1. POHONY S VENTILÁTOROVOU CHARAKTERISTIKOU A ÚSPORY

1. POHONY S VENTILÁTOROVOU CHARAKTERISTIKOU A ÚSPORY ELEKTRICKÉ ENERGIE 1.1 Úvod K nejastji se vyskytujícím pohonm patí pohony s ventilátorovou charakteristikou tedy pohony ventilátor, odstedivých erpadel a turbokompresor, pro které je charakteristická - kvadratická závislost momentu na otákách M n 2 a z ní vyplývající kubická závislost píkonu pracovního mechanismu na otákách P n 3. Pracovní mechanismy s ventilátorovou charakteristikou vetn jejich pohon se zpravidla dimenzují podle maximálního množství dopravovaného pracovního média Q MAX. V závislosti na technologických a dalších, souvisejících podmínkách, reálného pracovního režimu, ve vtšin pípad kolísá dopravované množství v závislosti na ase, mezi 60 až do 90 % maxima, na které je zaízení navrženo. Nejsou však výjimkou zaízení u kterých je požadavek na rozsah regulace v extrémním rozmezí 40 až 110 % jmenovitého dopravního množství. Pracovní bod zaízení s ventilátorovou charakteristikou je daný prseíkem jeho pracovní charakteristiky s odporovou charakteristikou navazujícího rozvodného zaízení (nejastji potrubního systému). Skutený pracovní bod lze ve fázi projektu stanovit výpotem jen pomrn nepesn. Chyba, vyplývající zejména z nepesností pi stanovení odporové charakteristiky navazujícího rozvodného zaízení, se mže pohybovat až okolo 20 %. Regulace pedstavuje zmnu polohy pracovního bodu a dosažení žádaných hodnot dopravovaného množství (prtoku)q. Pro regulaci dopravovaného množství pracovního média Q na výstupu z pracovního mechanismu existuje obecn ada možností. Rzné zpsoby regulace mají pitom své specifické vlastnosti, charakteristickou energetickou náronost. Z historických dvod patí k astým ešením pro dosažení požadovaného pracovního stavu použití tradiních, energeticky nároných zpsob regulace. Obecn lze rozlišit dv základní skupiny zpsob regulace množství dopravovaného média: - regulaci zmnou pracovní charakteristiky erpadla - ventilátoru. Pak hovoíme o tzv. aerodynamické regulaci. - regulaci zmnou odporové charakteristiky rozvodného (dopravního) systému, tj. regulace zmnou jeho prchodnosti. Pak hovoíme o tzv. neaerodynamické regulaci. Obr. 1 etnost výskytu jednotlivých typ pohon. Úspory elektrické energie. 1

1.2 Principy funkce zaízení s ventilátorovou charakteristikou 1.2.1 Podstata principu funkce mechanické soustavy s ventilátorem Ventilátory patí spolu s erpadly a pasovými dopravníky k nejastjším pracovním mechanismm. Používají se zejména: - v energetice, k zesílení pirozeného tahu všech typ parních kotl; - v klimatizaních zaízeních; - v chladicích vžích; - k odvtrání rzných prmyslových prostor vetn tunel a podzemních parkoviš. Pro vysvtlení podstaty principu dopravy média ventilátorem je možné použít analogii s elektrickým obvodem. Vlastnosti zdroje i zátže v elektrickém obvodu vyjadují jejich V - A charakteristiky. Aby obvodem o odporu R mohl protékat proud I, musí mít v daném obvodu zdroj naptí U, které je rovné úbytku naptí na odporu R pi prchodu proudu I obvodem. Pracovní bod je daný vzájemným prseíkem V - A charakteristik zdroje a zátže. Velikost prtoného množství média dopravovaného ventilátorem - prtoku Q (ekvivalent I) vyplývá z velikosti tlakového pírstku p (ekvivalent U), který docílí ventilátor a který souasn odpovídá tlakovému úbytku v rozvodném (potrubním) systému charakterizovaném jeho odporovou charakteristikou. Obr. 2 ukazuje souvislost mezi charakteristikou ventilátoru (a) a odporovou charakteristikou rozvodného (potrubního) systému (b). Obr. 2 Regulace množství dopravovaného média ventilátorem škrcením resp. zmnou otáek ventilátoru. Charakteristika ventilátoru (a) znázoruje zvýšení tlaku ventilátorem p, odporová charakteristika systému (b) tlakový úbytek p v nm. V obou pípadech v závislosti na dopravovaném množství Q. Prseík A obou charakteristik, neovlivnných žádnou regulací, je pirozeným pracovním bodem. V uvedeném pípad ventilátor dopraví Q=5 m 3 /s pi zvýšení tlaku p = 6400 Pa. Pro pochopení principu je dležité vidt analogii nap. s V - A charakteristikou derivaního dynama, která je ekvivalentem k p - Q charakteristice ventilátoru na stran jedné a V - A charakteristikou odporové zátže, která je ekvivalentem k p - Q odporové charakteristice rozvodného (potrubního) systému na stran druhé. Pesné stanovení pracovního bodu zaízení pedem, ve fázi projektu, výpotem, obvykle není možné, protože výpoet odporové charakteristiky rozvodného systému obvykle obsahuje adu stup volnosti a nepesností. Ve fázi projektu se proto vždy ventilátor pedimenzovává. Úspory elektrické energie. 2

