Применение преобразователей частоты

Т. Ристимяки

В связи постоянным ростом цен на энергоносители предприятиям всё чаще приходится задумываться о снижении энергозатрат. Вызывает удивление, что дискуссии, ведущиеся в этой области, касаются в основном альтернативных источников энергии и новых энергосберегающих технологий, а уже существующим техническим решениям, обеспечивающим колоссальную экономию, уделяется сравнительно мало внимания. Так, устройства, создающие объемный расход (насосы, вентиляторы, дымососы), по-прежнему часто применяются без регулирования скорости вращения. Расход при этом контролируется одним из традиционных способов – с помощью дросселей, клапанов или заслонок

От дросселя – к преобразователю частоты

Hon_Ris_2Если объемный расход регулируется без изменения скорости вращения двигателя, последний всё время работает на полной скорости. В системах водоснабжения необходимость в максимальных объемных расходах возникает достаточно редко, и при отсутствии функции регулирования частоты вращения насоса большое количество энергии расходуется впустую.

Проверенное и недорогое решение в области энергосбережения – применение преобразователей частоты (ПЧ) для регулирования скорости вращения приводов в системах водоснабжения. Лишь немногие технологии имеют такую же самоокупаемость, срок которой составляет около года. При этом благодаря усовершенствованному регулированию системы эта альтернатива обеспечивает множество преимуществ. Применение ПЧ может обеспечить 70 % экономии электроэнергии.

Связь между значениями таких переменных величин, как давление, объемный расход, число оборотов ротора двигателя и потребление электроэнергии, может быть выражена так называемыми законами сходства (рис. 1), действительными и для радиальных, и для осевых насосов.

Voda_Ris_1

Рис. 1. Законы сходства описывают связь между скоростью вращения привода и другими величинами

Из представленных зависимостей следует, что объемный расход меняется пропорционально скорости вращения ротора, в то время как давление в системе и потребление электроэнергии – пропорционально второй и третьей степени этой величины. Последнее соотношение особенно существенно для энергосбережения.

Это означает, что даже минимальное уменьшение скорости вращения уже может вести к большому снижению потребления электроэнергии.

На рис. 2 можно видеть, что при снижении скорости вращения ротора до 75 % максимальной, которое обеспечивает 75-процентный объемный расход, потребление электроэнергии сокращается до 42 % значения, имеющего место при полном объемном расходе. А при 50-процентном расходе потребляемая мощность снижается до 12,5 % этого же значения.

В водопроводных системах, как правило, применяются электродвигатели с короткозамкнутым ротором, известные также как индукционные или асинхронные. Их популярность связана с относительно низкой стоимостью, небольшими затратами на обслуживание и высокой надежностью. Единственная возможность управления скоростью вращения двигателя в этих моделях состоит в том, чтобы изменять частоту входного напряжения (переменного тока), и здесь возможно применение ПЧ.

В специальной и рекламной литературе преобразователи частоты фигурируют также под различными другими названиями: инверторы, приводы переменной скорости (ППС), приводы переменной частоты (ППЧ), конверторы частоты. За всеми этими обозначениями стоит один и тот же принцип: бесступенчатое электронное регулирование скорости вращения электродвигателя. Однако современные системы ПЧ имеют и другие полезные особенности, включая наличие функций регулирования и защиты других внутрисистемных компонентов.

В качестве примера рассмотрим преобразователи частоты серии NX CentraLine (Honeywell). Обычно ПЧ работают на основе прямой пропорциональной зависимости между частотой и напряжением. Это означает, что при увеличении частоты/скорости вращения двигателя на 10 % напряжение также возрастает на 10 %. В преобразователях частоты серии NX CentraLine имеется функция «Оптимизация потока», с помощью которой путем согласования этого соотношения достигается оптимизация уровня напряжения. Данная функция может привести к дополнительной экономии энергии на 5 %. Кроме того, для всей серии продуктов предусмотрена возможность отключения собственного вентилятора охлаждения, если в нем нет необходимости. Это ведет к некоторому дополнительному энергосбережению и продлевает срок службы единственной подвижной детали ПЧ.

