Когда частотное регулирование снижает энергопотребление

Частотное регулирование снижает энергопотребление насосов и вентиляторов, когда требуемая производительность меняется, а уменьшение частоты вращения позволяет обеспечить необходимый расход при меньшей потребляемой электрической мощности. Наибольший интерес представляет оборудование, у которого снижение подачи сейчас достигается дросселированием, то есть созданием дополнительного сопротивления клапаном или заслонкой при практически неизменной скорости вращения.

Однако установка преобразователя частоты не гарантирует экономию. Результат зависит от характеристики насоса или вентилятора, сопротивления системы, доли статического напора, продолжительности работы на частичных нагрузках и потерь самого преобразователя. Основной критерий — снижение потребляемой электроэнергии при сохранении требуемого полезного расхода и технологических параметров.

Почему изменение частоты вращения может уменьшить расход электроэнергии

В насосных и вентиляционных системах производительность регулируют разными способами. При дросселировании двигатель продолжает вращать рабочее колесо с практически постоянной скоростью, а расход уменьшается за счёт дополнительного сопротивления потоку.

Например, при частичном закрытии регулирующего клапана насос переходит в другую рабочую точку. Часть создаваемого им напора расходуется на преодоление сопротивления клапана. Электрическая мощность при этом может уменьшиться, но не обязательно пропорционально снижению полезного расхода.

При частотном регулировании преобразователь изменяет частоту питания электродвигателя, позволяя регулировать скорость вращения рабочего колеса. Характеристика агрегата изменяется, и требуемая подача может обеспечиваться без создания такого же дополнительного сопротивления регулирующим устройством.

Энергетическое преимущество возникает тогда, когда новый рабочий режим требует меньшей входной электрической мощности при одинаковом полезном результате.

Для предварительного понимания механизма используют законы подобия центробежных насосов и вентиляторов. При геометрически подобном режиме и соответствующих допущениях:

• расход изменяется приблизительно пропорционально частоте вращения;
• создаваемый напор или давление — пропорционально квадрату частоты вращения;
• мощность на валу — приблизительно пропорционально кубу частоты вращения.

В относительной форме зависимость мощности записывают как:

P₂ / P₁ ≈ (n₂ / n₁)³,

где P₁ и P₂ — мощности на валу в сравниваемых режимах, n₁ и n₂ — соответствующие частоты вращения.

Например, уменьшение частоты вращения до 80 % исходной в условиях применимости кубической зависимости даёт расчётную мощность на валу около 51,2 % первоначальной.

Однако это не означает гарантированного снижения потребления электроэнергии на 48,8 %. Реальный результат определяется характеристикой всей системы, изменением КПД агрегата, двигателя и преобразователя, а также необходимостью поддержания полезного расхода и давления.

Какие данные нужны для сравнения способов регулирования

Для технически обоснованного решения используют измеренные значения расхода, давления и потребляемой электрической мощности насосов либо вентиляторов. Измерения выполняют в характерных режимах, соответствующих фактическим потребностям системы.

Отдельно рассматривают характеристики оборудования и условия его эксплуатации.

Измерения расхода, давления и мощности показывают, какой полезный результат обеспечивает агрегат и сколько электроэнергии требуется в существующем режиме.

Характеристики агрегата и регулирующих устройств позволяют определить возможные рабочие точки при изменении частоты вращения и сопротивления системы.

Технологический график показывает, как долго система работает при различных расходах. Это необходимо для перехода от сравнения мгновенной мощности к оценке потребления электроэнергии за месяц или год.

Перед расчётом уточняют:

• фактический диапазон требуемых расходов;
• давление или напор, необходимый для выполнения технологической задачи;
• характеристику насоса или вентилятора;
• положение регулирующих клапанов или заслонок в действующих режимах;
• сопротивление системы и наличие статической составляющей напора;
• допустимый диапазон частоты вращения;
• потребляемую электрическую мощность при характерных нагрузках;
• продолжительность каждого рабочего режима.

