Dobavitelji naprav za povratno zanko o energiji s frekvenčnimi pretvorniki vas opominjajo, da je v sodobni industrijski avtomatizirani proizvodnji področje uporabe črpalk, ventilatorjev in druge opreme vse obsežnejše. Njihova poraba električne energije, izgube zaradi dušenja pregrad, ventilov in druge opreme ter dnevni stroški vzdrževanja in popravil predstavljajo skoraj 20 % stroškov. To je precejšen proizvodni strošek. Z razvojem gospodarstva, poglabljanjem reform in zaostrovanjem tržne konkurence sta varčevanje z energijo in zmanjševanje porabe postopoma postala pomembno sredstvo za izboljšanje kakovosti izdelkov in zmanjšanje proizvodnih stroškov.
1. Osnovna teorija tehnologije varčevanja z energijo s spremenljivo frekvenco
Osnovno načelo tehnologije pretvorbe frekvence je, da se frekvenca izmeničnega toka, ki ga uporablja električna oprema, dlje časa ohranja v fiksnem stanju. Uporaba tehnologije pretvorbe frekvence je namenjena temu, da frekvenco spremenimo v vir, ki ga je mogoče prosto prilagajati in uporabljati. Dandanes je najbolj aktivna in hitro razvijajoča se tehnologija spremenljive frekvence tehnologija regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco.
Tehnologija pretvorbe frekvence vključuje računalniško tehnologijo, tehnologijo močnostne elektronike in tehnologijo prenosa klikov. Gre za celovito tehnologijo, ki združuje mehansko opremo ter močno in šibko elektriko. Nanaša se na pretvorbo signala omrežne frekvence toka v druge frekvence, kar se doseže predvsem s polprevodniškimi komponentami. Nato se izmenični tok pretvori v enosmerni tok, pretvornik pa regulira tok in napetost, hkrati pa doseže brezstopenjsko regulacijo hitrosti elektromehanske opreme. Skratka, tehnologija pretvorbe frekvence je nadzor hitrosti motorja s spreminjanjem frekvence toka, s čimer se učinkovito nadzoruje motorna oprema. Vse to se doseže na podlagi medletnega povečanja frekvence toka in hitrosti motorja. Značilnost tehnologije pretvorbe frekvence je, da lahko zagotovi nemoteno delovanje motorja, samodejno nadzoruje pospeševanje in zaviranje ter zmanjša porabo energije, hkrati pa izboljša delovno učinkovitost.
Pri vsakodnevni uporabi frekvenčnih pretvornikov se v glavnem uporabljata neposredno krmiljenje navora in vektorsko krmiljenje. V prihodnjem razvoju frekvenčnih pretvornikov se bodo uporabljale umetne nevronske mreže in metode mehke samooptimizacije krmiljenja. Poleg tega bo z nadaljnjim razvojem frekvenčnih pretvornikov njihova celovitost vse večja. Poleg opravljanja osnovnih funkcij regulacije hitrosti imajo notranje nastavljene tudi komunikacijske, programabilne in funkcije za identifikacijo parametrov.
2. Načelo varčevanja z energijo frekvenčnega pretvornika
2.1 Metode varčevanja z energijo s spremenljivo frekvenco
Po mehaniki tekočin je moč = tlak * pretok. Pretok in hitrost na potenco ena sta sorazmerna, tlak je sorazmeren s kvadratom hitrosti, moč pa je sorazmerna s kocko hitrosti. Če je učinkovitost vodne črpalke fiksna, se bo ob zmanjšanju pretoka hitrost sorazmerno zmanjšala, izhodna moč pa se bo prav tako zmanjšala v kubičnem razmerju. Zato je hitrost vodne črpalke približno sorazmerna s porabo energije motorja. Na primer, ko se motor vodne črpalke z močjo 55 kW vrti na 80 % prvotne hitrosti, je poraba energije 28 kW/h, stopnja prihranka energije pa 48 %. Če pa se hitrost prilagodi na 50 % prvotne hitrosti, poraba energije doseže 6 kilovatov na uro, stopnja prihranka energije pa doseže 87 %.
2.2 Uporaba kompenzacije faktorja moči za varčevanje z energijo
Jalova moč ne povzroča le segrevanja opreme in povečane obrabe žic, ampak predvsem zmanjšanje faktorja moči vodi do zmanjšanja aktivne moči električnega omrežja. Posledično se v daljnovodih porabi velika količina jalove energije, kar vodi do zmanjšanja učinkovitosti opreme in resnih potratov. Po uporabi naprave za regulacijo hitrosti s spremenljivo frekvenco se izguba jalove moči dodatno zmanjša zaradi filtrirnega kondenzatorja v frekvenčnem pretvorniku, kar poveča aktivno moč električnega omrežja.
