Frekvenční měnič: úspora energie u ventilátorů a čerpadel
Někdo ve vašem závodě navrhuje frekvenční měnič (VFD) na ventilátor nebo čerpadlo a návrh slibuje poloviční spotřebu. Japonský dokument stejné zařízení nazývá „inverter“ a úsporu opírá o cenu v jenech a o napájení 50 nebo 60 Hz. Než takové číslo uvedete v žádosti o schválení investice, musíte vědět, kdy platí.
Stručná odpověď: teoreticky se při 80 % otáček ventilátoru sníží výkon na hřídeli na 51,2 % jmenovité hodnoty, protože výkon roste s třetí mocninou otáček. Toto číslo předpokládá, že celý odpor soustavy tvoří tření. Statická výška a zátěže s konstantním momentem úsporu zmenšují a stroj, který stále běží na jmenovité otáčky, může po doplnění měniče spotřebovat víc.
Článek vysvětluje oba názvy zařízení, zákony podobnosti, srovnání měniče s klapkou nebo škrticí armaturou a místo, kde statická výška kubický zákon narušuje. Pak uvádí tři způsoby výpočtu úspory, kontrolní seznam a otázky pro japonskou stranu.
Obsah
- Inverter a frekvenční měnič: jedno zařízení, dva názvy
- Zákony podobnosti: proč výkon klesá s třetí mocninou otáček
- Frekvenční měnič, nebo klapka či škrticí armatura
- Statická výška: kde kubický zákon přestává platit
- Kde se měnič vyplatí a kde ne
- Výpočet úspory frekvenčním měničem: tři metody
- Jak číst japonská čísla a specifikace
- Co ověřit před instalací
- Kontrolní seznam: než odešlete číslo
- Otázky pro japonského dodavatele
- Meze tohoto článku
- Časté dotazy
- Zdroje
Inverter a frekvenční měnič: jedno zařízení, dva názvy
Japonské výkresy, katalogy i veřejné příručky o úsporách energie toto zařízení obvykle nazývají inverter (japonsky inbata). V češtině se používá frekvenční měnič nebo měnič kmitočtu, v anglické dokumentaci VFD, VSD (variable speed drive) nebo AC drive. Přesněji je VFD nejběžnější druh pohonu s proměnnými otáčkami.
V tomto článku píšeme „měnič“ a „VFD“. Slovo „invertor“ nebo „střídač“ se v češtině často používá pro obvod, který mění stejnosměrné napětí na střídavé, třeba u fotovoltaiky. Když japonský dokument píše „inverter“ v souvislosti s motorem, myslí tím celý frekvenční měnič.
Proč je měnič potřeba, vysvětluje jediný vzorec. Synchronní otáčky v ot/min jsou 120 × frekvence ÷ počet pólů, takže 4pólový motor se točí zhruba 1 500 ot/min při 50 Hz a 1 800 ot/min při 60 Hz. Při pevné frekvenci sítě běží asynchronní motor v podstatě na jedny otáčky.
Měnič toto omezení odstraní tím, že znovu vytvoří napětí, které posílá do motoru, jak ukazuje obrázek 1.
Měnič převede napětí sítě na stejnosměrné, vytvoří z něj střídavé napětí o požadované frekvenci a pošle je do motoru.
Uvnitř měniče se střídavé napětí usměrní na stejnosměrné a vyhladí kondenzátorem. Polovodičové spínače pak vytvoří střídavé napětí s novou frekvencí a velikostí. Podle dokumentu japonského svazu elektrotechnických výrobců (JEMA).
S klesající frekvencí měnič úměrně snižuje i napětí. Toto řízení V/f udržuje magnetický tok v motoru stálý, zatímco se mění otáčky. Článek se věnuje nejběžnější dvojici v továrnách: třífázovému asynchronnímu motoru a frekvenčnímu měniči.
Zákony podobnosti: proč výkon klesá s třetí mocninou otáček
Zákony podobnosti (afinitní zákony, v japonských dokumentech sojisoku) popisují, jak reaguje ventilátor nebo odstředivé čerpadlo na změnu otáček. Průtok se mění přímo úměrně s otáčkami, tlak s jejich druhou mocninou a výkon na hřídeli s třetí mocninou. Výkon je úměrný součinu průtoku a tlaku, takže se první a druhá mocnina vynásobí na třetí.
