Sprężarki z falownikiem – czym są i kiedy warto je stosować?

Wprowadzenie

Sprężarki z falownikiem to sprężarki wyposażone w układ regulacji prędkości obrotowej, który pozwala dostosowywać wydajność sprężarki do aktualnego zapotrzebowania instalacji na sprężone powietrze. Gdy pobór powietrza maleje, urządzenie może ograniczyć swoją wydajność, a gdy rośnie, odpowiednio ją zwiększyć. Dzięki temu ilość wytwarzanego sprężonego powietrza może być lepiej dopasowana do rzeczywistych potrzeb odbiorników.

Sprężarki z falownikiem służą przede wszystkim do zasilania instalacji, w których zapotrzebowanie na sprężone powietrze zmienia się w czasie. Dotyczy to na przykład zakładów, w których maszyny pracują w nieregularnych cyklach, liczba aktywnych odbiorników zmienia się w zależności od zmiany produkcyjnej lub okresowo występują większe pobory powietrza.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

• Czym jest sprężarka z falownikiem i czym różni się od sprężarki stałoobrotowej?
• Jaką funkcję pełni falownik w sprężarce?
• W jaki sposób regulacja prędkości obrotowej wpływa na zużycie energii?
• W jakich instalacjach sprężarki z przetwornicą częstotliwości sprawdzają się najlepiej?
• Kiedy wybór sprężarki z falownikiem może nie być optymalnym rozwiązaniem?

Czym są sprężarki z falownikiem?

Zastosowanie sprężarki z falownikiem w instalacji daje możliwość zmiany prędkości pracy silnika, a tym samym dostosowania ilości wytwarzanego sprężonego powietrza do aktualnego zapotrzebowania. W tradycyjnej sprężarce stałoobrotowej silnik pracuje z określoną prędkością. Regulacja wydajności odbywa się najczęściej poprzez przechodzenie pomiędzy stanem pracy pod obciążeniem i pracą bez obciążenia.

Kiedy instalacja potrzebuje sprężonego powietrza, urządzenie pracuje pod obciążeniem. Po osiągnięciu określonego poziomu ciśnienia może zostać odciążone, a następnie ponownie przejść do pracy pod obciążeniem, gdy ciśnienie spadnie. Podczas pracy bez obciążenia sprężarka nadal pobiera energię elektryczną, mimo że nie dostarcza w tym czasie pełnej ilości sprężonego powietrza do instalacji.

,,W sprężarce z falownikiem, albo inaczej przetwornicą częstotliwości, układ sterowania jest w stanie dopasować prędkość obrotową silnika do zapotrzebowania – tzn. jeżeli pobór powietrza spada, sprężarka zmniejsza swoją wydajność, a gdy rośnie sprężarka wchodzi na wyższe prędkości obrotowe silnika.

Trzeba pamiętać, że pomimo, na pierwszy rzut oka, każdy zakład wygląda podobnie, to zawsze diabeł tkwi w szczegółach i trzeba odpowiednio ustawić pracę sprężarki/sprężarek do warunków jakie panują w instalacji sprężonego powietrza. Sprężarka zmiennoobrotowa sprawdzi się idealnie w zakładach, gdzie pobory znacznie różnią się nawet w przeciągu tygodni.” – komentuje Tomasz Zieliński, Kierownik działu sprężarek i uzdatniania powietrza w Air-Com Pneumatyka Automatyka.

Do czego służy falownik w sprężarce?

Jednym z najważniejszych elementów układu tego typu sprężarek jest falownik, czyli przemiennik częstotliwości. Jego zadaniem jest sterowanie pracą silnika elektrycznego poprzez zmianę parametrów zasilania – przede wszystkim właśnie częstotliwości. Zmieniając ją, można regulować prędkość silnika, a w konsekwencji również wydajność elementu sprężającego.

