back

Energiahatékonyság frekvencia-átalakítókkal rendelkező, szabályozott fordulatszámú hajtásokkal

Tomi Ristimäki, Termékmenedzser

08/2008

A növekvő energiaárak miatt a vállalatok egyre gyakrabban rákényszerülnek az energia- és költségmegtakarításra. Meglepő, hogy a viták ezen a területen főként az alternatív energiaforrások és az új energiatakarékos technológiák körül forognak, miközben aránylag kevés figyelmet szentelnek azoknak a már létező megoldásoknak, amelyek rendkívüli megtakarításokra adnak lehetőséget. Egy bevált és költségkímélő megoldás a frekvencia-átalakítók (FÁ) fordulatszám-szabályozásra történő használata a fűtő, szellőző és légkondicionáló berendezésekben (FSZL). Csak kevés más ilyen technológia van, amely kevesebb, mint egy év alatt kifizetődik. Ugyanakkor ez az alternatíva számos további előnyt kínál az FSZL rendszer korszerűsített szabályozása révén.

Energia-megtakarítás frekvencia-átalakítós (FÁ) fordulatszám-szabályozással

A térfogatáram-termelő berendezéseket, mint a ventilátorokat, szivattyúkat és kompresszorokat, most is gyakran fordulatszám-szabályozás nélkül alkalmazzák.  Helyette az átfolyást hagyományos módon fojtószelepek, szelepek vagy csappantyúk segítségével ellenőrzik. Ha azonban a térfogatáramot nem változtatható motorfordulatszámmal szabályozzák, a motor folyamatosan teljes sebességgel jár. Mivel azonban a FSZL rendszereknek csak ritkán van szükségük maximális átfolyási vízmennyiségre, egy fordulatszám-szabályozás nélküli rendszer az idő legnagyobb részében jelentős energiamennyiséget elpazarol. Egy FÁ motorfordulatszám-szabályozás akár 70%-os energia-megtakarítást is lehetővé tesz. Az 1. ábra az alapelvet szemlélteti.

1. ábra: Energia-megtakarítás elve frekvencia-átalakítós (FÁ) fordulatszám-szabályozással

Mi az a változtatható frekvenciájú hajtás?

A legtöbb olyan motornál, amelyet a HSZL és a vízvezetékrendszerekben használnak, rövidrezárt forgórészű motorról van szó, amelyet indukciós vagy aszinkronmotorként is ismerünk. Népszerűsége az aránylag alacsony árának, a csekély karbantartási költségeknek és a nagy megbízhatóságának köszönhető. A motorfordulatszám ellenőrzésének egyedüli lehetősége ezeknél a modelleknél viszont az, hogy a bemenő áram (váltóáram) frekvenciáját változtatják: És itt lép be a játékba az FÁ elv.

A frekvencia-átalakítók sokféle néven ismertek, inverterként, Variable Speed Drives-ként (VSD), Variable Frequency Drives-ként (VFD), frekvenciaváltóként vagy frekvencia-átalakítóként.  Mindezen elnevezések mögött ugyanaz az elv érvényesül: egy elektronikus berendezés, a villanymotorok fokozat nélküli fordulatszám-szabályozásához. A mai VFD rendszerek azonban még további hasznos jellemzőkkel rendelkeznek, mint például szabályozó és védőfunkcióval a rendszeren belüli más komponensek számára.

Affinitás-törvények

2. ábra: Az affinitás-törvények a meghajtási sebesség és más paraméterek közötti viszonyt írják le.

A változók - nyomás, átfolyási vízmennyiség, tengelyfordulatszám és áramfogyasztás – közötti összefüggést az affinitás-törvények segítségével lehet kifejezni. Ezek egyaránt érvényesek a radiális és az axiális átömlésű ventilátorokra és szivattyúkra (lásd a 2. ábrát).

Ezekből a törvényekből látható, hogy a térfogatáram a fordulatszámmal egyenes arányban nő, míg a nyomás a fordulatszám négyzetével arányosan viselkedik. Az energia-megtakarítást tekintve az a legfontosabb pont, hogy az áramfogyasztás a fordulatszám harmadik hatványával arányos. Ez azt jelenti, hogy már egy minimális fordulatszám-csökkenés is nagy megtakarításokat eredményezhet az áramfogyasztásban. Így a 2. ábrából látható például, hogy fordulatszám 75%-ánál 75% átfolyási mennyiséget érnek el, azonban az áramfogyasztásnak csak 42%-ára van szükség, amely a teljes átfolyási mennyiség számára volna szükséges.  Ha az átfolyást 50%-ra csökkentjük, ezzel az áramfogyasztás 12,5%-ra csökken.

