Когда частотное регулирование снижает энергопотребление

Частотное регулирование снижает энергопотребление, когда насос или вентилятор значительную часть времени работает при переменной потребности в подаче, а необходимый расход можно обеспечить уменьшением частоты вращения. Наибольший эффект возможен там, где при постоянной скорости избыточную подачу приходится ограничивать дросселированием. Если оборудование постоянно работает вблизи расчётной нагрузки, потенциал снижения расхода энергии может быть небольшим.

Для оценки необходимо сравнить потребление энергии при существующем способе регулирования и при изменении частоты вращения. Сравнение проводят для одинаковой полезной подачи, требуемого напора и продолжительности соответствующих режимов. При этом учитывают ограничения системы и собственные потери частотного преобразователя. Только такое сопоставление позволяет определить, будет ли изменение способа регулирования энергетически оправданным.

Какие данные нужны для оценки частотного регулирования

Исходную основу составляют характеристики насоса или вентилятора, фактические расходы, напор, график работы и сведения о возможности регулирования частоты вращения. Эти данные позволяют установить, в каких рабочих точках оборудование эксплуатируется сейчас и какие режимы оно должно обеспечивать после изменения способа управления.

Характеристика насоса или вентилятора показывает связь подачи, создаваемого напора и рабочих параметров оборудования. Однако фактическая рабочая точка определяется не только самой машиной, но и характеристикой подключённой системы. Поэтому для оценки недостаточно знать паспортную мощность двигателя или номинальную производительность агрегата.

Фактические расходы и напор необходимы, чтобы определить полезную нагрузку в разных режимах. График работы показывает продолжительность этих режимов: кратковременное уменьшение мощности и длительная эксплуатация при сниженной подаче дают разный вклад в годовое энергопотребление.

Сведения о возможности регулирования позволяют установить допустимый диапазон частот вращения. Если для обеспечения технологических требований оборудование должно поддерживать определённый минимальный напор или не может работать на пониженной скорости, эти ограничения необходимо включить в расчёт до оценки экономии.

Измерения мощности, расхода и напора должны относиться к согласованным режимам и временным интервалам. Если отдельные значения получены при разных условиях, их непосредственное объединение может создать расчётную рабочую точку, которая фактически не существовала.

Чем изменение частоты вращения отличается от дросселирования

При постоянной частоте вращения насос или вентилятор работает с характеристикой, соответствующей этой скорости. Если потребителю требуется меньший расход, подачу можно ограничивать дросселированием. При этом изменяется сопротивление системы, а часть создаваемого напора расходуется на преодоление дополнительного ограничения потока.

Частотное регулирование действует иначе: преобразователь изменяет скорость вращения электродвигателя, вследствие чего изменяется характеристика насоса или вентилятора. При допустимом снижении частоты оборудование может обеспечивать требуемую подачу без создания прежнего избыточного напора.

Энергетический результат зависит от фактических рабочих точек. Для сравнения определяют потребляемую мощность при существующем дросселировании и расчётную мощность при изменённой частоте вращения. Оба варианта должны обеспечивать одинаковую требуемую функцию системы.

Отдельно рассматривают работу при неизменной скорости без дополнительного дросселирования. Такой режим не всегда соответствует той же подаче, что и частотное регулирование. Если полезный расход различается, сравнение одной потребляемой мощности не позволяет установить преимущество способа управления: оборудование выполняет разную работу.

После определения сопоставимых режимов мощность каждого варианта связывают с продолжительностью его работы. Таким образом получают расчётное энергопотребление за рассматриваемый период. Разница между вариантами показывает возможный энергетический эффект при принятых характеристиках системы.

При каких режимах экономия может быть существенной

Решающим условием является переменная потребность в расходе. Если насосная или вентиляционная система значительную часть времени работает с подачей ниже максимальной, а частоту вращения можно уменьшать без нарушения технологических требований, появляется возможность сократить потребляемую мощность в соответствующие интервалы.