Сравнение методов регулирования

Традиционные способы регулирования объемного расхода – дросселирование с помощью заслонок или клапанов, а также включение-выключение двигателя. Ни один из них не влияет напрямую на потребление электроэнергии. Ни один из них не является столь же эффективным в плане энергосбережения, как применение ПЧ, поскольку несмотря ни на что двигатель продолжает работать с полной нагрузкой. А регулирование включением-выключением связано также с высокими механическими нагрузками, скачками давления, тока и потребления электроэнергии при пусках двигателя.

На рис. 2 представлено сравнение потребления электроэнергии в случае применения клапанов и заслонок регулирования с потреблением электроэнергии при регулировании скорости вращения.

Voda_Ris_2

Рис. 2. Сравнение характеристик дроссельного и частотного регулирования

Типичная система водоснабжения рассчитывается на пиковую нагрузку, необходимость в которой при эксплуатации возникает достаточно редко. Это означает, что для большей части времени эксплуатации параметры работы насоса оказываются значительно завышенными. При этом нормальная рабочая точка системы лежит, в основном, ниже 100-процентной нагрузки. И без регулирования скорости вращения КПД насосов окажется значительно ниже номинального.

Отметим: при сравнении решений следует учитывать, что стоимость оборудования (в нашем случае – насоса) – лишь незначительная часть совокупных затрат, имеющих место в течение его жизненного цикла (рис. 3). Крупная часть эксплуатационных затрат приходится на обслуживание, но основная их доля (до 90 %) связана с потреблением энергии. Очевидно, что энергосбережение в размере до 70 % существенно влияет на суммарные затраты.

Voda_Ris_3 Рис. 3. Типичные затраты жизненного цикла насосов. Источник: Институт гидравлики (www.pumps.org)

Ценную помощь при оценке эффективности капвложений в ПЧ могут оказать программы расчета потенциала экономии в энергопотреблении насосов. Этипрограммы опираются на сравнительныйанализ наиболее часто применяемых традиционных методов регулирования расхода. Вот результаты расчета для сравнения капитальных и эксплуатационныхзатрат при использовании насосной установки с прямым включением в сеть (вариант 1) и оснащенной ПЧ (вариант 2).

Вариант 1: покупка насоса и двигателя (мощность – 3 кВт) – 1000 Евро; монтаж и наладка – 1000 Евро (суммарные капитальные затраты – 2000 Евро); энергопотребление за 15 лет – 394 200 кВт•ч; затраты на энергию (тариф – 0,06 Евро/кВт•ч) – 23 652 Евро.

Вариант 2: покупка насоса и двигателя (мощность – 3 кВт) – 1000 Евро; покупка ПЧ – 800 Евро; монтаж и наладка – 1200 Евро. (суммарные капитальные затраты – 3000 Евро); энергопотребление за 15 лет (при снижении потребления на 30 %) – 275 940 кВт•ч; затраты на энергию – 16 556 Евро.

Таким образом, благодаря применению ПЧ экономия энергии за 15 лет составит 118 260 кВт•ч, снижение эксплуатационных затрат – 7096 Евро. Годовая экономия средств – 473 Евро, которая окупает затраты на ПЧ за два года.

Резюме

Идея применения преобразователя частоты для регулирования скорости вращения таких лопастных механизмов, как насосы, не нова. Однако последние достижения в этой области сделали ее еще более привлекательной в связи с минимизацией затрат на реализацию. Эксплуатация электродвигателей с переменной скоростью вращения обеспечивает большой потенциал энергосбережения. Поэтому данная технология может внести существенный вклад в части выполнения международных соглашений и стандартов в области политики энергосбережения, снижения выбросов CO2.

Точно такой же подход может применяться и в отношении вентиляторов систем отопления, вентиляции и кондиционирования.

Просмотрено: 2 183


Оставьте комментарий

Telegram