Teljesítményszabályozás
2011. július 22. | Csizmazia Gábor| | 1 |
A hűtőberendezések felhasználói részéről mindig igény volt a hűtőberendezések teljesítményének szabályozására, mivel a kikapcsolási hőmérséklet környékén lényegesen kisebb a hűtőteljesítmény-igény, mint normál kondíciók mellett, ezért folyadékhűtők esetén hatalmas méretű puffertartályokat kellett alkalmazni a sűrű ki-bekapcsolások elkerülése végett.
A gyakori bekapcsolások indokolatlanul igénybe vették a berendezés mechanikus és villamos alkatrészeit - induláskor sokkal nagyobb áramok folynak a tekercsekben, és nagyon rángatja a hálózatot is -, ezért sokkal jobban igénybe veszi a rendszert és a kiszolgáló hálózatot is. Az óránkénti indulások számát lehet korlátozni egy visszakapcsolás-késleltető automatikával, mint ahogy ezt meg is teszik, csak ezzel a rendszer flexibilitását csökkentik, miután a közeg hőmérsékletének emelkedésével megjelenik a hűtési igény, de az indítás késleltetés még nem járt le, ezért – nagy puffertartály híján - lenghet a közeghőmérséklet.
A megoldás az, hogy a közeghőmérséklet csökkenésekor elkezdjük csökkenteni a berendezés által leadott hűtőteljesítményt. A hűtőteljesítményünk akkor tud csökkenni, ha csökkentjük a rendszerben áramló hűtőközeg mennyiségét. Ezt megtehetjük, és meg is tettük automatikus szívónyomás-szabályzó szelepekkel. A régi KS-20 as klímaszekrényeknél így történt a szabályozás. Csakhogy a kompresszor változatlan mennyiséget próbált szívni, de a lezárt szívóoldali nyomásszabályzó szelepen természetesen sokkal kevesebb közeg jutott át, ezért romlott a kompresszor betétmotorjának visszahűtése. Az expanziós szelepek szabályozásakor is hasonlóan romlott a visszahűtés, ráadásul a megváltozott elpárolgási hőmérséklet miatt a berendezés munkapontja is elcsúszott.
Nem maradt más hátra, mint a kompresszorok szállítóteljesítményének változtatása. Ugyanis, ha kevesebb közeget szállít a kompresszor, kisebb lesz a kompresszió munka, vele együtt a villamos munka és a melegedés, az elpárologtatóba is kevesebb közeg fog bejutni, nem fog károsan lecsökkenni az elpárolgási hőmérséklet, viszont a lecsökkent hűtőközeg-tömegáram miatt csökkenni fog a hűtőteljesítmény, a készülék lassabban vagy egyáltalán nem fogja elérni a kikapcsolási hőmérsékletet, de csökkentett teljesítménnyel - és áramfelvétellel - folyamatosan fog üzemelni. Ez viszont sokkal kellemesebb üzemállapot a kompresszor és a rendszer számára, mint az álladó ki-bekapcsolás.
Hogyan tudjuk csökkenteni a kompresszor által szállított hűtőközeg mennyiségét, mitől függ a szállított tömegáram? Például, függ a henger-űrtartalomtól. Tudjuk változtatni egy adott kompresszor henger-űrtartamát? Nem igazán. De ha egy többhengeres kompresszorunk van –alternáló dugattyús kompresszorról beszélünk -, akkor hengerpárok kiiktatásával csökkenthetjük a szállított közegmennyiséget. Egyszerűen az adott hengerpár szívószelepeinek kitámasztásával elérhetjük azt, hogy az adott hengerben vagy hengerpárban ne legyen kompresszió, tehát lecsökken az adott kompresszor hasznos henger-űrtartalma, tehát szállítóteljesítménye. Az adott hengerek nyomóoldali munkaszelepezése megakadályozza a működő hengerekből a hűtőközeg visszaáramlását a nem működő hengereken keresztül a szívóoldalba.
A másik megoldás, mikor egy mágnesszelep segítségével összenyitjuk a szívóteret a nyomótérrel, tehát megint csak nincs hűtőközeg-szállítás. Viszont ebben az esetben alkalmazni kell egy visszacsapó szelepet a hűtőközeg visszaáramlásának megakadályozására. Az ábrán a terhelt állapot látszik.
A mágnesszelep feszültségmentes állapotban van, a tehermentesítő henger mögött szívóoldali nyomás uralkodik, mivel a szívóoldali csatlakozón keresztül szívóoldali nyomás érkezik - kék színnel jelzett tér - a hengerhez, a henger bal oldali pozícióban van, és a vele tengelykapcsolatban lévő tehermentesítő szelep is bal oldalra van kapcsolva. Tehát elválasztja egymástól a szívó- és a nyomóteret - a henger működik, szállít. A piros színnel jelzett tér nyomótér, amely összeköti a nyomószelepet a nyomóoldali csatlakozó csonkkal egy visszacsapó szelepen, amely terhelt állapotban fel van nyitva (jobb oldali pozíció), és utat ad a hűtőközegnek a nyomóoldali csatlakozó felé.
