Частотное регулирование может снижать энергопотребление насосов и вентиляторов, когда потребность технологического процесса в подаче изменяется, а оборудование с постоянной скоростью вращения продолжает работать с избыточной производительностью. В таких условиях изменение частоты вращения позволяет согласовать работу механизма с фактической потребностью вместо ограничения потока при неизменной скорости.
Однако установка частотного преобразователя сама по себе не гарантирует экономию. Эффект зависит от характеристики машины и подключённой системы, существующего способа регулирования, продолжительности работы на частичных нагрузках и потерь в преобразователе. Для оценки необходимо установить, как именно изменятся рабочие точки и потребляемая мощность оборудования.
Когда изменение скорости вращения уменьшает расход энергии
Наиболее существенное условие применимости частотного регулирования — переменная потребность процесса в подаче или давлении. Если расход жидкости либо воздуха в течение рабочего периода изменяется, оборудование не всегда должно работать с одной и той же производительностью.
График требуемой подачи или давления во времени позволяет определить, какую часть периода система работает при максимальной потребности, а какую — при сниженной. Для оценки экономии важна не только величина возможного уменьшения подачи, но и продолжительность соответствующих режимов.
При существующем регулировании дросселированием насос продолжает вращаться с прежней скоростью, а подача ограничивается дополнительным гидравлическим сопротивлением. В определённых условиях снижение частоты вращения позволяет обеспечить необходимую подачу с меньшими энергетическими затратами.
Если требуемая подача практически постоянна, а оборудование уже работает в подходящем режиме, установка частотного преобразователя может не обеспечить заметного снижения энергопотребления. Дополнительные потери самого преобразователя при этом также необходимо учитывать.
Как характеристики насоса или вентилятора определяют эффект
Для центробежного механизма результат изменения скорости зависит от совместной характеристики машины и системы. Характеристика насоса показывает связь подачи и создаваемого напора, а характеристика системы отражает требуемый напор при различных расходах.
Рабочая точка определяется пересечением этих характеристик. При снижении частоты вращения характеристика центробежного насоса изменяется, вследствие чего система переходит к другой рабочей точке с иной подачей, напором и потребляемой мощностью.
Для геометрически неизменного центробежного механизма при соблюдении условий подобия используются зависимости, согласно которым подача приблизительно пропорциональна частоте вращения, напор — её квадрату, а мощность — кубу. Эти соотношения полезны для предварительной оценки, но не являются гарантией соответствующего снижения электропотребления реальной установки.
Фактический результат зависит от характеристики подключённой системы, положения рабочих точек и изменения эффективности оборудования. Поэтому расчёт только по отношению частот вращения без анализа системы может существенно исказить ожидаемую экономию.
Для объёмных машин законы центробежной подобности неприменимы. Изменение скорости такого оборудования необходимо оценивать по его собственной рабочей характеристике, а не переносить на него зависимости, используемые для центробежных насосов и вентиляторов.
Как сравнить существующий режим и работу с частотным преобразователем
Оценку начинают с характеристики существующего способа регулирования. Необходимо определить, как обеспечивается требуемая подача, какие рабочие точки используются и какую мощность двигатель потребляет в характерных режимах.
Для этого сопоставляют три группы исходных сведений:
- График требуемой подачи или давления. Показывает изменение потребности процесса и продолжительность режимов, в которых возможно снижение производительности.
- Характеристику насоса или вентилятора и действующий способ регулирования. Позволяет определить существующие рабочие точки и оценить изменение параметров при регулировании частоты вращения.
- Мощность и режим двигателя в типичных рабочих точках. Используются для сопоставления фактического потребления с расчётной работой регулируемого привода с учётом потерь преобразователя.
После определения допустимых рабочих точек сравнивают потребляемую мощность в существующем и предполагаемом режимах. Для оценки расхода электроэнергии каждое значение мощности связывают с продолжительностью соответствующего режима.
Расход за рассматриваемый период можно представить как сумму произведений мощности на время работы в отдельных режимах:
E = Σ(Pᵢ × tᵢ),
где Pᵢ — потребляемая электрическая мощность в соответствующем режиме, tᵢ — продолжительность этого режима.
Сравнение выполняют для одинаковой полезной задачи: система должна обеспечивать требуемую подачу и давление как до изменения способа регулирования, так и после него. В расчёт предполагаемого режима включают потери частотного преобразователя.
Разность полученных величин характеризует расчётный потенциал снижения электропотребления при принятых режимах и исходных данных. Она не является подтверждением фактически достигнутой экономии.
Почему снижение частоты вращения не всегда допустимо
Возможность уменьшения подачи ограничивается требованиями технологического процесса и рабочими характеристиками оборудования. Если система должна обеспечивать определённый минимальный расход, регулирование ниже этого значения недопустимо даже при потенциальном снижении мощности.
Поэтому до оценки энергетического эффекта устанавливают допустимый диапазон работы механизма. Рабочие точки, не обеспечивающие требуемую подачу или давление, исключают из рассматриваемого сценария.
Отдельно учитывают различие между уменьшением необходимой производительности процесса и заменой способа управления приводом. Снижение энергопотребления возможно благодаря уменьшению фактически требуемой подачи. Если такое уменьшение технологически не допускается, изменение способа регулирования само по себе не создаёт соответствующего потенциала экономии.
Для оборудования с постоянной потребностью в подаче необходимо особенно внимательно сопоставлять существующий режим и предполагаемую работу с преобразователем. При отсутствии достаточного изменения рабочей точки ожидаемая разность потребления может оказаться небольшой или отсутствовать.
Результат оценки применимости частотного регулирования
Результатом является определение условий, при которых частотное регулирование технически применимо, и расчётный сценарий возможного снижения энергопотребления. Он должен быть связан с графиком потребности процесса, характеристиками машины, существующими и предполагаемыми рабочими точками, потребляемой мощностью и продолжительностью режимов.
Такое сопоставление позволяет установить, имеет ли смысл дальнейшее рассмотрение частотного регулирования конкретного насоса или вентилятора и какие исходные характеристики необходимо уточнить перед принятием технического решения.
В отличие от общей оценки влияния загрузки оборудования на энергопотребление, здесь проверяется результат конкретного изменения способа управления скоростью вращения при сохранении требований к полезной работе системы.
Главное ограничение: назначать фиксированный процент экономии без графика загрузки и характеристик машины нельзя. Расчётный эффект определяется сопоставлением реальных режимов, допустимых рабочих точек и электрического потребления с учётом потерь преобразователя. Без этих сведений вывод о величине экономии остаётся неподтверждённым.