חיסכון בחשמל בעזרת ווסתים.

 

מערכות הנעה חשמליות (מנועים) צורכות כ-50% מכלל צריכת החשמל בארץ ומעל 70% מצריכת החשמל בתעשיה. באווירה התחרותית הקשה השוררת בעסקים בעולם, הלחת החברות תלויה בהפחתת העלויות של מרכיבי הייצור, וביניהן הוצאות האנרגיה, אשר מהוות כיום מרכיב משמעותי בעלויות הייצור עקב נסיקה במחירי הדלקים לאחרונה. לפיכך, ניהול וייעול שת צריכת האנרגיה בכלל והחשמל בפרט הם המפתח להורדת העלויות, מה גם שהדבר כרוך בהשלכות סביבתיות לא מבוטלות.
ויסות מהירות
רוב מנועי ההשראה פעולים במהירות קבועה, עם זאת, חלק גדול ממערכות ההנעה מצוידות בווסת מהירות על פי הצרכים של תהליכי הייצות והתועלות שבצדם.

שיטות קונבנציונליות לוויסות זרימה מבוססות על התקני ויסות לא יעילים, כמו ברזים או מחסומים אחרים שתפקידם להגדיל את התנגדות הזרימה. התקנים אלה סוגרים את פתח היציא או הכניסה של הזרם לשם קבלת תפוקה רצויה, כאשר מהירות המכונה נשמרת.על אף שעלותם הראשונית של התקנים אלה היא נמוכה, הרי הוצאות התפעול שלהם גבוהות מאוד ובלתי מתקבלות על הדעת עקב הבזבוז הרב של אנרגיה (נצילות אנרגטית נמוכה) הכרוך בהפעלתם. מבחינה אנרגטית ויסות כזה שקול לנהיגה במכונית כאשר רגל אחת לוחת בקביעות על דוושת הגז עד סופה, ואילו הרגל השנייה לוחצת על דוושת הבלם כדי לווסת את המהירות.

קיימות מספר טכנולוגיות משופרות לוויסות זרימה, כשווסתי מהירות אלקטרוניים הם הדומיננטיים ביניהן. וסתי מהירות אלקטרוניים הם התקנים מעולים לשימוש יעיל מאד ואפקטיבי בחשמל במערכות הנעה, כאשר הם מותאמים למערכת ההנעה ומופעלים בצורה נכונה. הם בעלי תועלת רבה במיוחד לוויסות הזרימה (התפוקה) של נוזלים וגזים. ההספק המכני הדרוש למכונות צנטריפוגליות רבות כמו משאבות, מפוחים ומדחסים משתנה בקירוב ביחס ישר לחזקה שלישית של תפוקה שלהן. עקב כך, ניתן להפיק 80% מהתפוקה הנומינלית של מכונה עם מחצית ההספק בלבד. לאור זאת, מכונות צנטריפוגליות הן עומסים מצוינים עבור וסתי מהירות אלקטרוניים לשם חיסכון בצריכת החשמל.
וסתי מהירות עשויים להביא תועלת רבה גם לעומסים אחרים ובהם מסועים, בוררים, מכונת ליפוף, רובוטים ומכונת עבודה אחרות.

שימושים בווסתי מהירות
וסתי מהירות מיושמים במגוון רחב של מערכות הנעה. האפשרויות הגלומות בשימוש בווסתי מהירות אלקטרוניים הורחבו והתעצמו בעקבת השילוב שלהם במערכות ייצור ממוחשבות. לבחירה ולשימוש בווסתי מהירות נדרש מידע בסיסי ביחס להספק הנדרש, למתח האספקה, למומנטמהירות, לתחום המהירות ולדיוקה. באופן כללי נדרש מווסת המהירות:
• להתניע את העומס המבוקר בצורה רכה ובטוחה.
• להניע את העומס על פי דרישות התפעול.
• להפסיק את העומס על פי דרישות התפעול.

ברוב היישומים שבהם נחוצים ויסות מהירות בתחום רחב או בקרת מהירות מדויקת, האמצעי המתאים ביותר הוא וסת מהירות אלקטרוני, וזאת גם מהסיבה שניתן להתאים את מהירות המנוע לדרישות העומס. יש לציין כי אופן הפעולה של המנוע במהלך התתנעה ואחריה תלוי באופיו של העומס.

משאבות ומפוחים אשר מבוקרים בעזרת וסתי מהירות מגיבים בתפוקות משתנות באופן מהיר ואמין יותר משסתומים וברזים או דמפרים. עובדה זו נכונה במיוחד בתחומים קיצוניים של הזרימה, שבהם השסתומים הופכים להיות מאוד לא ליניאריים, אף כאשר הם מצוידים בהתקן לשיפור הליניאריזציה.

