Falownik (VFD) a oszczędność energii: wentylator i pompa
Ktoś w zakładzie chce zamontować falownik (VFD, ang. variable frequency drive) na wentylatorze lub pompie, a w propozycji stoi, że pobór mocy spadnie o połowę. Japońska dokumentacja nazywa to samo urządzenie „inverter” (japoń. inbata) i podaje wynik w jenach, przy założeniu sieci 50 lub 60 Hz. Zanim wpiszesz te liczby do wniosku inwestycyjnego, trzeba wiedzieć, kiedy są prawdziwe.
Krótka odpowiedź: teoretycznie praca wentylatora przy 80% prędkości obrotowej zmniejsza moc na wale do 51,2% wartości znamionowej, bo moc rośnie z trzecią potęgą prędkości. Ta liczba zakłada, że cały opór instalacji to opory przepływu (tarcie). Statyczna wysokość podnoszenia i obciążenia o stałym momencie zmniejszają oszczędność, a maszyna pracująca stale z prędkością znamionową może po montażu falownika pobierać więcej energii.
Artykuł wyjaśnia dwie nazwy urządzenia, prawa podobieństwa, porównanie falownika z przepustnicą lub zaworem dławiącym oraz to, gdzie statyczna wysokość podnoszenia łamie „prawo sześcienne”. Potem podaje trzy metody obliczania oszczędności, listę kontrolną i pytania do japońskiego dostawcy.
Spis treści
- Falownik, przemiennik częstotliwości, VFD: jedno urządzenie, kilka nazw
- Prawa podobieństwa: dlaczego moc spada z trzecią potęgą prędkości
- VFD czy przepustnica lub zawór dławiący
- Statyczna wysokość podnoszenia: gdzie kończy się prawo sześcienne
- Gdzie falownik się opłaca, a gdzie nie
- Obliczanie oszczędności z falownika: trzy metody
- Jak czytać japońskie liczby i specyfikacje
- Co sprawdzić przed montażem
- Lista kontrolna: zanim złożysz liczbę do akceptacji
- Pytania do japońskiego dostawcy
- Ograniczenia tego artykułu
- FAQ
- Źródła
Falownik, przemiennik częstotliwości, VFD: jedno urządzenie, kilka nazw
Japońskie rysunki, katalogi i publiczne poradniki o oszczędzaniu energii zwykle nazywają to urządzenie „inverter” (inbata). W polskim zakładzie spotkasz falownik, przemiennik częstotliwości, a w dokumentacji angielskiej VFD, VSD lub AC drive. Ściśle rzecz biorąc, VFD to najczęstszy rodzaj VSD, czyli napędu o regulowanej prędkości.
W dalszej części używam skrótu „VFD”. Gdy japoński dokument pisze „inverter” w kontekście silnika, ma na myśli to samo.
Po co w ogóle napęd? Odpowiada za to jeden wzór. Prędkość synchroniczna w obr./min to 120 × częstotliwość ÷ liczba biegunów, więc silnik 4-biegunowy kręci się z prędkością bliską 1500 obr./min przy 50 Hz i 1800 obr./min przy 60 Hz. Przy stałej częstotliwości sieci silnik indukcyjny pracuje w zasadzie z jedną prędkością.
VFD znosi to ograniczenie, odtwarzając napięcie zasilające silnik, jak pokazuje rysunek 1.
Napęd przetwarza napięcie sieci na prąd stały, a następnie tworzy z niego napięcie przemienne o wymaganej częstotliwości i podaje je na silnik.
W falowniku napięcie przemienne jest prostowane i wygładzane kondensatorem. Łączniki półprzewodnikowe tworzą następnie przebieg o nowej częstotliwości i napięciu. Opracowano na podstawie dokumentu japońskiego stowarzyszenia producentów urządzeń elektrycznych (JEMA).
Gdy częstotliwość maleje, napęd proporcjonalnie obniża napięcie. To sterowanie U/f = const utrzymuje strumień magnetyczny w silniku na stałym poziomie, a zmienia się tylko prędkość. Artykuł dotyczy najczęstszego w zakładach zestawu: trójfazowego silnika indukcyjnego z VFD.
Prawa podobieństwa: dlaczego moc spada z trzecią potęgą prędkości
Prawa podobieństwa (ang. affinity laws; w japońskich dokumentach sōjisoku) opisują, jak wentylator lub pompa odśrodkowa reaguje na zmianę prędkości. Przepływ zmienia się proporcjonalnie do prędkości, ciśnienie z kwadratem prędkości, a moc na wale z trzecią potęgą prędkości. Moc jest proporcjonalna do iloczynu przepływu i ciśnienia, więc pierwsza i druga potęga dają razem trzecią.
Po zmianie prędkości z N1 na N2 wyniki są następujące:
- przepływ: Q2 = Q1 × (N2/N1)
- ciśnienie: P2 = P1 × (N2/N1)²
- moc na wale: L2 = L1 × (N2/N1)³
Rysunek 2 pokazuje trzy krzywe. Japońskie Ministerstwo Środowiska (MOE) używa w swojej karcie informacyjnej tego samego przykładu 80%, a amerykańskie Ministerstwo Energii (DOE) ujmuje to tak, że zmniejszenie prędkości o 20% obniża pobór mocy o ok. 50%.
