Układy pompowe, czy też wentylatorowe ze względu na swoją charakterystykę pracy wymagają regulacji przepływu w bardzo szerokim zakresie. W takich systemach zapotrzebowanie na pompowane medium może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie, co niejako wymusza zastosowanie wielu urządzeń pracujących w kaskadzie.

Jak wspomniano we wstępie, układ sterowania kaskadowego można również zastosować dla wentylatorów, szczególnie jeśli zachodzi potrzeba zapewnienia regulacji przepływu powietrza w bardzo szerokim zakresie.

Takie rozwiązanie może być użyteczne np. w chłodnicach wentylatorowych. Moc chłodnicza chłodnicy z wieloma wentylatorami może być regulowana następującymi sposobami:

a) skokowo przez włączanie do sieci zasilającej kolejnych wentylatorów; 

b) płynnie pracą wszystkich wentylatorów; 

c) płynnie w układzie kaskadowym wentylatorów.

Skokowa regulacja przez włączanie do sieci wentylatorów, pomimo pozornej prostoty, ma kilka wad:

• niezbędny jest kontroler nadzorujący temperaturę mediów i włączający kolejne wentylatory;
• ze względu na bezpośredni rozruch silników ograniczona jest liczba startów na godzinę,
• skokowa zmiana wydajności chłodzenia,
• wynikająca z dwóch powyższych właściwości wada – duży uchyb regulacji

Większości z wad sterowania skokowego można się pozbyć stosując płynne sterowanie prędkością obrotową wszystkich wentylatorów chłodnicy, połączonych równolegle z wyjściem przetwornicy częstotliwości Fuji Electric serii Frenic HVAC. W falowniku tym mamy do dyspozycji 4 regulatory PID (oprócz sterowania prędkością można je wykorzystać do sterowania zaworami itp.), dodatkowe wejścia do włączenia termoelementów typu Pt100/1000 lub Ni100/1000, funkcję wyłączania napędu jeśli prędkość obrotowa spadnie poniżej zaprogramowanego progu, przy którym drastycznie spada wydajność przepływu przez ożebrowanie chłodnicy (obniża to zużycie energii).

Zaletą opisywanego układu z falownikiem Frenic HVAC jest prostota sterowania i zasilania silników. Eliminuje się styczniki, zewnętrzny regulator i przetworniki do termoelementów. Wszystkie funkcje przejmuje falownik, oferując w zamian automatyczną regulację wydajności chłodzenia oraz efekt obniżenia poboru energii (falownik wyposażony jest w rejestr poboru energii w rozbiciu na okresy czasowe).

Do wad można zaliczyć spory koszt inwestycyjny, gdyż moc falownika musi być dobrana do sumy mocy wszystkich silników zainstalowanych na chłodnicy. Wady tej nie posiada układ sterowania kaskadowego opisanego poniżej (rys. 1.).

Rys. 1. Schemat sterowania kaskadą wentylatorów

Układ sterowania kaskadowego z płynnie regulowaną prędkością obrotową wszystkich silników opiera się o sterowanie w zamkniętej pętli regulacji PID oraz sterownik kaskadowy wbudowany do oprogramowania falowników Frenic AQUA – rozbudowanej programowo wersji falowników Frenic HVAC, stosowanej głównie w kaskadowych systemach podwyższania ciśnienia cieczy.

Frenic AQUA może sterować kaskadą złożoną z 4 grup wentylatorów. Ponieważ zasilanie każdej grupy silników może odbywać się poprzez przetwornicę częstotliwości lub bezpośrednio z sieci, to na jedną grupę przypadają dwa styczniki.

Po rozpoczęciu pracy sterownik kaskadowy dołącza do wyjścia przetwornicy silnik o najmniejszej liczbie motogodzin i tak reguluje prędkością, by zminimalizować uchyb regulacji. Jeżeli pomimo osiągnięcia pełnej prędkości pierwszego wentylatora nie udaje się osiągnąć zadanej wartości temperatury, to po zadanym czasie zwłoki sterownik kaskadowy wykona następujące operacje:

• wstrzyma pracę regulatora i beznapięciowo odłączy silnik od wyjścia przetwornicy;
• włączy już rozpędzony do znamionowych obrotów wentylator do sieci zasilającej, a w tym samym czasie włączy kolejny wentylator do wyjścia przetwornicy;
• wznowi pracę przetwornicy i regulatora PID. 

Rys. 2. Wykres czasowo-kontrolny sterowania układu kaskadowego obrazujący sposób przełączania silników pomiędzy falownikiem i siecią zasilającą

W przypadku ciągłego zwiększania zapotrzebowania na moc chłodniczą sterownik kaskady w analogiczny sposób włącza kolejne grupy wentylatorów. Jeśli zapotrzebowanie na moc spada, spadają również obroty wentylatora zasilanego z falownika. Po osiągnięciu dolnego progu prędkości, sterownik kaskady odłącza od sieci najdłużej pracujący silnik, jednocześnie zwiększając obroty silnika włączonego do wyjścia przetwornicy częstotliwości.

System kaskadowy z falownikiem Frenic AQUA pozwala osiągnąć optymalne sterowanie wentylatorami przy zachowaniu niedużych nakładów inwestycyjnych. Doboru przetwornicy Frenic AQUA dokonuje się na podstawie sumy mocy jednego lub kilku wentylatorów pracujących w grupie, co pozwala na zastosowanie falownika o mocy 25% w stosunku do rozwiązania z falownikiem HVAC.

Dodatkowym atutem, jest automatyczne równoważenie czasu pracy wentylatorów, automatyczna podmiana pracujących przez dłuższy czas wentylatorów (np. przy utrzymujących się przez dłuższy czas stabilnych warunkach pracy) oraz możliwość programowego ominięcia wybranych wentylatorów (np. na czas prac serwisowych).

Uruchomienie oraz kalibrację systemu ułatwia program narzędziowy AQUA/HVAC Loader. Pozwala on na monitorowanie i rejestrację zarówno wartości temperatur, prędkości silnika, pobieranej mocy itp. jak również stanu wszystkich wejść i wyjść falownika.

Tomasz ŚLIWAKOWSKI
Inżynier aplikacyjny,
Amtek spol. s r.o. Sp. z o.o,
oddział w Polsce