Metoda regulacji wydajności przez zmianę prędkości obrotowej napędów elektrycznych staje się coraz bardziej powszechna. Sterowanie to umożliwia zmniejszenie zapotrzebowania na moc chłodniczą, obniżając przy tym zużycie energii elektrycznej, a także wydłuża żywotność poszczególnych podzespołów, co obniża koszty konserwacyjne i serwisowe.

Tryb pracy instalacji chłodniczych jest nieustalony, ponieważ zmienia się obciążenie cieplne w przeciągu zarówno doby jak i roku. Na obciążenie cieplne wpływ mają jednak nie tylko warunki atmosferyczne, ale również warunki „wewnętrzne”, takie jak na przykład dostawa nowego towaru do chłodni. W związku z powyższym instalacja chłodnicza musi odebrać w różnych jednostkach czasu różną ilość ciepła. Taka praca wymusza stosowanie różnego rodzaju płynnych regulacji wydajności, aby urządzenia były efektywne energetyczne, a ich praca była płynna. Jedną z metod sterowania mocą chłodniczą jest wykorzystanie przemienników częstotliwości zwanych potocznie falownikami. Przemienniki te umożliwiają zmianę częstotliwości prądu standardowo z 50Hz na prawie dowolną wartość.

Rys. 1. Zasada działania przemiennika częstotliwości

Zasada działania przemiennika częstotliwości

Na rysunku 1. przedstawiono zasadę działania przemiennika częstotliwości. Zaprezentowany przypadek dotyczy sytuacji, gdy zasilany jest silnik 3-fazowy prądu zmiennego. Prąd zmienny z sieci konwertowany jest w prąd stały, a następnie prąd stały zamieniany jest znów w prąd zmienny, tyle, że już o innej częstotliwości. Częstotliwość uzależniona jest od sygnału sterującego, doprowadzanego do falownika z układu, który dany silnik obsługuje. Sygnałem takim może być np. temperatura w komorze – w zależności od wymaganej mocy chłodniczej silnik pracuje przy różnych wydajnościach, płynnie pokrywając zapotrzebowanie na moc. Reasumując, uzyskany prąd zmienny wykorzystywany jest do napędu silnika elektrycznego prądu zmiennego, którego prędkość obrotowa zależy od częstotliwości prądu.

W instalacjach chłodniczych falowniki wykorzystywane są do regulacji prędkości obrotowej sprężarek, wentylatorów skraplacza lub pomp medium pośredniczącego, jeżeli urządzenie chłodnicze z takim współpracuje. Regulacja sprężarki pozwala na płynną zmianę mocy chłodniczej w zależności od wymaganej w tym momencie wydajności. Regulacja prędkości obrotowej wentylatorów skraplacza pozwala na utrzymywanie zadanego ciśnienia skraplania w ciągu całego roku. Natomiast regulacja pompy czynnika pośredniczącego pozwala na dopasowanie przepływu płynu roboczego do wymaganych warunków.

Przetwornica częstotliwości VLT Refrigeration Drive FC103

Jeden z producentów, firma Danfoss, opracował przetwornicę częstotliwości VLT Refrigeration Drive FC103. Przykład aplikacji tych falowników dla różnych napędów w instalacji chłodniczej przedstawia rysunek 2.

Rys. 2. Przykład aplikacji przemienników częstotliwości w instalacji chłodniczej [1]

Falowniki VLT wykorzystywane mogą być do regulacji wydajności sprężarki, wentylatorów skraplacza i pomp obiegowych glikolu dolnego źródła ciepła. Pompy obiegowe zapewniają przepływ pośredniego płynu, ochładzanego w instalacji pośredniej medium chłodzącego. W zależności od wymaganej ilości czynnika ochładzanego (otwartych odbiorów), pompy regulują przepływ czynnika przez instalację i parownik. Zmniejszenie zapotrzebowania na chłód powoduje zmniejszony przepływ glikolu przez parownik, a to z kolei powoduje spadek zapotrzebowania układu na moc chłodniczą. Zatem spadek temperatury na parowniku powoduje zmniejszenie obrotów silnika sprężarki, przez co wydajność całego urządzenia maleje. Regulacja obrotów wentylatorów skraplacza natomiast zapewnia utrzymanie ciśnienia skraplania na stałym poziomie niezależnie od zmiennych warunków atmosferycznych w ciągu roku. Zaprezentowany na rysunku 2. układ wyposażony jest również w wymiennik odzysku ciepła końca sprężania. Falownik jest tutaj również wykorzystany do regulacji przepływu wody przez ten wymiennik.

