Zmienna prędkość

Lepsza jakość zasilania, diagnostyka systemu, kontrola wilgotności, oszczędność energii, dokładna kontrola temperatury, mniejszy hałas, bezpieczeństwo procesu, większa wygoda.

Agregaty sprężarkowe z falownikami stwarzają nowe możliwości dla układów klimatyzacji, przede wszystkim w zakresie energooszczędnych budynków, zmniejszonego zużycia energii i niższych kosztów eksploatacji. 

Dodatkowo poprawia się współczynnik wykorzystania mocy, co polepsza jakość zasilania, oraz poziom diagnostyki systemu, a otwarte protokoły komunikacyjne ułatwiają serwisowanie. 

Ciągłe dostosowywanie się do zapotrzebowania na chłodzenie gwarantuje większe oszczędności energii i dokładną regulację temperatury.

Sprężarka dopasowuje pobór mocy do wydajności chłodniczej. Urządzenie skutecznie radzi sobie ze zmianami temperatury i pracuje z częściowym obciążeniem, co może stanowić ponad 30% redukcję kosztów energii w skali roku w porównaniu ze stałą prędkością obrotową lub sprężarką modulowaną mechanicznie. Stabilna regulacja temperatury zabezpiecza procesy w optymalny sposób i zapewnia większy komfort. W sumie podnosi to efektywność energetyczną w budynkach.

Płynna regulacja wydajności tłumi szczytowe zapotrzebowania na moc, co również przyczynia się do zwiększenia niezawodności sieci i jakości dostarczanej mocy.

Sterowanie płynnym rozruchem prowadzi do uzyskania prądu rozruchowego bliskiego zeru i poprawia wartość współczynnika EER:

• Bezpośrednie podłączenie agregatu sprężarkowego (DOL) powoduje podczas rozruchu pobranie 5 do 6 razy większego prądu niż wartość znamionowa do momentu osiągnięcia przez sprężarkę prędkości roboczej. Tradycyjna sprężarka o stałej prędkości w układzie może wykonać 8–12 cykli rozruchu/zatrzymania, przy czym każdy rozruch będzie powodował wysoki pobór prądu, prowadząc do dużego zużycia mocy i obciążenia sieci zasilającej oraz części mechanicznych sprężarki.
• Większość sprężarek spiralnych z falownikiem charakteryzuje łagodny rozruch, co pozwala uniknąć skoków momentu obrotowego. Zapobiega to wysokim obciążeniom mechanicznym maszyny, a także generuje niższe koszty eksploatacji i ogranicza zużycie. Niski prąd rozruchowy pomaga również obniżyć koszty stałe naliczane przez dostawców energii (wyznaczanie szczytowego prądu) oraz redukuje obciążenia sieci i systemów zasilania awaryjnego.

Dodatkowymi zaletami sprężarek z falownikiem są:

• Lepsza regulacja wilgotności zapewniana przez funkcję regulacji wydajności, a tym samym lepsza regulacja temperatury parowania sprawiająca, że urządzenia można montować nawet w ośrodkach SPA.
• Mniejszy hałas niż w przypadku tradycyjnych systemów on-off podczas pracy przy częściowym obciążeniu.
  Obok standardowych zalet agregatów sprężarkowych z falownikami, firma Danfoss Commercial Compressors oferuje już wstępnie dobrane sprężarki i napędy przeznaczone do wspólnej pracy.

Dzięki temu długą listę korzyści dla producentów, inżynierów-konsultantów i użytkowników końcowych uzupełniają:

• Zmniejszona liczba elementów w systemie
• Wyższa niezawodność i ciągła praca
• Łatwiejsze wdrażanie technologii
• Obniżenie kosztów przypisanych
• Szybsze wprowadzenie na rynek.

Rysunek 1

Zużycie energii w układach chłodniczych wykorzystujących różne konfiguracje sprężarek. Średni wskaźnik zużycia oparty na symulacjach dla sprężarek o wydajności 10 – 30 TR w układach o niskim sprężu (centrale dachowe); Współczynnik 100 = zużycie energii przez sprężarkę spiralną z falownikiem Danfoss VZH.

Rysunek 2

Typowy profil obciążenia w budynku.
Tylko kilka procent operacji mających miejsce w budynku odbywa się przy pełnym obciążeniu. Systemy HVAC są przeznaczone do pracy w warunkach szczytowych (prawa strona wykresu). Przez większość czasu sprzęt nie będzie pracować w tych warunkach. Wykres przedstawia typowe roczne dane klimatyczne oraz liczbę godzin pracy (% roku) dla poszczególnych warunków. 