Při změně otáček z N1 na N2 platí tyto vztahy:
- Průtok: Q2 = Q1 × (N2/N1)
- Tlak: P2 = P1 × (N2/N1)²
- Výkon na hřídeli: L2 = L1 × (N2/N1)³
Obrázek 2 zobrazuje všechny tři křivky. Japonské ministerstvo životního prostředí (MOE) ve svém podkladu používá stejný příklad s 80 % otáček. Americké ministerstvo energetiky (DOE) totéž říká tak, že snížení otáček o 20 % sníží příkon asi o 50 %.
Při 80 % otáček je průtok 80 %, tlak 64 % a výkon na hřídeli 51,2 % jmenovité hodnoty.
Zákony podobnosti předpokládají stejné oběžné kolo, stálou hustotu média, přibližně stejnou účinnost v každém pracovním bodě a odpor tvořený jen třením v potrubí nebo vzduchovodu (při nulovém průtoku nulový odpor). Při pevné dopravní výšce nebo protitlaku tlak neklesne tak hluboko a výkon klesá pomaleji než s třetí mocninou.
Obrázek 2 ukazuje ideální křivky. Skutečný wattmetr měří i ztráty motoru a měniče a při nízkých otáčkách účinnost klesá, takže naměřený příkon bývá o něco vyšší než výpočet. DOE upozorňuje, že účinnost měniče klesá s klesajícím zatížením, hlavně u malých měničů.
Tyto ztráty mají menší váhu, než by se zdálo. V příkladu DOE odsávací ventilátor 20 hp (asi 15 kW) při poloviční rychlosti, s účinností motoru 77,8 % a měniče 86 %, odebírá stále jen 2,8 kW místo 16,4 kW.
Zátěže s proměnným a s konstantním momentem
Ventilátory, čerpadla a dmychadla jsou zátěže s kvadratickým průběhem momentu: moment klesá s druhou mocninou otáček, a výkon proto s třetí. Japonské dokumenty to označují jako nijo teigen toruku (zátěž s kvadraticky klesajícím momentem).
Zátěže s konstantním momentem se chovají jinak. Moment zůstává při všech otáčkách přibližně stejný, takže výkon klesá jen úměrně otáčkám. Patří sem dopravníky, vytlačovací stroje, míchadla, objemová čerpadla a šroubové kompresory a kubický zákon se na ně nevztahuje.
Frekvenční měnič, nebo klapka či škrticí armatura
Bez měniče se průtok obvykle snižuje přivíráním klapky na výtlaku ventilátoru nebo armatury na výtlaku čerpadla. Motor běží dál téměř na plné otáčky a průtok snižuje přidaný odpor. Energie ztracená na armatuře je pořád součástí příkonu, který platíte.
Měnič posune dolů samotnou charakteristiku čerpadla nebo ventilátoru, takže není třeba přidávat žádný odpor. Příručka DOE uvádí, že regulace otáček je vždy účinnější než regulace škrticí armaturou. Obrázek 3 ukazuje, jak velký rozdíl může u jednoho odstředivého ventilátoru být.
Při stejném průtoku vzduchu 80 % je výkon na hřídeli s klapkou 95 % a se sníženými otáčkami 51 %.
Hodnoty platí pro odstředivý ventilátor, jak je uvádí podklad MOE podle grafu z datového listu japonského Energy Conservation Center (ECCJ).
Klapka trochu ušetří, protože výkon odstředivého ventilátoru s průtokem mírně klesá. Stejný datový list obsahuje i křivky pro vstupní klapky, natáčecí vstupní lopatky a hydrodynamické spojky. Úspora závisí na stávajícím způsobu regulace, proto ho zjistěte jako první.
Rozdíly shrnuje tabulka.
| Hledisko | Regulace klapkou nebo ventilem | Regulace měničem |
|---|---|---|
| Jak se snižuje průtok | Přidaným odporem | Nižšími otáčkami |
| Otáčky motoru | Téměř plné | Klesají podle požadovaného průtoku |
| Tlak | Se škrcením roste | Klesá s druhou mocninou otáček |
| Výkon na hřídeli při 80 % průtoku vzduchu (příklad odstředivého ventilátoru) | Asi 95 % | Asi 51 % |
| Investiční náklady | Nízké: jen klapka nebo ventil | Měnič a instalační práce |
Totéž na charakteristice čerpadla
Čerpadlo pracuje v bodě, kde se protíná jeho charakteristika s charakteristikou potrubí (pracovní bod). Přivření armatury zvedne charakteristiku potrubí, takže se pracovní bod posune doleva nahoru: průtok klesne, ale dopravní výška stoupne. Snížení otáček naopak posune dolů charakteristiku čerpadla, takže stejný průtok se dodává při mnohem nižší dopravní výšce.
