Napędy o zmiennej częstotliwości – VFD bez tajemnic

Stosowanie przemienników częstotliwości (VFD) zwiększa się, gdyż użytkownicy twierdzą, że pozwalają one na poprawę procesów wytwarzania i zmniejszenie kosztów. Zrozumienie ich działania może pomóc przy rozważaniu ich wdrożenia.
Jeśli w zakładzie jesteś zaangażowany w sprawy oszczędności energii, prawdopodobnie w jakimś stopniu analizowałeś kwestię zastosowania przemienników częstotliwości (FVD) do silników elektrycznych prądu przemiennego. Mogą one pomóc w oszczędności energii, zmniejszeniu czynności obsługowych oraz obniżeniu kosztów zużywanych mediów. Pytania są następujące: czy przemienniki częstotliwości są rzeczywiście tak dobre oraz jak działają?
Przemiennik częstotliwości VFD steruje prędkością obrotową silnika elektrycznego prądu przemiennego, co pozwala na uelastycznienie wykonywanego procesu, gdyż prędkość obrotowa może zostać łatwo zmieniona, tak aby zoptymalizować ten proces. Dostarczany jest prąd o określonej mocy i dokonywana konwersja w źródło prądu o zmiennej częstotliwości i zmiennym napięciu, który następnie zasila silnik elektryczny. Umożliwia to sterowanie prędkością obrotową i momentem obrotowym wytwarzanym przez silnik elektryczny.
Przemiennik częstotliwości VFD może zwiększyć dochodowość firmy poprzez usprawnienie procesu, co z kolei daje szybki zwrot z inwestycji (ROI). Usprawnienie procesu może wynikać z lepszej kontroli:

  • prędkości obrotowej,
  • przepływu,
  • ciśnienia,
  • temperatury,
  • naprężenia,
  • momentu,
  • możliwości monitorowania jakości,
  • przyspieszania/zwalniania.

W wielu zastosowaniach, w których wykorzystywane są silniki elektryczne prądu przemiennego, można uzyskać korzyści z wprowadzenia takich układów napędowych, gdyż mogą one również zmniejszyć koszty operacyjne przy jednoczesnym usprawnianiu wykonywanego procesu. Zmniejszenie kosztów wynika ze:

  • zwiększenia niezawodności systemu,
  • zredukowania przestojów,
  • zmniejszenia czasu przygotowania wyposażenia,
  • oszczędności energii,
  • zmniejszenia czynności obsługowych,
  • bardziej płynnego działania – mniejsze zużycie i tarcie,
  • kontroli współczynnika mocy.

Wynikiem tych ulepszeń jest zwiększenie dochodowości.
Ocenianie zastosowań
Dla różnych zastosowań układów napędowych są różne kryteria, które powinny być oceniane indywidualnie. Na przykład użycie przemiennika częstotliwości w napędzie pompy odśrodkowej lub wentylatora silnikiem elektrycznym prądu przemiennego pozwala na zaoszczędzenie energii poprzez umożliwienie regulowania prędkości obrotowej silnika w sposób najbardziej efektywny. W takim przypadku często można uzyskać nawet 60% oszczędności energii w porównaniu do silników elektrycznych o stałej prędkości obrotowej ze sterowaniem zaworem. To zwykle wystarcza, aby w krótkim czasie zwróciły się koszty takiego układu napędowego.
Podczas dyskusji o przemiennikach częstotliwości (VFD) oraz oszczędnościach energii, uwaga często skupia się na ich zastosowaniach w wentylatorach i pompach odśrodkowych. Jednakże istnieją inne zastosowania, które również mają duże możliwości w zakresie oszczędności energii i/lub jej odzyskiwania, oparte na łatwych w zastosowaniu koncepcjach, co nie powinno zostać przeoczone. Te zastosowania to korekcja współczynnika mocy, regeneracja (odzyskiwanie), zastosowanie wspólnej magistrali lub kombinacje wszystkich tych trzech zastosowań. Prześledźmy wszystkie te zastosowania i zobaczmy, w jaki sposób użycie odpowiedniego układu napędowego przynosi korzyści.
Zastosowania w pompach i wentylatorach odśrodkowych:
prawa podobieństwa
Oszczędność kosztów przy zastosowaniu do wentylatora lub pompy odśrodkowej wynika głównie z dwóch czynników:

  • praw podobieństwa, które wskazują zakres pracy dający największy przepływ lub ciśnienie na jednostkę mocy, jak to przedstawiono na wykresie,
  • likwidacji wszelkich mechanicznych urządzeń regulacji przepływu, które ograniczają przepływ wentylatora lub pompy, podczas gdy silnik elektryczny napędu obraca się ze stałą prędkością.