Źródło: narzędzie Danfoss HVAC

dobór sprężarek i napędów, niezawodność i wydajność systemu zależna od umiejętności projektantów.

Rola przetwornicy częstotliwości: Sprężarka i przetwornica muszą być skonfigurowane pod kątem wspólnej pracy oraz przewidzianych zastosowań. Przetwornica moduluje prędkość sprężarki i uniemożliwia jej pracę poza zakresem roboczym. Przetwornice częstotliwości muszą korzystać z algorytmów opracowanych specjalnie pod kątem ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) lub chłodzenia. Dzięki nim system działa w zakresie dopuszczalnym dla danego zastosowania. Przetwornica może również zarządzać innymi urządzeniami, takimi jak zawory wtrysku oleju lub zespoły sprężarek. Wraz ze zmianą prędkości obrotowej sprężarki następuje wzrost lub spadek ilości czynnika chłodniczego i oleju przepływającego przez sprężarkę. Przetwornica optymalizuje smarowanie sprężarki przy wszystkich prędkościach jej pracy.

Umiejętności producentów OEM w zakresie integracji układów falownikowych: nie wszyscy producenci OEM są przygotowani do wdrożenia układów falownikowych – przyczyny są następujące:

1. Kompetencje i doświadczenie inżynierów OEM we wdrażaniu tych rozwiązań. Duże doświadczenie w dziedzinie mechaniki musi być uzupełnione umiejętnościami w zakresie elektrotechniki oraz rozbudowy i programowania sterowników.
2. Sprężarki z falownikiem stale zmieniają prędkość, dostosowując ją do obciążenia, co sprawia, że zarządzanie olejem w układzie jest bardziej złożone w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. Sprawne zarządzanie olejem jest kluczowym zagadnieniem, gdy nie są wykorzystywane sprężarki bezolejowe – tutaj dużą rolę odgrywa doświadczenie producenta sprężarek.
3. Wsparcie dla producentów OEM ze strony producentów sprężarek i falowników ma kluczowe znaczenie dla integracji systemów.

Błędne przekonania dotyczące układów o zmiennej prędkości

Zastosowanie falowników opóźnia reakcję na zmiany obciążenia: czas zwiększania/zmniejszania prędkości niektórych sprężarek spiralnych z falownikiem wynosi od 0,1 s do 3600 s. Podczas pracy z pełnym obciążeniem straty falownika wynoszą 5–10%, a przy pełnej prędkości – 3%. Ponieważ praca z pełnym obciążeniem jest stosunkowo rzadka, ogólne straty będą minimalne.

Natężenie przepływu oleju wzrasta podczas pracy z wysoką częstotliwością: elektroniczne sterowanie w niektórych sprężarkach spiralnych z falownikiem może zmniejszyć je do 3%. Zarządzanie olejem w układach ze sprężarką z falownikiem jest bardziej złożone. Niektóre sprężarki spiralne z falownikiem sterują cyrkulacją oleju przy niskiej i wysokiej prędkości, minimalizując wymagania dostosowania układu.

Falowniki nie mogą być stosowane tam, gdzie problem stanowi EMC (kompatybilność elektromagnetyczna): niektóre rozwiązania wykorzystujące falowniki zapewniają 2 poziomy filtracji EMC spełniające najsurowsze europejskie normy dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych.

Unikaj przewymiarowania systemu, obniżaj rachunki za energię elektryczną i redukuj prąd rozruchowy – zwiększony komfort i usprawnione procesy to kluczowe aspekty skłaniające ku zmiennej wydajności.

Wiele układów chłodniczych i klimatyzacyjnych wymaga rozwiązań niezawodnych, bardziej efektywnych, zwartych, przyjaznych dla środowiska oraz łatwych w montażu i konserwacji. Wymagania dotyczące chłodzenia zmieniają się w ciągu dnia i w ciągu roku ze względu na zróżnicowane warunki otoczenia, stopień i sposób wykorzystania obiektu, pracę oświetlenia itp.

• W przypadku chłodzenia zapewniającego komfort może również zaistnieć potrzeba stabilnej i dokładnej regulacji temperatury i wilgotności – dotyczy to np. szpitali, placówek IT i telekomunikacyjnych czy chłodzenia procesowego.
• W miejscach takich jak szkoły, restauracje i budynki biurowe istotna jest możliwość dostosowania się systemu chłodzenia do dziennych zmian obciążenia.
• W zastosowaniach procesowych, np. fermentacji, tunelach uprawowych i procesach przemysłowych, dokładne ustawienia temperatury pomagają zapewnić odpowiednią jakość produkcji.

