Содержание:
- Особенности работы системы с заданным контролируемым параметром
- Пример расчета энергоэффективности преобразователя частоты
Все более широкое использование частотных преобразователей в системах управления электромоторами связано с целым рядом преимуществ, к главным из которых можно отнести:
- высокую управляемость работы системы, особенно в комплексах с обратной связью;
- плавный пуск и стоп мотора;
- защиту от перепадов напряжения на входе;
- широкие возможности автоматизации и мониторинга работы системы.
В тоже время можно назвать и несколько недостатков, которые сдерживают повсеместное внедрение таких систем, из которых самый существенный – это достаточно высокая стоимость частотных преобразователей, особенно высокой мощности.
Также у потребителей может возникнуть вопрос, связанный с дополнительным расходом электроэнергии, поскольку между двигателем и питающей сетью включается электронное устройство, на котором происходит некоторая потеря мощности.
КПД современных частотников составляет, как правило, 93-98%, что на значительных мощностях при управлении мощным оборудованием может оказаться довольно значительным. Однако на практике в системах, работающих на обеспечение нахождения заданного параметра в требуемом диапазоне значений, наблюдается существенная экономия электроэнергии при использовании частотных преобразователей, механизм возникновения которой рассмотрен ниже.
Особенности работы системы с заданным контролируемым параметром
Когда создается система с необходимостью поддержания точного рабочего параметра на выходе, обычно предусматривается обратная связь по этому критерию, сигнал которой управляет режимом работы частотного преобразователя. В зависимости от изменений контролируемого параметра в большую или меньшую сторону, соответственно меняется рабочая частота на выходе преобразователя и изменяется частота вращения вала двигателя.
Такие решения чаще всего можно встретить в управлении:
- насосами водоснабжения, где контроль осуществляется по давлению воды на выходе;
- вентиляционными системами, контролируемыми параметрами, в которых может быть как скорость потока воздуха, так и его давление;
- системами принудительного дымоудаления, где критерием может быть разность давлений (разрежение) или скорость воздушного потока;
- станками с числовым программным управлением;
- другими системами, где важно точное соблюдение контролируемого параметра состояния.
В большинстве приведенных примеров, если не используется частотник, регулирование выходного значения производится путем дросселирования потока жидкости, газа или использования управляемых заслонок. И в первом, и во втором случаях электромотор работает на полную мощность. Создается избыточное давление, что приводит к:
- перерасходу электроэнергии из-за нерационального ее использования в режиме, когда контролируемый параметр достигает верхнего значения;
- повышенной нагрузке на систему, где обязательно возникают колебания давления и превышение его над номинальным уровнем.
То есть, наблюдается не только перерасход электроэнергии, но и более быстрое изнашивание компонентов устройств, работающих при повышенных нагрузках.
Любая подобная система проектируется на поддержание рабочего параметра в режиме максимальной нагрузки на нее.На практике такая нагрузка непостоянна, в зависимости от типа системы среднее потребление может быть значительно ниже, чем максимальное. Например, насосы водоснабжения объектов работают на полную мощность всего лишь несколько часов в сутки, поэтому обычно в таких комплексах используются несколько электромоторов разной мощности, что также обходится значительно дороже, чем установка частотного преобразователя.
В вентиляционных и насосных системах, то есть в комплексах, где требуется контролировать давление или скорость потока газовой или жидкой среды потребляемая мощность имеет кубическую зависимость от частоты вращения электропривода.
Пример расчета энергоэффективности преобразователя частоты
В качестве примера можно рассмотреть два варианта построения системы водоснабжения: с насосом, включенным в электросеть напрямую, и через частотный преобразователь. В первом случае используется регулирование давления на выходе путем изменения условного диаметра выходной трубы с помощью заслонки или путем дросселирования. И в первом, и во втором случаях мотор продолжает работать на штатных оборотах, то есть давление сразу после насоса может быть значительно больше расчетного давления в системе.
Тем не менее наблюдается определенное снижение мощности потребления в электромоторе, однако оно практически линейно на участке регулирования, и коэффициент такого уменьшения незначительный.
Если рассматривать вариант, когда частота вращения электропривода регулируется через частотный преобразователь с обратной связью по давлению на выходе насоса, с учетом пропорциональности мощности потребления от частоты вращения ротора, при понижении частоты всего лишь на 20% мы получим уменьшение потребления в два раза.
То есть, если электромотор в номинальном режиме работает с мощностью 10 кВт, то при снижении потребления и автоматическом понижении оборотов на 20%, фактическая потребляемая мощность электромотора снижается в 2 раза и составляет всего 5 кВт.
Если снизить частоту вращения двигателя вдвое, мощность потребления электромотора составит примерно 1,3 кВт, то есть экономичность насоса в этом случае увеличивается практически в 8 раз.
Например, если насосная станции обеспечивает водоснабжение городского микрорайона, мощность насоса выбирается таким образом, чтобы обеспечить давление на уровне заданного, даже в том случае, когда все потребители пользуются водой. Однако потребление непостоянно и имеет всего лишь 2 пиковых значения в утренние и вечерние часы, причем длительность этих периодов относительно невелика. В остальное время уровень потребления снижается на 30-50%, а в ночное время может опускаться до 2-5% от пиковых значений.
Потребление электроэнергии насосным оборудованием при использовании частотного преобразователя снижается и позволяет сэкономить до 60% от мощности, расходуемой таким же двигателем, включенным в сеть напрямую.
Конечно, экономический эффект от частотного регулирования работы электромотора в таких и подобных комплексах зависит от режима работы и характера контролируемых параметров. Однако, какой бы функционал ни предполагался в работе такой системы, вы в любом случае сэкономите, ведь его значение обычно находится в пределах от 30 до 60% экономии электроэнергии по сравнению с электромоторами, в которых электронное регулирование частоты вращения не применяется.
Здесь требуется сказать о том, что расчет рентабельности модернизации системы путем установки частотного преобразователя должен учитывать эффект от экономии электроэнергии.Если подбирать частотник для такого типа управления, о котором мы говорили в примере, вполне можно рассмотреть специализированную серию частотников Данфосс, в которой преобразователь мощностью 11 кВт обойдется чуть дешевле чем 60 тыс. руб.
Однако, учитывая то, что что потребление будет снижено в среднем на 30-60%,такая модернизация окупит себя через 2-3 года только за счет экономии электроэнергии. Сюда же нужно добавить лучшее качество оказания услуги потребителям и минимизацию нагрузки на оборудование и компоненты, которые придется реже чинить и заменять. Поэтому на практике внедрение даже таких достаточно дорогостоящих систем, стоимость которых зависит от номинальной мощности подключаемого оборудования и ряда других факторов, достаточно быстро окупает себя, при том, что надежность и долговечность современной электроники исчисляется десятками лет.
В заключении следует напомнить еще и о том, что экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя возможна при использовании рекуперативного торможения, которое позволяет экономить путем возврата электроэнергии в сеть, и оправдана для внедрения в системах, работающих с частым использованием режима «пуск-стоп» или «пуск-стоп-реверс».
Если вы хотите точнее оценить экономический эффект от внедрения частотного преобразователя, вы всегда можете обратиться за помощью к нашим специалистам, предоставить им данные о режимах работы целевой системы, и мы поможем подобрать оптимальную модель частотника и рассчитать экономию, которую вы получите от его внедрения.
