Drukuj

Odzyskiwanie energii elektrycznej w aplikacjach napędowych z falownikami Danfoss Drives

W artykule przygotowanym przez firmę Schulz Infoprod, która od wielu lat jako Autoryzowany Dystrybutor współpracuje z Danfoss, przedstawiono rozwiązania kontroli energii oddawanej przez napęd w trakcie dynamicznego hamowania.

W wielu układach napędowych silnik elektryczny może pracować przez część cyklu maszyny w trybie generatorowym, czyli wytwarzać energię elektryczną. Dzieje się tak na przykład w aplikacji o dużej inercji obciążenia przy zmianie obrotów falownikiem z wyższych na niższe czy też podczas zatrzymywania napędu. Przykładem takiego układu jest wentylator osiowy lub wirówka odśrodkowa.

W czasie hamowania układu napędowego energia z silnika musi zostać odprowadzona na zewnątrz. Najprostszym sposobem jest rozproszenie tej energii w postaci ciepła na rezystorze hamowania. Nie jest to sposób ekonomiczny, chyba że energia cieplna zostanie w pełni wykorzystana w towarzyszącym procesie i w ten sposób zaoszczędzimy energię potrzebną do procesu. W praktyce pojawiającą się podczas hamowania energię należy wykorzystać w sposób jak najbardziej ekonomiczny.

Najbardziej wydajną metodą odzyskania energii jest zastosowanie falowników z możliwością zwrotu energii bezpośrednio do sieci zasilającej nazywanych AFE (ang. Active Front End) lub AIC (ang. Active Infeed Converter$) - Falowniki AFE/AIC są wyposażone w sterowany mostek prostownikowy, filtr LCL i sterownik z odpowiednim oprogramowaniem obsługującym przepływ energii zwracanej do sieci zasilającej.

W układzie z kilkoma falownikami, gdzie występuje częste hamowanie, możemy je połączyć wspólną szyną napięcia DC i przekazywać energię obwodu pośredniego danej aplikacji do innych falowników i w ten sposób „zasilić" je energią odzyskaną z hamowania. Istnieją jednak pewne dodatkowe wymagania dla konfiguracji napędu ze wspólną szyną DC. Użytkownik musi zabezpieczyć połączenia DC pomiędzy falownikami, tak aby awaria któregokolwiek z nich nie wykluczyła z pracy pozostałych i aby w przypadku braku energii hamowania wszystkie mogły pracować z pełną wydajnością. Dodatkową zaletą współpracy falowników na wspólną szynę DC jest odporność na krótkotrwałe zaniki napięcia zasilającego (nawel o 40% wartości nominalnej). Największym obszarem dla zastosowania aplikacji ze wspólna szyną DC jest przemysł metalurgiczny, papierniczy oraz systemy transportu bliskiego, np. podajniki nachylone - opadające. W praktyce należy wziąć pod uwagę trzy czynniki decydujące o opłacalności zastosowania falownika ze zwrotem energii do sieci zasilającej.

Ilość odzyskiwanej energii hamowania

Energia w układzie napędowym jest generowana podczas zmniejszania prędkości. Dynamika (częstość) hamowania decyduje o ilości generowanej energii. Teoretycznie energia generowana w układzie napędowym podczas hamowania wynosi 50% różnicy energii początkowej i końcowej cyklu, w praktyce w większości aplikacji ilość dostępnej do odzyskania energii jest rzędu 10-20%. Wyjątkiem są aplikacje windowe i dźwigowe. Jednak i tu, ze względu na różne sprawności silników (układu napędowego) i częste przewymiarowanie ich układu, bilans energii różni się od teoretycznego.

Straty energii

Silniki, kable, przekładnie, a także sam falownik aktywny AFE są elementami, w których jest tracona energia.

Straty generowane przez falownik ze zwrotem energii do sieci są większe niż dla standardowego falownika ze względu na straty prostownika sterowanego, występujące podczas pracy, jak i podczas trybu „czuwania". Falowniki bez odpowiednich filtrów wejściowych mogą generować harmoniczne, które są kolejnym źródłem strat energii w układzie. Falowniki AFE redukują całkowitą zawartość harmonicznych prądu THDi do poziomu mniej niż 5%, co pozwala na oddawanie energii do sieci zasilającej zgodnie z wymogami normy IEEE-519.

Niska wartość THDi pozwala na traktowanie napędu z falownikiem AFE jako obciążenia rezystancyjnego. Falownik wymienia z siecią tylko moc czynną. W niektórych konstrukcjach falowników AFE możliwa jest dodatkowo w pewnym zakresie automatyczna kompensacja wsp. mocy -przetwornica działa jak sieciowy filtr aktywny.

Częstość hamowania

Im silnik jest częściej hamowany, tym częściej następuje zwrot energii. Należy zawsze rozważyć częstość hamowania i dynamikę zmian obciążenia silnika w cyklu jego pracy.

Zastosowanie falownika ze zwrotem energii do sieci jest zawsze rozwiązaniem droższym niż zastosowanie zwykłego falownika. Dopiero dokładna analiza bilansu energii stanowi o opłacalności stosowania tego rozwiązania. Nawet w przypadku wind porównanie to może niekiedy wypaść na niekorzyść falownika AIC.