Obrázek 4 vychází z příkladu J-Net21, japonského webu podporovaného státem pro malé a střední podniky. Čerpadlo v něm má dopravní výšku při nulovém průtoku 1,4násobek jmenovité výšky, statickou výšku 0,3násobek jmenovité výšky a průtok se snižuje na polovinu jmenovitého.
Při polovičním průtoku pracuje regulace ventilem s dopravní výškou 1,3 a regulace měničem s výškou 0,475 (jmenovitá výška = 1,0).
Schéma nakreslené za stejných podmínek jako příklad J-Net21: dopravní výška při nulovém průtoku 1,4násobek jmenovité, statická výška 0,3násobek jmenovité, průtok snížen na polovinu jmenovitého.
V tomto příkladu potřebuje regulace ventilem 65 % jmenovitého výkonu a regulace otáček 24 %, což J-Net21 uvádí jako úsporu 63 %. Těch 63 % se vztahuje k přiškrcenému stavu, ne ke jmenovitému výkonu. U každého japonského procenta úspory proto ověřte, k jaké základně se vztahuje.
Statická výška: kde kubický zákon přestává platit
Celková dopravní výška má dvě části. Statická dopravní výška (japonsky jitsu-yotei) je výška, do které se kapalina zvedá, nebo pevný protitlak v cíli, a třecí výška se mění s druhou mocninou průtoku. Uzavřený oběhový okruh má jen třecí výšku a odpor tvořený jen třením je přesně podmínka, kterou kubický zákon předpokládá.
Statická výška zůstává stejná, ať průtok snížíte jakkoli, takže tuto část výšky snížit nelze. Ventilátory narážejí na stejné omezení, když má být na konci vzduchovodu udržován pevný statický tlak.
Příručka DOE označuje použití zákonů podobnosti pro odhad úspor v soustavách se statickou výškou za častou chybu, která může způsobit velké omyly. Obrázek 5 ukazuje velikost rozdílu při polovičním průtoku.
Při 50 % průtoku je požadovaný příkon podle ideálního kubického zákona 12,5 %, při statické výšce 30 % jmenovité výšky asi 24 % a při regulaci ventilem 65 %.
Schéma s podmínkami příkladu J-Net21 (dopravní výška při nulovém průtoku 1,4, statická výška 0,3) a s konstantní účinností čerpadla. Ve skutečnosti účinnost při nízkém průtoku klesá, takže příkon je vyšší, než je zde vidět.
Regulace otáček pořád vychází lépe než ventil, ale křivka je daleko od kubické čáry. J-Net21 uvádí, že regulace otáček funguje nejlépe při malé statické výšce a poměru průtoku zhruba 30 až 80 %. V jeho příkladu je největší úspora poblíž 60 % průtoku.
Minimální otáčky: čerpadlo musí pořád překonat statickou výšku
Dopravní výška při nulovém průtoku klesá s druhou mocninou otáček. Jakmile klesne pod statickou výšku, čerpadlo už nemůže nic dopravovat a bez zpětné klapky může kapalina téct zpět. První odhad této spodní meze je druhá odmocnina ze statické výšky dělené dopravní výškou při nulovém průtoku.
Při výše uvedené hodnotě 1,4 vychází spodní mez asi 46 % otáček pro statickou výšku 0,3 a asi 65 % pro statickou výšku 0,6. Jde o naše výpočty a skutečné minimum leží výš. Dodavatel čerpadla ho má určit z charakteristik při snížených otáčkách a z minimálního trvalého průtoku.
Se statickou výškou také průtok klesá rychleji než otáčky. Ve stejném modelu je k poloviční hodnotě průtoku potřeba asi 64 % otáček při statické výšce 0,3 a asi 76 % při 0,6. V takových soustavách proto nepředpokládejte, že poměr průtoku je roven poměru otáček.
Pro zásobování vodou s velkou celkovou dopravní výškou MOE doporučuje regulovat průtok řízením počtu provozovaných čerpadel (japonsky daisu seigyo) místo otáček, protože při nízkých otáčkách může dopravní výška nestačit. Stojí také za zvážení kombinace: počet čerpadel pro hrubé nastavení a měnič pro jemné dolaďování.
Kde se měnič vyplatí a kde ne
Výsledek z velké části určují tři věci: typ zátěže, kolísání průtoku a z čeho se skládá odpor. Nejlepšími kandidáty jsou stroje s kvadratickým momentem, které dlouho běží přiškrcené proti převážně třecím ztrátám. Obrázek 6 třídí běžná zařízení.