Pesné nastavení požadovaného, dopravovaného množství - v Obr. 2 nap. Q = 4 m 3 /s je po uvedení zaízení do provozu pedmtem regulaního procesu. Píkon ventilátoru je definovaný výrazem: Q p P 10 3 kw; m 3 / s, Pa, P - píkon ventilátoru [ kw ] Q - dopravované množství [ m 3 /s ] p - tlaková diference [ Pa ] - úinnost ventilátoru [ - ] 1.2.2 Podstata principu funkce mechanické soustavy s odstedivým erpadlem Odstedivá erpadla slouží k doprav kapalin ve všech možných oblastech každodenního života nap: - pi výrob a rozvodu vody; - v chemickém a petrochemickém prmyslu; - v energetice. Odstedivá erpadla a ventilátory pracují na stejném fyzikálním principu. Proto mají podobné pracovní charakteristiky. Na rozdíl od ventilátor je u erpadel zvykem, místo tlakového pírstku docíleného erpadlem p a jeho úbytku v potrubním systému, udávat dopravní výšku erpadla H pro kterou platí: H p. g H - dopravní výška [ m ] m; Pa, kg / dm p - tlaková diference (pírstek, ztráta) [ Pa ] - mrná hustota [ kg/dm 3 ] g - gravitaní zrychlení [ 9.81 m/s 2 ] 3, m / s 2 Obr. 3 ukazuje typickou pracovní charakteristiku odstedivého erpadla(a). Odporová charakteristika potrubí(b) vyjaduje ztrátu na dopravní výšce úbytek tlaku v závislosti na prtoku. Ztráta se skládá ze dvou složek: - statické, která respektuje geodetický výškový rozdíl, který se musí pekonat erpáním a tlakové pomry v erpadle - dynamické, která respektuje ztráty proudním Prseík odporové charakteristiky zaízení (b) s charakteristikou erpadla (a) je pirozeným pracovním bodem erpadla. V konkrétním pípad na obr. 3 mu odpovídá Q = 450 m 3 /s pi dopravní výšce H = 75 m. Pro výkon motoru pohánjícího erpadlo(= píkon erpadla) platí: Q. H.. g Q. p 3 3 P P píkon erpadla [ kw ] Q dopravované množství [ m 3 /s ] H - dopravní výška [ m ] - mrná hustota [ kg/dm 3 ] g - gravitaní zrychlení [ 9.81 m/s 2 ] 10 kw; m / s, Pa, Úspory elektrické energie. 3

- úinnost ventilátoru [ - ] p - tlaková diference (pírstek, ztráta) [ Pa ] Pesné nastavení požadovaného, dopravovaného množství nap. Q = 375 m 3 /s je po uvedení zaízení do provozu pedmtem regulaního procesu nkterým z dále popsaných zpsob. Obr. 3 Dopravní charakteristika erpadla, odporová charakteristika potrubí a znázornní variant regulace prtoku potrubím. 1.3 Principy regulace pohon s ventilátorovou charakteristikou 1.3.1 Regulace zmnou prchodnosti dopravního systému - Regulace škrcením Regulace škrcením v sání nebo ve výtlaku je nejobvyklejší formou regulace, která patí k energeticky nejnáronjším. Tento zpsob regulace je zárove spojený se zvýšením hladiny hluku zpsobené proudním dopravovaného média. Pozn: U ventilátor se rozlišují jak axiální ventilátory, které mají úinnost okolo cca 85 %, tak radiální ventilátory. U nich se rozlišují ventilátory s dopedu a dozadu zahnutými lopatkami viz. Obr. 10 prbhy I a II. Ventilátory s dopedu zahnutými lopatkami mají úinnost okolo cca 70 % a lze je regulovat pouze v rozmezí 55-100 % prtoného množství a mohou se u nich vyskytnout problémy s docílením požadované hodnoty statického tlaku. Ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami mívají úinnost okolo cca 85 % a lze je regulovat v podstatn širším regulaním pásmu. Regulace škrcením se u ventilátor nejastji užívá pro menší množství pracovního média. Výhody regulace škrcením: - malé náklady na regulaní zaízení; - použití je výhodné pi provozu s pevážn maximálním provozním zatížením; - je vhodná v aplikacích s krátkou dobou provozu; - je vhodná u zaízení s plochou charakteristikou. Úspory elektrické energie. 4