A fordulatszám-szabályozás összehasonlítása más térfogatáram-szabályozási módszerekkel

Más tipikus térfogatáram-szabályozási lehetőségek:

  • fojtás csappantyúk vagy szelepek segítségével,
  • tolókás táblák alkalmazása a radiális átömlésű ventilátorokban a ventilátorba áramló levegő korlátozására,
  • viszkóz- vagy örvényáram-csatlakozók alkalmazása a forgatónyomaték szabályozáshoz a ventilátor és a motor között,
  • be/kikapcsolással szabályozás,
  • szárnymerevség-állítás az axiális átömlésű ventilátoroknál: megváltoztatják a ventilátorlapokat, hogy szabályozzák a térfogatáramot.

Ezeknek a hagyományos átfolyás-ellenőrzési módoknak a hátránya abban áll, hogy közülük egyiknek sincs közvetlen kihatása az áramfogyasztásra. Vannak lehetőségek, hogy néhány ilyen komponensnél csökkentsék az áramfogyasztást, de egyik sem olyan hatékony az energia-megtakarítás tekintetében, mint a frekvencia-átalakítós fordulatszám-szabályozás, mert a motor ennek ellenére teljes teljesítménnyel jár tovább. A be/kikapcsolással szabályozás ráadásul nagy mechanikai igénybevételt és csúcsnyomásokat okoz a számtalan start-stop és az áramellátási csúcsok miatt, ha a motort FÁ nélkül indítják el.  

A 3. ábra összeveti a szabályozószelepek és -csappantyúk alkalmazása melletti áramfogyasztást a fordulatszám-szabályozás alkalmazása melletti áramfogyasztással.

3. ábra: Összehasonlítás a fojtószelepes ellenőrzés és a fordulatszám-szabályozás között 60%-os átfolyási vízmennyiséggel

Egy tipikus FSZL rendszer terhelési profilja

4. ábra: Egy HSZL rendszer tipikus terhelési profilja. Forrás: UK Department of Trade and Industry.

Egy tipikus rendszer olyan csúcsterhelésre van méretezve, amelyre üzemelés közben ritkán van szükség. Ez tehát annyit jelent, hogy a ventilátorok és szivattyúk üzemidejük nagy részére „túlméretezettek”. A 4. ábra azt mutatja, hogy egy FSZL rendszer normál üzemi pontja többnyire a 100%-os kihasználás alatt van. Az affinitás-törvények figyelembe vételével jelentős megtakarításokat lehetne elérni, ha a szivattyú ill. a ventilátor hajtómotorjának fordulatszáma szabályozható lenne. A lenti ábra azt szemlélteti, hogy az átfolyási vízmennyiség az üzemidő több mint 90%-ában 70% alatt van.

A ventilátorok ill. szivattyúk élettartam-költségei

5. ábra: Tipikus élettartam-költségek a szivattyúknál. Forrás: Hydraulic Institute www.pumps.org

A vételár a ventilátorok és szivattyúk teljes élettartam-költségeinek csak egy kis részét teszi ki. A karbantartás a költségek jelentős részét teszi ki, az üzemköltségek nagy része azonban az energiafogyasztásból adódik. Az 5. ábra egy szivattyú tipikus élettartam-költségeit mutatja be. Ebből világossá válik, hogy az akár 70%-ot is elérő energia-megtakarítások jelentős hatással vannak az élettartam-költségekre. A ventilátorok tipikus élettartam-költségei egyébként nagyon hasonlóak ahhoz, mint amit itt a szivattyúk számára kimutattak.

Speciális funkciók a további energia-megtakarításhoz

6. ábra: CentraLine NX gyártási sorozata (balról): NXL Compact, NXL HVAC és NXS.

A CentraLine NX gyártási sorozata olyan funkciókat kínál, amelyek optimalizálják a szivattyúk és ventilátorok energiafogyasztását. A FÁ-rendszerek rendszerint egy egyenesen arányos frekvencia – feszültség viszony alapján dolgoznak. Ez azt jelenti, hogy a motor frekvenciájának / fordulatszámának 10%-os növelésekor a feszültség is 10%-kal nő. A CentraLine NX gyártási sorozatának frekvencia-átalakítói automata funkcióval, az úgynevezett „flux-optimálással” rendelkeznek, amely optimálissá teheti a feszültségszintet ennek az aránynak a hozzáigazításával. Ez a funkció további, akár 5%-os energia-megtakarítást eredményezhet.

Ezenkívül az egész terméksorozat olyan lehetőséggel is rendelkezik, hogy kikapcsolja a hűtőventilátort, ha éppen nincs rá szükség.  Ez további csekély energia-megtakarítást hoz, és meghosszabbítja a frekvencia-átalakítóban az egyetlen mozgó alkatrész élettartamát.