 

Przykład 1: Winda w budynku mieszkalnym

Obciążenie: 1100 kg Cykl pracy: 1 godz/dzień

Sprawności: hprzeld = 90%, hukJ. mcch. = 80%, hsiln = 93% (IE2),

Kie = 95% (IE2), hysD - 97%

Straty postoju: AIC = 40 W, VSD = 40 W

Wartość założona dla cyklu pracy/dzień w przykładzie jest zawyżona. Mimo to bilans energetyczny jest niekorzystny! Przykład ten pokazuje, że nawet aplikacja pozornie korzystna do aplikacji falownika ze zwrotem energii powinna być szczegółowo rozważona pod kątem opłacalności. Pozytywnym przykładem opłacalności aplikacji ze zwrotem energii do sieci są duże napędy dźwigów przemysłowych o dużej liczbie załączeń/ dobę (przemysł wydobywczy, stoczniowy).

Przykład 2: Wirówka odśrodkowa

W przypadku dużych wirujących mas, jak wirówki odśrodkowe, energia zgromadzona w obciążeniu wynosi:

E=j Jw1, gdzie / = moment bezwładności w Kg, w = prędkość w rad/s.

Energia hamowania wirówki zależy więc od kwadratu prędkości obrotowej. Tak więc zmniejszenie obrotów o 1/2 skutkuje wygenerowaniem H energii kinetycznej układu. W trakcie hamowania z zatrzymaniem energia przekazywana do sieci będzie liniowo maleć aż do zera.

Znając cykl pracy konkretnej wirówki - tj. ilość hamowań/ godzinę, czas hamowania i sprawność elementów układu -można obliczyć koszty zaoszczędzonej energii.

Przy wirówkach o mocy przekraczającej kilkanaście kW i cyklu pracy z dużą ilością hamowań ilość energii odzyskanej z hamowania może być znacząca. Dodatkowo dzięki dynamicznemu hamowaniu można skrócić czas trwania procesu technologicznego.

Przykład 3: Przenośnik taśmowy

Typowa dla tego typu obciążenia jest dość duża masa podajnika oraz stosunkowo duża masa transportowana. Jeśli prędkość podajnika jest zmniejszana, zgromadzona energia kinetyczna wyniesie:

E = j Mv2, gdzie M = masa w Kg, v = prędkość w m/s.

W trakcie hamowania energia przekazywana do sieci będzie także liniowo maleć w każdym cyklu hamowania. Zastosowanie falownika AFE można rozważać w zależności od sumarycznej mocy napędów podajnika oraz dynamiki zmian obciążenia.

Przykład 4: Transporter ze spadem nachylenia

W czasie transportu materiałów podajnikiem ze spadem nachylenia energia kinetyczna obciążenia może być w sposób ciągły przekazywana do układu zewnętrznego.

W trakcie pracy podajnika energia przekazywana do sieci będzie praktycznie stała. Jest to bardzo dobry przykład dla aplikacji z falownikiem AFE, szczególnie przy dużych podajnikach w przemyśle wydobywczym. Przy długim podajniku stosowanych jest kilka silników, gdzie sumaryczne moce napędów podajnika sięgają kilkuset kW. Tak więc można tu zastosować kilka falowników pracujących na wspólną szynę DC i jeden (lub więcej) falowników AFE dla całego systemu, gdzie pokazano dwa falowniki AFE.

Należy wspomnieć, że istnieją aplikacje, gdzie kwestia zwrotu energii jest sprawą drugorzędną, a ważny jest np. krótki czas i skuteczność hamowania. Przykładem może być tutaj drukarska maszyna offsetowa z jednym wspólnym napędem głównym, gdzie zatrzymanie wszystkich sekcji musi nastąpić maksymalnie szybko i najskuteczniejsze jest hamowanie na rezystor zewnętrzny.

Wśród wielu producentów falowników standardowych jest stosunkowo niewielu producentów przetwornic AFE. Firma Danfoss, właściciel marki VLT oraz marki VACON, od dawna oferuje własne dedykowane rozwiązania falowników ze zwrotem energii do sieci. Falowniki AFE posiadają wbudowane wyrafinowane oprogramowanie, pozwalające sparametryzować pracę danego układu. Dla konkretnej aplikacji ze zwrotem energii specjaliści grupy Danfoss dobierają i przedstawiają kompletne rozwiązanie dla danego systemu napędowego, uwzględniając przy tym wiele czynników mających wpływ na ostateczny dobór elementów systemu oraz cenę.

Modernizując układ napędowy, należy zawsze wziąć pod uwagę sprawność istniejącego silnika elektrycznego. Warto przypomnieć, że zgodnie z normą IEC 60034-30-2 dla modernizowanych i nowo budowanych układów napędowych z silnikami indukcyjnymi, od 01.01.2017 roku w zakresie moc; 0,75.. .375 kW silniki bez regulacji obrotów muszą odpowiadał co najmniej klasie sprawności IE3, a silniki o klasie sprawność IE2 muszą być wyposażone w falownik, Tak więc zastosowanie falownika w wielu modernizowanych aplikacjach z silnikami klasy IE2 stanie się obligatoryjne.

 

Lech Ptaszyński - Schulz Infoprod Sp. z o.o.
Danfoss VLT Drivers Partner


WebSystem  tel. 048 383.01.44   | wortal-> www.falowniki.pl | forum-> www.falowniki.info | porównaj-> www.falowniki.com.pl