Nevýhody regulace škrcením: - píliš vysoký nárst dopravního tlaku u strmých charakteristik, - špatná úinnost zaízení pi dílím zatížení, - nepatrná úspora výkonu pi dílím zatížení, - nutnost použít škrticí armaturu, která je více mechanicky namáhaná, - nebezpeí vzniku hluku(pi zvýšení dopravního tlaku). Obr. 4 Dopravní a výkonová charakteristika zaízení (erpadla) pi regulaci škrcením - Regulace pomocí obtoku (bypassu) Je nejastjší alternativou k regulaci škrcením, zejména u pohonu kompresor. Nevyužité dopravované množství je nasávané na výtlaku z pracovního mechanismu a je vracené zpt na jeho sání. Pi regulaci obtokem picházejí v úvahu dva rzné zpsoby regulace: - regulace na konstantní tlak resp. dopravní výšku pi promnné odporové charakteristice dopravního systému viz. Obr. 5. Pedpokládá se, že hydraulický odpor dopravního systému se proti jmenovitému pracovnímu bodu mže vždy pouze jen zvtšovat. Typickým píkladem jsou rzné otopné soustavy, vodovodní sít, systémy pro rozvod tlakových médií. Tento zpsob regulace je analogický s regulací na konstantní naptí. Úspory elektrické energie. 5

- regulace dopravovaného množství Q pi stálé (nemnné) odporové charakteristice dopravního systému viz. Obr. 13. Pedpokládá se, že prtok se bude vždy regulovat v rozmezí Q Q MAX, kde Q MAX je prtok v jmenovitém pracovním bod. Typickým píkladem jsou rzné dálkové dopraví systémy. Tato regulace je analogická s regulací na konstantní proud. Princip regulace je v obou pípadech stejný z pohledu erpadla se otevením obtoku vždy zmenší hydraulický odpor systému, který vede k posunutí okamžitého pracovního bodu erpadla vždy smrem do oblasti vyššího dopravního množství Q úmrného stupni otevení obtoku tj.: - pi regulaci na konstantní tlak viz. Obr. 5 zpt do výchozího pracovního bodu; - pi regulaci prtoku viz. Obr. 13 do pracovního bodu ve kterém se docílí požadovaný prtok soustavou. Výhody regulace obtokem: - v protikladu k regulaci škrcením pi ásteném dopravním výkonu zaízení podle zpsobu regulace dopravní tlak zstává konstantní nebo mírn klesá; - vhodné použití tam, kde pevládá plný provoz a regulace se provádí v malém rozsahu. Nevýhody regulace obtokem: - vyšší poizovací náklady; - pi ásteném dopravním výkonu, v závislosti na zpsobu regulace, elektrický píkon zstává konstantní nebo mírn roste; - zstává stále pebytek dopravního tlaku (výšky), - energeticky nehospodárná regulace prtoku. Úspory elektrické energie. 6

Obr. 5 Dopravní a výkonová charakteristika zaízení (erpadla) pi regulaci obtokem na konstantní dopravní výšku (tlak). 1.3.2 Aerodynamické regulace - Regulace zmnou otáek Regulace množství dopravovaného média, zmnou rychlosti otáení zaízení s ventilátorovou charakteristikou, pedstavuje energeticky nejmén nároné ešení. Vysvtlení vyplývá z tzv. ventilátorového zákonu, který lze formulovat slovy: Prtoné množství dopravovaného média je pímo úmrné rychlosti otáení pracovního mechanismu, tlak (dopravní výška) je úmrná druhé mocnin rychlosti otáení pracovního mechanismu a píkon pracovního mechanismu je pímo úmrný tetí mocnin jeho rychlosti otáení. V systému, kde tlak je úmrný druhé mocnin množství, navíc zstává úinnost zaízení s ventilátorovou charakteristikou pi všech rychlostech konstantní a zárove výrazn klesá hladina hluku. Odlišnost v energetické náronosti regulace zmnou prchodnosti dopravního systému proti aerodynamické regulace zmnou otáek vyplývá ze základního a zásadního rozdílu v podstat fyzikálního principu, jakým zpsobem se regulace provádí: Regulace zmnou prchodnosti dopravního systému. Základem regulaního principu je zmna odporové charakteristiky rozvodného systému - viz.obr. 6. Regulace zmnou otáek. Základem regulaního principu je zmna otáek zaízení s ventilátorovou charakteristikou, spojená s odpovídajícím posunem pracovních charakteristik viz.obr. 6. Úspory elektrické energie. 7

Obr. 6 Srovnání fyzikálních princip regulace škrcením a zmnou otáek na pracovních charakteristikách zaízení s ventilátorovou charakteristikou. Naprostá vtšina zaízení s ventilátorovou charakteristikou je navržena vždy tak, aby jmenovitý (návrhový) pracovní bod ml resp. byl v míst maximální úinnosti daného pracovního mechanismu. Neaerodynamickými zpsoby regulace, jak vyplývá s ventilátorového zákonu, se naopak docílí, že pracovní bod se obvykle posune do místa s horší úinností. Aerodynamickým zpsobem regulace se naopak docílí, že úinnost zaízení zstane konstantní optimální (nejvyšší) resp. se proti jmenovitému pracovnímu bodu nezmní, nebo se zmní jen minimáln viz.obr. 13. Regulací otáek velkých zaízení lze docílit podstatných úspor elektrické energie. ím technologický proces vyžaduje hlubší a déle trvající regulaci množství média, je aerodynamický zpsob regulace ekonomicky efektivnjší, protože množství elektrické energie odebírané pohonem zaízení s ventilátorovou charakteristikou ze sít není navýšené o ztráty vznikající pi regulaním procesu pomocí pídavných, pasivních komponent. Zmnu otáek lze technicky uskutenit rznou formou. Ze zpsobu provedení vyplývají praktická i technická omezení pro jednotlivé varianty regulace a energetická náronost. Obecn však lze prohlásit, že pouze regulace zmnou rychlosti otáení motoru docílená zmnou kmitotu jeho napájecího naptí pedstavuje optimální ešení, jak z hlediska poteb a kvality regulaního procesu, tak z hlediska provozních náklad. Jedin tento typ regulace reaguje na zmnu výstupního výkonu odpovídající zmnou spoteby energie Obr. 10. Úspory elektrické energie. 8

