Frekvences pārveidotāja enerģijas atgriezeniskās saites ierīču piegādātāji atgādina, ka mūsdienu rūpnieciskās automatizācijas ražošanā sūkņu, ventilatoru un citu iekārtu pielietojuma joma kļūst arvien plašāka. To elektroenerģijas patēriņš, deflektoru, vārstu un citu iekārtu droseļvārsta zudumi, kā arī ikdienas apkopes un remonta izmaksas veido gandrīz 20% no izmaksām. Tie ir ievērojami ražošanas izdevumi. Attīstoties ekonomikai, padziļinoties reformām un saasinoties tirgus konkurencei, enerģijas taupīšana un patēriņa samazināšana pakāpeniski ir kļuvusi par svarīgu līdzekli produktu kvalitātes uzlabošanai un ražošanas izmaksu samazināšanai.
1. Mainīgas frekvences enerģijas taupīšanas tehnoloģijas pamatteorija
Frekvences pārveidošanas tehnoloģijas pamatprincips ir tāds, ka elektroiekārtu izmantotās maiņstrāvas frekvence ilgstoši tiek uzturēta fiksētā stāvoklī. Frekvences pārveidošanas tehnoloģijas pielietojums ir padarīt frekvenci par resursu, ko var brīvi regulēt un izmantot. Mūsdienās visaktīvākā un visstraujāk attīstošā mainīgās frekvences tehnoloģija ir mainīgās frekvences ātruma regulēšanas tehnoloģija.
Frekvences pārveidošanas tehnoloģija ietver datortehnoloģiju, jaudas elektronikas tehnoloģiju un klikšķu pārraides tehnoloģiju. Tā ir visaptveroša tehnoloģija, kas apvieno mehāniskās iekārtas un stipro un vājo elektrību. Tā attiecas uz jaudas frekvences strāvas signāla pārveidošanu citās frekvencēs, ko galvenokārt panāk, izmantojot pusvadītāju komponentus. Pēc tam maiņstrāva tiek pārveidota par līdzstrāvu, un invertors regulē strāvu un spriegumu, vienlaikus panākot elektromehānisko iekārtu pakāpenisku ātruma regulēšanu. Rezumējot, frekvences pārveidošanas tehnoloģija ir motora ātruma kontrole, mainot strāvas frekvenci, tādējādi efektīvi kontrolējot motora aprīkojumu. Tas viss tiek panākts, pamatojoties uz strāvas frekvences un motora ātruma pieaugumu gadu no gada. Frekvences pārveidošanas tehnoloģijas raksturīgā iezīme ir tā, ka tā var nodrošināt vienmērīgu motora darbību, automātiski kontrolēt paātrinājumu un palēninājumu, kā arī samazināt enerģijas patēriņu, vienlaikus uzlabojot darba efektivitāti.
Frekvenču pārveidotāju ikdienas lietošanā galvenokārt tiek izmantota tieša griezes momenta vadība un vektoru vadība. Nākotnē frekvences pārveidotāju attīstībā tiks izmantoti mākslīgie neironu tīkli un izplūdušās pašoptimizācijas vadības metodes. Turklāt, frekvences pārveidotājiem attīstoties, to visaptverošākā pieeja kļūs arvien augstāka. Papildus pamata ātruma regulēšanas funkcijām tiem ir arī iekšēji iestatītas komunikācijas, programmēšanas un parametru identifikācijas funkcijas.
2. Frekvences pārveidotāja enerģijas taupīšanas princips
2.1 Mainīgas frekvences enerģijas taupīšanas metodes
Saskaņā ar šķidrumu mehāniku, jauda = spiediens * plūsmas ātrums. Plūsmas ātrums un ātrums kāpināti viena pakāpē ir proporcionāli, spiediens ir proporcionāls ātruma kvadrātam, un jauda ir proporcionāla ātruma kubam. Ja ūdenssūkņa efektivitāte ir fiksēta, tad, samazinoties plūsmas ātrumam, ātrums samazināsies proporcionāli, un arī izejas jauda samazināsies kubiskā attiecībā. Tāpēc ūdenssūkņa ātrums ir aptuveni proporcionāls motora enerģijas patēriņam. Piemēram, kad 55 kW ūdenssūkņa motors tiek ieslēgts līdz 80% no tā sākotnējā ātruma, tā enerģijas patēriņš ir 28 kW/h, un enerģijas taupīšanas līmenis ir 48%. Bet, ja ātrums tiek noregulēts līdz 50% no sākotnējā, enerģijas patēriņš kļūst par 6 kilovatiem stundā, un enerģijas taupīšanas līmenis sasniedz 87%.
2.2 Jaudas koeficienta kompensācijas ieviešana enerģijas taupīšanai
Reaktīvā jauda ne tikai izraisa iekārtu uzkaršanu un palielina vadu nodilumu, bet, pats galvenais, jaudas koeficienta samazināšanās noved pie elektrotīkla aktīvās jaudas samazināšanās. Tā rezultātā elektrolīnijās tiek patērēts liels reaktīvās enerģijas daudzums, kas noved pie iekārtu efektivitātes samazināšanās un nopietniem zudumiem. Pēc mainīgas frekvences ātruma regulēšanas ierīces izmantošanas reaktīvās jaudas zudumi tiek vēl vairāk samazināti, pateicoties frekvences pārveidotāja iekšpusē esošajam filtrācijas kondensatoram, kas palielina elektrotīkla aktīvo jaudu.