Terheletlen állapotban a mágnesszelep feszültség alatt van.
A pirossal jelzett nyomóoldali nyomás érkezik a tehermentesítő dugattyú bal oldalára. A dugattyú elmozdul jobbra, és a rudazaton keresztül elmozdítja jobbra a tehermentesítő szelepet, miáltal összenyitja a szívó- és a nyomóteret, nem lesz kompresszió, nem lesz hűtőközeg-szállítás. Ebben az esetben a visszacsapó szelep lezár, hogy megakadályozza a működő hengerek által szállított nyomott hűtőközeggőz visszaáramlását a nem működő, leszabályozott hengerekbe.
A szabályozás hatására csökkentjük a rendszerben áramló hűtőközeg mennyiségét, ezáltal a rendszer hűtőteljesítményét - közben természetesen a lecsökkent kompressziómunka következtében csökken a villamos teljesítmény felvétel is. Több, például 8 hengeres kompresszorok esetében ezzel a megoldással lehetőség nyílt a kompresszor 25, 50, 75 és 100%-os teljesítmény-szabályozására. A mágnesszelepek vezérlését régebben elektromechanikus, 2-3-4 lépcsős termosztátokkal oldották meg, manapság többlépcsős elektronikákra bízzák ezt a feladatot, több más feladattal együtt.
Scroll-kompresszorok esetében régebben egyes cégek kísérleteztek Dahlander-motor - két vagy több fix fordulat egy motoron belül - beépítésével, de a kísérletek nem váltották be a hozzájuk fűzött reményeket, úgyhogy sokáig az egyfordulatú motorok maradtak meg a scroll-technológia esetében. Később lehetőség nyílt arra, hogy egy hűtőkörbe két vagy több, esetleg eltérő teljesítményű scroll-kompresszort is beépítsenek, ezáltal lehetőség nyílt a kompresszorok ki-bekapcsolásával szélesebb tartományban működő, gazdaságos és viszonylag egyszerű teljesítményszabályozásra. A téma legújabb fejlesztése az ún. digitális scroll-kompresszor, amely 10 és 100% között szabályozható szinte folyamatosan, azáltal, hogy az álló csigát időnként eltávolítják kb. 1 mm-re a mozgó csigától, miáltal megszűnik a kompresszió és a szállítás. Tehermentes üzemmódban nincs szállítás, nincs kompressziómunka, tehát csökken a villamos fogyasztás is.
A digitális scroll-kompresszorokat alkalmazzák önálló aggregátként is, de lehetőség van csoportaggregátba szervezésére is, akár úgy is, hogy az összes kompresszor digitális a csoportaggregátban. Ezzel a megoldással elérhetik a teljesen folyamatosnak tekinthető szabályozást a ma már filléresnek tekinthető elektronikák alkalmazásával.
A háztartásokban is jelentkezett az igény az intelligensebb, jobban szabályozható berendezésekre, a komfortklímák esetében. Miután ezekben a berendezésekben túlnyomóan gördülődugattyús hermetikus kompresszorokat alkalmaznak - igen kevésben van scroll -, az előbb említett teljesítményszabályozási módszerekre nincs lehetőség. Viszont egy másik tulajdonság kiaknázásával célt érhetünk. A kompresszor szállítóteljesítményét nem csak a hengertérfogat határozza meg, hanem a dugattyú sebessége, tehát a meghajtómotor fordulatszáma is. Ezekben a berendezésekben általában egyfázisú, üzemi kondenzátoros, rövidre zárt forgórészes indukciós motorokat alkalmaznak.
Mi határozza meg ezeknek a motoroknak a fordulatszámát? Elsősorban a beépített póluspárok száma. Léteznek 2, 4, 6, 8 pólusú motorok. Ezek a már előzőleg tárgyalt Dahlander-motorok. Viszont ezzel a megoldással csak szakaszos, durva fordulatszám-változást tudunk elérni, és nem is túl egyszerűen, úgyhogy ez a megoldást el is vetették a fejlesztők. A másik tényező, amitől a fordulatszám függ, az nem más, mint a hálózati feszültség frekvenciája.
