W poszukiwaniu wysokiej wydajności napędu elektrycznego

Zbyt mało mówi się o tym, że napędy elektryczne o zmiennej częstotliwości prądu (VFD – variable frequency drive) już obecnie zapewniają bardzo istotne oszczędności w zużyciu energii w bardzo licznych przypadkach zastosowań w gospodarce, głównie przy zmiennych obciążeniach oraz różnych od nominalnej prędkościach pracy*.
Mowa jest tutaj o silnikach prądu przemiennego, indukcyjnych, synchronicznych. Te silniki skonstruowane ponad 100 lat temu, ciągle ulepszane, stanowią wciąż największą grupę napędów elektrycznych dla maszyn i urządzeń.
A to z powodu ich prostej budowy, a więc taniej produkcji oraz wygody w zastosowaniu.
Niemniej od początku mają niedogodność polegająca na pracy przy stałych prędkościach obrotowych i ustalonym napięciu zasilania. Tylko przy napięciu znamionowym i znamionowych obrotach rozwijają wysoki moment obrotowy, który jest główną cechą użytkową silników (drugą jest prędkość, lecz w mniejszym stopniu). Ponieważ w pracy większości urządzeń i maszyn pełny moment jest wykorzystywany tylko w niewielkim procencie czasu ich pracy, przez pozostały czas pracują jako niedociążone. Powoduje to olbrzymie straty energii. Mają one różnoraki charakter: w przypadku pomp cieczowych konieczne jest dławienie przepływu i zawracanie strumienia na stronę ssącą, w przypadku wentylatorów i pomp gazowych występuje konieczność dławienia (wytracania ciśnienia) zaworami, zasuwami, żaluzjami itp., dla maszyn i obrabiarek konieczne jest stosowanie rozbudowanych przekładni prędkości, ponadto straty występują w przypadku rozruszników, przełączników gwiazda-trójkąt i wielu innych.
Końcowy rezultat każdego niedociążonego silnika to zamiana znacznej ilości energii w ciepło oraz psucie źródła zasilania przez powiększanie kąta przesunięcia fazowego w sieci zasilającej, a przez to obniżanie mocy (sławetne cosinus φ we wzorze na moc) wszystkich pracujących w tym samym czasie silników zasilanych z tej sieci. Do tego dochodzi także wprowadzanie zakłóceń do sieci składowymi harmonicznymi, generowania zakłóceń elektromagnetycznych w najbliższym obszarze (to głównie domena koniecznych urządzeń pomocniczych w zespołach napędowych). A to jeszcze koniec.
Przypomnienie powyższych zagadnień ułatwia ocenę problemu. Potrzebę oszczędzania energii uświadomiło sobie wielu ludzi, zaś postęp techniki pozwolił na zmianę sytuacji.
Gdy kluczem do zwiększania korzyści jest racjonalne wykorzystanie mocy oraz oszczędne zużywanie energii, zrozumiałe staje się zainteresowanie napędami VFD. Jest bowiem faktem, że to właśnie silniki elektryczne powodują znaczące straty przy częściowym wykorzystaniu ich znamionowej mocy. Dlatego największą uwagę należy skupić na ich sprawności.
Ostatnio osiągnięte postępy w tym obszarze zawierają prace zrealizowane w laboratoriach kanadyjskiego Hydro-Quebec’s Research Institute. Wyniki badań pod ogólnym tytułem „Testy napędów zmiennej częstotliwości” zostały zaprezentowane na spotkaniach najbardziej prestiżowych międzynarodowych gremiów: Motor Summit w 2008 r. w Szwajcarii, MEPSA 2009 w australijskim Sidney oraz na specjalistycznej konferencji Motor Drive and Automation System Conference 2009 w Orlando (USA).
Przebieg i wyniki badań prezentował inżynier Pierre Angers z Instytutu Hydro-Quebec.
