Przetwornice częstotliwości prądu przemiennego są obecnie powszechnie stosowane w aplikacjach HVAC/R do regulacji wydajności sprężarek, wentylatorów i pomp. Głównym powodem zastosowania przetwornic częstotliwości, jest płynna regulacja tych urządzeń przez zmianę prędkości obrotowej w szerokim zakresie. 

Dzięki zastosowaniu regulacji prędkości obrotowej, przetwornica częstotliwości zapewnia dynamiczne i optymalne dopasowanie układu do jego bieżącego zapotrzebowania na energię, zgodnie z zadanym wydatkiem. W niniejszym artykule prezentowane są doświadczenia i wnioski z zastosowania przetwornicy częstotliwości prądu przemiennego do sprężarki chłodniczej uwzględniając aspekt optymalizacji energii elektrycznej.

Zastosowanie przetwornicy częstotliwości do sprężarek chłodniczych

W ostatnich latach zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wydajności sprężarek chłodniczych stało się pewnym standardem. Związany z tym duży potencjał oszczędności energii elektrycznej i wymiernych oszczędności finansowych może zapewnić zwrot kosztów inwestycyjnych w krótkim czasie. W klimatyzacji i chłodnictwie przemysłowym sprężarki są głównym odbiornikiem energii elektrycznej. W porównaniu z rozwiązaniami regulacji wydajności chłodniczej przy stałej prędkości tj. regulacją wydajności sprężarki spiralnej (scroll) on/off, tłokowej on/off lub przez pozycję tłoków oraz śrubowej przy stałej prędkości za pomocą suwaka, przetwornica częstotliwości reguluje wydajność chłodniczą sprężarki przez regulację jej prędkości obrotowej. Rysunek 1 Pokazuje zależność wydajności chłodniczej od częstotliwości użytkowej zasilania silnika dla danych warunków temperaturowych układu chłodniczego. Zasadniczą kwestią jest prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości. W dalszej części artykułu zostaną omówione istotne kwestie dotyczące zastosowania przetwornicy do sprężarki śrubowej.

Rys. 1. Zależność mocy chłodniczej Q w jednostkach względnych od częstotliwości użytkowej zasilania silnika sprężarki (źródło: Danfoss)

Dobór przetwornicy częstotliwości do sprężarki śrubowej

Prawidłowy dobór przetwornicy częstotliwości do sprężarki śrubowej powinien uwzględniać jej maksymalne zapotrzebowanie na energię przy maksymalnej wydajności chłodniczej oraz uwzględniać chwilowe przeciążenia w trakcie rozruchu lub pracy. Charakterystyka mechaniczna sprężarki śrubowej (moment statyczny obciążenia w funkcji prędkości obrotowej) jest w przybliżeniu stałomomentowa, gdyż średnia wartość statycznego momentu obciążenia sprężarki w przybliżeniu jest stała i nie zmienia się wraz ze zmianą prędkości obrotowej.

gdzie:

P_{shaft powe}r – mechaniczna moc napędowa sprężarki w kW,

n – prędkość obrotowa w obr./min.

Z reguły przetwornica częstotliwości dobierana jest do sprężarki śrubowej na podstawie kryterium prądowego czyli prądu znamionowego silnika w tzw. trybie normalnego obciążenia z niską przeciążalnością prądową np. 110% prądu znamionowego przetwornicy przez 1 min. Wynika to z faktu, że sprężarki śrubowe przeważnie są odciążane przez zawór obejściowy w trakcie rozruchu oraz uruchamiane do minimalnej prędkości obrotowej (typowo 25 Hz) przy ustawieniu suwaka na 50% lub 100%, a przy tym nie generują przeciążeń przy rozruchu. Moment rozruchowy odciążonej sprężarki śrubowej może mieścić się w granicach do 70÷90% momentu nominalnego silnika (rys. 2.). Oczywiście wynika to również z odpowiedniego doboru silnika do sprężarki.

