W ostatnich czasach można zaobserwować stały wzrost problemów związanych z ochroną środowiska spowodowanych wzrostem średniej temperatury globalnej. Aby zapobiec globalnemu ociepleniu, pilnie potrzebne są działania związane z oszczędzaniem energii w celu redukcji emisji CO₂ – w tym zakresie przydatne są przetwornice częstotliwości i ich użytkowanie. Odpowiednie instytucje, rządy podjęły w tym celu pewne kroki wprowadzając dyrektywy i uchwały:

Liczba urządzeń zasilanych energią elektryczną jest wręcz niewyobrażalnie duża.  Silniki elektryczne możemy spotkać w codziennym życiu dosłownie wszędzie. Od odkurzaczy, klimatyzatorów przez ruchome schody, windy po samochody elektryczne. W przemyśle jest ich jeszcze więcej! Obrabiarki, transportery, maszyny produkcyjne. Można by tak jeszcze długo wymieniać. Łatwo więc się domyślić, że silniki elektryczne stanowią duży procent w ogólnoświatowym zużyciu energii elektrycznej.

W skali światowej jest to aż 46% (na 2010 rok)! W samej Japonii biorąc pod uwagę wszystkie obszary gospodarki udział wynosi 55%, a rozpatrując jedynie przemysł, rośnie do 75%. Żeby lepiej to zobrazować zwróć uwagę, że w tych pozostałych procentach mieści się cała reszta urządzeń zasilanych energią elektryczną: urządzenia grzewcze (podgrzewacze elektryczne, piece elektryczne, bojlery jak i czajniki, kuchenki elektryczne), elektroniczne (w tym komputery, telewizory, urządzenia przemysłowe, sterowniki), oświetlenie, itp. Wyobraź sobie jeszcze jedno. Gdyby tak wszystkie aktualnie używane silniki zastąpić silnikami energooszczędnymi, jak ogromne byłyby oszczędności energii elektrycznej!

Rodzi się więc pytanie: w jaki sposób można zmniejszyć zużycie energii pobieranej przez napędy elektryczne? Jedną z dróg może być zastosowanie przetwornic częstotliwości. Inną zastosowanie silników o podwyższonej sprawności.

Rozumiesz w jaki sposób może to pomóc w zaoszczędzeniu energii? Spróbuję to wytłumaczyć na podstawie przetwornic częstotliwości serii FR-F800 i FR-F700PJ firmy Mitsubishi Electric oraz silników serii Superline Premium SF-PR oraz IPM.

Podstawy oszczędzania energii z użyciem przetwornic częstotliwości

Dlaczego silnik zasilany z przetwornicy częstotliwości może oszczędzać energię? Prostym przykładem może być dmuchawa. Przy zasilaniu prosto z sieci prędkość silnika nie zmienia się bardzo nawet przy zmianie obciążenia. Zatem aby sterować objętością powietrza pompowanego  należy zamontować płytę przesłony nazywaną przepustnicą. Takie rozwiązanie wprowadza straty energii a także wymaga użycia dodatkowych elementów mechanicznych i zewnętrznego układu sterowania.

Co zmieni wprowadzenie przetwornicy częstotliwości do sterowania prędkością silnika dla tego układu? Przede wszystkim będzie wyeliminowana konieczność zastosowania przepustnicy, która jako element mechaniczny może powodować awarie np. przez zablokowanie w jednej pozycji. Niewymagana będzie też kontrola jej stanu technicznego. Zewnętrznym układem sterującym stanie się teraz falownik.

Gdy silnik zasilany jest przez przetwornicę częstotliwości ze średnią prędkością, napięcie zmniejsza się proporcjonalnie do prędkości silnika, niezależnie od przepływu. Daje to oszczędność energii. Można pokusić się o stwierdzenie, że praktycznie przy dowolnym zastosowaniu, zasilenie silnika o zmiennej prędkości z przetwornicy częstotliwości, zmniejszy zużycie energii.

Dla danego zastosowania ważna jest także charakterystyka obciążenia momentem obrotowym. W zależności od obiektu moment obrotowy obciążenia może być stały bądź zmieniać się przy zmianie prędkości silnika.

Dzięki właściwie dobranej charakterystyce osiągane oszczędności są jeszcze większe. Dla wentylatorów i pomp (charakterystyki obciążenia zmiennym, rosnącym momentem obrotowym) zmniejszenie prędkości obrotowej o połowę powoduje zmniejszenie momentu obciążającego do 1/4, a dla wyjścia osiowego wartość zmniejszona jest do 1/8. Dzięki temu można uzyskać znaczną efektywność energetyczną.