2.3 Maigas palaišanas metodes izmantošana enerģijas taupīšanai
Tā kā motors tiek iedarbināts, izmantojot Y/D jeb tiešo iedarbināšanu, iedarbināšanas strāva ir četras līdz septiņas reizes lielāka par nominālo strāvu, kas var nopietni ietekmēt elektrotīklu un elektromehāniskās iekārtas. Turklāt tas prasa ļoti lielu elektrotīkla jaudu, radot relatīvi lielu strāvu iedarbināšanas laikā un radot ievērojamus vārstu un deflektoru bojājumus vibrācijas laikā, kas arī ļoti negatīvi ietekmē cauruļvadu un iekārtu kalpošanas laiku. Frekvences pārveidotāju izmantošana izmanto frekvences pārveidotāja mīkstās palaišanas funkciju, lai iedarbinātu strāvu no nulles, un maksimālā vērtība nepārsniegs nominālo strāvu. Tādēļ ietekme uz elektrotīklu un barošanas jaudas prasības ievērojami samazinās, un vārstu un iekārtu kalpošanas laiks ievērojami pagarinās.
3. Mainīgas frekvences enerģijas taupīšanas tehnoloģijas pielietojuma piemēri
Kā piemēru mainīgas frekvences enerģijas taupīšanas iekārtu modernizēšanai mēs izmantojām mainīgas frekvences ātruma regulatora uzstādīšanu uz 160 kW cirkulācijas ūdens sūkņa. Mēs pārbaudījām elektroenerģijas patēriņu pirms un pēc modernizācijas un sasniedzām ļoti apmierinošus rezultātus.
3.1 Vadības režīms pirms frekvences pārveidošanas
Cirkulācijas ūdens sūkņa darbības laikā, mainoties plūsmas ātrumam procesa prasību dēļ, ir jāpielāgo sūkņa izejas un ieplūdes atveres atvērums, lai mainītu sūkņa faktisko plūsmas ātrumu. Šo regulēšanas metodi sauc par droseļvārsta regulēšanu. Šajā piemērā izejas un ieplūdes vārstu atvērums ir aptuveni 60%. No enerģijas izmantošanas viedokļa šī ir ļoti neekonomiska regulēšanas metode.
3.2 Vadības režīms pēc frekvences pārveidošanas
Cirkulācijas ūdens sūkņa darbības laikā, mainoties plūsmas ātrumam procesa prasību dēļ, gan ieplūdes, gan izplūdes vārsti tiek pilnībā atvērti. Pielāgojot motora ātrumu, var atrast piemērotu un jaunu darbības punktu, lai iegūtu atbilstošu plūsmas ātrumu. Atkarībā no faktiskās situācijas un vajadzībām uz vietas var ieviest manuālu vai automātisku vadību. Šajā piemērā, tā kā nav nepieciešams bieži regulēt plūsmas ātrumu, motora faktiskā darba frekvence tiek noteikta kā 40 Hz, pamatojoties uz faktisko situāciju un vajadzībām uz vietas, un manuālā vadība tiek izmantota galvenokārt enerģijas taupīšanas nolūkos.
4. Darbības izmaiņas pēc mainīgas frekvences ātruma regulēšanas sistēmas izmantošanas
Ir panākta pilnīga mīkstā palaišana. Kad motors iedarbojas, rotora ātrums pakāpeniski palielinās līdz ar ieejas barošanas avota frekvenci, kā rezultātā ātrums palielinās vienmērīgi. Visas sistēmas palaišanas laiks ir iestatīts uz aptuveni 20 sekundēm, kas neradīs nekādu ietekmi uz sistēmu un ir vienmērīgāks nekā sākotnējā palaišanas metode.
Arī elektrotīklā izmantotā strāva ir ievērojami samazināta, padarot elektroiekārtu lietošanu drošāku. Vienlaikus, samazinoties frekvencei, samazinās arī motora ātrums, samazinot mehānisko nodilumu un ievērojami samazinot atteices iespējamību un apkopes izmaksas. Transformators, kas nodrošina ūdens sūkni ar elektroenerģiju, ir ietaupījis lielāko daļu barošanas avota jaudas. Vienkārši samazinot aktīvo slodzi, ietaupītā jauda ir aptuveni 50 kilovati, uzlabojot iekārtas izmantošanas efektivitāti. Attiecīgi ir uzlabots arī motora jaudas koeficients, padarot motora darbību ekonomiskāku.
Frekvences pārveidošanas tehnoloģijas izmantošana ir uzlabojusi produktu kvalitāti, samazinājusi enerģijas patēriņu, ietaupījusi enerģiju un vēl vairāk palielinājusi uzņēmumu ekonomiskos ieguvumus. Frekvences pārveidošanas ātruma regulēšanas tehnoloģijas pielietošana prasa šo iekārtu pārveidošanu, lai panāktu enerģijas taupīšanu.