Как частотный преобразователь снижает расход электроэнергии

Коротко: частотный преобразователь снижает расход электроэнергии за счет регулирования скорости электродвигателя в соответствии с реальной потребностью оборудования. Вместо постоянной работы двигателя на максимальных оборотах и ограничения производительности клапаном, заслонкой или другим механическим способом система уменьшает частоту вращения самого двигателя. Особенно заметный эффект достигается на центробежных насосах и вентиляторах.

Электродвигатели являются одними из основных потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях. При этом многие приводы работают с запасом: двигатель вращается с номинальной скоростью, хотя технологическому процессу в данный момент требуется только часть максимальной производительности.

Частотный преобразователь позволяет убрать этот избыточный расход и одновременно обеспечить более точное управление оборудованием.

Как работает частотный преобразователь

Скорость вращения асинхронного электродвигателя связана с частотой питающего напряжения. Частотный преобразователь изменяет частоту и напряжение, подаваемые на двигатель, за счет чего можно плавно регулировать его обороты.

Например, вместо постоянной работы двигателя на частоте 50 Гц преобразователь может снижать частоту до 40, 35 или 30 Гц, если максимальная производительность оборудования в данный момент не требуется.

В результате уменьшается:

• скорость вращения двигателя;
• производительность оборудования;
• механическая нагрузка на привод;
• потребляемая электрическая мощность.

При необходимости производительность автоматически увеличивается, и двигатель снова выходит на требуемые обороты.

Почему особенно выгодно регулировать насосы и вентиляторы

Наибольшая экономия обычно достигается на механизмах с вентиляторным характером нагрузки. К ним относятся прежде всего центробежные насосы и вентиляторы.

Для таких механизмов действуют так называемые законы подобия. В упрощенном виде:

• подача приблизительно пропорциональна скорости вращения;
• напор или давление приблизительно пропорциональны квадрату скорости;
• потребная мощность приблизительно пропорциональна кубу скорости вращения.

Именно последняя зависимость дает значительный потенциал энергосбережения.

Таким образом, снижение скорости центробежного насоса или вентилятора всего на 20% теоретически может уменьшить требуемую мощность почти вдвое.

Важно: это расчетная зависимость для вентиляторной нагрузки. Реальная экономия зависит от характеристик системы, статического напора, КПД насоса, двигателя и преобразователя, а также от фактического графика нагрузки.

Частотное регулирование вместо дросселирования

Рассмотрим типичную насосную систему. Насос подобран на максимальную производительность, однако большую часть времени полный расход не требуется.

Без частотного преобразователя подачу часто уменьшают регулирующим клапаном. При этом:

• двигатель продолжает вращаться практически с номинальной скоростью;
• насос продолжает создавать избыточный напор;
• часть энергии теряется на сопротивлении прикрытого клапана.

С частотным преобразователем можно уменьшить обороты самого насоса. Производительность снижается без необходимости создавать лишнее гидравлическое сопротивление.

Поэтому регулирование скорости обычно энергетически выгоднее постоянной работы насоса на максимальных оборотах с последующим дросселированием потока.

Где частотный преобразователь дает наибольшую экономию

Установка ПЧ особенно эффективна, если производительность оборудования регулярно меняется.

• Насосные станции. Частотник поддерживает необходимое давление или расход в зависимости от текущего потребления.
• Системы водоснабжения. Производительность насоса автоматически изменяется при изменении водоразбора.
• Вентиляция. Скорость вентилятора можно регулировать по температуре, давлению, концентрации CO₂ или другим параметрам.
• Системы охлаждения. Насосы и вентиляторы работают только с той производительностью, которая требуется в данный момент.
• Производственные линии. Скорость привода регулируется в соответствии с текущей производительностью технологического процесса.

Всегда ли частотник уменьшает расход электроэнергии

Нет. Само наличие частотного преобразователя еще не означает автоматической экономии.

Если двигатель постоянно должен работать на номинальной скорости и оборудование все время требует максимальной производительности, потенциал снижения энергопотребления будет небольшим. Кроме того, сам преобразователь имеет собственные электрические потери.

Экономический эффект появляется прежде всего там, где можно реально уменьшать скорость двигателя значительную часть рабочего времени.

Почему на разных механизмах экономия отличается

Очень важно учитывать характер нагрузки.

Поэтому переносить показатели экономии насосной установки на конвейер, шнек или другой механизм нельзя.

Как рассчитать возможную экономию

Для предварительной оценки необходимо определить:

• мощность установленного двигателя;
• фактическую потребляемую мощность оборудования;
• количество часов работы в сутки или месяц;
• сколько времени оборудование действительно нуждается в максимальной производительности;
• возможную скорость работы после установки ПЧ;
• стоимость электроэнергии.

