Optymalizacja zużycia energii w napędach

Fot. Danfoss

Jednym ze sposobów na oszczędzanie energii w przemyśle jest stosowanie silników/napędów elektrycznych ze zintegrowaną przekładnią mechaniczną (tzw. motoreduktorów) oraz przetwornic częstotliwości. Pozwalają one skutecznie obniżać koszty eksploatacji urządzeń, maszyn czy linii produkcyjnych.

W odniesieniu do konkretnych typów napędów, zużycie procentowe energii elektrycznej przedstawia się następująco1:

  • ok. 30% energii zużywają napędy pomp,
  • 18% – napędy wentylatorów i dmuchaw,
  • 14% – napędy kompresorów,
  • 10% – napędy obrabiarek,
  • 8% – napędy środków transportu,
  • 20% – pozostałe napędy.

A zatem grupą urządzeń, w której można szukać najwięcej oszczędności, są pompy i wentylatory. Istnieje wiele rozwiązań energooszczędnych, jednak najbardziej efektywnym sposobem pozwalającym szybko, łatwo i niedrogo zredukować zużycie energii, jest zastosowanie przetwornic częstotliwości. Przetwornice optymalizują pracę silnika elektrycznego, co zapewnia maksymalne wykorzystanie możliwości napędu, przy minimalnym poborze mocy.

Wyróżnia się dwie metody zastosowania przetwornic częstotliwości:

  • w układach napędowych ze stałomomentową charakterystyką obciążenia,
  • w układach napędowych ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej.

Różnica w oszczędnościach pomiędzy tymi metodami jest spora. W zastosowaniach z charakterystyką stałomomentową optymalizacja zużycia energii jest wprost proporcjonalna do redukcji momentu i prędkości obrotowej na wale silnika. W drugim przypadku natomiast użyta przetwornica generuje oszczędności rosnące w trzeciej potędze, w stosunku do zakresu zmniejszenia prędkości obrotowej.

Układy napędowe ze stałomomentową charakterystyką obciążenia

Mają zastosowanie, gdy obciążenie się nie zmienia (lub zmienia się minimalnie) przy zmianie prędkości obrotowej w szerszym zakresie. Występują przede wszystkim na liniach produkcyjnych (m.in. w podajnikach tych linii, taśmociągach, podnośnikach, przenośnikach podwieszonych, mieszadłach czy młynach), ale również w pompach mimośrodowych, próżniowych bądź wyporowych, które mają moment obciążenia o stałym przebiegu.

Przetwornica częstotliwości reguluje w wymienionych zastosowaniach napięcie wyjściowe silnika – zmniejszając to napięcie – wówczas silnik wytwarza mniej energii. Przy użyciu takiej przetwornicy można np. zasilić silnik 400 V w trybie jałowym, przy częstotliwości wyjściowej 50 Hz napięciem w wysokości już 380 V.

Istotne jest, aby obciążenie było stałe, ponieważ kiedy obciążenie znacznie wrasta, wtedy przetwornica podnosi wartość skuteczną napięcia, czyli również wytwarza więcej energii. Wówczas inwestycja w przetwornice częstotliwości jako elementy układu energooszczędnego może okazać się bezzasadna.

Układy napędowe ze zmiennym momentem obciążenia o charakterystyce kwadratowej

Takie układy występują najczęściej w pompach wirowych i wentylatorach, gdzie zastosowanie przetwornic częstotliwości może zamortyzować się już w ciągu 2 lat.

Głównym zadaniem przetwornicy częstotliwości w układach napędowych ze zmiennym momentem obciążenia jest zmniejszanie prędkości obrotowej.

Regulacja prędkości obrotowej może zmniejszyć dodatkową energię potrzebną do rozruchu silnika elektrycznego. Na przykład w odniesieniu do pomp zużycie energii na uruchomienie silnika wynosi zazwyczaj 510% całkowitego zużycia, ale są też przypadki, gdzie na rozruch konieczne jest do 40% energii. Wówczas użycie przetwornicy pozwoli na redukcję prędkości obrotowej np. o 20%, a to z kolei obniży koszty energii nawet o 50%.

Ponadto, dzięki zintegrowanym funkcjom oprogramowania zastosowanym w nowoczesnych przetwornicach częstotliwości, wydłuża się czas eksploatacji tych urządzeń ze względu na zmniejszenie obciążenia udaru mechanicznego przy rozruchu silnika.

Przetwornica w zakresie obciążeń częściowych

Kiedy silnik zasilany jest bezpośrednio z sieci z obciążeniem poniżej nominalnego, znacznie spada jego sprawność z powodu stałych strat mechanicznych i elektromagnetycznych. Zastosowanie w takiej sytuacji przetwornicy częstotliwości zapewnia optymalne namagnesowanie silnika (oczywiście w zależności od jakości metody regulacji), co sprawia, że współczynnik sprawności całego układu napędowego nie spada tak bardzo przy pracy z niedociążonym silnikiem – jest to zwykle odczuwalne przy silnikach o mocy powyżej 11 kW.

Układ kaskadowy

W przypadku gdy pojawia się zbyt duża różnica między maksymalną potrzebną mocą rozruchu silnika a przeciętną pracą z niedociążonym silnikiem, najlepiej zastosować tzw. układ kaskadowy. Jest to zespół złożony z maszyny przepływowej i przetwornicy ze zmiennym zakresem prędkości obrotowej.

Na przykład regulacja prędkości obrotowej pompy pokrywa zapotrzebowanie podstawowe na moc/energię, a w momencie jego wzrostu przetwornica częstotliwości załącza kolejne pompy. Taki układ zapewni wtedy utrzymanie optymalnego współczynnika sprawności napędu i tym samym największe oszczędności w zużyciu energii. Warto wiedzieć, że w zależności od producenta odpowiednie regulatory kaskady są już wbudowane w przetwornicy lub występują w wersji modułów zewnętrznych.

