Taajuusmuuttajien energian takaisinkytkentälaitteiden toimittajat muistuttavat, että nykyaikaisessa teollisuusautomaatiotuotannossa pumppujen, puhaltimien ja muiden laitteiden sovellusalueet laajenevat jatkuvasti. Niiden sähköenergiankulutus, ohjauslevyjen, venttiilien ja muiden laitteiden kuristushäviöt sekä päivittäiset huolto- ja korjauskustannukset muodostavat lähes 20 % kustannuksista. Tämä on huomattava tuotantokustannuserä. Talouden kehittyessä, uudistusten syventyessä ja markkinakilpailun kiristyessä energiansäästöstä ja kulutuksen vähentämisestä on vähitellen tullut tärkeä keino parantaa tuotteiden laatua ja alentaa tuotantokustannuksia.
1. Muuttuvan taajuuden energiansäästötekniikan perusteoria
Taajuusmuunnostekniikan perusperiaate on, että sähkölaitteiden käyttämän vaihtovirran taajuus pidetään vakiona pitkän aikaa. Taajuusmuunnostekniikan tarkoituksena on tehdä taajuudesta resurssi, jota voidaan säätää ja hyödyntää vapaasti. Nykyään aktiivisin ja nopeimmin kehittyvä muuttuvan taajuuden tekniikka on muuttuvan taajuuden nopeuden säätötekniikka.
Taajuusmuunnostekniikka sisältää tietokonetekniikan, tehoelektroniikan tekniikan ja klikkaussiirtotekniikan. Se on kattava teknologia, joka yhdistää mekaaniset laitteet sekä vahvan ja heikon sähkön. Se viittaa tehotaajuusvirran signaalin muuntamiseen muille taajuuksille, mikä saavutetaan pääasiassa puolijohdekomponenttien avulla. Sitten vaihtovirta muunnetaan tasavirraksi, ja invertteri säätelee virtaa ja jännitettä samalla, kun saavutetaan sähkömekaanisten laitteiden portaaton nopeuden säätö. Yhteenvetona voidaan todeta, että taajuusmuunnostekniikka on moottorin nopeuden säätämistä muuttamalla virran taajuutta, mikä ohjaa tehokkaasti moottorilaitteita. Kaikki tämä saavutetaan virran taajuuden ja moottorin nopeuden vuosittaisen kasvun perusteella. Taajuusmuunnostekniikan ominaispiirteenä on, että se voi varmistaa moottorin sujuvan toiminnan, ohjata automaattisesti kiihdytystä ja hidastusta sekä vähentää energiankulutusta ja parantaa samalla työtehokkuutta.
Taajuusmuuttajien päivittäisessä käytössä käytetään pääasiassa suoraa momentin säätöä ja vektorisäätöä. Taajuusmuuttajien tulevaisuudessa kehitetään tekoälyverkkoja ja sumeita itseoptimointimenetelmiä. Lisäksi taajuusmuuttajien kehittyessä niiden kattavuus kasvaa jatkuvasti. Perusnopeuden säätötoimintojen lisäksi niissä on sisäisesti asetettuja kommunikointi-, ohjelmointi- ja parametrien tunnistustoimintoja.
2. Taajuusmuuttajan energiansäästöperiaate
2.1 Muuttuvan taajuuden energiansäästömenetelmät
Nestemekaniikan mukaan teho = paine * virtausnopeus. Virtausnopeus ja nopeus korotettuna yhden potenssiin ovat verrannollisia, paine on verrannollinen nopeuden neliöön ja teho on verrannollinen nopeuden kuutioon. Jos vesipumpun hyötysuhde on kiinteä, virtausnopeuden pienentyessä nopeus pienenee suhteessa ja myös lähtöteho pienenee kuutiollisessa suhteessa. Siksi vesipumpun nopeus on suunnilleen verrannollinen moottorin tehonkulutukseen. Esimerkiksi kun 55 kW:n vesipumpun moottoria käytetään 80 %:lla alkuperäisestä nopeudestaan, sen tehonkulutus on 28 kW/h ja virransäästöaste on 48 %. Mutta jos nopeutta säädetään 50 %:iin alkuperäisestä, virrankulutukseksi tulee 6 kilowattia tunnissa ja virransäästöaste on 87 %.
2.2 Tehokertoimen kompensoinnin käyttöönotto energian säästämiseksi
Loisteho ei ainoastaan aiheuta laitteiden lämpenemistä ja johtimien kulumista, vaan mikä tärkeintä, tehokertoimen lasku johtaa sähköverkon pätötehon laskuun. Tämän seurauksena sähkölinjoissa kuluu suuri määrä loisenergiaa, mikä johtaa laitteiden hyötysuhteen laskuun ja vakavaan hukkaan. Muuttuvan taajuuden nopeussäätölaitteen käytön jälkeen loistehon häviö pienenee entisestään taajuusmuuttajan sisällä olevan suodatuskondensaattorin ansiosta, mikä lisää sähköverkon pätötehoa.
