Dodávatelia zariadení na spätnú väzbu energie s frekvenčnými meničmi pripomínajú, že v modernej priemyselnej automatizovanej výrobe sa rozsah použitia čerpadiel, ventilátorov a iných zariadení čoraz viac rozširuje. Ich spotreba elektrickej energie, straty škrtenia prepážok, ventilov a iných zariadení, ako aj denné náklady na údržbu a opravy predstavujú takmer 20 % nákladov. Ide o značný výrobný náklad. S rozvojom ekonomiky, prehlbovaním reforiem a zintenzívnením trhovej konkurencie sa úspora energie a znižovanie spotreby postupne stali dôležitým prostriedkom na zlepšenie kvality výrobkov a zníženie výrobných nákladov.
1. Základná teória technológie úspory energie s premenlivou frekvenciou
Základným princípom technológie frekvenčnej konverzie je, že frekvencia striedavého prúdu používaného elektrickými zariadeniami sa dlhodobo udržiava v pevnom stave. Použitie technológie frekvenčnej konverzie spočíva v tom, že frekvencia sa stáva zdrojom, ktorý je možné voľne upravovať a využívať. V súčasnosti je najaktívnejšou a najrýchlejšie sa rozvíjajúcou technológiou s premenlivou frekvenciou technológia regulácie rýchlosti s premenlivou frekvenciou.
Technológia frekvenčnej konverzie zahŕňa počítačovú technológiu, technológiu výkonovej elektroniky a technológiu prenosu signálu. Ide o komplexnú technológiu, ktorá kombinuje mechanické zariadenia a silný a slabý elektrický prúd. Ide o konverziu signálu sieťového prúdu na iné frekvencie, čo sa dosahuje najmä pomocou polovodičových súčiastok. Striedavý prúd sa potom premieňa na jednosmerný prúd a menič reguluje prúd a napätie, pričom dosahuje plynulú reguláciu rýchlosti elektromechanického zariadenia. Stručne povedané, technológia frekvenčnej konverzie slúži na riadenie rýchlosti motora zmenou frekvencie prúdu, čím sa efektívne riadi motorové zariadenie. To všetko sa dosahuje na základe medziročného nárastu frekvencie prúdu a rýchlosti motora. Charakteristickým znakom technológie frekvenčnej konverzie je, že dokáže zabezpečiť plynulý chod motora, automaticky riadiť zrýchlenie a spomalenie a znížiť spotrebu energie a zároveň zlepšiť efektivitu práce.
V každodennom používaní frekvenčných meničov sa používa najmä priame riadenie krútiaceho momentu a vektorové riadenie. V budúcom vývoji frekvenčných meničov sa budú používať umelé neurónové siete a metódy fuzzy autooptimalizácie riadenia. Okrem toho, s ďalším vývojom frekvenčných meničov sa ich komplexnosť bude zvyšovať. Okrem základných funkcií regulácie rýchlosti majú interne nastavené aj komunikačné, programovateľné a parametrizačné funkcie.
2. Princíp úspory energie frekvenčného meniča
2.1 Metódy úspory energie s premenlivou frekvenciou
Podľa mechaniky tekutín je výkon = tlak * prietok. Prietok a rýchlosť umocnená na jednu sú úmerné, tlak je úmerný druhej mocnine rýchlosti a výkon je úmerný tretej mocnine rýchlosti. Ak je účinnosť vodného čerpadla fixná, pri znížení prietoku sa rýchlosť úmerne zníži a výstupný výkon sa tiež zníži v kubickom pomere. Preto je rýchlosť vodného čerpadla približne úmerná spotrebe energie motora. Napríklad, keď sa motor vodného čerpadla s výkonom 55 kW zapne na 80 % pôvodnej rýchlosti, jeho spotreba energie je 28 kW/h, s úsporou energie 48 %. Ak sa však rýchlosť upraví na 50 % pôvodnej rýchlosti, spotreba energie sa zvýši na 6 kilowattov za hodinu a úspora energie dosiahne 87 %.
2.2 Použitie kompenzácie účinníka na úsporu energie
Relatový výkon nielenže spôsobuje zahrievanie zariadení a zvyšuje opotrebovanie vodičov, ale čo je najdôležitejšie, zníženie účinníka vedie k zníženiu činného výkonu elektrickej siete. V dôsledku toho sa v elektrických vedeniach spotrebuje veľké množstvo reaktívnej energie, čo vedie k zníženiu účinnosti zariadení a vážnemu plytvaniu. Po použití zariadenia na reguláciu otáčok s premenlivou frekvenciou sa strata jalového výkonu ďalej znižuje vďaka filtračnému kondenzátoru vo vnútri frekvenčného meniča, čo zvyšuje činný výkon elektrickej siete.