Energia-megtakarítások a gyakorlatban

7. ábra: CentraLine megtakarítás-kalkulátor ventilátorhajtások számára

Mint már az előzőekben kifejtettük, a költségek és az amortizációs idők értékelésénél figyelembe kellene venni a frekvencia-átalakítóknak köszönhető megtakarításokat.   A ventilátorok és szivattyúk megtakarítási potenciálja számára szolgáló CentraLine számítási programok értékes segítséget kínálnak Önnek abban, hogy kiértékelje megtakarítási lehetőségeit a frekvencia-átalakítókba történő befektetéseknél. A számítási programok az összehasonlításban a leginkább használatos hagyományos szabályozási eljárásokra támaszkodnak, mint az átfolyás-szabályozás fojtószelepek segítségével a ventilátoroknál vagy szelepeknél és a be/ki kapcsolással történő szabályozás a szivattyúk esetében. 

Energia-megtakarítások a ventilátor-alkalmazásoknál

A példa a megtakarítás-kiszámítást mutatja be egy tipikus 5,5 kW teljesítményű, levegő-előkészítőben alkalmazott radiális átömlésű ventilátor számára; a fojtószelepes átfolyás-szabályozást hasonlítja össze egy CentraLine frekvencia-átalakítón keresztül történő fordulatszám-szabályozással.

A kalkulációhoz először is a következő adatokra van szükség:

  • A bejövő gáz adatai: FSZL alkalmazásnál meg lehet maradni a szabvány értékeknél, mert légkeringtetésről van szó.
  • A ventilátor adatai: a névleges térfogatáram és a névleges nyomásemelkedés a ventilátor adatlapján látható.
  • Hatékonyság:

    -        Lehetőség szerint reális értékeket használjon; ellenkező esetben a szabvány értékek jó becsléseket adnak.

    -        A szóban forgó ventilátor közvetlen hajtással rendelkezik, az átviteli együttható tehát l.

    -        A CentraLine frekvencia-átalakítók rendszerint 0,98 együtthatóval jellemezhetők.

  • Energiaárként a tényleges árat kell bevinni, hogy a lehető legpontosabb számítást kapja.
  • Az évenkénti üzemórákat mindig becsléssel kell megállapítani. Ez a kalkuláció évi 80%-os használatból indul ki, tipikus üzemelési ciklusokkal a levegőelőkészítő-alkalmazások számára.
  • A költségkülönbözetnél ebben a kalkulációban a becsült különbözetről van szó egy frekvencia-átalakító és egy ilyen nagyságú fojtószelep-rendszer számára.

A számítás eredménye: egyéves energia-megtakarítási potenciál 992 euró összegű energiaköltség mellett, és 0,65 év amortizációs idő a frekvencia-átalakítóba történő befektetés esetén.

8. ábra: Energia-megtakarítás kiszámítása egy 5,5 kW-os ventilátornál, CentraLine megtakarítás-kalkulátorral

Energia-megtakarítások a kis frekvencia-átalakítóknál, szivattyú-alkalmazásokban

Az alábbiakban bemutatunk egy globális kalkulációt egy közvetlenül rácsatlakoztatott és egy frekvencia-átalakítóval ellenőrzött szivattyúrendszer beruházási költségeinek összehasonlításához.

1. alternatíva, direkt hálózatra (DOL) kapcsolt szivattyú:
Szivattyú és motor (~3 kW) 1000 euro
Beszerelés 1000 euro
A DOL teljes költség: 2000 euro

Energiafogyasztás 15 év alatt
Fogyasztás DOL esetén 394 200 kWh
Energiaköltség DOL esetén (0,09 Euro/kWh felvételével) 35 478 euro


2. alternatíva,
VFD megoldás
Szivattyú és motor (~3 kW) 1000 euro
VFD 800 euro
Beszerelés 1200 euro
A VFD teljes költsége: 3000 euro

Energiafogyasztás 15 év alatt (30%-os energia-megtakarítást feltételezve):
Fogyasztás VFD-vel 275 940 kWh
Energiaköltség VFD-vel (0,09 Euro/kWh) 24 834 euro

Összefoglalás

A frekvencia-átalakítók alkalmazása hidraulikus gépek, úgymint szivattyúk, ventilátorok és kompresszorok fordulatszám-szabályozásához nem új keletű ötlet. Az új technológiák ezen a területen azonban még vonzóbbá teszik ezt az alternatívát az alacsonyabb költségek miatt. A változtatható fordulatszám-szabályozású villanymotorok alkalmazása a HSZL rendszerekben nagy energia-megtakarítási potenciált kínál föl. Ez a technológia tehát képes arra, hogy lényeges mértékben hozzájáruljon az energiatakarékossági politika területén a helyi és a nemzetközi egyezmények és szabványok betartásához, és a CO2 kibocsátás csökkentéséhez.

Szerző

Tomi Ristimäki

Termékmenedzser

CentraLine c/o Honeywell GmbH