Jeżeli pobór powietrza wzrasta i ciśnienie zaczyna spadać, układ może zwiększyć prędkość obrotową silnika. Gdy zapotrzebowanie maleje, prędkość zostaje ograniczona. Takie rozwiązanie pozwala utrzymywać ciśnienie w stosunkowo wąskim zakresie. Standardowa sprężarka stałoobrotowa często pracuje pomiędzy ustalonym ciśnieniem załączenia i odciążenia. W przypadku regulacji wydajność może być dostosowywana bardziej płynnie, dzięki czemu ogranicza się wahania ciśnienia wynikające z cyklicznej pracy urządzenia.

Sprężarka z falownikiem może utrzymywać ciśnienie w instalacji w węższym zakresie niż sprężarka stałoobrotowa pracująca w cyklu obciążenie-odciążenie. Dzięki płynnej regulacji wydajności nie ma potrzeby utrzymywania tak dużej różnicy między dolnym i górnym poziomem ciśnienia. Może to pozwolić na obniżenie średniego ciśnienia tłoczenia, a tym samym ograniczenie zużycia energii elektrycznej.

Czy sprężarki z falownikiem zużywają mniej energii elektrycznej?

Korzyści wynikające z zastosowania sprężarki z falownikiem najlepiej przeanalizować na przykładzie zakładu, w którym zapotrzebowanie na sprężone powietrze wyraźnie zmienia się w ciągu dnia. Załóżmy, że w instalacji pracuje sprężarka stałoobrotowa o wydajności odpowiadającej maksymalnemu zapotrzebowaniu zakładu. Pełna wydajność jest jednak potrzebna tylko w określonych okresach produkcji.

W pozostałym czasie zapotrzebowanie wynosi przykładowo 50–70% maksymalnej wydajności sprężarki. Urządzenie stałoobrotowe nie może płynnie zmniejszyć swojej prędkości, dlatego okresowo przechodzi pomiędzy pracą pod obciążeniem a pracą bez obciążenia. W takim przypadku sprężarka dobrana wyłącznie do punktu maksymalnego przez znaczną część czasu nie pracuje w warunkach odpowiadających pełnemu zapotrzebowaniu.

Po zastosowaniu odpowiednio dobranej sprężarki z falownikiem układ sterowania może zmniejszać prędkość silnika wtedy, gdy instalacja potrzebuje mniej powietrza. Zamiast wielokrotnie przechodzić między pełnym obciążeniem i odciążeniem, urządzenie dostosowuje swoją wydajność do bieżącego poboru.

Efekt energetyczny wynika więc przede wszystkim z ograniczenia czasu pracy, w którym energia jest pobierana nieproporcjonalnie do ilości użytecznie wytwarzanego sprężonego powietrza.

Oszczędność energii elektrycznej zależy przede wszystkim od profilu zapotrzebowania na sprężone powietrze i od tego, z jaką sprężarką stałoobrotową porównujemy urządzenie zmiennoobrotowe. Producenci dla konkretnych serii podają wartości rzędu 35–50% oszczędności energii.

Gdzie sprawdzą się sprężarki z falownikiem?

Sprężarki z przetwornicą częstotliwości są szczególnie przydatne w instalacjach charakteryzujących się zmiennym zapotrzebowaniem na sprężone powietrze. Im większe i częstsze są zmiany poboru, tym większe znaczenie może mieć możliwość regulowania wydajności sprężarki. Typowym przykładem są zakłady, w których poszczególne maszyny uruchamiają się i zatrzymują w różnych momentach. Zapotrzebowanie instalacji może wówczas szybko się zmieniać, a sprężarka z falownikiem może reagować na te zmiany poprzez odpowiednią regulację prędkości.

Podobna sytuacja występuje w przedsiębiorstwach pracujących w systemie wielozmianowym. Jeżeli na pierwszej zmianie pracuje większość linii produkcyjnych, a na kolejnych tylko część odbiorników, zapotrzebowanie na sprężone powietrze może znacząco różnić się w zależności od godziny.