I mezi ventilátory a čerpadly závisí výsledek na způsobu provozu a na tom, z čeho se skládá odpor.
Větší úspora
Menší úspora
Stroje, které běží poblíž jmenovitého průtoku, nemají kam zpomalit a vlastní ztráty měniče se připočtou k účtu. Proto MOE navrhuje u čerpadla pracujícího na jmenovitý průtok přepnout na přímé napájení ze sítě (japonsky shoyo dengen). Toto uspořádání se běžně nazývá obtok měniče (VFD bypass) a má ho navrhnout oprávněný elektrotechnik.
Výpočet úspory frekvenčním měničem: tři metody
Začněte tím, co stroj spotřebovává dnes, ne štítkovým údajem. Motory často běží pod jmenovitým zatížením, a proto použití jmenovitého kW jako skutečné spotřeby úsporu nadhodnocuje. J-Net21 z tohoto důvodu počítá s mírou zatížení (japonsky fukaritsu) 90 % a ještě lepší je údaj z wattmetru.
Obrázek 7 ukazuje celý postup. Správný vzorec pro krok 3 závisí na tom, jak je stroj regulován dnes, a na statické výšce.
Zaznamenané údaje z provozu převeďte na kWh pomocí správného poměru otáček nebo výkonu a účinnosti a pak použijte svou cenu.
Při statické výšce nebo pevném protitlaku je úspora menší, než předpovídá kubický zákon.
Metoda A: armatura plně otevřená, jen tření
Metodu použijte, když je armatura nebo klapka už plně otevřená, statická výška je blízká nule a chcete prostě menší průtok.
Nová spotřeba (kWh) = současná spotřeba × (poměr otáček)³ ÷ účinnost měniče
J-Net21 počítá spirálové čerpadlo chladicí vody 37 kW (asi 50 hp) s účinností 92,5 % (zde chápanou jako účinnost motoru) a mírou zatížení 90 %, v provozu 24 hodin denně po 310 dní v roce. Současná spotřeba je asi 267 800 kWh. Při 85 % otáček a účinnosti měniče 95 % vychází 267 800 × 0,85³ ÷ 0,95, tedy asi 173 100 kWh.
Úspora je asi 94 700 kWh ročně, tedy asi 35 %. Při ceně 22,0 JPY/kWh to J-Net21 vyčísluje asi na 2,08 milionu JPY. Příklad předpokládá statickou výšku 0 m, berte ho proto jako nejlepší možný případ.
Metoda B: dnes regulováno klapkou nebo ventilem
Dnešní údaj už obsahuje ztráty škrcením, takže ho nevynásobíte jen třetí mocninou otáček. Použijte poměr mezi oběma způsoby regulace při stejném průtoku, odečtený z charakteristiky ventilátoru nebo z datového listu.
Nová spotřeba = současná spotřeba × (poměr výkonu na hřídeli při regulaci měničem ÷ poměr při škrcení) ÷ účinnost měniče
MOE počítá odsávací ventilátor 22 kW (asi 30 hp) při 80 % průtoku vzduchu, 6 480 hodin ročně, s účinností motoru 95 % a měniče 90 %. Současnou spotřebu uvádí 142 600 kWh. S poměry výkonu na hřídeli 51 a 95 % vychází 142 600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, tedy asi 85 000 kWh.
Úspora je asi 57 600 kWh ročně, tedy asi 40 %. Hodnoty 95 a 51 % pocházejí z jednoho grafu pro klapku u odstředivého ventilátoru. Jiné způsoby regulace mají vlastní křivky.
Metoda C: soustava se statickou výškou
Při statické výšce odhadujte výkon z průtoku a dopravní výšky, ne z otáček. Označme hs podíl statické výšky na jmenovité výšce a Q poměr průtoku, pak je výška na charakteristice potrubí hs + (1 − hs) × Q².
Poměr příkonu ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), poté vydělte účinností měniče.