Obr. 7 Dopravní a výkonová charakteristika zaízení (erpadla) pi regulaci zmnou otáek Obr. 8 Provoz pi zmnách odporové charakteristiky potrubní sít. Úspory elektrické energie. 9

Výhody regulace zmnou otáek: - zabránní vzniku pebytku tlaku; - výkonov úsporný chod; - zaízení je schopné se pružn reagovat na zmny odporové charakteristiky soustavy v dsledku provozních zmn viz. Obr. 8; - minimalizace opotebení celého technologického zaízení; - redukce hydraulické odezvy; - snížení hladiny hluku. Nevýhody regulace zmnou otáek: - vyšší poizovací náklady. Technické možnosti realizace regulace zmnou otáek -- Regulace otáek hydraulickou nebo skluzovou spojkou Použití obou druh spojek je sice energeticky výhodnjší než regulace škrcením, ale velké množství energie se pitom maí ve spojce. Ztrátová energie, která se musí ze spojky odvést, odpovídá ploše vymezené prbhy V a VII v Obr. 10. V souasné dob je tento zpsob ešení regulace moráln i technicky zastaralý. Pi uvažované dob životnosti frekvenního mnie cca 20 let je toto ešení vzhledem k podstatn vyšším provozním nákladm (regenerace olejové nápln spojky, chlazení) než u frekvenního mnie ekonomicky mén výhodné. Ekonomicky ho má smysl používat pouze pi regulaci v rozmezí 90 100 % otáek, tj. 90 100 % dopravovaného množství. -- Regulace otáek zmnou napájecího naptí Regulace otáek zmnou napájecího naptí pomocí fázového spínae je na první pohled ekonomicky lákavá, vzhledem k cenové relaci mezi frekvenním mniem a fázovým spínaem. Tento zpsob ízení ale vyžaduje pro tento zpsob regulace speciáln navržený asynchronní motor se zvláštním prbhem momentové charakteristiky a s vysokou tepelnou kapacitou. Motor musí být minimáln o jednu typovou velikost vtší než pi jiném zpsobu regulace. Vyplývá to z energetické náronosti tohoto zpsobu regulace, která je pibližn stejná jako u pedchozího zpsobu regulace. Motor proto musí být tepeln dimenzovaný na odvod ztrátové energie, jejíž množství pibližn odpovídá rozdílu prbh V a VII v Obr. 10 a která se u hydraulické spojky odvádí chladicí vodou. Vzhledem k trvalému chodu fázového spínae, musí být na nj spína také dimenzován a souasn musí být doplnn filtrem pro eliminaci energetického rušení, jehož vznik vyplývá z principu jeho funkce. Kvalita regulaního procesu je zárove ádov nižší než u frekvenního mnie. Všechny tyto okolnosti, které tento zpsob regulace provázejí a prodražují, vedou k tomu, že se v praxi pro vyšší výkony (10 kw a více) tento zpsob regulace vbec nepoužívá. -- Regulace otáek zmnou kmitotu pomocí frekvenního mnie Regulace množství dopravovaného média zmnou rychlosti otáení motoru pohánjícího zaízení s ventilátorovou charakteristikou zmnou kmitotu napájecího naptí frekvenním mniem pedstavuje optimální, energeticky nejmén nároné ešení, protože není zatížené výraznými ztrátami v regulaním lenu jako u pedchozích zpsob. Obecn lze konstatovat, že pouze regulace rychlosti motoru pohánjícího zaízení s ventilátorovou charakteristikou zmnou kmitotu jeho napájecího naptí dovoluje optimální návrh technologického zaízení jak z hlediska poteb a kvality regulaního procesu, tak z hlediska provozních náklad. Pi obvyklé šíce regulaního pásma 50 60 % je vždy úinnost frekvenního mnie vtší jak 97%. Úinnost motoru závisí na jeho velikosti (výkonu). Její prbh je však vždy píznivjší než pi promnném zatížení a konstantních otákách viz. Obr. 9. Jedin tento typ regulace reaguje na zmnu výstupního výkonu odpovídající zmnou spoteby energie. Úspory elektrické energie. 10

