Kaip dažnio keitikliai leidžia taupyti elektros energiją?
Dauguma elektros variklių yra sukurti suktis nustatytu greičiu, priklausomai nuo magnetinių polių skaičiaus, maitinimo įtampos ir dažnio. Jie negali keisti greičio. Net ir sistemoms, kurios veikia pastoviu greičiu, sudėtinga pritaikyti variklį. Dažnai prireikia pavarų dėžės su krumpliaratine (ar pan.) sistema, kad pasiekti tinkamiausią sukimosi greitį.
Dažnio keitikliai leidžia efektyviai valdyti kintamos srovės variklius keisdami jų maitinimo įtampą ir dažnį. Keičiant variklio sukimosi greitį galima pasiekti sklandesnį proceso valdymą, mažesnį įrenginio dėvėjimąsi, didesnį našumą ir stipriai taupyti elektros energiją.
Daugumą panaudojimo sričių galima suskirstyti į kelias grupes:
- Pastovaus sukimo momento. Pvz. konvejeriams startuojant nuo mažų greičių reikia tokio paties momento, kaip ir normaliomis jo darbo sąlygomis, o darbo metu, apkrova varikliui keičiasi mažai.
- Tiesinė momento priklausomybė. Pavyzdžiui sraigtiniuose kompresoriuose momento priklausomybė nuo greičio yra tiesinė. Kuo didesnis greitis, tuo didesnio momento reikia.
- Kintamo momento situacijos. Siurblių, ventiliatorių sukimuisi reikalingas momentas didėja kvadratine priklausomybe kylant sukimosi greičiui ir pasiekia 100% tik priartėjus iki nominalių sūkių.
Didžiausią energijos taupymą galima pasiekti kintamo sukimosi momento sistemose. Kubinė galios priklausomybė nuo greičio reiškia, kad sumažinus ventiliatoriaus greitį 20%, galima sutaupyti apie 50% elektros energijos. Daugumoje atvejų, sumažinus variklio greitį nesudėtinga stipriai sumažinti sąnaudas.
Kvadratinis dėsnis
Keičiant sukimosi greitį kintamo momento sistemose, sunaudojamą galią galima sumažinti kubine priklausomybe nuo sukimosi greičio. Taip yra dėl to, kad galia yra sukimosi momento ir sukimosi greičių sandauga, kai sukimosi momento poreikis didėja kvadratine priklausomybe, didėjant greičiui. Rėžime, kai įtampa kinta tiesine priklausomybe nuo sukimosi greičio, dažnio keitiklis pasiekia 100% sukimosi momentą tik prie nominalaus variklio sūkių skaičiaus. Kitaip tariant, kintamo sukimo momento sistemose, visuomet yra nenaudojamo sukimosi momento.
Kvadratiniu dėsniu keičiama įtampa priklausomai nuo sukimosi dažnio taip, kad variklio apvijų sukuriamas sukimo momentas sumažėtų. Tuomet mažėja nuostoliai.
Dinaminė priklausomybė V nuo F
Dinaminė priklausomybė V nuo F sukurta tam, kad išlaikyti kiek įmanoma mažesnius nuostolius esant mažoms variklio apkrovoms. Šiame rėžime dažnio keitiklis reguliuoja išėjimo įtampą priklausomai nuo išėjimo dažnio ir tai priklauso nuo variklio apkrovos. Prie tų pačių sūkių esant mažesnėms apkrovoms įtampa taip pat yra mažinama. Todėl mažėja įmagnetinimo srovė apvijose, dėl ko sumažėja nuostoliai variklyje.
PID valdymas
Dažnio keitiklis gali reikšmingai sumažinti elektros energijos sąnaudas keičiant greitį tiksliai, pagal poreikį, kurio reikia einamuoju metu. Tam, kad dinamiškai keisti variklio greitį sistemose su grįžtamu ryšiu, reikia matuoti proceso išėjimo parametrą. Dažnai tuo parametru būna slėgis, temperatūra ar lygis. Dažniausiai naudojamas reguliavimo metodas yra PID (Proporcija-Integralas-Išvestinė, angl. Proportional-Integral-Derivative) valdymas. Visi Control Techniques dažnio keitikliai turi viengubą arba dvigubą PID valdymo grandinę.
Aktyvi lygintuvo dalis AFE
Dažnio keitiklių įėjimo dalis dažniausiai būna nekontroliuojamas diodų tiltelis, todėl sugeneruota galia negali būti perduota atgal į tinklą, o išsklaidoma tik kaip šiluma. Aktyvi lygintuvo dalis AFE (angl. Active Front End system) yra sudaryta iš valdomo tiltelio, todėl elektros energija gali būti perduota į abi puses tarp mechaninės sistemos ir elektros tinklo. Dėl to išgaunamas didesnis efektyvumas nes paprastu dažnio keitikliu stabdant variklį, susidariusi energija tiesiog išsklaidoma į aplinką šilumos pavidalu.
Bendra DC šyna
Naudojant bendrą DC šyna, taupymas pasireiškia kitu aspektu. Energija cirkuliuoja tarp prijungtų dažnio keitiklių. Tai labai pasiteisina sistemose, kai medžiagos yra vyniojamos ir išvyniojamos. Vyniotuvuose svarbu palaikyti tolygų įtempimą, todėl vienas variklis suka vyniotuvą, o kitas prilaiko medžiagos įtempimą. Įtempėjas nuolat yra stabdymo rėžime, todėl generuoja elektros energiją, o vyniotuvas ją naudoja. Tik tuo atveju, kai vyniojimui pritrūksta energijos, jos dalis imama iš tinklo.
Kombinuojant AFE ir bendros DC šynos technologijas gauname didžiausią lankstumą, kai elektros energija per DC šynas cirkuliuoja tarp dažnio keitiklių ir tarp maitinimo tinklo. Tokioms sistemoms dažnai naudojamas tik vienas keitiklis su AFE ir jis per DC šynas sujungtas su daug kitų dažnio keitiklių.