Rys. 2. Przebiegi czasowe: momentu (fiolet), prądu (niebieski), mocy czynnej elektrycznej (czerwony), częstotliwości (żółty) w czasie rozruchu sprężarki śrubowej z przetwornicą VLT (źródło: Danfoss)

Dopiero po uzyskaniu stałej prędkości, sprężarka jest dociążana i dalej regulacja mocy chłodniczej odbywa się po przez zwiększenie obrotów oraz nastawy punktu pracy suwakiem. W sprężarkach, w których smarowanie zależy od prędkości obrotowej, dla zapewnienia właściwego smarowania istotny jest czas rozruchu. Im krótszy czas rozruchu tym lepiej dla smarowania, ale tym większy jest moment dynamiczny. W typowych aplikacjach sprężarkowych, silnik jest przewymiarowany w stosunku do projektowanego pkt pracy sprężarki dla max wydajności chłodniczej przeważnie o 10% do 15% Z reguły takie przewymiarowanie silnika uwzględnia maksymalną przeciążalność momentem w trakcie dynamicznego rozruchu i moment nominalny silnika nie jest przekraczany.

Podczas doboru przetwornicy do sprężarki należy zwrócić uwagę dla jakich warunków producent silnika podaje jego dane znamionowe:

• moc mechaniczną na wale,
• prędkość znamionową i wynikający z nich moment obrotowy,
• prąd znamionowy,
• napięcie,
• częstotliwość,
• sprawność, 
• współczynnik mocy.

gdzie:

M_n – moment znamionowy silnika w Nm,

P_n – moc znamionowa silnika w kW,

n_n – prędkość znamionowa silnika w obr/min,

f_n – częstotliwość znamionowa w Hz,

s_n – poślizg znamionowy,

p – liczba par biegunów,

U_n – napięcie znamionowe międzyfazowe silnika w V,

I_n – prąd fazowy znamionowy w A, cos(phi)n – współczynnik mocy,

spr_n – sprawność znamionowa.

W przypadku warunków D.O.L (direct on line), tj. zasilania silnika bezpośrednio z sieci zasilającej, konieczna jest korekta doboru silnika ze względu na dodatkowe straty cieplne przy pracy z przetwornicą. Należy zdawać sobie sprawę z tego, że przetwornica generuje w silniku wyższe straty ciepła niż przy zasilaniu z sieci. Przez to silnik nie jest w stanie osiągnąć nominalnego momentu dla dopuszczalnego przyrostu temperatury. Wzrost częstotliwości kluczowania (częstotliwość przełączania tranzystorów mocy tzw. kluczy w module falownika IGBT – Isulated Gate Bipolar Transistor) poprawia sprawność silnika, ale zwiększa starty cieplne i zmniejsza sprawność przetwornicy. W efekcie przetwornica, przy zwiększonej częstotliwości kluczowania silnika, musi być przewymiarowana tak, aby pokryć swoje straty i zadysponować pełną mocą dla nominalnych warunków obciążenia silnika.

Kolejną kwestią jest górny zakres częstotliwości użytkowej zasilania silnika 50 Hz lub 60 Hz i wynikającej z tej częstotliwości zakres regulacji prędkości obrotowej sprężarki. Jeżeli silnik jest znamionowany dla częstotliwości 50 Hz, jak pokazano na rysunku 3., wzrost częstotliwości zasilania silnika powyżej 50 Hz powoduje osłabienie pola magnetycznego w silniku i w konsekwencji osłabienie momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik. Moc rośnie liniowo P = k·n do 50 Hz. Po jej osiągnięciu P = const ze względu na brak możliwości zwiększenia napięcia zasilania silnika przez przetwornicę powyżej napięcia zasilania z sieci.

