Úspora energie v technice pohonů

 

 

Za posledních dvacet letech výrazně vzrostly náklady na výrobu a přenos energie a tento trend má stoupající tendenci. Omezené zdroje a celosvětově rostoucí potřeba energie vyžadují zavést opatření k racionálnímu využívání energií. Tato opatření budou mít v blízké i vzdálené budoucnosti zásadní význam, neboť představují nejrychlejší, největší a nejvýhodnější možnost, jak přispět k ochraně ovzduší i energetických zdrojů. Odborníci se domnívají, že v Německu bude možné dosáhnout stálého růstu energetické účinnosti asi o 3 % ročně.

 

Hlavní význam při snižování energetických ztrát má technika pohonů. Jen u samotných pohonů čerpadel (obr. 1) by bylo v Německu možné ročně ušetřit až 15 miliard kilowatthodin, resp. 1,2 miliardy eur. Přesné přizpůsobení otáček aktuální potřebě výkonu vede k velkým úsporám elektrické energie. Sníží-li se otáčky čerpadla v průměru o 20 %, klesne potřeba elektrické energie o 50 %. V praxi však snížení otáček o 20 % znamená také zmenšení objemového toku o 20 %. Protože je výkon úměrný třetí mocnině otáček, klesne v tomto případě potřebný výkon téměř o 50 %.

 

Mnoho zákazníků se již přesvědčilo o tom, že u energeticky náročných spotřebičů je třeba brát v úvahu celý jejich životní cyklus a nehledět jen na co nejnižší prvotní investiční náklady (pořizovací cenu).

 

Náklady na čerpací systémy v průběhu celé jejich doby provozu zahrnují dílčí náklady především na:

Rozhodující vliv na celkovou výši nákladů během životního cyklu těchto systémů mají náklady na energii a údržbu. Snížit je lze použitím řízených čerpadlových pohonů. Moderní měniče frekvence umožňují snížit náklady jak na energii, tak na údržbu.

 

Existují ale i případy, kde použití měničů frekvence není výhodné. Má-li např. čerpadlo běžet trvale při jmenovitých otáčkách a nejsou-li dány žádné pracovní body pro zmenšování objemového toku, ztrácí regulace otáček měničem frekvence smysl. Také v případě krátkých provozních dob je efekt úspor velmi malý. Je-li však systém čerpadel ročně v provozu více než 2 000 h, použití měniče frekvence se vyplatí.

 

Navíc jsou mnohé pohony čerpadel předimenzované, protože byly projektovány pro tzv. nejhorší provozní případ. Spotřebovávají tak energii zbytečně, neboť běží na plný výkon a objemový tok je většinou měněn neekonomicky škrticí klapkou či ventilem. Tento způsob regulace lze přirovnat k situaci, kdy řidič automobilu má naplno sešlápnutý pedál plynu a rychlost jízdy reguluje brzděním bez ubrání plynu.

 

Rozdíl v regulaci objemového toku škrticí klapkou a řízením otáček je patrný z obr. 2.

 

U regulace objemového toku škrticí klapkou (obr. 2a) se v zařízení používá ke zmenšení průtoku šoupátko nebo uzavírací ventil. Tím se posouvá pracovní bod po charakteristice stroje (tj. charakteristice čerpadla) vlevo nahoru, tzn. že průtok se zmenšuje, ale spotřeba energie roste (červená plocha na obr. 2a).

 

U regulace objemového toku řízením otáček měničem frekvence (obr. 2b) mění měnič své výstupní napětí a frekvenci. Pracovní bod se zde posouvá po charakteristice zařízení vlevo dolů. Průtok se zmenšuje na stejnou hodnotu jako u regulace škrticí klapkou, avšak současně s tím klesá spotřeba energie (modrá plocha na obr. 2b).

 

Nejlépe je takováto úspora patrná z číselného příkladu. Nahradí-li se u čerpadla o výkonu 30 kW s roční provozní dobou 3 000 h regulace škrticí klapkou regulací otáček měničem frekvence (řízení otáček na 80 %), sníží se roční náklady na energii asi o 3 000 eur (vychází se z cen za energii v Německu v roce 2006). Díky těmto úsporám se rychle amortizuje i měnič frekvence.

 

Potenciál úspor a dobu amortizace investice do měniče frekvence lze snadno a rychle vypočítat např. za použití softwaru SED2-EasySave od společnosti Siemens. Tento program zjišťuje na základě charakteristických hodnot zařízení potřebu energie otáčkově řízeného systému pohonu a porovnává ji s obvyklým systémem, tj. bez měniče. Vypočítaný rozdíl představuje úsporu energie v kilowatthodinách; ta se pro finanční vyjádření vynásobí aktuální cenou za odběr energie. Program porovnává součet úspor dosažených použitím měniče frekvence s celkovými investičními náklady a vypočítá potřebnou dobu amortizace – ta často bývá jen několik měsíců.

 

Vedle úspor energie může použití měniče frekvence místo škrticí klapky pomoci snížit také náklady na údržbu. Měniče frekvence mají měkké spouštění i zastavování a plynulé řízení otáček. Na rozdíl od elektromotorů, které jsou připojeny přímo k rozvodné síti nebo mají jen přepínač hvězda-trojúhelník, nevznikají u nich momentové nárazy, a tudíž ani obávané vodní rázy. Díky tomu se šetří ústrojí pohonu, které se skládá z elektromotoru a připojených komponent (převodovka, spojka, čerpadlo a potrubní systém).

 

Vyskytnou-li se v médiu nebo v ústrojí pohonu během provozu oscilace nebo rezonance, může měnič frekvence tyto kmitočty potlačit, a tím omezit celkové opotřebování.

 

Kromě toho ochrana chodu nasucho sleduje chod čerpadla a v případě, že se na přítoku neobjeví oběhové médium (voda), např. z důvodu prasknutí potrubí nebo uzavření vodního ventilu, zaúčinkuje a odešle chybové hlášení nadřízenému řídicímu systému. Tak lze zabránit dalším následným škodám.

 

Často jsou měniče frekvence využívány jen jako jednoduché stavěče otáček, ačkoliv poskytují mnohem více možností použití. Mohou převzít funkce, pro které dosud byly používány externí přístroje, např. sledování motorového termistoru, kaskádovou regulaci nebo přepínání čerpadel pro jejich rovnoměrné vytížení.