2.3 Uporaba metode mehkega zagona za varčevanje z energijo
Ker se motor zažene prek Y/D ali direktnega zagona, je zagonski tok štiri- do sedemkrat večji od nazivnega toka, kar lahko povzroči resen vpliv na električno omrežje in elektromehansko opremo. Poleg tega to zahteva zelo veliko zmogljivost električnega omrežja, kar med zagonom ustvari relativno velik tok in povzroči znatno škodo na ventilih in pregradah med vibracijami, kar je prav tako zelo škodljivo za življenjsko dobo cevovodov in opreme. Uporaba frekvenčnih pretvornikov izkorišča funkcijo mehkega zagona frekvenčnega pretvornika za zagon toka od nič, pri čemer največja vrednost ne bo presegla nazivnega toka. Zato se vpliv na električno omrežje in zahteve glede zmogljivosti napajanja močno zmanjšajo, življenjska doba ventilov in opreme pa se močno podaljša.
3. Primeri uporabe tehnologije varčevanja z energijo s spremenljivo frekvenco
Kot primer za naknadno vgradnjo energetsko varčne opreme s spremenljivo frekvenco smo uporabili namestitev regulatorja hitrosti s spremenljivo frekvenco na 160 kW obtočno črpalko. Preizkusili smo porabo električne energije pred in po naknadni vgradnji ter dosegli zelo zadovoljive rezultate.
3.1 Način krmiljenja pred pretvorbo frekvence
Pri delovanju obtočne vodne črpalke je treba, ko se pretok zaradi procesnih zahtev spremeni, prilagoditi odprtino izhoda in vhoda črpalke, da se spremeni dejanski pretok črpalke. Ta metoda prilagajanja se imenuje dušenje. V tem primeru je odprtina ventila na izhodu in vhodu približno 60 %. Z vidika porabe energije je to zelo neekonomična metoda prilagajanja.
3.2 Način krmiljenja po pretvorbi frekvence
Pri delovanju obtočne vodne črpalke se ob spremembi pretoka zaradi procesnih zahtev popolnoma odpreta tako dovodni kot izhodni ventil. Z nastavitvijo hitrosti motorja je mogoče najti ustrezno novo delovno točko za doseganje ustreznega pretoka. Glede na dejansko stanje in potrebe na lokaciji je mogoče izvesti ročno ali samodejno krmiljenje. V tem primeru je dejanska delovna frekvenca motorja določena na 40 Hz glede na dejansko stanje in potrebe na lokaciji, ročno krmiljenje pa se uporablja predvsem za varčevanje z energijo.
4. Spremembe delovanja po uporabi sistema za regulacijo hitrosti s spremenljivo frekvenco
Dosežen je bil popolnoma mehak zagon. Ko se motor zažene, se hitrost rotorja postopoma povečuje s frekvenco vhodnega napajanja, kar ima za posledico gladko povečanje hitrosti. Čas zagona celotnega sistema je nastavljen na približno 20 sekund, kar ne bo vplivalo na sistem in je bolj gladko kot pri originalni metodi zagona.
Tudi tok, porabljen v električnem omrežju, se je znatno zmanjšal, zaradi česar je uporaba električne opreme varnejša. Hkrati se z zmanjševanjem frekvence zmanjšuje tudi hitrost motorja, kar zmanjšuje mehansko obrabo in močno zmanjšuje verjetnost okvare ter stroške vzdrževanja. Transformator, ki zagotavlja električno energijo vodni črpalki, je prihranil večino napajalne zmogljivosti. Z zmanjšanjem aktivne obremenitve je prihranjena zmogljivost približno 50 kilovatov, kar izboljša učinkovitost izrabe opreme. Faktor moči motorja se prav tako ustrezno izboljša, zaradi česar je delovanje motorja bolj ekonomično.
Uporaba tehnologije frekvenčne pretvorbe je izboljšala kakovost izdelkov, zmanjšala porabo energije, prihranila energijo in dodatno povečala gospodarske koristi podjetij. Uporaba tehnologije za regulacijo hitrosti frekvenčne pretvorbe zahteva preoblikovanje te opreme za doseganje varčevanja z energijo.