Napędy bezstopniowe poprawiają wydajność maszyn w zastosowaniach przemysłowych

Technologia wymaga obecnie stosowania różnych prędkości, w których wykorzystywane są silniki elektryczne. Napędy o zmiennej prędkości (VSD) odgrywają ważną rolę w wydajności napędu w zastosowaniach przemysłowych silników na etapie projektowania i na hali produkcyjnej. W sekcji 2 dokumentacji „Inteligentne rozwiązania na potrzeby efektywności energetycznej” omówiono powody, dla których osiągnięcie poziomu „zerowej emisji netto” jest tak ważne (kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji szczegółowych). W tym artykule kompleksowo omówiono przegląd zastosowań napędów VSD w odniesieniu do poprawy wydajności maszyn i oszczędzania energii z silników elektrycznych w zastosowaniach przemysłowych.

Jak pokazano na Rysunku 1 poniżej, prostownik, obwód pośredni, falownik i jednostka sterująca to kluczowe elementy napędu VSD. Prostownik zmienia prąd zmienny (AC) na prąd stały (DC). W obwodzie pośrednim, wyprostowane zasilanie prądem stałym jest zwykle kondycjonowane przez kombinację cewek i kondensatorów. Falownik przekształca wyprostowany i kondycjonowany prąd stały z powrotem w zasilanie prądem zmiennym o zmiennej częstotliwości i napięciu. Zazwyczaj odbywa się to poprzez generowanie sygnału modulowanego szerokością impulsu o wysokiej częstotliwości ze zmienną częstotliwością i napięciem skutecznym. Jednostka sterująca nadzoruje całą pracę napędu VSD; monitoruje i kontroluje prostownik, obwód pośredni i falownik, aby zapewnić dostarczenie właściwej mocy w odpowiedzi na zewnętrzny sygnał sterujący.

Rysunek 1: Schemat napędu bezstopniowego (VSD)

Zastosowanie napędu VSD przy różnych obciążeniach:

Napęd VSD będzie sprzężony z przetwornikiem, takim jak czujnik ciśnienia lub przepływu, i zaprogramowany do utrzymania określonej wartości (punktu nastawy). Mogą one współpracować z kilkoma przetwornikami, realizować blokady i inne funkcje sterowania oraz łączyć się z obecnymi sieciami komputerowymi, które dostarczają danych operacyjnych w czasie rzeczywistym.

Potencjał napędów VSD w zakresie oszczędzania energii jest oparty na charakterystyce napędzanego obciążenia. Obciążenia dzieli się na trzy typy: o zmiennym momencie obrotowym, o stałym momencie obrotowym i o stałej mocy. Obciążenia o zmiennym momencie obrotowym dominują w wentylatorach odśrodkowych oraz pompach i zapewniają największy potencjał oszczędności energii. Dzieje się tak, ponieważ moment obrotowy zmienia się z prędkością podniesioną do kwadratu (H1/H2 = (N1/N2)2), a moc zmienia się z prędkością podniesioną do sześcianu (P1/P2 = (N1/N2)3). Natomiast przepływ zmienia się w zależności od zmiany prędkości (Q1/Q2 = (N1/N2)).

Jak pokazano na poniższym schemacie, obciążenia o stałym momencie obrotowym to takie, w których moment obrotowy nie zmienia się w zależności od prędkości, a moc pobierana jest wprost proporcjonalna do prędkości, co oznacza, że moc pobierana jest proporcjonalna do wykonanej pracy użytecznej.

Rysunek 2: (a) Profil obciążenia o stałym momencie obrotowym (b) Oszczędność energii przy różnych obciążeniach

Przenośniki, mieszadła, kruszarki, nawijarki powierzchniowe, pompy wyporowe i sprężarki powietrza to typowe zastosowania o stałym momencie obrotowym. W przypadku obciążeń o stałej mocy, moc pochłaniana ma stałą wartość, podczas gdy moment obrotowy jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości.

Sterowanie wentylatorami bezstopniowymi może być wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w większości rodzajów systemów wentylacyjnych, systemach wywiewu powietrza, chłodzeniu przemysłowym i systemach kontroli powietrza w kotłach.

Krzywa na Rysunku 3 poniżej wskazuje, że zastosowanie napędu VSD do regulacji przepływu z pompy zamiast konwencjonalnej regulacji przepustnicowej może przynieść znaczące oszczędności w zakresie mocy i kosztów. Linia przerywana reprezentuje moc pobieraną przez silnik o stałej prędkości, a linia ciągła — moc pobieraną przez napęd bezstopniowy (VSD). Obszar zacieniony odzwierciedla ilość energii zaoszczędzonej dzięki zastosowaniu napędu VSD dla danego przepływu.

Rysunek 3: Oszczędność mocy pompy — przepustnica a redukcja prędkości

Przetwornice VSD są dostarczane w szerokiej gamie rozmiarów od 0,18 kW do kilku MW i mogą być zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań. Napędy VSD odznaczają się zazwyczaj sprawnością na poziomie 92–95%, przy czym 5–8% strat wynika z dodatkowego rozpraszania ciepła spowodowanego przełączaniem elektrycznym o wysokiej częstotliwości i dodatkową mocą wymaganą przez komponenty elektroniczne. Straty te są zwykle kompensowane z naddatkiem przez oszczędności w silniku.

Farnell współpracuje z wieloma różnymi dostawcami obsługującymi szeroką gamę napędów bezstopniowych oraz portfolio rozwiązań, na przykład: sterowanie silnikiem, rozruszniki silnikowe, silniki elektryczne, akcesoria do ochrony silnika, napędy silnikowe.