Эти данные взаимосвязаны. Например, измеренный расход без давления не позволяет определить, при каких гидравлических условиях работает насос. А сведения о мощности без технологического графика недостаточны для расчёта годового энергетического эффекта.

Как сравнивать дросселирование и частотное регулирование

Правильное сравнение выполняют при одинаковом полезном расходе и соблюдении одинаковых требований к технологическому процессу.

Сначала определяют рабочую точку системы с существующим способом регулирования. Для насосной установки фиксируют расход, напор и потребляемую активную электрическую мощность при заданном положении регулирующего клапана.

Затем устанавливают, при какой частоте вращения насос способен обеспечить тот же требуемый расход без прежнего дополнительного сопротивления клапана либо при другой допустимой настройке регулирования.

При этом необходимо учитывать характеристику системы — зависимость требуемого напора от расхода.

Для упрощённого описания насосной сети можно использовать выражение:

Hсист(Q) = Hст + K × Q²,

где Hсист — требуемый напор системы; Hст — статическая составляющая напора; K × Q² — составляющая, связанная с гидравличесческим сопротивлением при принятых условиях; Q — расход жидкости.

Рабочая точка определяется пересечением характеристики насоса с характеристикой сети. При изменении частоты вращения характеристика насоса смещается, поэтому расход и напор необходимо определять для новой рабочей точки.

Если система работает преимущественно на преодоление гидравлического сопротивления, уменьшение частоты вращения может существенно снижать мощность.

Если значительная часть напора необходима для подъёма жидкости на определённую высоту, снижение мощности будет подчиняться другой зависимости. В этом случае использовать кубический закон как прямой прогноз экономии нельзя.

Пример сравнения при одинаковом полезном расходе

Рассмотрим условную насосную установку, для которой требуется обеспечить расход 60 м³/ч.

При работе с постоянной частотой вращения и дросселированием измеренная активная мощность на электрическом вводе агрегата составляет 30 кВт.

Предположим, что расчёт по характеристикам насоса и системы показывает возможность обеспечить те же 60 м³/ч при уменьшенной частоте вращения. Ожидаемая входная мощность двигателя с учётом преобразователя составляет 21 кВт.

Показатель	Дросселирование	Частотное регулирование
Полезный расход	60 м³/ч	60 м³/ч
Потребляемая электрическая мощность	30 кВт	21 кВт
Разность мощности	9 кВт
Технологический результат	Одинаковый расход при соблюдении необходимых параметров системы

В этом условном примере снижение потребляемой мощности составляет:

30 − 21 = 9 кВт.

Относительное уменьшение:

9 / 30 × 100 % = 30 %.

Если соответствующий режим действует 2 000 часов за год, расчётная разница в потреблении электроэнергии составит:

9 × 2 000 = 18 000 кВт·ч.

Полученное значение является условным расчётным эффектом для одного режима. Оно не представляет фактическую экономию какого-либо предприятия.

Для определения годового результата необходимо учитывать все характерные режимы работы, а не только интервал, в котором частотное регулирование показывает наибольшее преимущество.

Кроме того, необходимо проверить, что в обоих вариантах действительно обеспечены одинаковый полезный расход и необходимые технологические параметры.

Почему статический напор ограничивает эффект регулирования

Статический напор возникает, когда насос должен преодолевать постоянную разность уровней жидкости или другую практически не зависящую от расхода составляющую требуемого давления.

В системе с выраженной статической составляющей уменьшение частоты вращения снижает создаваемый насосом напор. При определённой скорости он может стать недостаточным для обеспечения требуемой подачи.

Например, насос, подающий воду в расположенный выше резервуар, должен преодолеть разность уровней независимо от того, насколько мал расход.

Если частота вращения уменьшена настолько, что насос перестаёт обеспечивать необходимый напор, полезная подача может резко снизиться или прекратиться.

Поэтому в подобных системах невозможно обосновать энергетический эффект одним расчётом по кубической зависимости мощности от частоты вращения.