Obecnie ku wygenerowaniu nowych możliwości tworzenia efektywnych, zrównoważonych rozwiązań zmierzają trzy trendy rynkowe: 

• Efektywność energetyczna
• Systemy inteligentne
• Wpływ na środowisko

Efektywność energetyczna nie jest już opcją. Przepisy dotyczące energii ulegają zaostrzeniu. Na całym świecie opracowywane są kodeksy i normy energetyczne dla budynków, popularność zyskują również inicjatywy wspierające ekologiczne przedsięwzięcia. Kolejnym globalnym problemem jest bezpieczeństwo energetyczne. W jaki sposób możemy zagwarantować, że pewnego dnia nie zabraknie nam energii?

Instalacje HVAC i chłodnicze są zazwyczaj projektowane z uwzględnieniem szczytowego zapotrzebowania, które stanowi jedynie niewielki procent rzeczywistego zakresu eksploatacyjnego. Takie przewymiarowanie prowadzi do zmniejszenia efektywności oraz generuje dodatkowe koszty. Zorientowana na efektywność energetyczną modulacja wydajności to sposób na dopasowanie wydajności chłodniczej do zapotrzebowania, a zatem do wymogów związanych z danym zastosowaniem.

Istnieje kilka sposobów modulacji wydajności chłodniczej w systemach chłodniczych, klimatyzacyjnych i grzewczych. Najbardziej znane i rozpowszechnione w klimatyzacji są: praca przerywana, upust gorącej pary, równoległe układy wielosprężarkowe, mechaniczne układy regulacji (zwane również cyfrowymi) i rozwiązania oparte na wykorzystaniu falowników. Każda z tych metod ma swoje zalety i wady.

• Praca przerywana: powoduje wyłączenie sprężarki o stałej prędkości przy małym obciążeniu, może prowadzić do pracy w krótkich cyklach i zmniejszyć żywotność sprężarki. Efektywność pracy urządzenia spada na skutek cyklicznych zmian ciśnienia i strat stanów przejściowych. Współczynnik redukcji wydajności wynosi 100% lub 0%.
• Upust gorącej pary: polega na odprowadzeniu pewnej ilości pary ze strony tłocznej na ssawną. Sprężarka będzie pracować z taką samą prędkością, ale dzięki obejściu masowy przepływ czynnika chłodniczego krążącego w układzie, a tym samym wydajność chłodnicza, ulega zredukowaniu. To naturalnie przekłada się na bezużyteczną pracę sprężarki w czasie stosowania obejścia. Współczynnik redukcji wydajności waha się od 0 do 100%.
• Równoległa praca sprężarek: w systemie można zainstalować kilka sprężarek w celu zapewnienia szczytowej wydajności chłodniczej. W celu stopniowej zmiany wydajności chłodniczej urządzenia każda ze sprężarek może być uruchomiona lub pozostawać wyłączona. Współczynnik redukcji wydajności wynosi 0/33/66 lub 100% dla konfiguracji trzech sprężarek o tych samych parametrach oraz 0/50 lub 100% dla tandemu.
• Sprężarka z regulacją mechaniczną: wewnętrzna mechaniczna modulacja wydajności sprężarek spiralnych opiera się na okresowym przerywaniu procesu sprężania z wykorzystaniem zaworu sterującego, który powoduje rozsunięcie się spiral na określony czas. Metoda ta zmienia przepływ czynnika chłodniczego przez zmianę względnego czasu sprężania, ale nie rzeczywistej prędkości obrotowej silnika. Pomimo znakomitego zakresu regulacji wydajności – od 10 do 100% – mechanicznie modulowane sprężarki spiralne zużywają dużo energii, ponieważ silnik pracuje w sposób ciągły.
• Agregat sprężarkowy z falownikiem: wykorzystuje przetwornicę częstotliwości – zwaną również falownikiem – która płynnie zmniejsza lub zwiększa obroty silnika napędzającego sprężarkę. Metoda ta zmienia przepływ czynnika chłodniczego przez redukcję prędkości obrotowej wału sprężarki. Współczynnik redukcji wydajności zależy od konfiguracji układu i producenta. Zakres modulacji wynosi od 10% (w zależności od modelu sprężarki) do 100% przy pełnej wydajności przy wykorzystaniu jednego falownika.