Tabulka tento vzorec používá. Při 50 % průtoku odpovídají hodnoty pro ventil a pro hs = 0,3 příkladu J-Net21, který 23,8 % zaokrouhluje na 24 %. Ostatní hodnoty jsou naše výpočty se stejným modelem.
| Průtok | Regulace ventilem | Měnič, hs = 0 (kubický zákon) | Měnič, hs = 0,3 | Měnič, hs = 0,6 |
|---|---|---|---|---|
| 90 % | 96,8 % | 72,9 % | 78,0 % | 83,2 % |
| 80 % | 91,5 % | 51,2 % | 59,8 % | 68,5 % |
| 70 % | 84,3 % | 34,3 % | 45,0 % | 55,7 % |
| 60 % | 75,4 % | 21,6 % | 33,1 % | 44,6 % |
| 50 % | 65,0 % | 12,5 % | 23,8 % | 35,0 % |
Sloupce s měničem berte jako optimistické. Příručka DOE varuje, že v soustavách s velkou statickou výškou malé snížení otáček výrazně sníží průtok i účinnost čerpadla. Pro číslo, které chcete obhájit v žádosti o schválení, požádejte dodavatele o charakteristiky čerpadla při snížených otáčkách s vyznačenou účinností.
Převod kWh na vaši měnu
Hlavním výsledkem nechte kWh, protože částky v jenech z japonských příkladů nelze přenést. Příklad MOE s ventilátorem používá 22,76 JPY/kWh.
Tabulka použije jiné ceny na stejných 57 600 kWh. Uvedené ceny jsou zástupné, ne tržní, nahraďte je cenou z vlastní faktury.
| Cena za kWh | Roční úspora na 57 600 kWh |
|---|---|
| 22,76 JPY (příklad MOE) | Asi 1,31 milionu JPY |
| 4,00 Kč (zástupná hodnota) | 230 400 Kč |
| 0,15 EUR (zástupná hodnota) | 8 640 EUR |
| Vaše cena: ____ | 57 600 × vaše cena |
Zeptejte se financí, jakou cenu má žádost o schválení používat. J-Net21 počítá se sloučenou cenou včetně základní platby, ale pevné složky faktury s kWh nemusí klesat.
Pro prostou dobu návratnosti vydělte pořizovací náklady roční úsporou. Zahrňte měnič, instalaci, případné tlumivky či filtry a výměnu motoru a tyto náklady zjistěte z nabídky.
Po instalaci porovnejte naměřené kWh za stejných podmínek. Rozdíl mezi odhadem a měřením zpřesní váš další odhad.
Jak číst japonská čísla a specifikace
Japonsko pracuje se dvěma frekvencemi: 50 Hz na východě včetně Tokia a 60 Hz na západě včetně Ósaky. Zařízení vyrobené v Japonsku proto může být dimenzované na jednu či druhou a jeho domácí frekvence nemusí odpovídat vašemu závodu. Česká síť má 50 Hz.
Kubický zákon z toho dělá skutečný problém. Odstředivý stroj dimenzovaný na 50 Hz a provozovaný na 60 Hz se točí o 20 % rychleji a potřebuje asi o 73 % větší výkon na hřídeli (1,2³ = 1,73). Stroj na 60 Hz provozovaný na 50 Hz se točí asi o 17 % pomaleji, s asi 58 % výkonu a asi 69 % tlaku.
Než začnete porovnávat jakákoli čísla, ověřte jmenovitou frekvenci. Tyto poměry jsou naše aritmetika ze zákonů podobnosti. Zeptejte se dodavatele, zda stroj a motor na vaší frekvenci vůbec mohou pracovat.
Tabulka je výchozím bodem pro rozdíly mezi zeměmi.
| Místo | Frekvence sítě | S čím začít u vyšších harmonických |
|---|---|---|
| Japonsko | 50 Hz (východ), 60 Hz (západ) | Směrnice z roku 1994 pro odběratele z vysokého napětí a technická směrnice JEAG 9702 |
| Česko (EU) | 50 Hz | Norma ČSN EN 50160 o kvalitě napětí a pravidla provozovatele distribuční soustavy; požadavky ověřte u distributora |
| USA | 60 Hz | IEEE 519-2022; ověřte požadavek dodavatele elektřiny |
Tyto výrazy se v japonských dokumentech o úsporách energie a ve specifikacích objevují často.
| Japonsky (přepis) | Česky |
|---|---|
| sho-ene | Úspora energie |
| jiku-doryoku | Výkon na hřídeli |
| kaitensu seigyo | Regulace otáček |
| jitsu-yotei / zen-yotei | Statická dopravní výška / celková dopravní výška |
| furyo | Průtok vzduchu |
| shoyo dengen | Přímé napájení ze sítě |
| kochoha | Vyšší harmonické |
Motory Top Runner a nastavení frekvence
Od dubna 2015 Japonsko požaduje, aby většina průmyslových třífázových asynchronních motorů splňovala normu Top Runner, kterou Mezinárodní energetická agentura (IEA) popisuje jako úroveň IE3. V EU se třída IE3 požaduje pro většinu takových motorů nařízením o ekodesignu, ale přesné rozsahy výkonů a termíny ověřte v aktuálním znění. Třídy účinnosti IE definuje norma řady ČSN EN 60034-30-1, a účinnost proto porovnávejte podle datového listu, ne podle samotných označení.