Необходимо определить новую рабочую точку с учётом статического напора и характеристики насоса.

Особенно важно проверить минимальную скорость, при которой система ещё обеспечивает требуемую технологическую функцию.

Если при меньшей скорости насос потребляет значительно меньше электроэнергии, но не подаёт необходимый объём жидкости, такое уменьшение мощности нельзя считать улучшением энергетической эффективности процесса.

Когда преобразователь частоты может не дать экономии

Энергетический результат зависит от того, как часто системе действительно требуется уменьшенная производительность.

Если насос или вентилятор практически постоянно работает с одним и тем же требуемым расходом, а существующий агрегат уже обеспечивает этот расход в рациональной рабочей точке, дополнительное частотное регулирование может не уменьшить потребление.

Преобразователь частоты имеет собственные электрические потери. Поэтому при одинаковом полезном результате система с преобразователем иногда может потреблять несколько больше энергии, чем оптимально работающий нерегулируемый привод.

В другом случае оборудование часто работает с существенно меньшим расходом, который сейчас обеспечивается дросселированием. Тогда изменение частоты вращения может уменьшить потери на регулирующем устройстве и обеспечить заметное снижение входной мощности.

Для выбора решения необходимо различать следующие условия.

Условия эксплуатации	Значение для энергетического эффекта
Расход существенно меняется в течение суток	Есть основание сравнить частотное регулирование с существующим способом изменения подачи
Расход уменьшается дросселированием	Часть напора расходуется на регулирующем устройстве; возможно энергетическое преимущество изменения скорости
Преобладает статический напор	Допустимое снижение скорости ограничено необходимостью сохранять требуемый напор
Агрегат постоянно работает с неизменным требуемым расходом	Собственные потери преобразователя могут уменьшить или устранить энергетическое преимущество
Снижение скорости приводит к недостаточной подаче	Уменьшение мощности не подтверждает экономию при одинаковом полезном результате

Следовательно, целесообразность частотного регулирования определяется не самим наличием преобразователя, а характеристикой системы и распределением времени между рабочими режимами.

Как определить допустимый диапазон частоты вращения

Прежде чем рассчитывать экономию, необходимо определить, в каком диапазоне скорости агрегат может выполнять свою технологическую функцию.

Для насосов учитывают характеристику системы, требуемые расход и напор, допустимые условия работы насоса и двигателя. Для вентиляторов — необходимый расход воздуха, сопротивление сети и ограничения вентиляционного процесса.

Минимальная допустимая скорость не обязательно соответствует минимальной частоте, которую способен установить преобразователь.

Работа агрегата может ограничиваться технологическими требованиями, особенностями охлаждения двигателя, условиями устойчивой работы и характеристиками механической части.

Для насоса необходимо также проверять режимы, при которых недостаточный расход способен нарушить требования к эксплуатации агрегата.

Профессиональное сравнение строится следующим образом:

1. Определяют фактический диапазон требуемых расходов.
2. Устанавливают характеристики агрегата при различных частотах вращения.
3. Находят рабочие точки пересечения характеристик агрегата и системы.
4. Проверяют достижение необходимого расхода и давления.
5. Исключают режимы, нарушающие технические и технологические ограничения.
6. Для оставшихся режимов определяют входную электрическую мощность.

После этого становится понятно, при каких нагрузках изменение частоты возможно и какие режимы можно использовать в расчёте энергетического эффекта.

Если характеристик недостаточно, требуется уточнение исходных данных или дополнительные измерения. Назначать минимальную скорость только по желаемому снижению мощности технически необоснованно.

Как рассчитать эффект при переменном графике расхода

Реальная насосная или вентиляционная система обычно работает не в одной точке. Требуемый расход может изменяться по сменам, времени суток, сезонам или технологическим операциям.

Поэтому для оценки эффекта составляют график продолжительности характерных режимов.

Для каждого режима определяют расход, необходимые параметры системы и входную электрическую мощность при двух способах регулирования.