100 95 Úinnost [ % ] 90 85 80 promnné otáky konstantní otáky 75 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Výkon [ kw ] Obr. 9 Srovnání prbhu úinnosti motoru pohánjícího zaízení s ventilátorovou charakteristikou pi stejném zatížení bez regulace otáek a s regulací otáek Píkon P [ % ] 100 80 60 40 20 neregulovaný pohon jeden pracovní bod Q= 100 %, P= 100 % I. regulace škrcením, dozadu zahnuté lopatky II. regulace škrcením, dopedu zahnuté lopatky III. regulace pomocí rozvádcího ústrojí IV. regulace pomocí rozvádcího ústrojí a dvouotákového motoru V. regulace zmnou otáek hydraulickou spojkou 0 0 20 40 60 80 100 Q [ % ] VI. regulace natáením lopatek VII. regulace zmnou Obr. 10 Závislost píkonu motoru zaízení s ventilátorovou charakteristikou pi konstantním prtoném množství na rzných zpsobech regulace velikosti prtoku Úspory elektrické energie. 11

Další varianty aerodynamické regulace používané u ventilátor: - Regulace množství vstupního vzduchu rozvádcími lopatkami pedazenými ped obžným kolem radiálního ventilátoru Tento zpsob regulace využívá rozvádcí lopatky pedazené ped obžným kolem, kterými se vzduch vstupující do ventilátoru uvádí do rotace a zárove se omezuje jeho množství natáením tchto lopatek. Tím, že se vzduch uvede do rotaního pohybu, se snižuje energetická úinnost tohoto procesu a zvyšuje hladinu hluku. Energetická náronost tohoto zpsobu regulace je v každém pípad menší než u regulace škrcením a pípadn ji lze ješt snížit použitím dvouotákového motoru. Tento zpsob regulace se nejastji užívá pro stední množství pracovního média (viz.obr. 10, prbhy III a IV). - Regulace natáením lopatek ventilátoru Regulace natáením lopatek je úinná v širokém rozmezí požadovaného prtoku dopravovaného média. Používá se pouze u axiálních ventilátor. Energeticky je tento zpsob ješt píznivjší než zpsoby pedchozí (viz. Obr. 10, prbh VI). Požadavkem je, že ventilátor musí být pro tento zpsob regulace konstruovaný. Natáení lopatek je obvykle možné i za chodu ventilátoru. Tento zpsob regulace se používá pro velká množství dopravovaného pracovního média. 1.4 Pínos regulace otáek pohon zaízení s ventilátorovou charakteristikou pomocí frekvenního mnie - Optimální úinnost pohonu v celém regulaním pásmu. - Podle hloubky a etnosti poteb regulace ve sledovaném období mže úspora elektrické energie dosáhnout až 60 %. - Pi postupném uvádní technologického zaízení s pracovním mechanismem do provozu v návaznosti na zprovozování celku, kde je zaízení nasazeno, pracuje pohon vždy s minimální spotebou elektrické energie. Úinnost frekvenního mnie je obvykle vyšší než 98 %. - Možnost napájení a souasného ízení více motor z jednoho frekvenního mnie s napovým meziobvodem. - U frekvenních mni s napovým meziobvodem odpadá kompenzace jalového výkonu, pracují trvale s úiníkem cos ~ 1. - Ve frekvenním mnii je podle jeho provedení (výrobce) integrovaná ada ochran nap. nadproudová, zkratová, proti zemnímu spojení, - Nemusí být aplikované dosavadní regulaní elementy. Skladba poizovacích náklad je jiná. - Jednoduchá aplikace v zaízení - rychlejší montáž než u dosud používaných klasických zpsob regulace. - Rozbh zaízení je plynulý s minimálními mechanickými rázy - životnost pevod a ložisek je vtší. - Proud pi rozbhu pohonu nepesáhne jmenovitý proud motoru. Motor je trvale zatžován nižším proudem než pi jiném zpsobu regulace. - Trvalý chod motoru i pracovního mechanismu pi nižších než jmenovitých otákách má píznivý dopad na životnost mechanických ástí. - Pi obnovení naptí po krátkodobém výpadku napájení dojde k plynulému obnovení chodu bez nutného zastavení ventilátoru. Regulátor mnie vychází z okamžitých otáek pohonu. - S klesajícími otákami klesá významn hluk ventilátoru i motoru. - Výborné regulaní vlastnosti - vysoká pesnost a libovoln nastavitelná dynamika pechodného dje umožují novou kvalitu regulaních proces a jejich optimalizaci. - Typické provozní režimy mohou být pedem nastaveny. - Pohon mže být jednoduše a spolehliv ízený po sbrnici nadazeným ídícím systémem. - Frekvenní mnie obvykle umožují chod s využitím vlastního, integrovaného PID regulátoru, který je založen na vyhodnocování zptnovazebního signálu z podtlakového idla. Úspory elektrické energie. 12