При этом важно учитывать продолжительность работы на пониженной частоте. Даже заметное уменьшение мощности в отдельной рабочей точке даст ограниченный годовой результат, если оборудование находится в этом режиме непродолжительное время.

Иная ситуация возникает при почти постоянной нагрузке. Если требуемый расход на протяжении большей части времени близок к подаче оборудования при расчётной скорости, уменьшать частоту практически некуда. Дополнительный энергетический эффект может оказаться небольшим, поскольку оборудование продолжит работать вблизи прежней рабочей точки.

Следовательно, наличие возможности установить частотный преобразователь само по себе не подтверждает экономию. Необходимо установить, какая часть фактического графика работы приходится на режимы, в которых снижение скорости действительно уменьшает потребление энергии.

Что может уменьшить или исключить положительный эффект

Даже при переменной потребности расчётная экономия зависит от ограничений подключённой системы. Прежде всего проверяют минимально необходимый напор. Если значительная часть напора требуется независимо от расхода, снижение частоты вращения ограничивается необходимостью сохранить работоспособность системы.

При наличии байпасов часть потока может проходить по обходному пути. В этом случае изменение частоты не обязательно приводит к соответствующему сокращению полезной или общей подачи. Для корректной оценки необходимо понимать, как распределяются потоки при разных режимах и сохраняется ли обходной расход после изменения скорости.

Дополнительно учитывают потери самого частотного преобразователя. Уменьшение механической нагрузки не означает, что потребление электроэнергии из сети сократится на точно такую же величину. В сравнении необходимо использовать мощность с учётом преобразователя, а не только предполагаемую мощность на валу машины.

Ограничения технологического процесса также могут исключить отдельные режимы из расчёта. Если для выполнения производственной задачи требуются определённый расход, минимальный напор или допустимый диапазон скоростей, снижение частоты ниже этих пределов не является применимым способом экономии.

Поэтому предварительно привлекательный результат может уменьшиться или исчезнуть после учёта характеристики сети, байпасов, потерь преобразователя и технологических требований. Эти факторы проверяют до того, как расчётную разницу мощности переводят в ожидаемое изменение энергопотребления.

Как обосновать применимость частотного привода

Для окончательного сопоставления определяют допустимые рабочие точки насоса или вентилятора при существующем и предлагаемом способах регулирования. Для каждой точки устанавливают требуемый расход, напор, потребляемую мощность и продолжительность соответствующего режима. Затем рассчитывают энергопотребление обоих вариантов за сопоставимый период.

При предварительном расчёте могут использоваться законы подобия, описывающие изменение параметров насоса или вентилятора при изменении скорости вращения. Однако эти зависимости нельзя механически переносить на всю систему без проверки её характеристики и рабочего диапазона оборудования.

В частности, если существенное значение имеет минимальный требуемый напор, расчёт только по изменению частоты вращения может завысить ожидаемое сокращение мощности. Поэтому полученные значения необходимо согласовать с фактической характеристикой системы и допустимыми режимами эксплуатации.

Если исходные характеристики подтверждают возможность работы на пониженных частотах, определяют расчётный диапазон изменения энергопотребления. Его границы отражают допустимые режимы и неопределённость исходных данных. Если сведения о фактических рабочих точках недостаточны, прежде всего уточняют расходы, напор и потребляемую мощность измерениями.

Результатом является обоснование применимости частотного привода и расчётный диапазон изменения потребления энергии. Такое обоснование позволяет решить, имеет ли смысл дальнейшая техническая проработка регулирования для рассматриваемой системы. Оно не подменяет выбор конкретной схемы управления и не подтверждает фактическую экономию до проверки работы оборудования в соответствующих режимах.

При оценке возможности изменения скорости рассматривают характеристики электродвигателей и электроприводов. Если измерения показывают, что существующий способ регулирования сопровождается повышенным энергопотреблением, дальнейшая проверка связана с выявлением неэффективных режимов работы оборудования.