Użyteczne funkcje oszczędzania energii przetwornic częstotliwości

Przetwornice częstotliwości serii FR-F800 nowej generacji z rozszerzoną funkcją oszczędzania energii są łatwe i bezpieczne w użyciu. Zapewniają obsługę szerokiego zakresu zastosowań w celu oszczędzania energii, oferując funkcje idealne dla wentylatorów i pomp. Natomiast seria FR-F700PJ  z wbudowanym zestawem filtrów to niewielkie przetwornice częstotliwości, które są odpowiednie do systemów klimatyzacji.

Dla serii F800 została opracowana nowa, zaawansowana, optymalna kontrola wzbudzenia. Zapewnia duży moment obrotowy, utrzymując tę samą sprawność silnika. Uproszczone zostały także sposoby szybkiego przyśpieszania bez potrzeby uciążliwych ustawień parametrów np. zwiększania momentu obrotowego. Funkcja automatycznego dostrajania przez pomiar stałych obwodu silnika, umożliwia optymalne działanie silników. Ich dobre funkcjonowanie jest możliwe nawet gdy używane są silniki innego producenta lub przy długim okablowaniu. Inną metodą oszczędności energii jest zmniejszenie mocy w trybie oczekiwania. Zasilanie obwodu sterowania przez wejście prądu stałego 24v z zewnętrznego zasilacza pozwala na odłączenie wejścia głównego gdy silnik jest nieużywany z jednoczesnym zachowaniem możliwości wprowadzania parametrów i podtrzymania komunikacji.

Dla obu serii udostępniono funkcje zarządzania pracą wentylatora chłodzącego przetwornicę w zależności od temperatury radiatora. Dzięki możliwości wyprowadzenia sygnału w odpowiedzi na działanie wentylatora chodzącego przetwornicy możemy zarządzać pracą innego urządzenia zewnętrznego. Taki zabieg może zmniejszyć niepotrzebne zużycie energii w czasie gdy silnik nie działa. Efekt oszczędzania energii możemy sprawdzić z wykorzystaniem panelu operatorskiego lub przez sieć dzięki funkcji monitorowania oszczędności energii.

Przepisy dotyczące silników o podwyższonej sprawności

Duże oszczędności energii można uzyskać poprzez sterowanie silnikami za pomocą przetwornic lub poprawienie efektywności samych silników. Wprowadzenie przepisów dotyczących obowiązkowego używania silników o podwyższonej sprawności, promuje się na całym świecie w wyniku wzrastającej świadomości konieczności oszczędzania energii w celu uniknięcia globalnego ocieplenia.

IE to skrót od International Efficiency Standard Level (Międzynarodowy Standard Poziomy Sprawności), który definiuje międzynarodowe standardy sprawności silników. Globalnym trendom w kierunku zwiększania sprawności towarzyszą wzrastające wymagania dotyczące silników o podwyższonej sprawności. Zwiększenie użycia w skali światowej wymagało ujednolicenia przez zdefiniowanie standardów dla każdego z państw. W październiku 2008, organizacja IEC wprowadziła międzynarodowy standard IEC 60034-30 – klasy sprawności jednobiegunowych silników elektrycznych. Standard obejmuje cztery klasy. Silniki Mitsubishi w zależności od serii przyporządkowane są do danej grupy.

Przetwornice częstotliwości – silniki serii Superline Premium SF-PR

Silnik SF-PR jest zgodny ze standardami Japońskiego programu Top Runner (ekwiwalent IE3), uzyskując o 6% wyższą sprawność energetyczną od standardowego silnika SF-JR (ekwiwalent IE1) dla mocy 7,5kW. Oszczędności wynikające z podwyższonej sprawności można łatwo obliczyć ze wzoru:

Dla przykładowego silnika 7,5kW przy ciągłej pracy w ciągu roku i założeniu kosztu 1kWh wynoszącej 0,57zł roczne oszczędności w porównaniu z silnikiem serii SF-JR wynoszą prawie 2700zł rocznie. Nie mało, prawda?

Oszczędności rosną wraz z liczbą urządzeń. Zatem biorąc pod uwagę przykładowe zastosowanie w budynku korzyści potęgują się.

Zadany przykład ukazuje, że oszczędności nie są wcale małe! Dodatkowo zużywając mniej energii nie dość, że płacimy mniejsze rachunki, to jesteśmy też bardziej przyjaźni dla środowiska.