2.3 Použitie metódy mäkkého štartu na úsporu energie
Vzhľadom na to, že motor sa štartuje pomocou Y/D alebo priameho štartu, štartovací prúd je štvor- až sedemnásobok menovitého prúdu, čo môže mať vážny vplyv na elektrickú sieť a elektromechanické zariadenia. Okrem toho si to vyžaduje veľmi vysokú kapacitu elektrickej siete, čo pri štartovaní generuje relatívne veľký prúd a spôsobuje značné poškodenie ventilov a prepážok počas vibrácií, čo je tiež veľmi škodlivé pre životnosť potrubí a zariadení. Použitie frekvenčných meničov využíva funkciu mäkkého štartu frekvenčného meniča na štartovanie prúdu od nuly a maximálna hodnota neprekročí menovitý prúd. Preto sa výrazne znižuje vplyv na elektrickú sieť a požiadavky na kapacitu napájania a výrazne sa predlžuje životnosť ventilov a zariadení.
3. Príklady použitia technológie úspory energie s premenlivou frekvenciou
Ako príklad pre modernizáciu energeticky úsporného zariadenia s premenlivou frekvenciou sme použili inštaláciu regulátora otáčok s premenlivou frekvenciou na obehovom čerpadle s výkonom 160 kW. Testovali sme spotrebu elektriny pred a po modernizácii a dosiahli sme veľmi uspokojivé výsledky.
3.1 Režim riadenia pred transformáciou frekvenčnej konverzie
Pri prevádzke obehového vodného čerpadla, keď sa prietok mení v dôsledku procesných požiadaviek, je potrebné upraviť otvorenie výstupu a vstupu čerpadla, aby sa zmenil skutočný prietok čerpadla. Táto metóda nastavenia sa nazýva škrtenie. V tomto príklade je otvorenie ventilu na výstupe a vstupe okolo 60 %. Z hľadiska využitia energie je to veľmi neekonomická metóda nastavenia.
3.2 Režim riadenia po transformácii frekvenčnej konverzie
Pri prevádzke obehového vodného čerpadla, keď sa prietok zmení v dôsledku procesných požiadaviek, sa vstupný aj výstupný ventil úplne otvoria. Nastavením otáčok motora je možné nájsť vhodný nový prevádzkový bod na dosiahnutie vhodného prietoku. Podľa skutočnej situácie a potrieb na mieste je možné implementovať manuálne alebo automatické ovládanie. V tomto príklade, pretože nie je potrebné často upravovať prietok, je skutočná prevádzková frekvencia motora stanovená na 40 Hz na základe skutočnej situácie a potrieb na mieste a manuálne ovládanie sa používa hlavne na úsporu energie.
4. Zmeny v prevádzke po použití systému regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou
Dosiahol sa úplne mäkký štart. Pri štarte motora sa otáčky rotora postupne zvyšujú s frekvenciou vstupného napájania, čo vedie k plynulému zvyšovaniu otáčok. Čas štartu celého systému je nastavený na približne 20 sekúnd, čo nemá žiadny vplyv na systém a je plynulejšie ako pôvodná metóda štartovania.
Prúd používaný v elektrickej sieti sa tiež výrazne znížil, čím sa používanie elektrických zariadení stalo bezpečnejším. Zároveň sa so znižujúcou sa frekvenciou znižuje aj rýchlosť motora, čo znižuje mechanické opotrebenie a výrazne znižuje pravdepodobnosť poruchy a náklady na údržbu. Transformátor, ktorý dodáva elektrickú energiu vodnému čerpadlu, ušetril väčšinu kapacity zdroja energie. Jednoduchým znížením aktívneho zaťaženia je ušetrená kapacita približne 50 kilowattov, čím sa zlepšuje účinnosť využitia zariadenia. Účinník motora sa tiež zodpovedajúcim spôsobom zlepšuje, čím sa prevádzka motora stáva ekonomickejšou.
Použitie technológie frekvenčnej konverzie zlepšilo kvalitu výrobkov, znížilo spotrebu energie, ušetrilo energiu a ďalej zvýšilo ekonomické výhody podnikov. Aplikácia technológie regulácie rýchlosti frekvenčnej konverzie si vyžaduje transformáciu týchto zariadení na dosiahnutie úspory energie.