Простейшая формула оценки:

Экономия электроэнергии = (мощность до установки ПЧ - средняя мощность после установки ПЧ) × время работы.

Денежную экономию получают умножением количества сэкономленных кВт·ч на действующий тариф предприятия.

Для насосных и вентиляционных систем более точный расчет выполняют с учетом рабочей характеристики механизма и сопротивления сети.

Дополнительные преимущества частотного преобразователя

Снижение счета за электроэнергию является не единственным эффектом применения ПЧ.

• плавный запуск двигателя;
• снижение пусковых токов;
• уменьшение гидравлических ударов в насосных системах;
• уменьшение механических нагрузок на муфты, подшипники и привод;
• точное поддержание давления, расхода или другой технологической величины;
• возможность автоматического управления оборудованием;
• снижение количества пусков и остановок двигателя.

В результате правильно настроенный частотный привод может уменьшать не только энергозатраты, но и эксплуатационные расходы оборудования.

Что учитывать при установке частотника

Преобразователь необходимо подбирать не только по мощности двигателя. Важны номинальный ток, тип нагрузки, перегрузочная способность, диапазон регулирования и условия эксплуатации.

Также необходимо учитывать работу самого электродвигателя. При продолжительной эксплуатации на низких оборотах штатный вентилятор двигателя вращается медленнее, поэтому охлаждение ухудшается. В таких режимах может потребоваться независимая вентиляция или двигатель, рассчитанный на работу от преобразователя.

Неправильно выбранный ПЧ способен не только не дать ожидаемой экономии, но и вызвать перегрев двигателя или нестабильную работу привода.

Когда установка частотного преобразователя особенно оправдана

Рассматривать установку ПЧ имеет смысл, если:

• двигатель имеет значительную мощность и работает много часов в сутки;
• оборудование большую часть времени работает не на полной производительности;
• подача насоса регулируется клапаном;
• производительность вентилятора регулируется заслонкой;
• давление или расход постоянно меняются;
• необходимо автоматически поддерживать заданный технологический параметр;
• требуется снизить пусковые и механические нагрузки.

Чем выше мощность оборудования и количество часов его работы, тем заметнее может быть экономический эффект.

Вывод

Частотный преобразователь снижает расход электроэнергии не сам по себе, а благодаря возможности уменьшить скорость электродвигателя тогда, когда максимальная производительность оборудования не требуется.

Наибольший эффект характерен для центробежных насосов и вентиляторов с переменной нагрузкой. Здесь даже небольшое снижение оборотов может привести к существенному уменьшению потребляемой мощности.

Чтобы получить реальную экономию и не сократить ресурс оборудования, необходимо правильно подобрать частотный преобразователь, электродвигатель и алгоритм управления с учетом конкретного механизма.

Специалисты компании «Контракт Мотор» помогут подобрать электродвигатель и частотный преобразователь под характеристики оборудования, режим нагрузки и требуемый диапазон регулирования.

Частые вопросы

Сколько электроэнергии может сэкономить частотный преобразователь?
Экономия зависит от оборудования и режима его работы. На насосах и вентиляторах с переменной производительностью она может быть значительной, особенно если раньше регулирование выполнялось клапаном или заслонкой.

Почему снижение оборотов так сильно влияет на потребление насоса?
У центробежных насосов потребная мощность приблизительно зависит от куба скорости вращения. Поэтому уменьшение оборотов может заметно снижать мощность привода.

Будет ли частотник экономить электроэнергию при постоянной нагрузке?
Если двигатель постоянно работает на номинальной скорости и снижение производительности невозможно, потенциал энергосбережения небольшой.

Можно ли подключить обычный асинхронный двигатель к частотнику?
Во многих случаях можно, но необходимо учитывать диапазон регулирования, охлаждение двигателя, параметры изоляции, ток и режим нагрузки.

Можно ли регулировать давление насоса частотным преобразователем?
Да. При использовании датчика давления ПЧ может автоматически изменять скорость двигателя и поддерживать заданное давление в системе.

Чем частотный преобразователь отличается от устройства плавного пуска?
Устройство плавного пуска в основном управляет разгоном и остановкой двигателя. Частотный преобразователь позволяет дополнительно постоянно регулировать скорость двигателя во время работы.

Может ли работа на низкой частоте привести к перегреву двигателя?
Да, если двигатель долго работает под нагрузкой на малых оборотах и его штатного охлаждения недостаточно. В таких случаях может потребоваться независимый вентилятор или специальное исполнение двигателя.