Расчётную разницу энергопотребления определяют по формуле:

ΔW = Σ[(Pисх,i − Pчр,i) × tᵢ],

где Pисх,i — потребляемая мощность в существующем режиме; Pчр,i — ожидаемая входная мощность при частотном регулировании; tᵢ — продолжительность соответствующего режима.

Рассмотрим условное сравнение.

Режим	Продолжительность, ч/год	Исходная мощность, кВт	Мощность с преобразователем, кВт	Разница, кВт·ч
Высокая подача	1 000	40	41	−1 000
Средняя подача	2 000	30	22	16 000
Низкая подача	1 500	23	12	16 500
Итого	4 500	—	—	31 500

Пример показывает, что энергетический эффект может быть неодинаковым в разных режимах. При высокой подаче преобразователь в данном условном расчёте увеличивает потребление на 1 000 кВт·ч за год, но при частичных нагрузках возникает более значительное снижение расхода.

Суммарный расчётный эффект составляет 31 500 кВт·ч за рассматриваемый год.

Все приведённые значения условны. Для конкретной системы аналогичный расчёт выполняют по её фактическому графику расходов и техническим характеристикам агрегата.

Если продолжительность режимов неизвестна, даже достоверное сравнение мощности в одной точке не позволяет определить годовую экономию.

Почему снижение мощности не всегда означает повышение эффективности

Самая существенная ошибка при оценке частотного регулирования — сравнение мощностей при разных полезных результатах.

Например, после уменьшения частоты вращения насос может потреблять значительно меньше электроэнергии. Но если при этом он перестал обеспечивать необходимый расход или давление, произошло не только изменение энергетического режима, но и уменьшение полезной подачи.

В такой ситуации снижение мощности нельзя полностью относить к улучшению работы системы.

Для проверки необходимо сопоставить:

• фактический расход жидкости или воздуха до и после изменения режима;
• требуемое и обеспеченное давление;
• потребляемую активную мощность в сопоставимых условиях;
• продолжительность соответствующих режимов;
• соблюдение технологических требований.

Если расход оказался ниже необходимого, необходимо установить, можно ли скорректировать частоту вращения или настройки системы для восстановления требуемой подачи.

После этого мощность измеряют повторно при допустимом режиме и используют полученное значение для сравнения.

Аналогичная проблема возникает при неполных или несинхронных измерениях. Например, расход может быть зарегистрирован в одном режиме, а мощность — в другом. Использовать такую пару значений для оценки эффективности неправильно.

Измерения расхода, давления и мощности должны относиться к одному устойчивому рабочему состоянию.

Как использовать характеристики клапанов и технологический график

Характеристики регулирующих клапанов помогают установить, какую часть перепада давления создаёт дросселирование в существующем режиме.

Если при уменьшении расхода клапан существенно повышает гидравлическое сопротивление, появляется основание рассмотреть изменение частоты вращения вместо поддержания избыточного напора насосом.

Однако нельзя оценивать энергетический эффект только по степени открытия клапана. Его положение не определяет однозначно расход и перепад давления без соответствующей характеристики и условий работы сети.

Поэтому положение регулирующего устройства сопоставляют с измеренными расходом и давлением.

Технологический график используется для другой задачи: он позволяет установить, как часто и как долго система нуждается в каждом режиме подачи.

Например, насос может большую часть времени работать при номинальном расходе, а сниженная подача требоваться лишь на коротких интервалах. В этом случае энергетический эффект от частотного регулирования может быть ограниченным.

Если же частичная подача требуется большую часть года, результаты сравнения при этих режимах приобретают существенно большее значение.

Таким образом, характеристика клапана помогает объяснить существующий способ регулирования, а технологический график определяет вклад каждого режима в суммарное энергопотребление.

Какие дополнительные условия влияют на расчёт

При выборе частотного регулирования необходимо учитывать не только характеристики насоса или вентилятора, но и работу электродвигателя с преобразователем.