Taki układ napędowy prądu przemiennego, po początkowym okresie zwrotu kosztów inwestycji, nadal przez wiele lat oszczędza energię, jak również obniża koszty czynności obsługowych i daje bardziej równomierny przepływ produktu. Mając wentylator lub pompę odśrodkową z mechanicznym sterowaniem przepływu, poprzez zmianę tego rozwiązania na układ napędowy prądu przemiennego z regulowaną prędkością obrotową uzyska się od 10 do 60% oszczędności kosztu energii elektrycznej, w przypadku, kiedy system wentylatora lub pompy jest zaprojektowany do pracy w zakresie od 40 do 80% pełnej prędkości obrotowej. Zwykle taka zmiana daje zwrot z inwestycji w okresie od 6 do 24 miesięcy.
Zgodnie z prawami podobieństwa:

  • przepływ jest proporcjonalny do prędkości obrotowej wału,
  • ciśnienie jest proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej wału,
  • moc jest proporcjonalna do trzeciej potęgi prędkości obrotowej wału.

Porównując różne metody mechanicznego sterowania przepływem, na przedstawionych wykresach wyraźnie widzimy, że jedynym rozwiązaniem, które pozwala na znaczne zbliżenie się do maksymalnej wydajności, w odniesieniu do teoretycznej charakterystyki wentylatora lub przepływu pompy, jest VFD.
Współczynnik mocy
Co to jest współczynnik mocy (PF – power factor)? Zasilanie prądem przemiennym ma dwa podstawowe składniki: napięcie i prąd. Jeśli te dwa składniki nie są ze sobą zsynchronizowane, moc jest tracona wskutek braku efektywności. Nazywa się to przesunięciem współczynnika mocy. Kiedy zasilanie prądem przemiennym ma wysoki poziom dodatkowych harmonicznych, nazywanych zniekształceniem współczynnika mocy, to przesunięcie i zniekształcenie są przez siebie zwielokrotniane, co jeszcze bardziej obniża efektywność zasilania.