Klimatyzacja odpowiada za około 20% całkowitego rocznego zużycia energii elektrycznej w krajach takich jak USA. Wprowadzenie falowników do układów klimatyzacji i pomp ciepła stanowi okazję do znacznych oszczędności energii dzięki efektywnej pracy przy częściowym obciążeniu, a także przyczynia się do poprawy jakości zasilania z sieci. 

Współczynnik mocy jest ważnym miernikiem pracy, jaką musi wykonać przedsiębiorstwo energetyczne, aby dostarczać energię elektryczną. 

Zwiększenie współczynnika mocy w instalacji może mieć bezpośredni wpływ na jakość zasilania. W przypadku dostawców energii elektrycznej oznacza to mniejsze straty i większą niezawodność usług. Dla właścicieli budynków i domów oznacza to z kolei bardziej efektywną pracę wyposażenia z możliwością korzystania z lokalnych programów pomocowych oraz państwowych i/lub regionalnych programów motywacyjnych. 

Współczynnik mocy jest połączeniem współczynnika przesunięcia (przemieszczenia mocy czynnej i biernej) i współczynnika odkształcenia (zniekształcenia mocy elektrycznej spowodowanego harmonicznymi).

Współczynnik mocy bliski 1 oznacza:

• Brak zakłóceń w pracy innych zamontowanych urządzeń,
• Brak zakłóceń w sieci zasilającej, 
• Zmniejszone straty i wyższą efektywność. 

Zastosowanie falowników pozwala na znaczne zwiększenie współczynnika mocy, ponieważ współczynnik przesunięcia jest bliski 1. Ze względu na harmoniczny współczynnik odkształcenia ma jednak negatywny wpływ na transformatory, okablowanie, bezpieczniki i wyłączniki obwodów. 

Falowniki marki Danfoss charakteryzują się niskim współczynnikiem zniekształceń i wysokim współczynnikiem mocy (0,98) dzięki korekcji z dławika DC, podczas gdy współczynnik mocy innych przemienników częstotliwości lub systemów modulowanych mechanicznie może osiągać nawet 0,60. 

Inne zalety odpowiednio dobranej korekcji napędu w rozwiązaniach wykorzystujących falowniki Danfoss: 

• Natychmiastowe zwiększanie napięcia sieciowego w razie potrzeby, prowadzące do poprawy możliwości pracy przy niskich napięciach zasilania. 
• Zwiększenie napięcia w cewce prądu przemiennego, zmniejszające natężenie prądu i obciążenia w całym łańcuchu komponentów mocy przy jednoczesnej minimalizacji kosztów. 
• Wyższe napięcie obwodu pośredniego zmniejsza prąd silnika i straty. 
• Aktywna korekcja współczynnika mocy (PFC) może być włączana i wyłączana w zależności od potrzeb, aby zapewnić najlepszą wydajność systemu.

Sprężarka inwerterowa przeznaczona jest do pracy z napędem, który bezstopniowo reguluje prędkość silnika sprężarki w celu zaspokojenia zapotrzebowania na chłodzenie.

Sprężarki takie dzielimy na spiralne, rotacyjne lub tłokowe, półhermetyczne, otwarte, w tym sprężarki śrubowe, odśrodkowe i osiowe. Ten typ sprężarki wykorzystuje specjalny napęd do sterowania prędkością silnika (mierzoną w obrotach na sekundę – RPS). Sprężarki z falownikami mogą pracować z różnymi prędkościami: sprężarki z falownikiem są zaprojektowane pod kątem pracy z różnymi prędkościami silnika, co skutkuje modulowanym masowym przepływem czynnika chłodniczego i oleju oraz zmienną wydajność chłodniczą.

Napęd o zmiennej częstotliwości wskazuje na konieczność chłodzenia silnika sprężarki. Silnik w sposób ciągły dostosowuje swoją prędkość w celu uzyskania większej lub mniejszej wydajności chłodniczej, aby dokładnie dopasować ją do zapotrzebowania. Połączenie dwóch urządzeń – sprężarki i napędu – pozwala na ciągłą modulację wydajności chłodniczej. Zasada zmiennej prędkości obrotowej wymaga bardzo solidnej sprężarki do pracy przy pełnej prędkości obrotowej oraz specjalnego układu smarowania sprężarki w układach wykorzystujących olej. Precyzyjne zarządzanie olejem jest kluczowym wymogiem mającym na celu zapewnienie trwałości sprężarki. System zarządzania olejem gwarantuje dobre smarowanie zestawu spiralnego przy niskiej prędkości obrotowej i zapobiega wyrzucaniu nadmiernej ilości oleju do układu podczas pracy z pełną prędkością obrotową, zapewniając utrzymanie właściwego krążenia oleju.