1.5 Faktory limitující použití pohon s frekvenními mnii Technicky dokonalé, ideální ešení v praxi neexistuje. Obvykle je omezeno okrajovými podmínkami. Stejn tak je tomu i u pohon zaízení s ventilátorovou charakteristikou u kterých se poítá s využitím regulace založené na principu zmny otáek. Pokud zaízení není pímo konstruováno pro chod s promnnými otákami, tj. zejména pi rekonstrukcích, je teba nejprve u výrobce provit, zda zaízení v tomto režimu mže pracovat a bude splovat od nho oekávané provozní vlastnosti. Zejména je teba uvážit: - vhodnost ventilátorové charakteristiky zaízení pro otákovou regulaci, - nebezpeí existence rezonanních pásem v rozmezí 0 3 000 ot/min. Tento problém se obvykle eší zablokováním uritého otákového pásma pímo ve frekvenním mnii. - u pohon vyšších výkon je teba vždy ešit zptné psobení frekvenního mnie na napájecí sí, tzv. energetické rušení ve spoleném napájecím bod. Nelze opomenout, že ke stejnému efektu energetického rušení jako u jednoho pohonu vyššího výkonu, dojde pi souasném paralelním chodu nkolika pohon o menším výkonu, jejichž souet výkon má stejnou hodnotu. Úspory elektrické energie. 13

1.6 Píklady aplikací reálný pohled na rzné zpsoby regulace 1.6.1 Ventilátor Souhrn: Množství média dopravovaného ventilátorem je na stran jedné urené tlakovým pírstkem docíleným ventilátorem, na stran druhé tlakovým úbytkem v dopravním systému. Obojí v závislosti na dopravovaném množství média Q. Grafickým vyjádením souhrnem obojího jsou p Q charakteristiky ventilátoru a dopravního systému. Pracovním bodem je stav, ve kterém dojde k rovnováze mezi obma p tedy prseík obou charakteristik. Na rozdíl od p Q charakteristiky, která je obvykle ve fázi projektu známá, lze odporovou charakteristiku potrubního systému stanovit jen nepesn. Proto je vždy ventilátor o 10 20 % pedimenzovaný. To má nepíjemný dsledek po uvedení do provozu ventilátor dodává s vtší Q než je teba. Nastavení potebného Q na hodnoty splující technologické a jiné požadavky se provede nkterým z díve uvedených zpsob regulace. Píklad: V Obr. 11 jsou znázornné p Q charakteristiky ventilátoru a rozvodného systému. Bod A pedstavuje pirozený pracovní bod, kterému odpovídá dopravované množství Q = 5 m 3 /s pi p = 6400 Pa. Požaduje se zmna prtoku z 5 na 4 m 3 /s. Úkolem je provést porovnání energetické náronosti regulace škrcením a regulace zmnou otáek. Regulace škrcením Je nejjednodušším zpsobem regulace a patí k nejobvyklejším. K regulaci slouží škrticí klapka, která je zabudovaná do potrubního systému. Jejím pivíráním se zvtšuje hydraulický odpor potrubí vyjádený odporovou charakteristikou, která se pi škrcení napimuje. Nové poloze škrticí klapky odpovídá nová charakteristika (b1). p Q charakteristika ventilátoru (a) se nemní, zstane stejná. Nový pracovní bod B, který odpovídá množství Q = 4 m 3 /s, je urený vzájemným prseíkem charakteristik (b 1 ) a (a) pi hodnot p = 7260 Pa. Aby ventilátor dopravil požadované množství Q musí vyvinout tlak p = 7260 Pa proti pvodnímu p = 6400 Pa. V novém pracovním bod B bude ventilátor pracovat s novou úinností. Výkon motoru (= píkon ventilátoru) v pracovním bod B pi úinnosti ventilátoru V = 80 %: P. 3 3 Q p.10 4. 7260.10 0.80 36,3[ kw ] Obr. 11 Grafické znázornní regulace Q dopravovaného ventilátorem škrcením a zmnou otáek, vetn zmn souvisejícího píkonu ventilátoru. Úspory elektrické energie. 14

Regulace zmnou otáek Regulace zmnou otáek znamená novou p Q charakteristiku ventilátoru. Odpor charakteristiky vzduchovodu (b) se nezmní. Nová p Q charakteristika pi regulaci otáek, snižováním z jmenovitých otáek bude vždy ležet pod výchozí jmenovitou p Q charakteristikou. V daném pípad nižším otákám odpovídá nová charakteristika (a 1 ), která se protíná s odporovou charakteristikou potrubí (b) v novém pracovním bod C (p = 4100 Pa, Q= 4 m 3 /s). Pi nové úinnosti ventilátoru V = 76 % je píkon ventilátoru v novém pracovním bod C: P. 3 3 Q p.10 4.4100.10 0.76 21,6 [ kw ] Porovnání obou zpsob regulace Regulace zmnou otáek je pirozená aerodynamická bezztrátová regulace, jejímž výsledkem je nová p Q charakteristika spojená pouze s malým zhoršením úinnosti ventilátoru v novém pracovním bod C. Úinnost ventilátoru se mní podle stejných zákonitostí jako u odstedivého erpadla viz. Obr. 13. Toto zhoršení je však vykompenzované výrazným poklesem p, který je pro velikost píkonu ventilátoru daleko dležitjší. Pi regulaci škrcením vzniká na škrticí klapce tlaková ztráta (úbytek), jejíž velikost uruje poloha pracovních bod B a C. p p 7260 4100 3160 Pa B C Píkon 14.7 kw, který odpovídá tomuto rozdílu viz. Obr. 11, reprezentuje ztrátu na škrticí klapce pi regulaci škrcením a mní se na teplo, které ohívá dopravované médium. Pi porovnání obou zpsob regulace si je teba uvdomit, že pi menším rozsahu regulace se pi škrcení mže úinnost ventilátoru v závislosti na poloze pracovního bodu zpoátku zlepšovat a být paradoxn lepší než pi regulaci zmnou otáek viz. Obr. 12. Tento poznatek se nesmí nikdy vnímat izolovan, protože z hlediska velikosti potebného píkonu ventilátoru, jak již bylo uvedeno, je daleko významnjší výrazný pokles p pi regulací zmnou otáek. Obr. 12 Úinnost ventilátoru v jednotlivých pracovních bodech pi regulaci škrcením resp. zmnou otáek ventilátoru. Úspory elektrické energie. 15

