Oszczędzanie energii w zakładzie produkcyjnym dzięki falownikom

Ceny energii elektrycznej nieustannie rosną, dlatego każdy z nas szuka możliwości ograniczenia zużycia prądu – nie tylko w domu. Firmy produkcyjne zużywają wielokrotnie więcej kilowatogodzin, niż gospodarstwa domowe, a więc wzrost cen prądu dotyka je w znacznie większym stopniu.

Ograniczenie zużycia energii jest równoznaczne z obniżaniem kosztów. Brzmi to bardzo dobrze, ale czy można zmniejszyć zużycie prądu, nie tracąc przy tym wydajności i jakości naszej produkcji? Oczywiście tak, jednak proste rozwiązania, wzorowane na tych stosowanych w domach, nie są na ogół wystarczające. Wyłączanie zbędnych źródeł światła, nieużywanych ładowarek czy komputerów to za mało. W przemyśle można – i trzeba – szukać dużo większych oszczędności.

Jednym z najważniejszych elementów, na które musimy zwrócić uwagę, jest moc bierna. Jest ona niezbędna do działania urządzeń indukcyjnych, takich jak transformatory czy silniki, a także pojemnościowych, czyli wszelkich urządzeń elektronicznych wykorzystujących kondensatory (należą do tej grupy zasilacze, komputery, falowniki). Problem polega jednak na tym, że moc bierna nie jest zamieniana na pracę.

Nowoczesne liczniki energii często mierzą zużycie zarówno energii czynnej, jak i biernej. To bardzo istotne, ponieważ umowy z dostawcami przewidują kary umowne po przekroczeniu ustalonej wartości mocy biernej. Gdy wartość ta jest zbyt duża, należy zastosować kompensatory mocy biernej.

Moc bierna generuje się również w długich przewodach, dlatego niezwykle ważne przy projektowaniu i montażu systemów napędowych jest stosowanie dedykowanych akcesoriów adekwatnie do długości użytych przewodów – chodzi o elementy takie, jak dławiki wejściowe/wyjściowe, filtry dU/dt czy filtry sinusoidalne.

W przypadku napędów warto też przyjrzeć się obciążeniu, które jest zamontowane na wale silnika. Jakie to ma znaczenie? Ogromne, ponieważ wentylatory oraz niektóre pompy mają bardzo ciekawą charakterystykę momentu. Moment obciążenia pompy wzrasta wraz z kwadratem prędkości obrotowej. Wydatek pompy natomiast rośnie logarytmicznie. Dlatego różnica w wydajności pomiędzy częstotliwościami 40 Hz a 50 Hz jest niewielka, za to różnica wartości potrzebnego momentu jest duża.

Z tego powodu świadomy użytkownik najczęściej steruje pompami w zakresie 25-45 Hz. Jeśli wiemy już, że nasze obciążenie nie potrzebuje nominalnego momentu w całym zakresie obrotów, możemy pozwolić sobie na włączenie funkcji kwadratowej w przemienniku częstotliwości. Przy sterowaniu skalarnym napęd utrzymuje stały stosunek U/f po to, by utrzymać nominalny moment w całym zakresie prędkości. Funkcja kwadratowa powoduje odejście od tej zależności, obniża napięcie dla danej częstotliwości jak na rysunku poniżej.

Powoduje to niedomagnesowanie wirnika i zmniejszenie pobieranego prądu nawet do 40%, a także zwiększa kulturę pracy (urządzenie ciszej pracuje, obniża się temperatura silnika).

Co jednak w przypadku innych obciążeń? Jeżeli np. obciążenie jest mocno zmienne, silnik czasem pracuje na biegu jałowym, a czasem obciążany jest momentem znamionowym. W tym przypadku nie mamy zależności obciążenia od prędkości, dlatego nie możemy zastosować wyżej opisanej funkcji. W niektórych falownikach (np. Astraada DRV-28A i DRV-260) można jednak spotkać funkcję automatycznego oszczędzania energii. Urządzenie w zależności od obciążenia reguluje napięcie wyjściowe, obniżając go w czasie, gdy nie jest potrzebny wysoki moment obrotowy.

Silnik elektryczny może też pracować jako prądnica, dlatego też w wielu aplikacjach musimy zamontować rezystory hamujące. Gdy silnik elektryczny hamuje, generuje napięcie na szynie DC falownika. Jeśli przekroczy napięcie progowe, załączany jest rezystor, który to napięcie zamienia na ciepło. W takich przypadkach tracimy „wyprodukowaną” w ten sposób energię.

W przypadku dużych napędów o dużej bezwładności i częstych zatrzymaniach warto rozważyć zastosowanie modułu odzysku energii, który to napięcie wprowadzi do sieci. Jeśli producent dopuszcza możliwość połączenia szyn DC w falownikach (tak jak w serii Astraada DRV-28A i DRV-260), możemy to wykorzystać do odzyskania energii. Dzięki temu jeśli jedno urządzenie będzie hamować i „produkować prąd”, drugie może ten prąd wykorzystać do napędu silnika.

Ciekawym rozwiązaniem są też falowniki wieloosiowe. Mają one jeden moduł prostujący napięcie z sieci – i do niego podłączamy moduły falownikowe. Dzięki wspólnej szynie DC nie tracimy wyprodukowanej energii tak, jak we wcześniejszym przypadku.