Zastosowania, w których nie występują szybkie zmiany obciążenia

Dobrym rozwiązaniem energooszczędnym dla tego typu aplikacji jest wykorzystanie przetwornic z opcją Automatycznej Optymalizacji Zużycia Energii (AEO). W takim przypadku przetwornica zmniejsza namagnesowanie silnika do optymalnego poziomu. Funkcja ta ma zastosowanie przy wszystkich powolnych regulacjach, które zwykle występują w pompach i wentylatorach.

Z przedstawionych przykładów wynika, że przetwornice częstotliwości umożliwiają dostosowanie charakterystyki silnika do obciążenia, optymalizują zużycie energii przez generowanie zmiennych częstotliwości i poziomów napięć, co wpływa na zmniejszenie wyeksploatowania silnika oraz zminimalizowanie zużycia całego układu napędowego.

Czy warto inwestować w przetwornice?

Regulację prędkości obrotowej jako istotny element optymalizujący zużycie energii można zastosować zarówno w nowych, jak i używanych urządzeniach/maszynach elektrycznych. Aby jednak uzyskać jak najlepsze rezultaty, należy najpierw przeprowadzić analizę całego układu napędowego dla ustalenia, czy wprowadzenie procesów pozwalających na regulację prędkości obrotowej nie spowoduje skutków ubocznych i czy są to jedyne możliwe działania energooszczędne.

W układzie napędowym na przykład ok. 10% możliwych do osiągnięcia oszczędności można uzyskać dzięki wydajnym, wysokosprawnym silnikom. Zastosowanie przetwornicy i regulacja prędkości obrotowej pozwalają zaoszczędzić do ok. 30%, przy czym trzeba pamiętać, że koszt zakupu przetwornicy stanowi ok. 10% całości kosztów implementacji inwestycji, a pozostałe 90% to koszty jej eksploatacji (tj. nakłady na energię, konserwację i serwis, a także koszty zakupu klimatyzacji, dławików i filtrów sieciowych do przetwornic).

Warto zauważyć, że największe efekty w zakresie poprawy energooszczędności, bo sięgające nawet 60%, można osiągnąć przy optymalizacji całego układu napędowego.

Do metod całościowej optymalizacji układu napędowego pod kątem efektywności energetycznej zaliczyć można:

  • zastosowanie komponentów do napędu o lepszym współczynniku sprawności;
  • regulację ciśnienia czy przepływu za pomocą klap, żaluzji, zaworów dławiących lub trójdrogowych itp. (np. jeśli występowała dotychczas tylko jedna regulacja dwupołożeniowa, należy porównać jej efektywność energetyczną z regulacją prędkości obrotowej) – jednak przy zastosowaniu wyłącznie mechanicznej regulacji uzyskuje się minimalną redukcję potrzebnej energii oraz następuje zużycie mechaniczne i konieczność konserwacji takich elementów;
  • stosowanie wszelkiego rodzaju rurociągów – sposób poprowadzenia rur, urządzeń rozdzielczych i wybór zaworów powinien wpływać na zmniejszenie oporów przepływu;
  • utrzymywanie ciśnienia na możliwie najniższym poziomie – obniżenie ciśnienia tylko o 1 bar pozwala zaoszczędzić do 78% energii;
  • bieżącą kontrolę aktualnego zużycia energii;
  • stosowanie odpowiednich przekładni i optymalizacja długości kabli;
  • określenie strat cieplnych oraz wydajności koniecznej do ich odprowadzenia wentylacji szafy rozdzielczej lub nawet klimatyzacji elektrycznego pomieszczenia technicznego.

Jeśli nie jest możliwe wykonanie całościowej optymalizacji układu, zaleca się stosowanie przetwornic częstotliwości. Dzięki nim można wygenerować szybkie i efektywne oszczędności energii, przy czym koszty poniesione na zakup i eksploatację urządzeń zamortyzują się w niedługim czasie.

Autor: Tomasz Karwat ukończył z wyróżnieniem Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Jest certyfikowanym wykładowcą SEP i Rzeczoznawcą Izby Rzeczoznawców SEP, a także rzeczoznawcą NOT. Praktykuje pomiary elektroenergetyczne od ok. 20 lat, jednocześnie prowadzi szkolenia z tego zakresu. Podczas swojej pracy zawodowej opracował ok. 400 różnych prac eksperckich z obszaru elektroenergetyki, głównie dotyczących awarii rozruchu urządzeń. Ma wieloletnie doświadczenie w przeprowadzaniu audytów instalacji.

1Za: A. Giżycki: „Optymalizacja pracy i zużycia energii elektrycznej w napędach z regulacją częstotliwościową”, http://www.seminaria.trademedia.us/2010/images/pdf_energia/Optymalizacja_pracy.pdf.

Literatura

A. Giżycki: „Optymalizacja pracy i zużycia energii elektrycznej w napędach z regulacją częstotliwościową”, http://www.seminaria.trademedia.us/2010/images/pdf_energia/Optymalizacja_pracy.pdf.

„Mądre oszczędzanie w systemach automatyki. Przetwornice częstotliwości – prawidłowy dobór komponentów napędu elektrycznego i redukcja kosztów”, materiały firmy Danfoss, http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/FE73D9BD-9296-49BB-98D0-8F8E0EBE54FD/0/WEB_Energy_Saving_.pdf.

Tekst pochodzi z nr 5/2015 magazynu “Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.