Rys. 3. Zależność momentu silnika Torque M, momentu sprężarki Torque C oraz mocy Power P w funkcji częstotliwości i napięcia zasilania (źródło: Danfoss)

Prawidłowy dobór polega na przyjęciu i zastosowaniu właściwego kryterium prądowego dla silnika i przetwornicy częstotliwości uwzględniającego przeciążenie momentem w trakcie rozruchu podczas pracy dynamicznej oraz uwzględniającego zapotrzebowanie na moment sprężarki dla górnej wartości zakresu regulacji prędkości obrotowej. Przy pracy z prędkością nadsynchroniczną > 50 Hz, nawet przewymiarowana przetwornica może nie być w stanie „wspomóc” silnik w wygenerowaniu większego momentu przez dodatkowe ,,podbicie’’ napięcia zasilania silnika (np. zwiększenie napięcia o 15% przez włączenie tzw. overmodulation) – jeżeli sam silnik nie został na ten zakres prędkości odpowiednio dobrany.

Dopuszczalna, chwilowa przeciążalność prądowa i długotrwała obciążalność prądowa przetwornicy powinna uwzględniać takżespecyficzne warunki zasilania i pracy silnika wynikające z możliwych chwilowych zakłóceń sieci, a także funkcjonowania samej instalacji chłodniczej. Dla niektórych instalacji należy wziąć pod uwagę zapewnienie ciągłej pracy sprężarki w przypadku chwilowych zapadów lub spadków napięcia zasilania sieci nawet w granicach do -20% napięcia nominalnego. Chwilowe spadki napięcia zasilania powodują wzrost poboru prądu przez silnik sprężarki. Problemy w instalacji chłodniczej, np. przez zasysanie skroplonego czynnika chłodniczego związane z nagłą zmianą ciśnień, przenoszą się na silnik sprężarki i w konsekwencji na przetwornicę, wywołując przeciążenie prądowe lub przepięcie w obwodzie DC przetwornicy – a w konsekwencji mogą spowodować wyłączenie awaryjne sprężarki.

Istotnymi kwestiami, które należy również zweryfikować, są wartości U_peak oraz du/dt charakteryzujące odporność izolacji silnika oraz czy silnik wyposażony jest w łożyska izolowane eliminujące prądy łożyskowe. W przypadku niedostatecznej odporności izolacji silnika do ochrony jego uzwojeń można zastosować odpowiednie filtry wyjściowe du/dt instalowane na wyjściu przetwornicy. W przypadku silników z jednym łożyskiem izolowanym, od strony przeciw napędowej stosowane są filtry składowej zgodnej (pierścienie ferrytowe) – instalowane na kablu zasilającym silnik np. w jego skrzynce zaciskowej. Przy doborze przetwornicy do silnika należy wziąć pod uwagę wymaganą dla danego typu silnika częstotliwość kluczowania, która zapewnia osiągnięcie przez silnik momentu nominalnego. Ustawienie w przetwornicy odpowiedniej częstotliwości kluczowania dla silnika może spowodować konieczność przewymiarowania przetwornicy.

Zapotrzebowanie na energię sprężarki śrubowej regulowanej przez przetwornicę częstotliwości.

(...)

Oszczędności energii wynikająca z regulacji sprężarki śrubowej przetwornicą częstotliwości

(...)

Porównanie dwóch agregatów chłodniczych wyposażonych w sprężarki śrubowe bez i z przetwornicą częstotliwości

(...)

Podsumowanie

Zastosowanie przetwornic częstotliwości do regulacji wydajności chłodniczej sprężarek śrubowych przez zmianę prędkości obrotowej zapewnia optymalizację zużycia energii elektrycznej, zmniejszając koszty eksploatacji układów chłodniczych. Niebagatelnym aspektem jest również fakt ochrony środowisko, zmniejszając emisję gazów cieplarnianych.

Jak wykazano w analizie, zwrot kosztów inwestycyjnych jest w stanie nastąpić w relatywnie krótkim czasie. Analiza energetyczna jest stosunkowo prosta i przystępna przy stałych warunkach termodynamicznych układu chłodniczego (temperatur parowania i skraplania) ze względu na proporcjonalne zależności między mocą chłodniczą a prędkością obrotową oraz mocą napędową sprężarki w typowym zakresie regulacji prędkości obrotowej.

Andrzej SOKOŁOWSKI
– Specjalista z zakresu HVAC/R,
Danfoss Poland Sp. z o.o. ,
Napędy Elektryczne