2. Prečo štandardné motory zlyhávajú na frekvenčnom meniči čerpadla
3. YVF2 IC416 pri nízkej rýchlosti
4. Výpočet úspory energie
5. Doba návratnosti a návratnosť investícií do projektu
6. Špecifikácie YVF2 pre frekvenčný menič čerpadla
7. Aplikácie frekvenčných meničov čerpadiel
8. Často kladené otázky
1. Afinitný zákon a potenciál úspory energie
Zákon o výkone odstredivého čerpadla hovorí, že výkon na hriadeli čerpadla je úmerný tretej mocnine otáčok čerpadla: P₂ = P₁ × (n₂/n₁)³. Tento kubický vzťah medzi otáčkami a výkonom je základom ekonomického argumentu pre reguláciu otáčok pomocou frekvenčného meniča (VFD) na pohonoch odstredivých čerpadiel. Aj mierne zníženie otáčok vedie k veľkým úsporám energie, pretože úspora sa znásobuje kubicky.
| Zníženie rýchlosti | % plnej rýchlosti | Výkon ako % pri plnej rýchlosti | Úspora energie | Zníženie prietoku |
|---|---|---|---|---|
| −5% | 95% | 85.7% | 14.3% | 5% |
| −10% | 90% | 72.9% | 27.1% | 10% |
| −20% | 80% | 51.2% | 48,8% ↑ | 20% |
| −30% | 70% | 34.3% | 65.7% | 30% |
| −40% | 60% | 21.6% | 78.4% | 40% |
Škrtenie výtlačného ventilu čerpadla za účelom zníženia prietoku úmerne neznižuje výkon spotrebovaný motorom. Keď je ventil čiastočne zatvorený, čerpadlo pracuje na vyššom bode svojej krivky, čo je menej účinné ako bod jeho najlepšej účinnosti. Motor naďalej spotrebúva takmer plný výkon, zatiaľ čo väčšina tejto energie sa plytvá ako teplo cez obmedzenie ventilu, a nie ako užitočná hydraulická práca. Regulácia otáčok pomocou frekvenčného meniča eliminuje toto plytvanie: čerpadlo produkuje presne požadovaný prietok pri správnej výške a v optimálnom bode účinnosti na krivke čerpadla pre daný prevádzkový stav.
2. Prečo štandardné motory zlyhávajú na pohonoch s frekvenčným meničom čerpadla
Čerpadlo vybavené meničom frekvencie (VFD) často pracuje pri menovitých otáčkach 40 až 801 TP3T počas období mimo špičky. Pri týchto znížených otáčkach vytvára ventilátor štandardného motora IC411 na hriadeli iba 6 až 511 TP3T pri plnom prúdení chladiaceho vzduchu, pričom motor musí stále vytvárať dostatočný krútiaci moment na prekonanie trenia čerpadla a udržanie prietoku vzduchu oproti hlave systému. Znížené chladenie v kombinácii s pokračujúcim vytváraním krútiaceho momentu spôsobuje, že teplota vinutia prekročí limit triedy F, čo urýchľuje starnutie izolácie a vedie k predčasnému zlyhaniu motora v priebehu 2 až 5 rokov pri prevádzke, na ktorú bol systém čerpadla navrhnutý na 20 alebo viac rokov.
Moderné meniče frekvencie (VFD) založené na IGBT tranzistoroch sa spínajú s frekvenciou 2 až 16 kHz, čím generujú napäťové špičky 1 000 až 1 600 V na svorkách motora (zosilnené odrazmi od dĺžky kábla). Štandardná izolácia vinutia motora triedy F je dimenzovaná na sínusové priebehy napätia – opakované vysokofrekvenčné napäťové špičky spôsobujú čiastočný výboj v izolácii vinutia a postupné prerušenie izolácie. Tento poruchový režim úplne chýba, keď motor pracuje na sínusovom napájaní s pevnou frekvenciou, ale stáva sa primárnym mechanizmom poruchy, keď je štandardný motor pripojený k meniču frekvencie bez primeraných špecifikácií izolácie.
Súbežné napätie frekvenčných meničov (VFD) indukuje prúdy na hriadeli, ktoré sa vybíjajú cez ložiská motora a spôsobujú EDM (elektroerozívne obrábanie) ložiskových krúžkov. To spôsobuje charakteristické namrznutie a ryhovanie na povrchu ložiskových krúžkov, zvýšené vibrácie a poruchu ložiska v priebehu 6 až 24 mesiacov. Motory čerpadiel na VFD bez ochrany proti ložiskovému prúdu (izolované ložisko NDE alebo uzemňovací krúžok hriadeľa) zlyhávajú v dôsledku poškodenia ložiska skôr, ako sa porucha izolácie stihne prejaviť. Oba mechanizmy poruchy musia byť súčasne riešené v špecifikácii motora YVF2 pre pohony čerpadiel s VFD.
