Когда частотное регулирование снижает энергопотребление

Частотное регулирование снижает энергопотребление, когда изменение скорости электродвигателя позволяет обеспечить требуемую производительность насоса или вентилятора с меньшими затратами энергии, чем при существующем способе регулирования. Наибольший интерес представляют системы с переменным спросом, в которых расход длительное время остаётся ниже максимального, а подача регулируется дросселированием.

Однако установка преобразователя частоты сама по себе не гарантирует экономию. Результат зависит от характеристики агрегата, сопротивления системы, доли статического напора, продолжительности рабочих режимов и потерь в двигателе и преобразователе. Поэтому решение принимают по сравнению энергопотребления при существующем и предлагаемом регулировании за одинаковый период и при одинаковом полезном результате.

Почему изменение частоты вращения может уменьшить расход энергии

При дросселировании производительность насоса ограничивают изменением сопротивления системы. Агрегат продолжает работать с прежней частотой вращения, а рабочая точка смещается вследствие изменения характеристики сети. Часть создаваемого напора при этом расходуется на дополнительном сопротивлении регулирующего органа.

Частотное регулирование изменяет скорость вращения рабочего колеса. При снижении требуемой подачи насос или вентилятор может создавать меньший расход и соответствующий ему напор без необходимости поддерживать прежний режим вращения.

Для центробежных агрегатов в условиях применимости законов подобия расход приблизительно пропорционален частоте вращения, напор — её квадрату, а потребляемая механическая мощность — кубу частоты. Именно эта зависимость объясняет возможность значительного уменьшения мощности при снижении скорости.

Но кубическая зависимость не является универсальным прогнозом экономии для установленного оборудования. Фактический результат определяется рабочей точкой агрегата в конкретной системе и потерями при преобразовании энергии.

Какие исходные данные необходимы для оценки

Для технического сравнения нужны характеристика насоса или вентилятора, значения расхода и напора, продолжительность различных режимов, действующий способ регулирования, а также КПД двигателя и частотного преобразователя.

Характеристика агрегата показывает, какие сочетания производительности и напора доступны при определённой частоте вращения. Характеристика системы описывает требуемый напор в зависимости от расхода. Их пересечение определяет рабочую точку оборудования.

Измерения расхода и напора необходимы для установления фактического режима, а данные о продолжительности его работы — для перехода от сравнения мощности к расчёту потребления энергии за период.

КПД двигателя и преобразователя учитывают при оценке электрической мощности. Если рассматривать только механическую мощность на валу, расчёт не отразит дополнительные потери преобразования, которые непосредственно влияют на итоговую экономию электроэнергии.

Как сравнить дросселирование и частотное регулирование

Сравнение выполняют для одинаковой требуемой производительности и продолжительности работы. Сначала определяют рабочие точки при существующем дросселировании, затем рассчитывают возможные рабочие точки при изменении частоты вращения с учётом характеристики системы.

Для каждого режима устанавливают потребляемую электрическую мощность. Затем мощность связывают с продолжительностью соответствующего режима, чтобы определить расход энергии за рассматриваемый период.

Такой подход особенно важен для систем с переменным спросом. Если насос значительную часть времени работает при сниженной подаче, необходимо оценивать энергопотребление именно в этих режимах, а не только в точке максимальной производительности.

Если же оборудование почти постоянно работает с одной производительностью, возможности снижения скорости могут быть ограничены. В этом случае предполагаемый эффект необходимо обосновывать отдельно, поскольку само наличие частотного преобразователя не означает уменьшения необходимой энергии.

Почему статический напор ограничивает экономию

При оценке насосных систем необходимо различать составляющие требуемого напора. Часть напора расходуется на преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов, которое зависит от расхода. Другая часть может определяться статической разностью уровней или давлений.

Если в системе преобладают потери на трение, уменьшение расхода обычно сопровождается заметным снижением требуемого напора. Это создаёт условия для уменьшения мощности при снижении частоты вращения.

Если же значительная часть напора является статической, агрегат должен обеспечивать её и при уменьшении подачи. Поэтому снижение скорости ограничивается необходимостью сохранять требуемый напор.

Законы подобия описывают изменение характеристики самого агрегата, но не отменяют требований подключённой системы. Без учёта системной характеристики расчёт по кубической зависимости может существенно завысить ожидаемую экономию.

Как минимальная подача и потери преобразователя влияют на результат

При выборе регулируемого режима необходимо учитывать минимально допустимую подачу оборудования и технологические требования к системе. Снижение частоты вращения допустимо только в пределах, при которых агрегат сохраняет необходимую работоспособность и обеспечивает требуемый технологический результат.

Кроме того, преобразователь частоты потребляет часть энергии на собственную работу. При расчёте необходимо учитывать его КПД совместно с характеристиками электродвигателя и агрегата.

Таким образом, снижение механической мощности не полностью совпадает со снижением электрического потребления. Итоговый эффект определяется разницей электрических энергозатрат в сравниваемых режимах.

Если ограничения минимальной подачи не позволяют существенно уменьшить частоту вращения, а дополнительные потери преобразователя сопоставимы с предполагаемым выигрышем, энергетический эффект может оказаться небольшим.

Как определить условия применимости и ожидаемую экономию

Результатом технической оценки становятся условия, при которых частотное регулирование допустимо и энергетически целесообразно, а также сценарный расчёт энергосбережения для фактического распределения рабочих режимов.

Расчёт должен учитывать требуемую производительность, системную характеристику, продолжительность режимов и электрические потери двигателя и преобразователя. Сравнивать необходимо одинаковый объём полезной работы, чтобы уменьшение энергопотребления не достигалось за счёт недопустимого снижения производительности.

При неполных характеристиках системы или отсутствии данных о продолжительности режимов ожидаемую экономию нельзя считать подтверждённой. Необходимы дополнительные измерения и явное указание неопределённости расчётного результата.

Главный критерий применения частотного регулирования — подтверждённая возможность обеспечить требуемую работу агрегата с меньшими суммарными энергозатратами. Для системы с преобладающим статическим напором, ограничениями минимальной подачи или почти постоянной производительностью расчётные преимущества требуют особенно внимательной проверки.

Связанные вопросы рассмотрены на страницах «Электродвигатели и электроприводы» и «Снижение потребления электроэнергии». Другие технические разъяснения представлены в разделе «Материалы».