Przy 80% prędkości przepływ wynosi 80%, ciśnienie 64%, a moc na wale 51,2% wartości znamionowej.
Prawa te zakładają ten sam wirnik, stałą gęstość czynnika, zbliżoną sprawność w każdym punkcie pracy oraz opór wynikający wyłącznie z tarcia w rurociągu lub kanale (przy zerowym przepływie opór jest zerowy). Jeśli występuje stała wysokość podnoszenia lub przeciwciśnienie, ciśnienie nie może spaść tak nisko, a moc maleje wolniej niż z sześcianem.
Rysunek 2 przedstawia krzywe idealne. Rzeczywisty miernik mocy pokazuje także straty silnika i napędu, a sprawność spada przy niskich prędkościach, więc wynik pomiaru jest nieco wyższy niż z obliczeń. DOE zauważa, że sprawność VFD maleje wraz z obciążeniem, zwłaszcza w małych napędach.
Straty te mają mniejsze znaczenie, niż się wydaje. W przykładzie DOE wentylator wyciągowy 20 hp (ok. 15 kW) przy połowie prędkości, ze sprawnością silnika 77,8% i napędu 86%, pobiera mimo to tylko 2,8 kW zamiast 16,4 kW.
Obciążenia o momencie zmiennym i stałym
Wentylatory, pompy odśrodkowe i dmuchawy to obciążenia o momencie zmiennym (wentylatorowym): moment maleje z kwadratem prędkości, więc moc maleje z sześcianem. Japońskie dokumenty nazywają je nijō teigen torukku (2乗低減トルク, „obciążenie o momencie malejącym z kwadratem prędkości”).
Obciążenia o stałym momencie zachowują się inaczej. Moment pozostaje mniej więcej taki sam przy każdej prędkości, więc moc maleje tylko proporcjonalnie do prędkości. Należą do nich przenośniki, wytłaczarki, mieszalniki, pompy wyporowe i sprężarki śrubowe, a prawo sześcienne ich nie dotyczy.
VFD czy przepustnica lub zawór dławiący
Bez VFD przepływ zmniejsza się zwykle przez przymknięcie przepustnicy (japoń. danpa) na wylocie wentylatora albo zaworu na tłoczeniu pompy. Silnik pracuje dalej z prędkością zbliżoną do pełnej, a dodatkowy opór zmniejsza przepływ. Energia tracona na zaworze nadal wchodzi w skład mocy, za którą płacisz.
VFD obniża samą charakterystykę pompy lub wentylatora, więc nie trzeba dodawać oporu. Poradnik DOE stwierdza, że regulacja prędkości jest zawsze sprawniejsza niż zawór regulacyjny. Rysunek 3 pokazuje, jak duża bywa różnica na przykładzie jednego wentylatora odśrodkowego.
Przy tym samym przepływie powietrza 80% moc na wale wynosi 95% z przepustnicą i 51% przy zmniejszonej prędkości.
Wartości dotyczą wentylatora odśrodkowego, jak w karcie informacyjnej MOE, opartej na wykresie z karty danych japońskiego Centrum Oszczędzania Energii (ECCJ).
Przepustnica trochę oszczędza, bo moc na wale wentylatora odśrodkowego nieco maleje wraz z przepływem. Ta sama karta danych zawiera też krzywe dla przepustnicy na ssaniu, kierownicy wlotowej i sprzęgła hydrokinetycznego. Dotychczasowy sposób regulacji zmienia wielkość oszczędności, więc najpierw go ustal.
Różnice zbiera poniższa tabela.
| Kryterium | Regulacja przepustnicą lub zaworem | Regulacja VFD |
|---|---|---|
| Sposób zmniejszenia przepływu | Dodatkowy opór | Mniejsza prędkość |
| Prędkość silnika | Prawie pełna | Spada do wartości wymaganej przez przepływ |
| Ciśnienie | Rośnie przy dławieniu | Spada z kwadratem prędkości |
| Moc na wale przy przepływie powietrza 80% (przykład wentylatora odśrodkowego) | Ok. 95% | Ok. 51% |
| Koszt urządzeń | Niski: tylko przepustnica lub zawór | Potrzebny napęd i prace instalacyjne |
To samo porównanie na charakterystyce pompy
Pompa pracuje w punkcie, w którym jej charakterystyka przecina charakterystykę instalacji (punkt pracy). Przymknięcie zaworu stromo podnosi charakterystykę instalacji, więc punkt pracy przesuwa się w górę i w lewo: przepływ maleje, ale wysokość podnoszenia rośnie. Zmniejszenie prędkości obniża natomiast charakterystykę pompy, dzięki czemu ten sam przepływ jest dostarczany przy znacznie niższej wysokości podnoszenia.