3. YVF2 IC416 Chladenie pri nízkych otáčkach čerpadla
Séria kórejských náradia Ever-Power YVF2 využíva nútené chladenie IC416 – samostatný nezávisle napájaný motor ventilátora namontovaný na strane bez pohonu zabezpečuje konštantný prúd chladiaceho vzduchu cez rám motora bez ohľadu na otáčky hlavného hriadeľa motora. Keď menič frekvencie zníži otáčky motora čerpadla na 50% (25 Hz) pre prevádzku s nízkym zaťažením, ventilátor IC416 naďalej poskytuje menovitý prúd chladiaceho vzduchu 100%, čo umožňuje náradiu YVF2 dosahovať plný menovitý krútiaci moment pri týchto znížených otáčkach bez akéhokoľvek tepelného zníženia.
Dúchadlo IC416 je napájané z hlavného trojfázového zdroja (nie z výstupu meniča frekvencie), čo zaisťuje jeho prevádzku pri plnej menovitej rýchlosti bez ohľadu na frekvenciu meniča frekvencie. Výkon motora dúchadla je zvyčajne 1/20 až 1/10 menovitého výkonu hlavného motora – pre YVF2 s výkonom 22 kW má dúchadlo približne 0,18 až 0,37 kW – a jeho spotreba energie je zanedbateľná v porovnaní s úsporou energie vďaka regulácii otáčok meniča frekvencie na hlavnom pohone čerpadla.
| Rýchlosť | IC411 Chladenie | Chladenie IC416 |
|---|---|---|
| 50 Hz (100%) | 100% | 100% |
| 40 Hz (80%) | 51% | 100% |
| 25 Hz (50%) | 12.5% | 100% |
| 15 Hz (30%) | 2.7% | 100% |
| 0 Hz (statické) | 0% | 100% |
4. Výpočet úspory energie – čerpadlo s výkonom 22 kW
Účinnosť motora (IE3): 92,61 TP3T
Ročný počet prevádzkových hodín: 8 000 h/rok
Tarifa za elektrinu: $0,13 / kWh
Priemerný dopyt ako % pri plnej rýchlosti: 82%
Ovládanie škrtiacej klapky s plnou rýchlosťou: Áno
Aktuálna ročná energia: 23,76 × 8 000 = 190 080 kWh
Aktuálne ročné náklady: 190 080 × $0,13 = $24,710
S VFD pri priemernej rýchlosti 82%:
Priemerný účinník: (0,82)³ = 55,1% menovitého výkonu
Vstupný výkon meniča frekvencie: 23,76 × 0,551 = 13,09 kW
Ročná energia: 13,09 × 8 000 = 104 720 kWh
Ročné náklady: 104 720 × $0,13 = $13,614
5. Doba návratnosti a návratnosť investícií do projektu
Pre vyššie uvedený príklad s výkonom 22 kW pozostáva typická dodatočná montáž čerpadla s frekvenčným meničom (VFD) z: jednotky VFD (22 kW, IP54, montáž na panel) $2 500 – 4 000; invertorového motora YVF2 22 kW $1 200 – 1 800; práce na výmene motora a zarovnaní spojky $300 – 500; elektrickej inštalácie a uvedenia VFD do prevádzky $800 – 1 200; snímača tlaku pre PID reguláciu (ak ešte nie je nainštalovaný) $200 – 400. Celkové náklady na projekt sú približne $5 000 – 7 900 v závislosti od podmienok na mieste a existujúcej infraštruktúry.
Regulácia otáčok pomocou frekvenčného meniča (VFD) na pohonoch odstredivých čerpadiel prináša okrem priamej úspory energie aj ďalšie výhody: (1) Eliminácia vodného rázu – VFD spomaľuje čerpadlo po riadenej rampe, a nie okamžite, čím zabraňuje tlakovému nárastu, ktorý poškodzuje ventily, kĺby a prístrojové vybavenie. (2) Znížené opotrebenie čerpadla – prevádzka pri znížených otáčkach znižuje opotrebovanie obežného kolesa, opotrebovanie tesnení a zaťaženie ložísk. (3) Predĺžená životnosť motora – znížené otáčky znamenajú nižší prúd, chladnejší motor a dlhšiu životnosť vinutia a ložísk. (4) Presná regulácia prietoku a tlaku – VFD dokáže modulovať otáčky čerpadla v reakcii na procesný tlak alebo signál prietoku, čím sa eliminuje potreba samostatného regulačného ventilu na výtlačnom potrubí.
Úspora energie sa pri rovnakom znížení priemernej rýchlosti škáluje približne lineárne s výkonom motora. Čerpadlo s výkonom 37 kW pri priemernej rýchlosti 82% ušetrí približne 18 700 T ročne; čerpadlo s výkonom 75 kW ušetrí 37 800 T ročne. V prípade zariadení s viacerými čerpadlami na ovládanie škrtiacou klapkou môže celková úspora odôvodniť program modernizácie frekvenčných meničov v celom zariadení s celkovou návratnosťou do 2 rokov, a to aj pri konzervatívne odhadovanom znížení priemernej rýchlosti.