במקרים שבהם ההספק משתנה ביחס לחזקה שלישית של המהירות, כמו במשאבות ובמפוחים צנטריפוגליים, שימוש בווסתי מהירות לבקרת זרימה מביא לחיסכון רב באנרגיה בהשוואה לבקרת זרימה בעזרת מצערת (throttle). זאת ועוד, וסתי מהירות יכולים להעלות את המהירות של מנועי השראה מעבר לערך הנקוב שלהם, בתנאי שהמצב המכני של הרוטור מאפשר זאת. לאור זאת, וכפועל יוצא מכך, קיים פוטצציאל להרחבת תחום הפעולה המועיל של מדחסים, משאבות ומפוחים באמצעות וסתי מהירות ביישומים רבים, כשקיימת הגבלה על תפוקת המפוח או המשאבה. בחירה נאותה של וסת מהירות ומנוע יכולה להרחיב את הגבול התחתון והעליון של התפוקה גם יחד.

קיימים יתרונות נוספים לווסתי מהירות: הם מהווים חיץ בין המנועים לבין רשת אספקת החשמל. כתוצאה מכך פוחתים המאמצים הפועלים על המנועים וכן גורמים בלתי רצויים אחרים שהם פועל יוצא משינויי מתח, א-סימטריה של מתחים, ועיוותים בגלי המתח ברשת. ביישומים מסוימים יכולים וסתי מהירות להניע מספר מנועים יחד. לדוגמה, וסת מהירות אחד בהספק של 100 ק"ו יכול לשמש להנעת שני מנועי השראה בעלי הספק של 50 ק"ו כל אחד. באותה תדירות בדיוק, ובכך לחסוך באופן משמעותי בעלויות הרכישה.

משאבות
ההספק הנצרך למשאבות צנטריפוגליות ללא יניקה בוואקום הוא יחסית למהירות כחזקה שלישית  . אם המשתמש במשאבה מעוניין להוריד את תפוקתו, הוא יכול להשתמש בבקרת היצרות (throttle/valve control) באמצעות שסתום או ברז, או בקרת מהירות באמצעות וסת מהירות אלקטרוני. על אף ששתי השיטות יכולות לענות לדרישותיו, קיים הבדל משמעותי מאוד בצריכת האנרגיה ביניהן - בקרת המהירות צורכת הרבה פחות אנרגיה. במקרה שקיים עומדלחץ סטאטי, המשאבה צריכה להתגבר עליו.
נציחין כי במערכות שאיבה כאלו, בנוסף לארגיה הדרושה לעומד סטאטי (להעלאת הנוזל בניגוד לכוח המשיכה), יש צורך באנרגיה מכנית כדי להתגבר על חיכוך הצנרת, 

מפוחים
בקרת מהירות של מפוחים, במקום שיטות ההיצרות (throttle) המסורתיות, יכולה להביא לחיסכון משמעותי בצריכת החשמל,  ואת פוטנציאל החיסכון.
  תפוקה בשיעור של 50% מהתפוקה הנומינלית, בקרה באמצעות וסת מהירות חוסכת קרוב ל-76% אנרגיה בהשוואה לבקרה באמצעות כנפי היצרות בכניסת המפוח, וכן 67% בהשוואת לבקרה באמצעות כנפי היצרות ביציאת המפוח. לדוגמה, אם ההספק של מנוע המפוח הוא 100 ק"ו והתפוקה היא 50% באופן קבוע, הרי שבמהלך 6000 שעות פעולה בשנה, כאשר מחיר החשמל חצי ש` לקוט"ש, ניתן לחסוך בעזרת וסת מהירות עד כדי 150 אלף ש` בשנה בהוצאות החשמל. בעומסים כאלה, הרגישות של צריכת החשמל למהירות היא כה גבוהה, עד שהמשתמש יכול להשיג חיסכון רב אפילו בשינויי מהירות קטנים.

מדחסים
מדחסים בורגיים ובוכנתיים הם באוףפן עקרוני עומסים עם מומנט קבוע, והם גם יכולים ליהנות מיתרונות של בקרת ויסות מהירות.
 שיעור החיסכון באנרגיה כתוצאה משימוש בווסת מהירות במקום שיטוות בקרה אחרות, לדוגמה, במדחס עם ויסות מודולארי כאשר התפוקה היא 50% מהתפוקה הנקובה, השימוש בווסת מהירות מביא לחיסכון בשיעור של 35%.

החיסכון בחשמל בעומסים בעלי מומנט קבוע קטן באופן משמעותי ביחס לעומסים שבהם ההספק משתנה ביחס לחזקה שלישית של מהירות, כלומר, המכונות צנטריפוגליות. לפיכך, שימוש בווסתי המירות במדחסים הוא פחות כלכלי, מהם שיש להבטיח שימון הולם שלהם במהירויות נמוכות.
מחיר של מדחס בורגי בשילוב עם וסת מהירות זול באופן משמעותי ממחיר של יחידות נפרדות – מדחס לחוד ווסת לחוד. לאור זאת, ראוי לבחון את השימוש במדחסים כאלה בכל היישומים החדשים, כאשר פר הקטבים של המנוע לוויסות המביא לביטול מחזוריות של הפעלה והפסקה של המתקן, חוסך באנרגיה, ומשפר את יציבות הטמפ`.