Jeśli kiedykolwiek otrzymałeś rachunek za prąd z zakładu energetycznego zawierający karę związaną z zasilaniem twojego zakładu lub budynku, wskazuje on najpewniej, że kwestia przesunięcia współczynnika mocy istnieje. Nawet jeśli zakład energetyczny nie stosuje takiej dodatkowej kary, nadal płacisz za nadmiar energii, która jest zużywana. Z tego też względu bardzo ważną sprawą jest utrzymywanie wartości przesunięcia współczynnika mocy blisko jedności.
Na stronie obok przedstawiono przykład graficzny przesunięcia współczynnika mocy i zniekształcenia współczynnika mocy (harmoniczne):
Kary związane ze współczynnikiem mocy
Chociaż każdy zakład dostarczający energię elektryczną może w różny sposób naliczać opłaty, są dwa powszechne sposoby tych naliczeń – w zależności od KVA (mocy pozornej) (gorszy współczynnik mocy = więcej amperów) lub w zależności od kW (mocy czynnej) z karą za współczynnik mocy.
Jeśli współczynnik mocy jest mniejszy od 90%, zmierzona pobrana moc czynna kW zostanie pomnożona przez stosunek 90% podzielone przez rzeczywisty współczynnik mocy:
silnik 100 kW o współczynniku mocy 0,85: (100 kW x 0,9) / (0,85 PF) = 105 kW
W takim przypadku zwiększenie wysokości rachunku wyniesie 5%.
Druga metoda polega na korygowaniu zużycia energii, gdzie potrzeby będą korygowane stosownie do średnich współczynników mocy niższych niż 95%. Takie korekty będą wykonywane poprzez 1-procentowe zwiększanie zmierzonego zapotrzebowania na każdy 1% lub jego ułamek większy od 0,5%, o jaki średni współczynnik mocy jest mniejszy od 95% odchylenia.
W tym przypadku kara zwiększy się o 1% za każdy 1% zmniejszenia współczynnika mocy poniżej 0,95.
W przypadku, kiedy stosowane są urządzenia do korekty współczynnika mocy, takie jak kondensatory i filtry, układ napędowy prądu przemiennego jest często niedostrzegany jako sposób korygowania przesunięcia współczynnika mocy, gdy jednocześnie występuje niski poziom zniekształceń. Napęd VFD z technologią AFE (active front end) ma możliwość dopasowania swojego współczynnika mocy punktu roboczego, jak również ograniczenia harmonicznych poniżej 4%. Dla porównania, stosując standardowy sześciopulsowy układ napędowy prądu przemiennego z diodowym prostownikiem, który zamienia napięcie wejściowe prądu przemiennego na napięcie magistrali prądu stałego (dc bus voltage), typowy poziom harmonicznych to 30 do 40%. Dostępny jest dziś co najmniej jeden układ napędowy prądu przemiennego z technologią AFE, który ma możliwość korekty swojego współczynnika mocy od 0,8 leading (wyprzedzanie) do 0,8 lagging (opóźnianie) i spełnia normy IDEE 519 dotyczące emisji harmonicznych i ograniczenia zniekształceń współczynnika mocy. Oznacza to, że ten układ napędowy może poprawić istniejące przesunięcie współczynnika mocy w zakładzie.
Zniekształcony współczynnik mocy świadczy o zmniejszeniu przeciętnej wartości przekazywanej mocy z powodu występowania harmonicznych oraz przesunięcia w fazie pomiędzy prądem i napięciem.
Ile to kosztuje oraz jak wiele można zaoszczędzić, zależy od tego, jaka obecnie istnieje wartość przesunięcia i zniekształcenia.
Regeneracja (odzyskiwanie)
Silnik elektryczny prądu przemiennego może działać bądź to jako silnik, który zamienia energię elektryczną w energię mechaniczną, lub jako generator, który przetwarza energię mechaniczną w elektryczność. Zależy to od tego, czy silnik napędza maszynę, która wymaga energii do jej napędu, lub też, czy obciążenie maszyny będzie chwilami powodować wyprzedzanie silnika. Wyprzedzanie jest stanem, w którym mechanizm lub oddziaływanie fizyczne obciążenia w sposób mechaniczny powoduje, że silnik usiłuje obracać się szybciej od swojej normalnej (napędowej) prędkości obrotowej i układ napędowy jest użyty do obniżenia prędkości obrotowej silnika. Taki stan wyprzedzania może występować w kilku rodzajach zastosowań.
Stałe zwalnianie: Kiedy obciążenie, tak jak w przenośniku opadowym działającym pod wpływem siły ciężkości, będzie powodować wyprzedzanie prędkości obrotowej silnika i układ napędowy jest zastosowany do sterowania prędkością przenośnika, aby uzyskać mniejszą prędkość od tej, jaka byłaby uzyskiwana w danej aplikacji, pod wpływem działania naturalnych sił fizycznych.
Okresowe zwalnianie: Kiedy obciążenie jest szybko przerywane i bezwładność obciążenia chce utrzymywać obroty, tak jak w przypadku dużego bębna. W przypadku tym czas cyklu lub też ile razy obciążenie jest zatrzymane w danym czasie, jak również wymagana do zatrzymywania wielkość energii determinują ilość energii, jaka może być zaoszczędzona.
System momentu napinającego/przytrzymującego: Kiedy dwie sekcje maszyny są użyte do naprężenia materiału znajdującego się między nimi, tak jak napinana jest metalowa taśma w walcarce do taśm. Dwie sekcje mogą pracować z tą samą prędkością, lecz aby proces przebiegał prawidłowo, wymagane jest określone napięcie taśmy. Oznacza to, że sekcja prowadząca będzie pracować do przodu i ciągnąć taśmę, a sekcja tylna będzie również pracować do przodu i jednocześnie wytwarzać potrzebny moment działający w przeciwnym kierunku do ruchu taśmy, wytwarzając w ten sposób właściwe napięcie.