6. Špecifikácie YVF2 pre odstredivé čerpadlo s frekvenčným meničom
Rad motorov Korea Ever-Power YVF2 má správnu špecifikáciu motora pre všetky modernizácie a novostavby odstredivých čerpadiel s frekvenčným meničom (VFD). Kombinuje nútené chladenie IC416 pre plný krútiaci moment pri akejkoľvek rýchlosti, izoláciu vinutia triedy H pre VFD pre dlhodobú odolnosť voči napäťovým špičkám PWM a štandardnú ochranu vinutia termistorom PTC. YVF2 používa rovnaké rozmery rámu podľa normy IEC 72-1 ako štandardný rad Y2, čo umožňuje nahradiť existujúci motor Y2 pri modernizácii čerpadla bez úpravy základovej dosky čerpadla, spojky alebo potrubia. Celý rad YVF2 je k dispozícii v... Sekcia produktov s meničovým motorom s frekvenčným meničom.
| Rozsah výkonu | 0,75 – 200 kW |
| Póly (čerpadlo) | 2P (2 900 ot./min.) alebo 4P (1 450 ot./min.) |
| Chladenie | IC416 nútené dúchadlo |
| Izolácia | Trieda H, formulácia pre použitie s meničom frekvencie |
| Rozsah rýchlosti | 0–120 Hz |
| PTC termistory | Štandardné 3× vo vinutí statora |
| Ochrana | Štandard IP54 |
| Kompatibilita rámu | IEC 72-1 – rovnaké ako séria Y2 |
7. Aplikácie frekvenčných meničov čerpadiel
Čerpadlo studenej vody pre stavebné služby
Primárne a sekundárne čerpadlá chladiacej vody v systémoch HVAC komerčných budov sú aplikáciou s najväčším vplyvom na modernizáciu frekvenčných meničov (VFD) kvôli ich veľkosti (7,5 až 90 kW), nepretržitej prevádzke (8 000 hodín ročne) a vysoko variabilnému profilu zaťaženia (plné zaťaženie iba počas špičkových letných dní). Modernizácia frekvenčných meničov s motormi YVF2 na čerpadlách technických zariadení budov pravidelne dosahuje 40 až 60 percentné zníženie spotreby energie čerpadla s dobou návratnosti kratšou ako 12 mesiacov vo väčšine budov s existujúcimi štartérmi čerpadiel DOL alebo hviezda-trojuholník. |
Chladiaca voda pre priemyselné procesy
Čerpadlá chladiacej vody pre procesy zásobujúce výmenníky tepla, reaktory a chladiace okruhy kompresorov v chemických a výrobných závodoch pracujú s vysoko premenlivým prietokom, pretože zaťaženie procesov sa mení v závislosti od výrobného harmonogramu a okolitej teploty. Pohony čerpadiel YVF2 modulované signálom teploty spiatočky chladiacej vody alebo tlakového rozdielu udržiavajú minimálny požadovaný chladiaci výkon a zároveň znižujú spotrebu energie čerpadla o 30 až 50% v porovnaní s prevádzkou s pevnými otáčkami a riadením obtokovým ventilom. |
Posilňovacie čerpadlá pre mestské vodovodné systémy a tlakové zosilňovače budov s frekvenčným meničom udržiavajú konštantný výstupný tlak v širokom rozsahu prietoku. YVF2 2-pólový (2 900 ot./min.) 3,0 až 30 kW pokrýva väčšinu aplikácií na zvyšovanie tlaku.
Poľnohospodárske zavlažovacie čerpacie stanice s premenlivým dopytom po zavlažovaní a rastúcimi hlavnými systémami profitujú z regulácie otáčok pomocou frekvenčného meniča (VFD) na udržanie konštantného výtlačného tlaku pri zmene polohy poľných ventilov. YVF2 4-pólový 11 až 90 kW pre pohony hlavných zavlažovacích čerpadiel.
Doplňujúce čerpadlo na udržiavanie tlaku v požiarnom systéme pracuje prerušovane pri veľmi nízkom prietoku, aby kompenzovalo únik zo systému. Regulácia otáčok pomocou frekvenčného meniča eliminuje cyklické zapínanie a vypínanie, udržiava konštantný tlak s oveľa menším počtom štartov a eliminuje tlakové prechody z opakovaného spúšťania DOL.
Čerpadlá na spätný prietok kondenzátu pary v priemyselných kotlových systémoch. Objem spätného prietoku kondenzátu sa mení v závislosti od dopytu po pare. Regulácia otáčok frekvenčného meniča na čerpadle kondenzátu eliminuje pretečenie do odtoku a znižuje opotrebovanie čerpadla v dôsledku častého zapínania a vypínania v závislosti od plavákového spínača hladiny kondenzátu.
8. Často kladené otázky
Upravil Cxm