1.6.2 Odstedivé erpadlo Souhrn: Odstedivá erpadla a ventilátory pracují na stejném fyzikálním principu. Proto mají podobné pracovní charakteristiky. Na rozdíl od ventilátor je u erpadel zvykem, místo tlakového pírstku docíleného erpadlem a jeho úbytku v potrubním systému, udávat dopravní výšku erpadla H. Odporová charakteristika potrubí(b) vyjaduje ztrátu na dopravní výšce úbytek tlaku v závislosti na prtoku. Ztráta na dopravní výšce se skládá ze dvou složek: - statické, která respektuje geodetický výškový rozdíl, který se musí pekonat erpáním a tlakové pomry v erpadle; - dynamické, která respektuje ztráty proudním. Pracovním bodem je vždy stav, ve kterém je dopravní výška erpadla H rovná ztrát na dopravní výšce potrubního systému tedy prseík obou charakteristik. Na rozdíl od H Q charakteristiky erpadla, která je obvykle ve fázi projektu známá, lze odporovou charakteristiku potrubního systému stanovit opt jen nepesn. Proto je vždy erpadlo stejn jako ventilátor o 10 20 % pedimenzované. To má nepíznivý dsledek po uvedení do provozu je teba docílit požadovaný prtok Q nkterým z díve uvedených zpsob regulace. Píklad: V Obr. 13 jsou znázornné H Q charakteristiky erpadla a potrubního systému. Bod A - prseík odporové charakteristiky potrubí (b) s charakteristikou erpadla (a) je pirozeným pracovním bodem erpadla. V konkrétním pípad na Obr. 13 mu odpovídá Q = 450 m 3 /h pi dopravní výšce H = 75 m. Píkon erpadla v pirozeném pracovním bod A je 123 kw. Požaduje se zmna prtoku na Q = 375 m 3 /h. Úkolem je provést srovnání energetické náronosti regulace škrcením, regulace pomocí obtoku (bypassu) a regulace zmnou otáek. V Obr. 13 je zárove znázornné jak se mní úinnost erpadla.v závislosti na poloze pracovního bodu. Obr. 13 Grafické znázornní regulace Q dopravovaného erpadlem škrcením, obtokem a zmnou otáek. Regulace škrcením Je klasickým zpsobem regulace a patí k nejobvyklejším. K regulaci slouží škrticí klapka, která musí být zabudovaná do potrubí. Jejím pivíráním se zvtšuje hydraulický odpor potrubí vyjádený odporovou charakteristikou. Každé nové poloze škrticí klapky odpovídá nová odporová charakteristika potrubního systému. H Q charakteristika erpadla se nezmní, zstane stejná. Novému pracovnímu bodu B, který odpovídá prtoku Q = 375 m 3 /h odpovídá odporová charakteristika (b 1 ) jejíž prseík s charakteristikou Úspory elektrické energie. 16

