasilany silnik i otoczenie instalacyjne (sterowniki, czujniki i przetworniki pomiarowe) jest bezwzględne stosowanie się do rekomendacji przetwornic częstotliwości i przestrzeganie dobrych praktyk inżynierskich wynikających z innych norm i zaleceń. Ze względu na to, że producenci przetwornic oferują swoje produkty w pewnym stopniu już zaopatrzone w wyposażenie ograniczające ich wpływ na środowisko to jednak w niektórych przypadkach wymagane jest dodatkowe wyposażenie (z reguły rekomendowane w dokumentacjach przetwornic) dopasowujące je do pracy w określonych obszarach eksploatacji (środowisko domowe, przemysłowe itp.). Dla uniknięcia problemów eksploatacyjnych należy z uwagą przeanalizować naszą instalację pod kątem spełnienia tych rekomendacji i w przypadku
konieczności zastosowania wyposażenia uzupełniającego należy skorzystać z rekomendacji producenta. Na rys. 9 pokazano rekomendację jednego z producentów dotyczące podstawowych praktyk instalacyjnych, których wypełnienie pozwala na bezszkodową eksploatację przetwornic jako urządzenia regulacji prędkości obrotowej silników prądu przemiennego. Rys 9. Zalecenia instalacji przetwornicy w szafie sterowniczej zgodne z wymaganiami EMC (Danfoss) Zagadnienia związane z poprawną instalacją przetwornic częstotliwości są często zagadnieniami dość trudnymi dla osób czy firm instalacyjnych, które z tymi zagadnieniami nie miały do tej pory wystarczającego doświadczenia. W takich przypadkach należy skorzystać z wiedzy i doświadczenia ekspertów, doświadczonych projektantów i rekomendacji producentów. Na wyposażeniu uzupełniającym nie warto oszczędzać, bo w relacji do kosztów całej instalacji nie stanowi ono znaczącej pozycji a problemy z eksploatacją i skutkami pracy niewystarczająco wyposażonych instalacji mogą skutkować kosztami napraw lub ewentualnego późniejszego dozbrojenia niewspółmiernie większymi niż to by miało miejsce w trakcie ich realizacji. Z doświadczenia autorów wynika, że stosowane powszechnie kryterium ceny powoduje świadome odstępowanie i cichą zgodę inwestorów na praktyki niestosowanie się do zaleceń rekomendowanych przez producentów przetwornic i odstępowanie od kanonu dobrej praktyki inżynierskiej i instalacyjnej.