2.3 Pehmeän käynnistyksen käyttö energian säästämiseksi
Koska moottori käynnistetään Y/D-käynnistyksellä tai suorakäynnistyksellä, käynnistysvirta on neljästä seitsemään kertaa nimellisvirtaan verrattuna, mikä voi aiheuttaa vakavia vaikutuksia sähköverkkoon ja sähkömekaanisiin laitteisiin. Lisäksi tämä vaatii sähköverkolta erittäin suurta kapasiteettia, mikä aiheuttaa suhteellisen suuren virran käynnistyksen aikana ja aiheuttaa merkittäviä vaurioita venttiileille ja ohjauslevyille tärinän aikana, mikä on myös erittäin haitallista putkistojen ja laitteiden käyttöiän kannalta. Taajuusmuuttajien käytössä hyödynnetään taajuusmuuttajan pehmeäkäynnistystoimintoa virran käynnistämiseksi nollasta, eikä maksimiarvo ylitä nimellisvirtaa. Näin vaikutus sähköverkkoon ja virransyötön kapasiteetin vaatimukset vähenevät huomattavasti, ja venttiilien ja laitteiden käyttöikä pitenee huomattavasti.
3. Muuttuvan taajuuden energiansäästötekniikan sovellusesimerkkejä
Käytimme esimerkkinä muuttuvataajuisen nopeussäätimen asentamista 160 kW:n kiertovesipumppuun muuttuvataajuisen energiansäästölaitteiston jälkiasennuksessa. Testasimme sähkönkulutusta ennen ja jälkeen jälkiasennuksen ja saavutimme erittäin tyydyttäviä tuloksia.
3.1 Ohjaustila ennen taajuusmuunnosmuunnosta
Kiertovesipumpun käytössä, kun virtausnopeus muuttuu prosessivaatimusten vuoksi, on tarpeen säätää pumpun ulostulon ja sisääntulon aukkoa pumpun todellisen virtausnopeuden muuttamiseksi. Tätä säätömenetelmää kutsutaan kuristussäädöksi. Tässä esimerkissä ulostulon ja sisääntulon venttiilien aukko on noin 60 %. Energiankäytön näkökulmasta tämä on erittäin epätaloudellinen säätömenetelmä.
3.2 Ohjaustila taajuusmuunnoksen jälkeen
Kiertovesipumpun toiminnassa, kun virtausnopeus muuttuu prosessivaatimusten vuoksi, sekä tulo- että poistoventtiilit avataan kokonaan. Säätämällä moottorin nopeutta voidaan löytää sopiva ja uusi toimintapiste sopivan virtausnopeuden saavuttamiseksi. Todellisen tilanteen ja paikan tarpeiden mukaan voidaan toteuttaa manuaalinen tai automaattinen ohjaus. Tässä esimerkissä, koska virtausnopeutta ei tarvitse säätää usein, moottorin todelliseksi toimintataajuudeksi määritetään 40 Hz todellisen tilanteen ja paikan tarpeiden perusteella, ja manuaalista ohjausta käytetään pääasiassa energian säästämiseksi.
4. Toiminnan muutokset muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmän käytön jälkeen
Täydellinen pehmeä käynnistys on saavutettu. Kun moottori käynnistyy, roottorin nopeus kasvaa vähitellen tulovirran taajuuden mukana, mikä johtaa tasaiseen nopeuden kasvuun. Koko järjestelmän käynnistysaika on asetettu noin 20 sekuntiin, mikä ei vaikuta järjestelmään ja on tasaisempi kuin alkuperäinen käynnistysmenetelmä.
Myös sähköverkossa käytettävää virtaa on pienennetty merkittävästi, mikä tekee sähkölaitteiden käytöstä turvallisempaa. Samalla taajuuden laskiessa myös moottorin nopeus laskee, mikä vähentää mekaanista kulumista ja pienentää huomattavasti vikaantumisen todennäköisyyttä ja ylläpitokustannuksia. Vesipumpulle sähköenergiaa syöttävä muuntaja on säästänyt suurimman osan virransyöttökapasiteetista. Pelkästään aktiivikuorman pienentämisellä säästetty kapasiteetti on noin 50 kilowattia, mikä parantaa laitteen käyttöastetta. Myös moottorin tehokerroin paranee vastaavasti, mikä tekee moottorin käytöstä taloudellisempaa.
Taajuusmuunnostekniikan käyttö on parantanut tuotteiden laatua, vähentänyt energiankulutusta, säästänyt energiaa ja lisännyt yritysten taloudellisia hyötyjä. Taajuusmuunnosnopeuden säätötekniikan soveltaminen edellyttää näiden laitteiden muuttamista energiansäästön saavuttamiseksi.