Rysunek 4 opiera się na przykładzie z J-Net21, japońskiego portalu wspierającego małe i średnie firmy, współtworzonego z instytucją rządową. Pompa ma wysokość podnoszenia przy zerowym przepływie równą 1,4 wysokości znamionowej, statyczną wysokość podnoszenia równą 0,3 wysokości znamionowej, a przepływ zmniejszono do połowy znamionowego.
Przy połowie przepływu regulacja zaworem daje wysokość podnoszenia 1,3, a regulacja VFD 0,475 (wysokość znamionowa = 1,0).
Rysunek poglądowy wykonany przy tych samych założeniach co przykład z J-Net21: wysokość przy zerowym przepływie 1,4 wysokości znamionowej, statyczna wysokość podnoszenia 0,3 wysokości znamionowej, przepływ zmniejszony do połowy znamionowego.
W tym przykładzie regulacja zaworem wymaga 65% mocy znamionowej, a regulacja prędkością 24%, co J-Net21 podaje jako oszczędność 63%. Te 63% odnosi się do przypadku z dławieniem, a nie do mocy znamionowej. Czytając japońską wartość procentową oszczędności, zawsze sprawdź, do czego się ją odnosi.
Statyczna wysokość podnoszenia: gdzie kończy się prawo sześcienne
Całkowita wysokość podnoszenia (japoń. zen-yotei) składa się z dwóch części. Statyczna wysokość podnoszenia (japoń. jitsu-yotei) to wysokość, na jaką trzeba unieść ciecz, albo stałe przeciwciśnienie w miejscu odbioru, a straty tarcia zmieniają się z kwadratem przepływu. Zamknięty obieg cyrkulacyjny ma tylko straty tarcia, a opór wyłącznie od tarcia to warunek, który zakłada prawo sześcienne.
Statyczna wysokość podnoszenia pozostaje taka sama, o ile zmniejszysz przepływ, więc tej części obniżyć się nie da. Wentylatory mają to samo ograniczenie, gdy na końcu kanału trzeba utrzymać stałe ciśnienie statyczne.
Poradnik DOE nazywa stosowanie praw podobieństwa do szacowania oszczędności w instalacjach ze statyczną wysokością podnoszenia częstym błędem, który może dawać duże pomyłki. Rysunek 5 pokazuje skalę różnicy przy połowie przepływu.
Przy 50% przepływu wymagana moc wynosi 12,5% według idealnego prawa sześciennego, ok. 24% przy statycznej wysokości podnoszenia równej 30% wysokości znamionowej i 65% przy regulacji zaworem.
Rysunek poglądowy przy założeniach przykładu z J-Net21 (wysokość przy zerowym przepływie 1,4, statyczna wysokość 0,3), przy stałej sprawności pompy. W praktyce sprawność spada przy małym przepływie, więc moc jest wyższa niż na rysunku.
Regulacja prędkością nadal wygrywa z zaworem, ale krzywa jest daleko od linii sześciennej. J-Net21 podaje, że regulacja prędkością sprawdza się najlepiej przy małej statycznej wysokości podnoszenia i przepływie rzędu 30–80%. W jego przykładzie największa oszczędność wypada przy ok. 60% przepływu.
Dolna granica prędkości: pompa nadal musi pokonać wysokość statyczną
Wysokość podnoszenia przy zerowym przepływie (H0) maleje z kwadratem prędkości. Gdy spadnie poniżej statycznej wysokości podnoszenia, pompa przestaje dostarczać przepływ, a bez zaworu zwrotnego ciecz może popłynąć wstecz. Pierwsze przybliżenie tej granicy to pierwiastek ze stosunku statycznej wysokości podnoszenia do H0.
Przy H0 = 1,4 granica wynosi ok. 46% prędkości dla statycznej wysokości 0,3 i ok. 65% dla 0,6. To nasze obliczenia, a rzeczywiste minimum leży wyżej. Dostawca pompy powinien je wyznaczyć z charakterystyk przy zmniejszonej prędkości i minimalnego przepływu ciągłego.
Przy statycznej wysokości podnoszenia przepływ spada też szybciej niż prędkość. W tym samym modelu połowa przepływu wymaga ok. 64% prędkości przy wysokości statycznej 0,3 i ok. 76% przy 0,6. Nie zakładaj więc, że w takich instalacjach stosunek przepływu równa się stosunkowi prędkości.
Dla zasilania wodą wymagającego dużej całkowitej wysokości podnoszenia MOE zaleca regulację przepływu przez sterowanie liczbą pomp (praca kaskadowa, japoń. daisu seigyo), a nie prędkością, bo przy zmniejszonej prędkości wysokość może nie wystarczyć. Warto też rozważyć połączenie: kaskada do zgrubnej regulacji i VFD do dokładnego dopasowania.
Gdzie falownik się opłaca, a gdzie nie
O wyniku decydują głównie trzy rzeczy: rodzaj obciążenia, zmienność przepływu i to, z czego składa się opór. Najlepsi kandydaci to maszyny o momencie zmiennym, które długo pracują przydławione, wobec oporów głównie od tarcia. Rysunek 6 porządkuje typowe urządzenia.