Japonská asociace výrobců polovodičového zařízení (SEAJ) uvádí, že tyto motory mají menší skluz a točí se o něco rychleji. Doporučuje zkontrolovat nebo změnit nastavení měniče používaného s nimi. Protože výkon roste s třetí mocninou otáček, požádejte dodavatele nebo oprávněného odborníka o přezkoumání nastavené frekvence vždy, když se motor vyměňuje spolu s doplněním měniče.
Co ověřit před instalací
Měnič se nevyplatí automaticky. Na nevhodném stroji může způsobit nedostatečný průtok, přehřátí motoru nebo vibrace. Kontroly procházejte v pořadí: provozní údaje, procesní limity, motor a mechanika, a nakonec elektrická soustava.
Provozní údaje a procesní limity
Po dobu jednoho týdne až měsíce zaznamenávejte polohu klapky nebo armatury, kolísání průtoku a tlaku a provozní hodiny. Stroj, který zůstává téměř plně otevřený, nabízí malou úsporu. Příručka DOE doporučuje diagram trvání (duration diagram), který ukazuje počet hodin ročně při jednotlivých průtocích, aby šlo spočítat každý provozní stav zvlášť a výsledky sečíst.
Pak potvrďte minimální průtok a tlak, které proces potřebuje. Tlak klesá s druhou mocninou otáček: MOE upozorňuje, že při 90 % průtoku je výtlačný tlak o 19 % nižší. Tlak potřebný na konci vedení určuje, jak nízko mohou otáčky klesnout.
Minimální otáčky, chlazení a vibrace
Většina asynchronních motorů se chladí ventilátorem na hřídeli, takže dlouhý provoz na nízkých otáčkách chladicí vzduch zeslabuje. Zeptejte se výrobce na přípustný rozsah trvalých otáček a na to, zda je potřeba cize poháněný chladicí ventilátor.
S proměnnými otáčkami roste i pravděpodobnost, že se v provozním rozsahu narazí na rezonanci konstrukce. Mnoho měničů umí přeskočit určité pásmo frekvencí, proto při uvádění do provozu zkontrolujte vibrace a hluk.
U ventilátorů je navíc riziko nestabilního provozu, například pumpáže, v některých rozsazích otáček.
Izolace motoru a umístění měniče
Podle příručky DOE se měniče hodí na většinu stávajících motorů v sítích 400 V. Obvykle to neplatí pro napětí nad 440 V, kde se často vyžadují motory se zesílenou izolací pro provoz s měničem (inverter duty). Dlouhé kabely mohou zvýšit napětí na svorkách motoru a u větších motorů hrozí poškození ložisek napětím na hřídeli.
Při dotazu na toto téma se hodí uvést dva dokumenty: NEMA MG 1 část 31 pro motory určené pro měniče a IEC TS 60034-25:2022 jako návod pro stroje napájené z měniče. České vydání či ekvivalent ověřte u dodavatele. Zkontrolujte také umístění měniče: elektronika špatně snáší korozivní a vlhká prostředí a podle příručky DOE není provoz měniče ve výbušné atmosféře obvykle možný.
Zásahy do elektrické části smí provádět jen osoba s odpovídající odbornou způsobilostí a podle pravidel BOZP vašeho závodu, včetně odpojení od zdroje a ověření, že se vybil meziobvod měniče. Toto není pracovní návod, postup určí dokumentace výrobce a váš elektrotechnik.
Vyšší harmonické a elektrická soustava
Nabíjení vyhlazovacího kondenzátoru měniče deformuje vstupní proud, a tím vznikají vyšší harmonické (celočíselné násobky síťové frekvence). V USA je běžným odkazem IEEE 519-2022, které své limity používá v místě společného připojení (PCC), tedy na rozhraní mezi dodavatelem elektřiny a zákazníkem, ne u každého měniče zvlášť.
V Česku se vyšší harmonické posuzují podle pravidel provozovatele distribuční soustavy a normy ČSN EN 50160 o kvalitě napětí. Přesné mezní hodnoty a postup posouzení ověřte v aktuálních dokumentech a u distributora.