Silniki SF-PR idealnie współpracują z przetwornicami częstotliwości FR-F800. Jeśli aktualnie stosuje się silniki SF-JR nic nie stoi na przeszkodzie by wymienić je na silniki serii SF-PR. Pod względem instalacji serie te są kompatybilne. Jeśli zastanawiasz się czy koszt początkowy wprowadzenia silnika o podwyższonej sprawności przyćmi oszczędności związane z jego użytkowaniem to nic bardziej mylnego. Podwyższona sprawność i zmniejszony pobór mocy, spowodują dla większości zastosowań zwrot kosztów instalacji już po pierwszych trzech latach użytkowania (dla pracy 4000 h/rok) w porównaniu do użytkowania z zasilaniem z komercyjnej sieci zasilającej i sterowaniem np. przepustnicą. Oczywiście w tych wyliczeniach wzięto pod uwagę zakup przetwornicy częstotliwości jak i wszystkie prace serwisowe związane z użytkowaniem.

Oszczędzanie energii za pomocą przetwornic częstotliwości i silników IPM

Silniki IPM (Interior Permanent Magnet), czyli silniki synchroniczne z magnesem trwałym wbudowanym w wirnik, mają podwyższoną sprawność względem silników indukcyjnych. Pozwalają też na jeszcze większe oszczędności energii. W porównaniu do silników indukcyjnych w głównej mierze różnią się budową wirnika.

Magnesy wbudowane w wirnik w połączeniu z wirującym polem magnetycznym stojana generowanym przez płynący  prąd przemienny generują moment powodujący ruch obrotowy. Ogólnie silniki IPM mają większą sprawność od silników indukcyjnych, ponieważ prąd nie przepływa przez wirnik (strona wtórna). Nie ma zatem strat energii w drugim uzwojeniu.

Ograniczenie strat wewnętrznych w wysokości 60% dla silnika 22kW bezpośrednio przełoży się poprawę sprawności silnika. Jak wiadomo sprawność to stosunek energii wyjściowej do wejściowej (suma energii wyjściowej i strat). Nawet rozpatrując sytuację, w której silnik IPM pracuje w połączeniu z przetwornicą przy prędkości znamionowej to łącznie generowane straty (przetwornicy i silnika) są i tak mniejsze niż przy zastosowaniu standardowego silnika indukcyjnego, zasilanego bezpośrednio z sieci.

Ponieważ  przetwornice FR-F800 i FR-F700PJ obsługują silniki IPM, pierwszym wyborem w kierunku poprawienia sprawności energetycznej jest zastosowanie przetwornicy częstotliwości do sterowania jego pracą. Podobnie jak dla silników serii SF-PR i SF-JR kompatybilność wymiarów instalacyjnych pozwala na ich łatwe zastąpienie silnikami IPM.

Powracając do przykładowego zastosowania w budynku, można zaobserwować dalszy wzrost oszczędności:Wzrost oszczędności jest dużo większy nawet w porównaniu do i tak już wysoce sprawnych silników serii SF-PR. Jeśli chodzi o początkowe koszty instalacji są one niewiele większe (około 10%) od kosztów instalacji SF-PR. Stosując silnik IPM koszt instalacji zwróci się już po trzech latach (w stosunku do standardowego silnika). Po pięciu będzie on bardziej korzystny finansowo od instalacji z silnikami serii SF-PR. Dłuższe interwały np. wymiany łożysk przyniosą dodatkowe profity w postaci czasu i pieniędzy zaoszczędzonych na serwisie i przestojach.

Przetwornice częstotliwości – podsumowanie

Dróg oszczędzania jest wiele, a wybór właściwej, optymalnej drogi zazwyczaj zależy od wielu czynników. Dla przedsiębiorstw produkcyjnych, gdzie zastosowanie znajduje duża liczba stale pracujących napędów elektrycznych, energooszczędne rozwiązania mogą przynieść nie lada zyski. Lecz w przypadkach gdzie urządzenie pracuje przez krótki okres czasu lub użytkowane jest sporadycznie, inwestowanie w zaawansowane technologie może minąć się z celem. Zatem znając stopień wykorzystywania danych maszyn i warunki ich pracy, na drodze analizy powinniśmy ocenić opłacalność inwestycji w nowe technologie napędów i czas zwrotu ich kosztów. Dopiero potem należy rozpocząć ich realizację.

Artykuł powstał we współpracy z iAutomatyka.pl