Nawet wśród wentylatorów i pomp wynik zależy od sposobu pracy i od składu oporu.
Większa oszczędność
Mniejsza oszczędność
Maszyny pracujące blisko przepływu znamionowego nie mają zapasu na zwolnienie, a straty przetwarzania napędu zwiększają rachunek. Dlatego MOE sugeruje przełączenie na zasilanie z sieci (japoń. shōyō dengen), gdy pompa pracuje przy przepływie znamionowym. To rozwiązanie nazywa się zwykle obejściem falownika (bypass VFD) i powinien je zaprojektować elektryk z odpowiednimi uprawnieniami.
Obliczanie oszczędności z falownika: trzy metody
Zacznij od tego, ile maszyna zużywa dzisiaj, a nie od tabliczki znamionowej. Silniki często pracują poniżej obciążenia znamionowego, więc przyjęcie mocy znamionowej w kW jako rzeczywistego poboru zawyża oszczędność. Z tego powodu J-Net21 stosuje współczynnik obciążenia 90% (japoń. fukaritsu), a jeszcze lepszy jest odczyt z miernika mocy.
Rysunek 7 pokazuje całą kolejność działań. Wzór w kroku 3 zależy od tego, jak maszyna jest dziś regulowana i od statycznej wysokości podnoszenia.
Zamień zarejestrowane dane z obiektu na kWh, stosując właściwy stosunek prędkości lub mocy i sprawności, a potem swoją cenę energii.
Przy statycznej wysokości podnoszenia lub stałym przeciwciśnieniu oszczędność jest mniejsza, niż przewiduje prawo sześcienne.
Metoda A: zawór w pełni otwarty, tylko opory tarcia
Użyj tej metody, gdy zawór lub przepustnica są już całkowicie otwarte, statyczna wysokość podnoszenia jest bliska zera, a chcesz po prostu zmniejszyć przepływ.
Nowe kWh = obecne kWh × (stosunek prędkości)³ ÷ sprawność napędu
J-Net21 liczy pompę wody chłodzącej 37 kW (ok. 50 hp) ze sprawnością 92,5% (tu odczytywaną jako sprawność silnika) i współczynnikiem obciążenia 90%, pracującą 24 godziny na dobę przez 310 dni w roku. Obecne zużycie to ok. 267 800 kWh. Przy 85% prędkości i sprawności napędu 95% daje to 267 800 × 0,85³ ÷ 0,95, czyli ok. 173 100 kWh.
Oszczędność wynosi ok. 94 700 kWh rocznie, czyli ok. 35%. Przy cenie 22,0 jena/kWh J-Net21 podaje ok. 2,08 mln jenów. Przykład zakłada 0 m statycznej wysokości podnoszenia, więc traktuj go jako przypadek najkorzystniejszy.
Metoda B: obecnie dławienie przepustnicą lub zaworem
Dzisiejszy odczyt zawiera już straty dławienia, więc nie mnóż go po prostu przez sześcian prędkości. Użyj stosunku między dwoma sposobami regulacji przy tym samym przepływie, odczytanego z krzywej wentylatora lub karty danych.
Nowe kWh = obecne kWh × (stosunek mocy na wale przy VFD ÷ stosunek mocy na wale przy dławieniu) ÷ sprawność napędu
MOE modeluje wentylator wyciągowy 22 kW (ok. 30 hp) przy przepływie powietrza 80%, pracujący 6480 godzin rocznie, przy sprawności silnika 95% i napędu 90%. Obecne zużycie liczy jako 142 600 kWh. Przy stosunkach mocy na wale 51% i 95% wynik to 142 600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, czyli ok. 85 000 kWh.
Oszczędność to ok. 57 600 kWh rocznie, czyli ok. 40%. Wartości 95% i 51% pochodzą z jednego wykresu dla przepustnicy na wentylatorze odśrodkowym. Inne sposoby regulacji mają własne krzywe.
Metoda C: instalacja ze statyczną wysokością podnoszenia
Przy statycznej wysokości podnoszenia szacuj moc na podstawie przepływu i wysokości, a nie prędkości. Jeśli hs to udział statyczny wysokości znamionowej, a Q stosunek przepływu, wysokość na charakterystyce instalacji wynosi hs + (1 − hs) × Q².
Stosunek mocy ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), a następnie podziel przez sprawność napędu.
Tabela stosuje ten wzór. Przy 50% przepływu wartości dla zaworu i hs = 0,3 zgadzają się z przykładem J-Net21, który zaokrągla 23,8% do 24%. Pozostałe wartości to nasze obliczenia w tym samym modelu.
| Przepływ | Regulacja zaworem | VFD, hs = 0 (prawo sześcienne) | VFD, hs = 0,3 | VFD, 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% |
Kolumny VFD traktuj jako optymistyczne. Poradnik DOE ostrzega, że w instalacjach o dużej statycznej wysokości podnoszenia niewielkie zmniejszenie prędkości mocno obniża zarówno przepływ, jak i sprawność pompy. Jeśli liczbę trzeba obronić we wniosku, poproś dostawcę o charakterystyki pompy przy zmniejszonej prędkości z naniesioną sprawnością.