V Japonsku platí směrnice z roku 1994 pro odběratele z vysokého a zvlášť vysokého napětí spolu s JEAG 9702 a japonské katalogy měničů uvádějí převodní součinitel pro výpočet. Mezi opatření patří střídavé nebo stejnosměrné tlumivky a pulzně šířkově modulované usměrňovače. Nechte tyto body posoudit elektrotechnikem a distributorem, protože vyšší harmonické ovlivňují i kompenzační kondenzátory.
Kontrolní seznam: než odešlete číslo
Podle tohoto seznamu zkontrolujte návrh měniče, ať je váš, nebo od dodavatele.
- Typ zátěže: ventilátor nebo odstředivé čerpadlo s kvadratickým momentem, ne stroj s konstantním momentem
- Současná regulace: výtlačná klapka, vstupní klapka, natáčecí lopatky, armatura nebo plně otevřeno
- Základna: naměřené kW nebo kWh, ne štítkové kW
- Profil průtoku: hodiny ročně při jednotlivých průtocích ze zaznamenaných dat
- Statická výška: podíl na jmenovité výšce a odpovídající metoda výpočtu (A, B nebo C)
- Procesní limity: minimální průtok, minimální tlak a potřebná výška na konci vedení
- Účinnost: účinnost měniče a motoru při skutečném částečném zatížení, ne jen při plném
- Jmenovitá frekvence: 50 nebo 60 Hz pro stroj, motor a váš závod
- Motor: určený pro provoz s měničem, chlazení při nízkých otáčkách a ochrana ložisek u větších motorů
- Elektro: posouzení vyšších harmonických, kondenzátory, délka kabelů a umístění měniče
- Peníze: vaše cena za kWh, úplné pořizovací náklady a prostá doba návratnosti
- Ověření: plán porovnání naměřených kWh před a po instalaci
Otázky pro japonského dodavatele
Pokud zařízení nebo číslo úspory pochází z Japonska, pošlete tyto otázky brzy. Jsou napsané tak, abyste je mohli vložit do e-mailu.
- Jaká je jmenovitá frekvence stroje a motoru? Pošlete prosím charakteristiky pro 50 a 60 Hz.
- Pošlete prosím charakteristiky při snížených otáčkách s vyznačenou účinností a minimálním trvalým průtokem.
- Jaký je přípustný rozsah trvalých otáček? Je při nízkých otáčkách potřeba samostatné chlazení motoru?
- Je motor určen pro provoz s měničem? Podle jaké normy (například NEMA MG 1 část 31 nebo IEC TS 60034-25)?
- Jaká je účinnost měniče při částečném zatížení? Má měnič vestavěnou střídavou nebo stejnosměrnou tlumivku? Jaké údaje o vyšších harmonických můžete poskytnout?
- Kterým rozsahům otáček se máme vyhnout kvůli rezonanci nebo nestabilnímu provozu?
- K vašemu číslu úspory: jaký je výchozí způsob regulace, statická výška, účinnost měniče, provozní hodiny a cena elektřiny?
- Ovlivní dodatečná montáž měniče záruku na tento stroj?
Meze tohoto článku
- Počítané příklady pocházejí z japonských veřejných příruček a používají předpokládané hodnoty. Nejsou to naměřené výsledky ani záruky.
- Metoda C předpokládá konstantní účinnost čerpadla. Skutečná úspora je nižší, když účinnost při nízkém průtoku klesá.
- Výpočty minimálních otáček jsou první odhady. Přednost mají charakteristiky dodavatele.
- Objemová čerpadla, kompresory a jiné stroje s konstantním momentem vyžadují jinou analýzu.
- Limity vyšších harmonických, normy pro motory a české a unijní odkazy jsou shrnuty ze sekundárních zdrojů a z paměti. Ověřte je v aktuálních normách a pravidlech distributora.
- Ceny elektřiny, tarify a podpory se liší podle země a závodu a tento článek je nezahrnuje.
Časté dotazy
Kolik energie měnič u ventilátoru nebo čerpadla ušetří?
Jediné procento neexistuje. Veřejné japonské příklady ukazují asi 40 % u ventilátoru 22 kW, který se při stejném průtoku vzduchu 80 % přepne z regulace klapkou na měnič, a asi 35 % u čerpadla 37 kW při 85 % otáček. Váš výsledek závisí na současné regulaci, profilu průtoku a statické výšce.
Platí zákony podobnosti, když má čerpadlo statickou výšku?
