Variabel hastighed

Bedre kvalitet af strømforsyningen, systemdiagnostik, fugtighedsstyring, energibesparelser, præcis temperaturkontrol, mindre støj, processikkerhed og større komfort.

Inverterkompressorteknologi giver nye muligheder for airconditionanlæg, først og fremmest i form af reduceret energiforbrug og lavere driftsomkostninger. 

Derudover forbedrer teknologien effektfaktoren og fører til en forbedret forsyningskvalitet såvel som bedre systemdiagnostik og åbne kommunikationsprotokoller, som afhjælper servicearbejdet. 

Kontinuerlig tilpasning til kølebehovene medfører større energibesparelser og præcis temperaturkontrol.

Kompressoren tilpasser strømtilslutningen til kølekapaciteten. Enheden modstår effektivt ændringer i temperaturen og kører ved delbelastning, hvilket kan repræsentere en energibesparelse på over 30 % hvert år sammenlignet med en kompressor med fast hastighed eller en moduleret kompressor. Den stabile temperaturkontrol sikrer processerne på optimal vis og yder større komfort. Alt i alt betyder dette energieffektivitet i bygninger.

Kapacitetsmoduleringen svækker spidseffektbehov, hvilket også medvirker til at øge nettets driftsikkerhed og elforsyningens kvalitet.

Softstartstyringen fører til nærmest nul tilstrømning under indkobling og forbedrer EER:

• Direct-on-line (DOL) kompressorer starter med at trække 5-6 gange den nominelle strøm, indtil kompressorens driftshastighed nås. Traditionelle kompressorer med fast hastighed i et anlæg kan foretage 8-12 start/stop-cyklusser, og hver start kræver meget strøm fra forsyningen, hvilket fører til et højt effektforbrug og forsyningsbelastning samt belastning af kompressorens mekaniske dele.
• De fleste inverterscrollkompressorer har softstart, hvilket forebygger momentbølger. Det forebygger mod mekanisk belastning på maskinen og genererer lavere serviceomkostninger og mindre slid. Lav startstrøm medvirker også til at mindske de faste omkostninger til forsyningsselskaber (spidsstrømsberegning) og mindsker net- og nødstrømsbelastninger.

Yderligere fordele ved inverterkompressorer er:

• Forbedret fugtighedsregulering gør desuden enheden egnet til spa-installationer takket være enhedens justeringskapacitet og dermed forbedret styring af fordampningstemperaturen.
• Støjsvag i forhold til konventionelle on/off-systemer ved delbelastningsdrift.
  Danfoss Commercial Compressors har ud over de almindelige teknologifordele, som fås med alle kompressorer, prækvalificerede inverterkompressorer og omformere, der er beregnet til at fungere sammen.

Dette er endnu en fordel til gavn for producenter, rådgivende ingeniører og slutbrugere med hensyn til:

• Færre anlægskomponenter
• Større driftsikkerhed og kontinuerlig drift
• Lettere teknologiimplementering
• Reducerede driftsomkostninger
• Kortere produktionstid

Figur 1

Energiforbruget i kølesystemer med forskellige kompressorkonfigurationer. Gennemsnitligt effektindeks baseret på simuleringer for 10-30TR-kompressorer anvendt i applikationer med lavt trykforhold (roof tops). Indeks 100 = Danfoss' inverterscrolls VZH energiforbrug.

Figur 2

Typisk belastningsprofil i en bygning.
Kun nogle få procent af aktiviteterne i en bygning kører ved fuld belastning. HVAC-systemer er designet til spidsbelastningsforhold (højre side af diagrammet). Disse betingelser er ikke de betingelser, hvorved udstyret er i drift det meste af tiden. Dette diagram repræsenterer typiske årlige klimadata og kørselstimer (% af år) for hver tilstand. 

Kilde: Danfoss' HVAC-værktøj

Valg af kompressor og omformer samt designfærdighederne er afgørende for systemets overordnede pålidelighed og effektivitet.

Inverteromformerens betydning: Kompressoren og omformeren skal være godkendt til at arbejde sammen og til dedikerede applikationer. Omformeren modulerer kompressorens hastighed og forhindrer, at den fungerer uden for kompressorens driftsgrænser. Inverterens frekvensomformere skal bruge algoritmer, der er udviklet specifikt til opvarmning, ventilation og airconditioning (HVAC) eller til køling. De sikrer, at systemet fungerer inden for applikationens grænser. Omformeren kan også styre andre enheder såsom olieindsprøjtningsventiler eller supplerende kompressorer. Idet kompressorens rotationshastighed ændres, øges eller mindskes kølemiddelmængden – og olie – der strømmer gennem kompressoren. Omformeren sørger for, at kompressoren er optimalt smurt ved alle kompressorhastigheder.