Przeliczenie kWh na własną walutę
Głównym wynikiem zostaw kWh, bo kwoty w jenach z japońskich przykładów nie przenoszą się na Twój zakład. Przykład MOE z wentylatorem używa ceny 22,76 jena/kWh.
Poniższa tabela stosuje inne stawki do tych samych 57 600 kWh. To wartości przykładowe, a nie ceny rynkowe, więc zastąp je ceną z własnej faktury, najlepiej netto, bez VAT.
| Cena za kWh | Roczna oszczędność dla 57 600 kWh |
|---|---|
| 22,76 JPY (przykład MOE) | Ok. 1,31 mln JPY |
| 0,10 EUR (wartość przykładowa) | 5 760 EUR |
| 0,60 PLN (wartość przykładowa) | 34 560 PLN |
| Twoja cena: ____ | 57 600 × Twoja cena |
Zapytaj dział finansów, jakiej ceny użyć we wniosku. J-Net21 stosuje cenę łączną z opłatą stałą, ale opłaty stałe mogą nie maleć razem z kWh.
Prosty okres zwrotu to koszt zainstalowania podzielony przez roczną oszczędność. Wlicz napęd, montaż, ewentualne dławiki lub filtry oraz ewentualną wymianę silnika, a koszty weź z oferty.
Po montażu porównaj zmierzone kWh w tych samych warunkach. Różnica między szacunkiem a pomiarem poprawi kolejne szacunki.
Jak czytać japońskie liczby i specyfikacje
Japonia pracuje na dwóch częstotliwościach: 50 Hz na wschodzie, w tym w Tokio, i 60 Hz na zachodzie, w tym w Osace. Urządzenie wykonane w Japonii może więc mieć dane znamionowe dla jednej z nich, a ta może nie zgadzać się z Twoim zakładem. W Polsce sieć ma 50 Hz (400/230 V).
Prawo sześcienne sprawia, że to realny problem. Maszyna odśrodkowa przeznaczona na 50 Hz i uruchomiona przy 60 Hz kręci się o 20% szybciej i potrzebuje ok. 73% więcej mocy na wale (1,2³ = 1,73). Maszyna na 60 Hz zasilana 50 Hz obraca się o ok. 17% wolniej, pobiera ok. 58% mocy i daje ok. 69% ciśnienia.
Zanim porównasz jakiekolwiek liczby, potwierdź częstotliwość znamionową. Te stosunki to nasze obliczenia z praw podobieństwa. Zapytaj dostawcę, czy maszyna i silnik w ogóle mogą pracować przy Twojej częstotliwości.
Poniższa tabela jest punktem wyjścia do porównania krajów.
| Region | Częstotliwość sieci | Odniesienie dla wyższych harmonicznych, od którego warto zacząć |
|---|---|---|
| Japonia | 50 Hz (wschód), 60 Hz (zachód) | Wytyczne z 1994 r. dla odbiorców zasilanych wysokim napięciem, wraz z wytyczną techniczną JEAG 9702 |
| Polska i UE | 50 Hz (400/230 V) | PN-EN 50160 (parametry napięcia w sieci publicznej), PN-EN 61000-3-12 (emisja prądów harmonicznych, prąd fazowy > 16 A i ≤ 75 A), PN-EN 61000-2-4 (poziomy kompatybilności w sieciach zakładów przemysłowych); warunki przyłączenia ustala operator sieci |
| USA | 60 Hz | IEEE 519-2022; potwierdź wymagania zakładu energetycznego |
Te terminy często pojawiają się w japońskich dokumentach o oszczędzaniu energii i w specyfikacjach.
| Japoński | Romaji | Polski |
|---|---|---|
| 省エネ | shō-ene | Oszczędzanie energii |
| 軸動力 | jiku-dōryoku | Moc na wale |
| 回転数制御 | kaitensū seigyo | Regulacja prędkości obrotowej |
| 実揚程 / 全揚程 | jitsu-yotei / zen-yotei | Statyczna / całkowita wysokość podnoszenia |
| 風量 | fūryō | Przepływ powietrza (wydajność wentylatora) |
| 商用電源 | shōyō dengen | Zasilanie z sieci |
| 高調波 | kōchōha | Wyższe harmoniczne |
Silniki Top Runner, silniki IE3 i ustawienie częstotliwości
Od kwietnia 2015 r. Japonia wymaga od większości przemysłowych trójfazowych silników indukcyjnych spełnienia standardu Top Runner, który Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) opisuje jako poziom IE3. W UE od 1 lipca 2021 r. silniki trójfazowe 0,75–1000 kW wprowadzane do obrotu muszą spełniać co najmniej IE3 (rozporządzenie (UE) 2019/1781, z wyjątkami wymienionymi w rozporządzeniu). Nie traktuj tych etykiet jako identycznych: sprawdź sprawność w karcie katalogowej.