Ne pro úsporu v soustavě. Pořád popisují, jak se charakteristika čerpadla posouvá s otáčkami, ale charakteristika potrubí už nezačíná v nule, takže průtok neklesá souběžně s otáčkami. Při 50 % průtoku je v příkladu J-Net21 příkon asi 24 % jmenovitého, ne 12,5 %, jak předpovídá kubický zákon.
Ušetří měnič energii u ventilátoru, který běží pořád naplno?
Ne. Když není kam snížit otáčky, vlastní ztráty měniče spotřebu zvýší. MOE doporučuje provozovat čerpadlo na jmenovitý průtok z přímého napájení ze sítě, což je změna, kterou má navrhnout váš elektrotechnik.
Kolik výkonu spotřebuje samotný měnič?
Veřejné japonské příklady počítají s účinností měniče 90 až 95 %. DOE upozorňuje, že účinnost klesá s klesajícím zatížením, hlavně u menších měničů, proto požádejte dodavatele o hodnoty při částečném zatížení.
Volit měnič, nebo řízení počtu čerpadel?
Měnič se hodí do soustav s malou statickou výškou, kde je většina odporu tření. Pro velkou celkovou dopravní výšku, například při zásobování vodou do vysoké polohy, MOE doporučuje řízení počtu čerpadel. Možná je i kombinace: počet čerpadel pro hrubé nastavení a měnič pro jemné dolaďování.
Zdroje
- Zákony podobnosti ventilátorů, srovnání s klapkou a příklad ventilátoru 22 kW: Japonské ministerstvo životního prostředí, „Introduction of Variable Exhaust Fans“ (v japonštině), podle datového listu ECCJ
- Průtok, tlak a výkon čerpadla, statická výška, řízení počtu čerpadel, přímé napájení při jmenovitém průtoku: Japonské ministerstvo životního prostředí, „Optimizing Flow and Pressure of Water Supply and Drainage Pumps“ (v japonštině)
- Regulace ventilem a příklad chladicího čerpadla 37 kW: J-Net21, regulace otáček čerpadel a dmychadel, část 2 (v japonštině)
- Čerpadlo se statickou výškou, číselný příklad a účinný rozsah: J-Net21, proč měnič u čerpadel s velkou statickou výškou málo ušetří (v japonštině)
- Statická a třecí výška, chyby při použití zákonů podobnosti, rezonance, izolace motoru a diagramy trvání: US DOE, Hydraulic Institute a Europump, „Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary“
- Zátěže s proměnným a konstantním momentem, účinnost měniče při částečném zatížení a příklad 20 hp: US DOE, Motor Systems Tip Sheet #11, „Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency“
- Zátěže s kvadratickým momentem: Mitsubishi Electric, řada FREQROL-F800 (v japonštině)
- Motory Top Runner a nastavení měniče: Semiconductor Equipment Association of Japan, účinnost motorů (v japonštině)
- Požadavek IE3 v Japonsku: International Energy Agency, „Minimum Energy Efficiency of Motors“
- NEMA Premium a IE3: WEG, „Energy Efficiency Directives Around the World“
- Japonská směrnice o vyšších harmonických, JEAG 9702 a tlumivky: Japan Electrical Manufacturers' Association, potlačení vyšších harmonických u univerzálních měničů a servozesilovačů, duben 2022 (v japonštině)
- Limity IEEE 519-2022 a PCC: Comsys, „Power Quality: IEEE 519-2022“; IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1 části 30 a 31: dV/dt Filter, „NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives“
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- Frekvence sítě podle zemí: Miki Pulley, „Power Supply Situations Around the World“
- Minimální otáčky a statická výška: Pump Industry Magazine, „Pump Curves 16: How Low Can You Go?“
- Hranice 50/60 Hz v Japonsku: KEK, „Japanese Electricity“
Původní článek v japonštiněTento návod vychází z článku MONOSCOPE napsaného pro čtenáře v Japonsku: インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
O redakci
Redakce MONOSCOPEFOUNDER & EDITORZhruba deset let praxe u výrobce průmyslových zařízení a v inženýrské firmě pro výstavbu závodů: nabídky, projektování a uvádění zařízení do provozu, poté přechod k online marketingu. Dnes webové poradenství pro výrobce B2B a pomoc s tím, aby srozumitelně představili své produkty a technologie. Japonské státní licence Energy Manager a hlavního elektroinženýra třetí třídy.
Od roku 2017 provoz technického blogu (přes 500 článků) a japonského kanálu na YouTube s přibližně 20 000 odběrateli. Každý návod vzniká z pohledu japonské výrobní haly a je ověřen podle citovaných norem.