Vegyünk egy egyszerű példát. A hálózati feszültség frekvenciája 50 Hz. Egy kétpólusú motor esetében, ha eltekintünk a szlip-től (csuszamlás a villamos forgó mező és a forgórész fordulatszáma között, ami azért kell, hogy legyen erővonalmetszés, ezáltal indukált feszültség, indukált áram és másodlagos mágneses mező, ezáltal nyomaték a forgórészben), a fordulatszám az 50 Hz következtében 3000/perc lesz.(Valójában 2600-2800 között van). Ha a frekvenciát lecsökkentjük 40 Hz-re, akkor a fordulatszám 2400/perc lesz. 30 Hz esetén 1800/perc. 30 Hz alá nem vihetjük le a fordulatszámot, részint a lecsökkenő nyomaték, másrészt a függőleges főtengelyre szerelt excenter olajszivattyú lecsökkent szállítóteljesítménye (elégtelen olajzás) miatt. Ha a frekvenciát emeljük, a fordulatszám, tehát a hűtőteljesítmény is emelkedni fog.
A frekvencia emelésének a relatíve kiegyensúlyozatlan egyhengeres kompresszorok megemelkedő vibrációja, ezáltal megemelkedett zajszintje szab korlátot. Az ikerhengeres kompresszor kialakítása révén a tengelyre nem hatnak a kiegyensúlyozatlanságból adódó vibrációk, ezért ezeknek a kompresszoroknak a fordulatszámát, tehát teljesítményét magasabbra lehet növelni. Ezek szerint akkor a megoldás az AC invertertechnológia lenne? Nem biztos. Az AC inverternek azért vannak hátrányai is, melyeket az alábbiakban szeretnék ismertetni.
Az AC (váltakozó feszültségű) inverter a váltakozó feszültséget először egyenirányítja, veszteség árán. Majd az egyenfeszültséget ismét veszteség árán átalakítja a szükség szerinti frekvenciájú és feszültségű váltakozó feszültséggé. Az inverterbe belépő feszültség a kékkel jelzett szinuszhullám. A korai inverterek kimenő feszültsége oszcilloszkópon vizsgálva a piros színű négyszög hullám volt. A kalickás aszinkronmotorok amúgy is kicsi nyomatéka e négyszög-hullám miatt még jobban lecsökkent, tehát itt belép még egy jelentős veszteségszektor. A négyszög-hullámot megpróbálták különböző RC-tagokkal hasonlatosabbá tenni az eredeti szinuszhullámhoz, de ez ismét veszteségeket keltett. Továbbá az átalakítás folyamán létrejön a zölddel jelzett harmadik és a pirossal jelzett ötödik felharmonikus, melyeknek az előállítása ismét energiát igényel, de a motor hasznosítani nem tudja, tehát ez is veszteség.
További probléma, hogy megtartották a kalickás aszinkronmotort, melynek egyfázisú kivitelben igen kicsi az indító nyomatéka. Ezért nem szabad gyors egymásutánban leállítani és újraindítani az egyfázisú aszinkronmotorokat. Ezért van beépítve az indításkésleltetés, melynek futási ideje alatt a kapilláris csövön keresztül meg tud történni a nyomáskiegyenlítődés, és akkor már elég az indításhoz a kis indító nyomaték is.
Ennyit a korai AC inverterekről. Akkor miért ragaszkodunk mégis az invertertechnikához?
Azért, mert nem a fent leírt AC invertereket alkalmazzuk a vezető berendezéseink többségében, hanem egy merőben más technikát, nevezetesen a DC (egyenfeszültségű) invertert. A DC inverter a váltakozó feszültségből egyenfeszültséget állít elő egy veszteség árán, és nincs tovább. Egyenfeszültséget juttat a villamos betétmotorra. OK, gondolnánk, hiszen az egyenáramú motorokat használjuk máshol is, jól és pontosan szabályozhatók, van indítónyomatékuk, lásd az autó önindítója, de… De van egy apró probléma.
Kiindulva az önindítóból, hogy fogunk egy hermetikus rendszerben, a kompresszorban szénkefét cserélni? Ez kicsit abszurd történet lenne. Hát sehogy. Ha szétszedjük a gyerek Pikó kisvasútját, láthatjuk, hogy az állórész egy állandó mágnes, a forgórész egy kommutátoros tekercselt elektromágnes. Mi lenne, ha az egészet kifordítanánk? A forgórész egy hihetetlenül erős mágneses anyagból, mondjuk neodymiumból készülne, az állórészbe vezetnénk a feszültséget - ez már megoldott probléma. És a kommutációt, tehát a pólusok változtatását nem a hagyományos mechanikus kommutátorokkal és szénkefékkel oldanánk meg, hanem mondjuk elektronikával.
Képzeljünk el egy háromfázisú szinkronmotort, melynek a forgórésze nem egyenárammal gerjesztett elektromágnes, hanem az előbb említett neodymium állandómágnes. A könnyebb megértés érdekében nézzünk meg az ábrát.