Japońskie Stowarzyszenie Producentów Urządzeń Półprzewodnikowych (SEAJ) zauważa, że takie silniki mają mniejszy poślizg i kręcą się nieco szybciej. Zaleca sprawdzenie lub zmianę nastaw falownika używanego z nimi. Ponieważ moc rośnie z sześcianem prędkości, poproś dostawcę lub uprawnionego inżyniera o przegląd nastawy częstotliwości za każdym razem, gdy silnik jest wymieniany razem z montażem VFD.
Co sprawdzić przed montażem
VFD nie zwraca się sam z siebie. Na niewłaściwej maszynie może spowodować zbyt mały przepływ, przegrzanie silnika lub drgania. Przejdź kontrole po kolei: dane eksploatacyjne, ograniczenia procesu, ograniczenia silnika i mechaniki, a na końcu instalacja elektryczna.
Dane eksploatacyjne i ograniczenia procesu
Zapisuj przez tydzień do miesiąca położenie przepustnicy lub zaworu, zmiany przepływu i ciśnienia oraz godziny pracy. Maszyna, która stale jest prawie całkiem otwarta, daje małą oszczędność. Poradnik DOE sugeruje wykres czasu trwania, który pokazuje liczbę godzin w roku przy każdym przepływie, aby policzyć każdy stan pracy osobno i zsumować wyniki.
Następnie potwierdź minimalny przepływ i ciśnienie, jakich wymaga proces. Ciśnienie spada z kwadratem prędkości: MOE zwraca uwagę, że przy 90% przepływu ciśnienie tłoczenia jest o 19% niższe. Ciśnienie wymagane na końcu linii wyznacza dolną granicę prędkości.
Prędkość minimalna, chłodzenie i drgania
Większość silników indukcyjnych chłodzi się wentylatorem osadzonym na wale, więc długa praca przy niskiej prędkości zmniejsza przepływ powietrza chłodzącego. Zapytaj producenta o dopuszczalny zakres prędkości w pracy ciągłej i o to, czy potrzebny jest wentylator obcy.
Zmienna prędkość zwiększa też szansę wejścia w rezonans konstrukcji w zakresie roboczym. Wiele napędów potrafi pomijać pasmo częstotliwości, więc sprawdź drgania i hałas podczas rozruchu próbnego.
Wentylatory są ponadto narażone na niestabilną pracę, np. pompowanie (surging), w niektórych zakresach prędkości.
Izolacja silnika i miejsce montażu napędu
Według poradnika DOE VFD pasują do większości istniejących silników w sieciach 400 V. Zwykle nie dotyczy to sieci powyżej 440 V, gdzie często potrzebne są silniki o wzmocnionej izolacji, przystosowane do zasilania z falownika. Długie kable mogą podnosić napięcie na zaciskach silnika, a w większych silnikach napięcie na wale może uszkadzać łożyska.
Przy pytaniach o to warto znać dwie normy: IEC TS 60034-25:2022, wytyczne dla maszyn zasilanych z przekształtników (polskie wydanie sprawdź w PKN), oraz w dokumentacji amerykańskiej NEMA MG 1 Part 31 dla silników do zasilania z falownika. Sprawdź też miejsce montażu napędu. Elektronika słabo znosi środowiska korozyjne i wilgotne, a poradnik DOE stwierdza, że praca VFD w atmosferze potencjalnie wybuchowej zwykle nie jest możliwa.
Prace przy falowniku wykonują osoby z uprawnieniami, według instrukcji BHP zakładu i producenta. Kondensatory obwodu pośredniczącego trzymają napięcie jeszcze po odłączeniu zasilania, a czas oczekiwania podaje producent.
Wyższe harmoniczne i sieć zakładowa
Ładowanie kondensatora wygładzającego napędu zniekształca prąd wejściowy i tworzy wyższe harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości sieci. W USA częstym odniesieniem jest IEEE 519-2022, które stosuje limity w punkcie wspólnego przyłączenia (PCC), czyli na styku zakładu energetycznego z odbiorcą, a nie przy każdym napędzie.
W Polsce i UE punktem wyjścia są normy z tabeli wyżej, a konkretne wymagania wynikają z warunków przyłączenia ustalonych przez operatora sieci. Dla zakładów japońskich i dostawców z Japonii obowiązuje wytyczna z 1994 r. dla odbiorców zasilanych wysokim i specjalnie wysokim napięciem wraz z JEAG 9702, a japońskie katalogi napędów podają współczynnik przeliczeniowy do obliczeń. Środki zaradcze to dławiki AC lub DC oraz przekształtniki PWM.
Poproś o ocenę elektryka zakładowego i operatora sieci, bo wyższe harmoniczne wpływają także na baterie kondensatorów do kompensacji mocy biernej.