Собственные потери преобразователя входят в потребление системы. При оценке результата следует использовать мощность на электрическом вводе регулируемого привода, а не ограничиваться расчётной мощностью на валу агрегата.

Кроме того, КПД двигателя и преобразователя может изменяться при разных нагрузках и частотах вращения.

Если расчёт построен только на кубической зависимости, он не учитывает все эти изменения. Для предварительной оценки такой подход может быть полезен, но окончательное сравнение необходимо выполнять по характеристикам конкретного оборудования и допустимым рабочим точкам.

Особое внимание требуется в ситуациях, когда одновременно выполняются два условия: система имеет значительную статическую составляющую напора и большую часть времени работает с практически постоянным расходом.

В первом случае уменьшается допустимый диапазон изменения скорости. Во втором — ограничивается продолжительность режимов, в которых преобразователь способен обеспечить энергетическое преимущество.

Если при этом собственные потери преобразователя сопоставимы с ожидаемым снижением мощности, суммарный эффект может оказаться небольшим или отрицательным.

Поэтому оба условия проверяют отдельно и учитывают совместно при расчёте.

Как оформить расчёт допустимых режимов и ожидаемого эффекта

Результат оценки целесообразно представить в виде таблицы допустимых рабочих режимов с указанием требуемого расхода, давления, частоты вращения и потребляемой электрической мощности.

Для каждого режима необходимо показать, какие параметры получены измерениями, а какие рассчитаны по характеристикам оборудования.

Проверяемый параметр	Его значение для решения
Требуемый полезный расход	Подтверждает сопоставимость технологического результата
Необходимый напор или давление	Показывает, способен ли агрегат выполнить задачу при изменённой скорости
Характеристика системы	Определяет рабочую точку и влияние статической составляющей
Допустимый диапазон частоты вращения	Исключает режимы, нарушающие технические ограничения
Входная электрическая мощность	Позволяет сравнить действительный энергетический расход вариантов
Продолжительность режима	Определяет вклад режима в суммарное потребление энергии

После проверки допустимости рабочих точек рассчитывают потребление электроэнергии в существующем и предлагаемом режимах за одинаковый период.

Если в отдельных режимах преобразователь увеличивает потребление, соответствующие отрицательные составляющие также включают в суммарный расчёт. Исключать их ради получения более привлекательного результата нельзя.

При недостаточности данных отдельно указывают, какие измерения необходимы для уточнения ожидаемого эффекта.

Когда частотное регулирование технически обоснованно

Основания рассматривать частотное регулирование наиболее убедительны, когда система продолжительно работает при изменяющемся расходе, существующее регулирование создаёт дополнительное сопротивление, а характеристики агрегата подтверждают возможность обеспечить требуемые параметры при меньшей частоте вращения.

При этом необходимо проверить, что снижение скорости остаётся в допустимом диапазоне, а потребляемая электрическая мощность с учётом преобразователя действительно уменьшается.

Если преобладает статический напор, требуемый расход почти постоянен или минимальная допустимая скорость ограничивает регулирование, ожидаемый эффект необходимо оценивать особенно осторожно.

Главный результат — расчёт допустимых режимов и ожидаемого изменения энергопотребления при частотном регулировании с учётом характеристик системы и фактического графика работы.

Такой расчёт позволяет определить, какие режимы стоит дополнительно измерить, какие настройки проверить и имеет ли смысл дальнейшее техническое сравнение вариантов регулирования.

Без характеристики системы, достоверного графика расходов и синхронных измерений электрической мощности нельзя обоснованно заявлять величину экономии. Расчётный эффект не является достигнутым результатом до проверки работы оборудования в изменённых условиях.

Для рассмотрения оборудования, на котором применяется такой способ управления, можно обратиться к странице «Насосное оборудование». Вопросы практического изменения режимов рассматриваются в разделе «Выявление неэффективных режимов работы оборудования».

Другие технические материалы представлены в разделе «Материалы».