Regulacja może być również użyteczna w instalacjach, w których występują okresowe szczyty poboru. Sprężarka z falownikiem może zwiększyć wydajność w momencie wzrostu zapotrzebowania, a następnie ograniczyć ją po zakończeniu danego procesu.

Jeżeli zapotrzebowanie jest bardzo stabilne, a urządzenie przez większość czasu może pracować blisko swojej optymalnej wydajności, dobrze dobrana sprężarka stałoobrotowa może okazać się równie uzasadnionym rozwiązaniem. Przy doborze warto więc przeanalizować przede wszystkim:

• rzeczywisty profil poboru sprężonego powietrza,
• minimalne, średnie i maksymalne zapotrzebowanie,
• wymagane ciśnienie robocze,
• liczbę i sposób pracy obecnych sprężarek,
• czas pracy pod obciążeniem i bez obciążenia,
• możliwość sterowania nadrzędnego kilkoma urządzeniami,
• przewidywane zmiany zapotrzebowania w przyszłości.

Dopiero zestawienie tych informacji pozwala ocenić, czy zastosowanie sprężarki z falownikiem będzie technicznie i ekonomicznie uzasadnione.

Podsumowanie

Sprężarka z falownikiem to sprężarka wyposażona w układ regulacji prędkości obrotowej, który pozwala dostosowywać jej wydajność do aktualnego zapotrzebowania instalacji na sprężone powietrze. Kluczową rolę odgrywa w nim falownik sterujący pracą silnika elektrycznego. Największy potencjał takiego rozwiązania występuje w instalacjach, w których pobór sprężonego powietrza zmienia się w czasie. Ograniczenie prędkości obrotowej przy mniejszym zapotrzebowaniu może zmniejszyć ilość energii zużywanej na wytworzenie powietrza, którego instalacja w danym momencie nie potrzebuje.

Nie należy jednak traktować tej technologii jako rozwiązania automatycznie bardziej efektywnego od sprężarki stałoobrotowej. O wyniku decydują rzeczywiste warunki pracy, zakres regulacji urządzenia oraz konfiguracja całej sprężarkowni. Dlatego punktem wyjścia do wyboru sprężarki powinno być określenie profilu zapotrzebowania na sprężone powietrze. Dopiero na podstawie danych można zdecydować, czy właściwym rozwiązaniem będzie sprężarka stałoobrotowa, sprężarka zmiennoobrotowa czy układ wykorzystujący oba typy urządzeń.

FAQ

Czy każda sprężarka zmiennoobrotowa ma falownik?
Tak, regulacja prędkości obrotowej w sprężarce zmienoobrotowej jest realizowana za pomocą układu napędowego wykorzystującego falownik.

Czy sprężarka z falownikiem zawsze zużywa mniej energii niż sprężarka stałoobrotowa?
Nie, największe oszczędności pojawiają się wtedy, gdy zapotrzebowanie na sprężone powietrze wyraźnie zmienia się w czasie.

Ile energii może zaoszczędzić sprężarka z falownikiem?
W zależności od warunków pracy i konstrukcji urządzenia producenci wskazują oszczędności rzędu kilkudziesięciu procent.

Gdzie najlepiej sprawdzają się sprężarki z falownikiem?
Przede wszystkim w instalacjach o zmiennym poborze sprężonego powietrza, na przykład w zakładach pracujących wielozmianowo lub z cyklicznie działającymi maszynami.

Czy sprężarka zmiennoobrotowa nadaje się do każdej instalacji?
Nie, przy bardzo stabilnym zapotrzebowaniu dobrze dobrana sprężarka stałoobrotowa może być równie uzasadnionym rozwiązaniem.

źródła:

• https://www.cagi.org/pdf/downloads/is-a-variable-speed-drive-vsd-compressor-the-right-choice-for-your-facility