Lista kontrolna: zanim złożysz liczbę do akceptacji
Użyj tej listy do oceny propozycji VFD, własnej lub od dostawcy.
- Rodzaj obciążenia: wentylator o momencie zmiennym lub pompa odśrodkowa, a nie maszyna o stałym momencie
- Obecna regulacja: przepustnica na wylocie, przepustnica na ssaniu, kierownice, zawór lub pełne otwarcie
- Linia bazowa: zmierzone kW lub kWh, a nie kW z tabliczki znamionowej
- Profil przepływu: godziny w roku przy każdym przepływie, z zarejestrowanych danych
- Statyczna wysokość podnoszenia: udział wysokości znamionowej i odpowiadająca jej metoda obliczeń (A, B lub C)
- Ograniczenia procesu: minimalny przepływ, minimalne ciśnienie i wymagana wysokość na końcu linii
- Sprawność: sprawność napędu i silnika przy rzeczywistym obciążeniu częściowym, nie tylko pełnym
- Częstotliwość znamionowa: 50 lub 60 Hz dla maszyny, silnika i Twojego zakładu
- Silnik: przystosowany do zasilania z falownika, chłodzenie przy niskiej prędkości, ochrona łożysk w większych silnikach
- Instalacja elektryczna: ocena wyższych harmonicznych, kondensatory, długość kabla i miejsce montażu napędu
- Koszty: własna cena za kWh, pełny koszt zainstalowania i prosty okres zwrotu
- Weryfikacja: plan porównania zmierzonych kWh przed i po
Pytania do japońskiego dostawcy
Jeśli urządzenie lub liczba oszczędności pochodzi z Japonii, wyślij te pytania jak najwcześniej. Są napisane tak, żebyś mógł je wkleić do wiadomości e-mail.
- Jaka jest częstotliwość znamionowa maszyny i silnika? Prosimy o charakterystyki dla 50 Hz i 60 Hz.
- Prosimy o charakterystyki przy zmniejszonej prędkości, z naniesioną sprawnością i minimalnym przepływem ciągłym.
- Jaki jest dopuszczalny zakres prędkości w pracy ciągłej? Czy przy niskiej prędkości potrzebne jest osobne chłodzenie silnika?
- Czy silnik jest przystosowany do zasilania z falownika? Według jakiej normy (np. IEC TS 60034-25 lub NEMA MG 1 Part 31)?
- Czy silnik i napęd spełniają wymagania UE (znak CE, rozporządzenie (UE) 2019/1781)? Jaka jest klasa sprawności silnika?
- Jaka jest sprawność napędu przy obciążeniu częściowym? Czy napęd ma wbudowany dławik AC lub DC? Jakie dane o wyższych harmonicznych mogą Państwo przekazać?
- Jakich zakresów prędkości należy unikać z powodu rezonansu lub niestabilnej pracy?
- Państwa liczba oszczędności energii: jaka jest przyjęta metoda regulacji w stanie wyjściowym, statyczna wysokość podnoszenia, sprawność napędu, czas pracy i cena energii?
- Czy montaż VFD wpływa na gwarancję na tę maszynę?
Ograniczenia tego artykułu
- Przykłady obliczeń pochodzą z japońskich publicznych poradników i używają wartości założonych. Nie są wynikami pomiarów ani gwarancją.
- Metoda C zakłada stałą sprawność pompy. Rzeczywista oszczędność jest mniejsza, gdy sprawność spada przy małym przepływie.
- Obliczenia prędkości minimalnej to pierwsze szacunki. Pierwszeństwo mają charakterystyki dostawcy.
- Pompy wyporowe, sprężarki i inne maszyny o stałym momencie wymagają innej analizy.
- Limity wyższych harmonicznych i normy dotyczące silników streszczono z źródeł wtórnych. Sprawdź je w aktualnych normach i u operatora sieci.
- Ceny energii, taryfy i programy wsparcia różnią się w zależności od kraju i zakładu, a artykuł ich nie omawia.
FAQ
Ile energii oszczędza falownik na wentylatorze lub pompie?
Nie ma jednej wartości procentowej. Publiczne japońskie przykłady pokazują ok. 40% dla wentylatora 22 kW przełączonego z regulacji przepustnicą na VFD przy tym samym przepływie powietrza 80% oraz ok. 35% dla pompy 37 kW przy 85% prędkości. Twój wynik zależy od dotychczasowej regulacji, profilu przepływu i statycznej wysokości podnoszenia.
Czy prawa podobieństwa działają, gdy pompa ma statyczną wysokość podnoszenia?
Nie dla oszczędności całego układu. Nadal opisują, jak charakterystyka pompy przesuwa się z prędkością, ale charakterystyka instalacji nie zaczyna się już od zera, więc przepływ nie maleje razem z prędkością. Przy 50% przepływu w przykładzie z J-Net21 moc wynosi ok. 24% znamionowej, a nie 12,5% jak przewiduje prawo sześcienne.
Czy VFD zaoszczędzi energię na wentylatorze, który zawsze pracuje z pełną prędkością?