OEM-producenters kompetencer ved integration af invertersystem: Ikke alle OEM'er er klar til at tage inverterteknologi til sig af følgende grunde:

1. Kompetenceniveau og erfaring forhindrer OEM i at implementere inverterteknologi. Tilstrækkelig stor mekanisk erfaring skal være suppleret af elektroteknisk kunnen og regulatorudvikling og -programmering.
2. Inverterkompressorer skal kontinuerligt variere hastigheden for at tilpasse sig belastningen, hvilket gør systemets oliestyring mere kompleks sammenlignet med traditionel teknologi. Oliestyringskompetencer er en basal problematik – når der ikke bruges en oliefri kompressortype – hvor kompressorproducentens erfaring gør hele forskellen,
3. Applikationssupport til OEM'er ydet af kompressor- og inverterproducenten er kritisk for systemintegrationen.

Misforståelser om teknologi med variabel hastighed

Inverterteknologi reagerer for langsomt på belastningsændringer: Visse inverterscrolls hastighedsområde for nedadgående/opadgående kørsel er mellem <0,1 s og 3.600 s > En inverter ved fuld belastning taber 5-10 %. Ved fuld hastighed kan inverteren miste 3 % i effektivitet. Idet fuld belastning ikke forekommer ofte, er tabet minimalt i det generelle enhedsforbrug.

Oliecirkulationen øges ved højhastighedsdrift: Oliecirkulationshastigheden, der styres elektronisk af visse inverterscrolls, kan være mindre end 3 % ved fuld hastighed. Oliestyring er mere kompleks med inverterkompressorsystemer. Nogle inverterscrolls styrer oliecirkulationen ved både lav og høj hastighed, hvilket kræver minimal designtilpasning.

Invertere kan ikke anvendes, når EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) er et problem: Nogle invertere tilbyder EMC-filtrering på to niveauer, som opfylder de strengeste europæiske standarder for elektromagnetisk interferens.

Undgå systemoverstørrelse, sænk elregningen og tilstrømningen under indkobling, opnå bedre komfort og forbedret proces er nogle af de vigtigste drivkræfter bag variabel kapacitet.

Mange køle- og airconditionanlæg kræver driftsikre processer, som er mere effektive, kompakte, miljøvenlige samt lette at installere og vedligeholde. Kølebehovene varierer kraftigt i løbet af dagen og i årets løb pga. de omgivende betingelser, belastning og forbrug, belysning osv.

• Komfortkøling kan også opfylde behovet for en stabil og nøjagtig temperatur- og fugtighedsregulering på f.eks. hospitaler, i it- og telesektoren og i proceskøling.
• Anvendelser på f.eks. skoler, restauranter og kontorbygninger kræver, at kølesystemet kan tilpasses til store daglige belastningsvariationer.
• Procesanvendelser inden for f.eks. gæring, i væksthuse og industrielle processer kræver nøjagtig temperaturregulering for at sikre produktionskvaliteten.

Tre forskellige markedstendenser samles om at skabe nye muligheder for effektive, bæredygtige løsninger: 

• Energieffektivitet
• Intelligente systemer
• Miljøpåvirkning

Energieffektivitet er ikke længere en mulighed. Energilovgivningerne bliver stadigt strammere. Der udarbejdes energiforskrifter og -standarder for bygninger overalt i verden, og tiltag til energiforbedringer får mere opmærksomhed. Et andet globalt problem er energisikkerheden. Hvordan sikrer vi, at vi ikke kommer til at mangle energi i fremtiden?

HVAC og kølesystemer er normalt designet til at klare spidsbelastninger, hvilket kun er en lille procentdel af den reelle drift. Overstørrelse af denne type fører til effektivitetstab og øgede omkostninger knyttet til overdimensioneret udstyr. Energieffektiv kapacitetsmodulering bruges til at tilpasse kølekapaciteten til kølebehovet og derved tilpasse disse anvendelseskrav.

Der er flere måder at regulere kølekapaciteten på i køle-, aircondition- og opvarmningsanlæg. De mest kendte, der almindeligvis anvendes til airconditioning, er: on/off-cyklus, varmgasbypass, manifoldkonfigurationer af flere kompressorer, mekanisk modulering (også kaldet digital) og inverterteknologi. De har alle fordele og ulemper.