Rys. 3 Rodzina przemienników częstotliwości VLT Refrigeration Drive FC103 firmy Danfoss

Układ bez regulacji wydajności pracuje przy pełnej prędkości, niezależnie od zmiany zapotrzebowania na moc. Po osiągnięciu temperatury punktu nastawy urządzenie wyłączy się. Nagły wzrost zapotrzebowania na chłód spowoduje załączenie się sprężarki i proces obniżania temperatury zacznie się od nowa. Praca taka powoduje jednak dość duże wahania temperatury płynu ochładzanego, co jest odczuwalne przy rozległych instalacjach, gdzie proces utrzymania stałej temperatury medium chłodzącego jest kluczowy z punktu widzenia procesu produkcyjnego, lub może też mieć negatywy wpływ na przechowywany towar. Oscylacje temperatury w układzie spowodowane są także przez pracę zaworu rozprężnego, który w zależności od temperatury przegrzania czynnika na wyjściu z parownika dopuszcza odpowiednią porcję czynnika chłodniczego do parownika. Wprowadzenie do takiego układu regulacji wydajności za pomocą przemienników częstotliwości eliminuje problem niestabilnej pracy układu chłodniczego. Poprawa stabilności układu wpływa pozytywnie na wartość współczynnika COP układu, a także zapewnia stałą wartość temperatury medium ochładzanego w układzie chłodniczym. Efektem takiej pracy są znaczne oszczędności energii. Korzyści wynikające z zastosowania regulatorów częstotliwości.

Rys. 4. Rodzina przemienników częstotliwości SED2 firmy Siemens [2]

Sterowanie sprężarką:

• stabilne ciśnienie ssania,
• większa wydajność przy zastosowaniu mniejszej sprężarki,
• wbudowana funkcja soft startera,
• mniejsze udary mechaniczne,
• dłuższy okres eksploatacji dzięki mniejszej liczbie uruchomień i zatrzymań,
• brak mechanicznej regulacji wydajności [1].

(...)

Przemienniki częstotliwości SED2

(...)

Przetwornice serii FR-A700

(...)

Vacon 100 HVAC

(...)

Regulator pomp Wilo

(...)

Podsumowanie

Wykorzystanie regulacji częstotliwości (falowników) w sprężarkach chłodniczych, wentylatorach czy pompach obiegowych pozwala na oszczędzanie energii przy częściowych obciążeniach. Przy układach wielosprężarkowych najlepszym rozwiązaniem jest aplikacja tylko jednej sprężarki z regulacją za pomocą przetwornicy. Poradzi sobie ona ze zmianami wydajności układu, podczas gdy pozostałe sprężarki pracują w systemie włącz/wyłącz. Analogiczne podejście może zostać wykorzystane również w przypadku aplikacji przetwornic do pomp czy wentylatorów.

Wykorzystanie zaproponowanego rozwiązania pociąga za sobą dodatkowe koszty, dlatego też decyzja o jego wdrożeniu przetwornic częstotliwości musi być oparta o liczbę przepracowanych godzin oraz czas pracy instalacji przy pełnym obciążeniu, gdyż od tych czynników zależą możliwe oszczędności energii.

LITERATURA:

[1] Katalog doboru przetwornic częstotliwości VLT® FC 103. Danfoss.
[2] Karty katalogowe przetwornic SED2. Siemens.
[3] Karty katalogowe przetwornic Mitsubishi Electric serii FR-A700.
[4] Karty katalogowe przetwornic Vacon 100 HVAC.
[5] Karty katalogowe pomp Wilo.

Piotr BAJ
Specjalista w dziedzinie chłodnictwa i klimatyacji

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 09/2013