W każdym z tych przykładów kombinacja silnika i układu napędowego ma możliwość odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej przez silnik, kiedy działa on jako generator, i przesyłania tej energii do zakładu energetycznego. Ile energii zostanie zaoszczędzone, zależy od danego zastosowania, lecz mogą to być ilości znaczące. Jednym z takich zastosowań, w którym można uzyskać znaczne oszczędności z odzyskiwania energii, jest stanowisko do prób skrzyni biegów. Podczas testowania skrzyni biegów jeden układ napędowy i silnik jest użyty do obracania badanej skrzyni biegów, podczas kiedy inny układ napędowy z silnikiem jest użyty, po drugiej stronie badanej skrzyni biegów, do symulowania obciążenia. Taki system, wykonany poprawnie, będzie pracować przy bardzo niskim ogólnym zużyciu energii, gdyż ilość energii użyta do obracania skrzyni biegów, po odjęciu strat w systemie, jest taka sama, jak ilość energii odzyskana przy symulowaniu obciążenia badanej skrzyni biegów. Starając się określić, czy dana aplikacja pozwala na istotne odzyskiwanie energii, należy zadać jedno pytanie: „Czy obciążenie w każdej chwili próbuje obracać silnik (odzyskiwanie odtwarzające) lub czy silnik jest używany do obracania, pokonując obciążenie?”
Wspólna magistrala
Kiedy w jednym miejscu znajduje się kilka lub więcej układów napędowych prądu przemiennego, system wspólnej magistrali daje zwykle najbardziej efektywny sposób pracy. Może on zawierać w sobie rozwiązania dające oszczędności energii i odzyskiwania energii, które zostały tu omówione. Jeśli w systemie znajduje się sekcja układu napędowego prądu przemiennego i silnika, z odzyskiwaniem energii, doskonale nadaje się takie rozwiązanie do maksymalizacji odzyskiwania energii i zmniejszania kosztów. Wynika to z tego, że straty są generowane, kiedy energia z sieci zasilającej prądu przemiennego jest zamieniana na zasilanie magistrali prądu stałego lub z magistrali prądu stałego do sieci zasilającej prądu przemiennego. Mając więcej niż jeden z niezależnych układów napędowych, energia zasilająca musi przechodzić przez dwa lub więcej układów konwersji z prądu przemiennego na prąd stały i dwa układy konwersji z prądu stałego na prąd przemienny. W konfiguracji z zastosowaniem wspólnej magistrali energia przechodzi tylko przez jeden układ konwersji z prądu przemiennego na prąd stały przy przepływie w kierunku napędzania silnikiem. Kiedy sekcja falownika układu napędowego odzyskuje energię na magistralę prądu stałego, energia ta przekazywana jest bezpośrednio do innego falownika poprzez połączenie do wspólnej magistrali prądu stałego, który to falownik zasila silnik, i energia ta nie musi wcale przechodzić przez konwerter. Metoda ta eliminuje dwa punkty konwersji, gdzie występowałyby straty energii. Zwiększa to efektywność o 2 do 4% na każdą sekcję odzyskiwania energii. Jeśli jest więcej sekcji pozwalających na odzyskiwanie energii, oszczędności energii będą się kumulowały. Jeśli została jednocześnie zastosowana technologia AFE, poza oszczędnościami, jakie daje stosowanie wspólnej magistrali, system taki będzie miał możliwość wykonywania korekty współczynnika mocy, co zwiększa oszczędności systemu wspólnej magistrali. Dobrym przykładem zastosowania wspólnej magistrali jest stanowisko do prób skrzyni biegów. Jest tu jedna sekcja układu napędowego i silnika ruchu do przodu i jedna sekcja napęd i silnik do odzyskiwania energii. W tym konkretnym przypadku dwie sekcje układu napędowego i silnika miały parametry znamionowe 1000 A przy 690 V prądu przemiennego każda. Mimo to linia zasilająca prądu przemiennego oraz moduły wejściowe mogły być zwymiarowane na parametry niższe niż 1000 A przy 690 V prądu przemiennego. Było to możliwe, gdyż jedna z dwóch sekcji wymagała 1000 A przy napędzaniu silnikiem lub wytwarzaniu momentu obrotowego, podczas kiedy druga sekcja, która dawała obciążenie, była zdolna do odzyskania przez regenerację prawie 1000 A, pomniejszone o straty układu. Dlatego też wartość prądu generowana z sekcji odzyskiwania energii prawie równoważyła 1000 A z sekcji wytwarzającej moment obrotowy do obracania badanej skrzyni biegów, a zasilanie prądem przemiennym mogło zostać ograniczone do wartości nieco przekraczającej straty układu, która w tym przypadku była około 200 A przy 690 V prądu przemiennego. Rezultatem tego było obniżenie kosztów instalacji z uwagi na mniejsze rozmiary sekcji zmiany prądu przemiennego na prąd stały. Rozwiązanie to pozwoliło na odzyskanie energii, której roczny koszt to 75 000 USD, co przełożyło się na uzyskanie zwrotu kosztów w ciągu czterech lat.
Aplikacja ta połączyła efektywność systemu odzyskiwania energii z układem wspólnej magistrali. W przypadku, kiedy zakład musiałby wprowadzić korektę współczynnika mocy, zastosowane rozwiązanie wspólnej magistrali dałoby również możliwość zwiększenia tych oszczędności.
Na zakończenie, przy stosowaniu kombinacji układu napędowego prądu przemiennego i silnika istnieje wiele różnych zastosowań i metod, przy których można uzyskać znaczne oszczędności i odzyskiwanie energii. Choć zwykle zwraca się dużą uwagę na koszt początkowy układu napędowego, należy dokonać przeglądu każdej aplikacji po to, aby określić maksymalną możliwość zwiększenia wydajności i obniżenia kosztów eksploatacyjnych w zakresie oszczędności energii i odzyskiwania energii. W wielu przypadkach oszczędności energii i koszty eksploatacyjne są dużo wyższe niż koszt instalowania układu napędowego.
Stephen Prachyl jest dyrektorem ds. marketingu automatyki napędów i układów niskonapięciowych w firmie  Siemens Industry.
CE