erpadla definuje nový pracovní bod B. Výkon motoru (= píkon erpadla) v pracovním bod B pi úinnosti erpadla = 78%: Q. H.. g 375. 85.1. 9.81 P 111[ kw ] 3600. 3600. 0,78 Regulace obtokem Pi regulaci obtokem (pomocí bypassu) se ást množství erpaného erpadlem odebírá na výtlaku pomocí regulaní armatury a pivádí se zpt do sání erpadla Tato ást prtoku se erpá bez užitku dokola (proto obtok). Obtok se projeví snížením hydraulického odporu systému, prbh odporové charakteristiky se z b zmní na b 2. H Q charakteristika erpadla se nezmní, zstane stejná. Nový pracovní bod erpadla je definovaný prseíkem charakteristiky b 2 s pracovní charakteristikou erpadla (a) bod C, kterému pi úinnosti erpadla = 67% odpovídá píkon erpadla: P Q. H.. g 3600. 520. 61.1. 9.81 129[ kw ] 3600. 0.67 Regulace zmnou otáek Regulací zmnou otáek získáme novou H Q charakteristiku erpadla. Odpor charakteristiky potrubí se nezmní. Nová H Q charakteristika pi regulaci otáek snižováním z jmenovitých otáek bude vždy ležet pod výchozí, jmenovitou H Q charakteristikou. V daném pípad nižším otákám odpovídá nová charakteristika a 1, která se protíná s odporovou charakteristikou potrubí b v novém pracovním bod D (H= 61 m, Q= 375 m 3 /s). Pi úinnosti erpadla = 72% je píkon erpadla: P Q. H.. g 3600. 375. 61.1. 9.81 87 [ kw ] 3600. 0.72 Srovnání jednotlivých zpsob regulace Regulace zmnou otáek je aerodynamická, bezztrátová regulace. S požadavkem na snížení prtoku Q, klesá i dopravní výška H. Pi regulaci škrcením vzniká stejn jako u ventilátoru na škrticí klapce tlaková ztráta, které odpovídá rozdíl v dopravní výšce mezi body B - D tj. H = 24 m. Pi regulaci obtokem se erpá zbyten ást dopravovaného média Q, která se bez užitku vrací zpt na sání erpadla. Toto množství je definované rozdílem v prtoku mezi pracovními body D C: Q= 520-375 = 145 m 3 /s. Dopravní výška H pitom klesne na hodnotu shodnou s regulací otáek. Zpsob regulace Q [ m 3 /h ] H [ m ] [ % ] P [ kw ] P [ kw ] W [ kwh ] W [ kwh ] Bez regulace 450 75 75 123 0 984 000 288 000 Škrcením 375 85 78 111 24 888 000 192 000 Obtokem 520 61 67 129 42 1 032 000 336 000 Otákami 375 61 72 87-696 000 0 Tab. 1 Souhrn charakteristických veliin pi rzných zpsobech regulace odstedivého erpadla. Poet provozních hodin - 8000 h/rok. Ztráty které vznikají pi regulaci škrcením resp. obtokem jsou v obou pípadech odvádné erpaným médiem, které ohívají. Velikost vyvolaného oteplení: P. t m. c. Q. t. c. Úspory elektrické energie. 17

P Q. c 1.7 Zatžovací diagram Výchozím pedpokladem pro posuzování efektivnosti chodu pohonu vetn navazujícího pracovního mechanismu a zvoleného zpsobu regulace je stanovení reálného zatžovacího diagramu vycházejícího ze skutenosti. Zatžovací diagram je obecn závislost etnosti jednotlivých typických provozních stav zatížení, vyjádená nap. potem provozních hodin na výkonu daného zaízení. Zatžovací diagram mže mít rznou formu. Nutn to nemusí být závislost potu provozních hodin na výkonu motoru. Zejména pokud posuzujeme efektivnost rzných systém regulace, je správné, aby zatžovací diagram tvoila závislost potu provozních hodin na jiné fyzikální veliin než je výkon. Z ní se teprve výkon motoru urí výpotem v závislosti na použitém zpsobu regulace této fyzikální veliiny. Takový zatžovací diagram je dokonce lepší, protože umožuje odvodit z nj pro srovnání jednotlivé zatžovací diagramy pro rzné zpsoby regulace. ím je pi sestavování zatžovacího diagramu zvolený asový interval (poet provozních hodin) delší, tím má úvaha o efektivnosti zvoleného zpsobu regulace založená na zatžovacím diagramu daného zaízení lepší vypovídací hodnotu. Pozor - obecn však platí, že vhodnou volbou zatžovacího diagramu, která nevychází z objektivní skutenosti, lze dokázat prakticky cokoliv. Úspory elektrické energie. 18

etnost provozu fluidního kotle pi rzných výkonech 50 45 40 35 etnost [ % ] 30 25 20 1997 1998 výhled 15 10 5 0 40 60 80 90 100 Výkon kotle [ % ] Obr. 14: Zatžovací diagram fluidního kotle Jako konkrétní píklad Obr. 14 je uveden zatžovací diagram prmrného vytížení fluidního kotle, který byl stanovený zprmrováním známých diagram za delší asové období. Konkrétnímu parnímu výkonu kotle (100 % = 350 t/h) vždy odpovídá pesn definované dopravované množství spalin (prtok) a jemu výkon motoru (= píkon ventilátoru). Energetická náronost pi porovnávání rzných zpsob regulace je definovaná výrazem: n W i 1 P t i. i kde je: P i t i - výkonová hladina v zatžovacím diagramu - poet provozních hodin s píkonem P i podle zatžovacího diagramu Úspory elektrické energie. 19

2. LITERATURA Drehzahlverstellung von Asynchronmaschinen, Schörner J, Seifert D., Technische Schriften 4, Loher AG Drehstrommaschienen für drehzahlverstellbare Antriebe, Technische Liste UN 03 de Dimenzování obhových erpadel, píruka pro projektanty, KSB Interní materiály firem ELCOM a.s., Loher GmbH a ABB Úspory elektrické energie. 20