Nie. Gdy nie ma miejsca na zmniejszenie prędkości, straty przetwarzania napędu zwiększają pobór energii. MOE sugeruje, by pompę pracującą przy przepływie znamionowym zasilać bezpośrednio z sieci, a taką zmianę projektuje elektryk.
Ile mocy traci sam falownik?
Publiczne japońskie przykłady zakładają sprawność napędu 90–95%. DOE zauważa, że sprawność spada wraz z obciążeniem, zwłaszcza w mniejszych napędach, więc poproś dostawcę o wartości przy obciążeniu częściowym.
Falownik czy sterowanie liczbą pomp?
VFD pasuje do instalacji o małej statycznej wysokości podnoszenia, gdzie większość oporu to tarcie. Przy dużej całkowitej wysokości, np. przy zasilaniu wodą na wysoki poziom, MOE zaleca sterowanie liczbą pomp. Opcją jest też kaskada do regulacji zgrubnej i VFD do dokładnego dopasowania.
Źródła
- Prawa podobieństwa wentylatora, porównanie z przepustnicą i przykład wentylatora 22 kW: Japońskie Ministerstwo Środowiska, „Wprowadzenie wentylatorów wyciągowych o zmiennym przepływie” (po japońsku), na podstawie karty danych ECCJ
- Przepływ, ciśnienie i moc pompy; statyczna wysokość podnoszenia; sterowanie liczbą pomp; zasilanie z sieci przy przepływie znamionowym: Japońskie Ministerstwo Środowiska, „Optymalizacja przepływu i ciśnienia pomp wodnych i ściekowych” (po japońsku)
- Regulacja zaworem i przykład pompy wody chłodzącej 37 kW: J-Net21, regulacja prędkości pomp i dmuchaw, część 2 (po japońsku)
- Pompa ze statyczną wysokością podnoszenia, przykład liczbowy i zakres skuteczności: J-Net21, dlaczego falownik daje mało oszczędności na pompach o dużej statycznej wysokości (po japońsku)
- Wysokość statyczna i straty tarcia, błędy w prawach podobieństwa, rezonans, izolacja silnika i wykresy czasu trwania: US DOE, Hydraulic Institute i Europump, „Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary”
- Obciążenia o momencie zmiennym i stałym, sprawność napędu przy obciążeniu częściowym i przykład 20 hp: US DOE, Motor Systems Tip Sheet #11, „Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency”
- Obciążenia o momencie zmiennym: Mitsubishi Electric, seria FREQROL-F800 (po japońsku)
- Silniki Top Runner i nastawy napędu: Japońskie Stowarzyszenie Producentów Urządzeń Półprzewodnikowych (SEAJ), sprawność silników (po japońsku)
- Wymóg IE3 w Japonii: Międzynarodowa Agencja Energetyczna, „Minimum Energy Efficiency of Motors”
- Wymagania ekoprojektu UE dla silników i napędów o regulowanej prędkości: Rozporządzenie Komisji (UE) 2019/1781
- Japońska wytyczna dotycząca wyższych harmonicznych, JEAG 9702 i dławiki: Japońskie Stowarzyszenie Producentów Urządzeń Elektrycznych (JEMA), ograniczanie wyższych harmonicznych falowników ogólnego przeznaczenia i serwonapędów, kwiecień 2022 (po japońsku)
- Wyższe harmoniczne w Polsce i UE (PN-EN 50160, PN-EN 61000-3-12, PN-EN 61000-2-4): Magazyn Przemysłowy, analizatory jakości energii (po polsku)
- IEEE 519-2022 i PCC: Comsys, „Power Quality: IEEE 519-2022”; IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1, części 30 i 31: dV/dt Filter, „NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives”
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- Częstotliwość sieci w różnych krajach: Miki Pulley, „Power Supply Situations Around the World”
- Prędkość minimalna i statyczna wysokość podnoszenia: Pump Industry Magazine, „Pump Curves 16: How Low Can You Go?”
- Granica 50/60 Hz w Japonii: KEK, „Japanese Electricity”
Oryginalny artykuł po japońskuTen poradnik powstał na podstawie artykułu MONOSCOPE napisanego dla czytelników w Japonii: 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 redakcji
Redakcja MONOSCOPEFOUNDER & EDITOROkoło dziesięciu lat pracy u producenta urządzeń przemysłowych i w firmie inżynieryjnej realizującej instalacje: oferty, projektowanie i uruchamianie urządzeń, a następnie przejście do marketingu internetowego. Obecnie doradztwo internetowe dla producentów B2B i pomoc w przystępnym przedstawianiu ich produktów i technologii. Japońskie państwowe uprawnienia Energy Manager oraz głównego inżyniera elektryka trzeciej klasy.
Od 2017 roku prowadzenie bloga inżynierskiego (ponad 500 artykułów) i japońskojęzycznego kanału na YouTube z około 20 000 subskrybentów. Każdy poradnik powstaje z perspektywy japońskiej hali produkcyjnej i jest weryfikowany z przywołanymi normami.