• On/off-cyklus: Resulterer i stop af kompressoren med fast hastighed under lette belastningsforhold og kan føre til korte start-/stoptider samt en reducering af kompressorens levetid. Enhedens effektivitet forringes af gentagen trykbelastning og indkoblingstab. Reduktionskapaciteten er 100 % eller 0 %.
• Varmgasbypass: Består i at bypasse en mængde gas fra afgangs- til sugesiden. Kompressoren vil opretholde driften ved samme hastighed, men bypassfunktionen gør, at kølevæskens masseflow, der cirkulerer i systemet, mindskes, og således også kølekapaciteten. Dette forårsager naturligvis, at kompressoren kører formålsløst i perioder, hvor bypassfunktionen er aktiveret. Reduktionskapaciteten varierer mellem 0 og 100 %.
• Manifoldkonfigurationer: Adskillelige kompressorer kan installeres i systemet for at levere maksimal kølekapacitet. Hver kompressor kan køre eller ikke køre for at regulere enhedens kølekapacitet. Reduktionskapaciteten er enten 0/33/66 eller 100 % for en tredobbelt konfiguration og enten 0/50 eller 100 % for en tandem.
• Mekanisk moduleret kompressor: Denne interne, mekaniske kapacitetsmodulering er baseret på en periodisk kompressionsproces med en kontrolventil, hvor de to scrollsæt fjerner sig fra hinanden, hvilket stopper kompressionen i en bestemt tidsperiode. Denne metode varierer kølemiddelflowet ved at regulere den gennemsnitlige kompressionstid, men ikke motorens reelle hastighed. Trods et fortrinligt reduktionsforhold – fra 10 til 100 % af kølekapaciteten – har mekanisk modulerede scrolls et højt energiforbrug grundet motorens kontinuerlige drift.
• Inverterkompressor: Bruger en variabel frekvensomformer til at sænke eller øge hastigheden på motoren, som driver kompressoren. Denne metode varierer kølemiddelflowet ved reelt at ændre kompressorens hastighed. Reduktionsforholdet afhænger af systemkonfigurationen og -producenten. Modulationen svinger fra 10 % (afhængigt af kompressormodellen) op til 100 % ved fuld kapacitet med en enkelt frekvensomformer.

Airconditioning står får ca. 20 % af det samlede årlige elforbrug i et land som USA. Introduktionen af frekvensomformerteknologi i aircondition- og varmepumpesystemer giver mulighed for at opnå betydelige energibesparelser takket være den effektive delbelastning, som også hjælper med at forbedre elnettets strømkvalitet. 

Effektfaktoren er et vigtigt mål for, hvor hårdt kraftværket skal arbejde for at levere elektricitet. 

Det kan påvirke kvaliteten af strømforsyningen direkte, hvis installationernes effektfaktor øges. For elselskaberne betyder det et mindre tab og forbedret driftssikkerhed af forsyningen. For bygnings- og boligejere betyder det mere effektivt udstyr med mulighed for stats- og eller føderale støtteordninger eller støtteordninger fra lokale offentlige værker. 

Effektfaktoren er kombinationen af forskydningsstrømfaktoren (forskydning af aktiv og reaktiv strøm) og forvrængningsstrømfaktoren (forvrængning af strømmen pga. harmoniske svingninger).

En effektfaktor tæt på 1 betyder:

• Ingen interferens med andet installeret udstyr
• Ingen interferens med elnettet 
• Mindre tab og højere effektivitet. 

Brugen af frekvensomformere giver mulighed for en betydelig forbedring i effektfaktoren, da forskydningsstrømfaktoren er tæt på 1. Forvrængningseffektfaktoren påvirker imidlertid transformere, kabler, sikringer og maksimalafbrydere negativt pga. harmoniske svingninger. 

Danfoss' inverterteknologi har en lav forvrængning og høj effektfaktor (0,98) takket være korrektionen fra en DC-choker, mens andre frekvensomformere eller mekanisk modulerede systemer kan have en effektfaktor så lav som 0,60. 

Andre fordele ved prækvalificeret omformerkorrektion i Danfoss' inverterløsninger: 

• Booster den øjeblikkelige kredsspænding, når det er nødvendigt, hvilket forbedrer driftsegenskaberne ved lave forsyningsspændinger. 
• Øger spændingen i AC-induktionsspolen, hvilket reducerer strømmen og belastningen i hele kæden af strømkomponenter, samtidig med at omkostningerne reduceres. 
• Den højere DC-linkspænding reducerer motorstrømmen og tab. 
• Den aktive effektfaktorkorrektion (PFC) kan slås til og fra efter behov for den bedste systemeffektivitet.

En inverterkompressor er designet til at fungere med en frekvensomformer, som trinvist justerer kompressormotorens hastighed, så den nødvendige køling leveres.

Det kan enten være scroll-, rotations- eller stempelkompressorer, semihermetiske eller åbne kompressorer, herunder skrue-, centrifugal- og aksialkompressorer. Denne type kompressor bruger en særlig omformer til at regulere kompressormotorhastigheden (målt i omdrejninger pr. sekund (o/sek.). Inverterkompressorer kan fungere ved forskellige hastigheder: Inverterkompressoren er specifikt designet til at køre ved forskellige motorhastigheder for at genere et moduleret kølemiddelolieflow og køleeffekt.

Den variable frekvensomformer angiver kølekravet til kompressormotoren. Motoren tilpasser kontinuerligt hastigheden for at yde en større eller mindre kølekapacitet for at opfylde det nøjagtige kølebehov. Kombinationen af de to enheder – kompressor og omformer – leverer en kontinuerlig køleregulering. Metoden med variabel hastighed kræver en meget robust kompressor ved kørsel med fuld hastighed og et specielt kompressorsmøringssystem til systemer, der anvender olie. En fremragende oliestyring er en kritisk forudsætning for at sikre kompressorens levetid. Oliestyringssystemet garanterer god smøring af scrollfunktionen ved lav hastighed og modvirker, at en for stor mængde olie sprøjtes ind i kredsløbet ved højhastighedsdrift for at opretholde en perfekt oliecirkulationshastighed.