Az „A” jelű tekercsre egyenfeszültséget adunk, erre kialakul egy mágneses tér, amely az állandó mágneses forgórészt elindítja a nyíl irányában. A következő pillanatban a „B” jelű tekercsre kapcsoljuk az egyenfeszültséget, melynek mágneses tere tovább forgatja az állandó mágneses forgórészt a nyíl irányában. A harmadik tekercset nem részletezem, ugyanez történik. Minél gyorsabban változtatjuk a tekercsekre jutó feszültséget, annál gyorsabban fog forogni a forgórész. Ezeknél a berendezéseknél is frekvenciáról beszélünk, de ez a frekvencia a tekercsekre jutó feszültség gyakoriságát jelenti, nem pedig az inverterből kilépő váltakozó feszültség effektív frekvenciamérővel Hz-ben mérhető frekvenciáját.
Az ábrán egy DC inverteres motor elektronikus kommutációs rendszere látható.
Még egy nagyon nagy előnye van a BLDC-nek (kefe nélküli egyenáramú motor) az AC inverteressel szemben. A DC inverteres motor fordulatszáma visszaellenőrizhető, hogy a motor valóban olyan fordulatszámmal forog-e, mint ahogy az inverter dirigálja neki. Az AC motornál ez nem lehetséges. Pedig ez az információ nagyon fontos az esetleges túlterhelések elkerülése érdekében. A 6. ábrán a visszacsatolás- és a fordulatszám-ellenőrző rendszer látható. A feszültség értékét tekintve kb. 380V DC-ről beszélünk, tehát ezeknél a készülékeknél méréskor és javításkor nagyon nagy körültekintéssel kell eljárni, hiszen kikapcsolás után a kondenzátorokban még igen magas egyenfeszültség is lehet, ami sokkal veszélyesebb a váltakozó feszültségnél, jelentős vegyi és égető hatása miatt. Kikapcsolás után 5-8 percig ne nyúljunk bele a készülék villamos részeibe.
A csavarkompresszorokon is alkalmazunk teljesítményszabályozást. A szabályozás 25-100% között lehetséges, egy úgynevezett csúszószelep segítségével. A csúszószelep a szívóoldal felől a szívott gázok beáramlását szabályozza egy rudazathoz kapcsolt teljesítményszabályozó dugattyú segítségével, melyet mágnesszelepeken keresztül a nyomott hűtőközeggőz vagy olajnyomás mozgat. A csúszószelep-határoló pozicionálja a szelep végállását. A tehermentesítő rugó segít visszatéríteni a szelepet az alaphelyzetbe. A nyomó csonkon keresztül távoznak a komprimált gőzök.
Újra használatba kerültek a legendás turbókompresszorok is, egyre több kompresszorgyártó veszi fel a palettájára ezeket a már majdnem elfelejtett kompresszorokat. Ezen berendezések az 1-2 MW-os hűtőteljesítmény-tartományban és szigorúan a klímatartományban, folyadékhűtőkbe építve működtek, működnek.
Az elpárologtatók általában elárasztott rendszerűek, sajnos igen nagy hűtőközegtöltettel. Régen R11 és R12 volt a használatos töltet, napjainkban R134a. A 7. látható egy szerelt teljesítményszabályozó szelep. A kép egy alacsony fordulatú turbókompresszort ábrázol, de a magas fordulatú kompresszorokon is hasonlóképpen volt pozicionálva. Az alsó kép közepén látható kis háromszögek egy tengelyen el tudtak fordulni mintegy 90 fokkal, ekkor teljesen átjárhatóvá vált az átömlőnyílás, és a berendezés 100%-os teljesítménnyel üzemelt. A kis háromszögek mozgatására szervomotorokat, egyes gyártók mechanikus membrános mozgatórendszereket használtak, amelyek a visszatérő víz hőmérséklete által voltak vezérelve. Az elárasztott elpárologtatók, és az economizerek használata miatt nem volt igazán nagy probléma a kompresszor szívóterében az alacsony szívónyomás.
A teljesítményszabályozó eszközök nagy része használható a kompresszorok tehermentes indításának elősegítésére is. Az indulás pillanatában aktivizálódtak a tehermentesítő berendezések, ezért a kompresszorok gyakorlatilag kompressziómunka nélkül tudtak felpörögni, majd csak mikor elérték a névleges fordulatszámot, akkor terheltek rá a tehermentesítő eszközök, magyarul a kompresszorok sokkal gyorsabban, kisebb áramfelvétellel és mechanikai igénybevétellel tudták elérni a névleges fordulatszámot.
Hozzászólás
A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.
gajdoczky46@gmail.com | 2016. szept. 26.
Sokat segített! Tehát ha jól értem a hálozati feszültségről előállitunk egy olyan háromfázisú áramforrást, aminek a frekvenciáját úgy módosítjuk ahogy kell. Köszönöm!