– Wartości liczbowe sprawności VFD spotyka się w fachowych publikacjach z reguły dla punktów pracy zbliżonych do pełnej mocy, natomiast rzadko dla innych – mówi P. Angers. – Nie spotyka się też standardów dotyczących sprawności napędów zmiennej częstotliwości, zaś ich brak nie pozwala na porównanie z innymi rodzajami napędów.
 – Wiadomo, że najwyższa sprawność osiągana jest przy prędkości znamionowej, w takich przypadkach nikt nie myśli o zastosowaniu napędu ze zmienną częstotliwością. Z tego też powodu podawane w publikacjach sprawności maksymalne są dla porównań bezużyteczne – wyjaśnia P. Angers.
Celem Hydro-Quebec’s Research Institute było ustalenie procedury testowania napędów VFD i określenia ich sprawności zarówno dla samych silników z wbudowanym zespołem zmiany częstotliwości, jak też kombinacji silników z falownikami. Miało to umożliwić porównanie sprawności różnych napędów wykorzystujących technikę zmiany częstotliwości prądu.
Angers przeprowadził testowanie pięciu rodzajów rozwiązań konstrukcyjnych dla trzech wielkości silników indukcyjnych o mocach: 7,5; 37 i 75 kW. Badania obejmowały pracę napędów przy różnych obciążeniach oraz różnych prędkościach; łącznie pomiary w 20 punktach pracy każdego zespołu napędowego, dla wcześniej przyjętych wartości prędkości obrotowej oraz obciążenia momentem obrotowym.
Obciążenia zawierały się w obszarze 10–100%  momentu nominalnego, z kolei badania dla różnych prędkości mieściły się w obszarze 25–100% prędkości nominalnej. W każdym punkcie mierzona była moc uzyskiwana na wyjściu i dzielona przez moc prądu zasilającego. Tak liczona sprawność podawana była w procentach.
Nazwy producentów napędów były utajnione przez cały czas wykonywania badań.
Wyniki wykazywały obniżenie się sprawności o 2–8%, przy niskich wartościach momentu lub prędkości w stosunku do sprawności w obszarach wyższych obrotów i większych obciążeń. Różnice w spadku sprawności dla napędów różnych producentów były znacznie mniejsze (jest to widoczne na wykresie). Jednak zmiana sprawności pogłębiana była z powodu innych czynników, jak np.: temperatura pracy, wahania napięcia zasilającego, zmiany częstotliwości oraz wpływu działania aktywnych elementów wyposażenia, w tym głównie filtrów.
Nowym elementem w badaniach sprawności zespołów napędzających przeprowadzonych przez P. Angersa jest przedstawienie wyników w postaci krzywej ilustrującej zależność od dwóch niezależnych zmiennych: momentu obciążającego oraz prędkości.
Typowe zastosowanie napędu przenośnika taśmowego będzie w takim przypadku ilustrowane jako linia prosta (bo stały moment) przecinająca się z krzywą sprawności, natomiast sprawność napędu VFD zastosowanego w pompie lub wentylatorze będzie przedstawiona krzywą powierzchnią umieszczoną w trójwymiarowej przestrzeni.
Opisane w tym artykule prace badawcze stanowią podstawę procedury testowania sprawności napędów o zmiennej częstotliwości. Wynikły z nich dwie rekomendacje zmian w standardach o charakterze ogólnym, powszechnie szanowanym. Są nimi kanadyjska norma CSA C838 dla napędów typu VFD oraz międzynarodowe zalecenie IEC 60034-2-3.
Użytkownicy stosujący napędy o zmiennej częstotliwości odnoszą przede wszystkim znaczące korzyści z oszczędnego zużywania energii elektrycznej, w wyniku dopasowania prędkości obrotowej silnika do wymagań konkretnego obciążenia. Jednakże uzyskują także możliwość porównania między sobą sprawności napędów stosowanych w swoich zakładach, fakt nie bez znaczenia w przygotowaniach do podjęcia decyzji modernizacyjnych.