Рішення · Енергоефективність
Частотно-регульований електропривод як інструмент енергозбереження
Частотно-регульований електропривод дає найбільший ефект там, де механізм роками працює на постійній швидкості, а потрібну продуктивність отримують дроселюванням — засувкою, шибером або байпасом. Двигун при цьому споживає майже повну потужність, а надлишок перетворюється на тепло, шум і зношення. Перетворювач частоти прибирає цей надлишок: насос або вентилятор видає рівно стільки, скільки потребує технологія.
АТ «ДІГ» упроваджує частотно-регульовані електроприводи з 1995 року. Сотні приводів працюють на десятках підприємств України — у хімії, гірничій галузі, енергетиці, металургії та комунальному господарстві. Ми виготовляємо шафи керування ЧЕП, вибухозахищені пристрої керування приводами для шахт і постачаємо перетворювачі частоти TWERD ENERGO-PLUS.
Кубічний закон
Чому зниження швидкості на 20 % зменшує потужність удвічі
Для відцентрових машин — насосів, вентиляторів, димососів — діють закони подібності. Саме вони пояснюють, звідки береться економія.
| Величина | Залежність від швидкості | Значення при швидкості 80 % |
|---|---|---|
| Подача (витрата) | Пропорційна швидкості | 80 % |
| Напір (тиск) | Пропорційний квадрату швидкості | 64 % |
| Потужність на валу | Пропорційна кубу швидкості | 51 % |
Кубічна залежність і створює ефект: зниження швидкості лише на 20 % зменшує споживану потужність приблизно вдвічі. Дроселювання такого результату не дає — засувка тільки додає гідравлічний опір, а двигун продовжує споживати майже ту саму потужність.
Дроселювання проти регулювання швидкості
Що відбувається з енергією в кожному випадку
| Засувка, шибер, байпас | Частотний перетворювач | |
|---|---|---|
| Як змінюють подачу | Збільшують гідравлічний опір мережі | Змінюють швидкість робочого колеса |
| Споживана потужність при подачі 70 % | Приблизно 85–95 % номінальної | Приблизно 40–55 % номінальної |
| Надлишок енергії | Розсіюється на засувці у вигляді тепла, шуму й кавітації | Не виробляється |
| Пуск | Прямий, струм у 5–7 разів вищий за номінальний | Плавний, струм у межах номінального |
| Зношення | Гідроудари, зношення ущільнень і підшипників | Плавні перехідні режими |
Розрахунок економії
Приклад для насоса 75 кВт
Насос працює 6000 годин на рік. Технологія потребує в середньому 75 % подачі, яку зараз отримують, притискаючи засувку.
- Дроселювання. Двигун споживає близько 88 % номінальної потужності — приблизно 66 кВт, або 396 000 кВт·год на рік.
- Регулювання швидкістю. За кубічним законом потужність на валу становить близько 42 % — приблизно 32 кВт. З урахуванням ККД перетворювача (96–98 %) і роботи двигуна поза номінальною точкою — близько 35 кВт, тобто 210 000 кВт·год на рік.
- Різниця. Приблизно 186 000 кВт·год на рік. Помножте на свій тариф — отримаєте річну економію в гривнях.
Це оцінка для мережі з переважно динамічним опором. Перш ніж закладати такі цифри в техніко-економічне обґрунтування, перевірте частку статичного напору — про це наступний розділ. За досвідом промислової експлуатації термін окупності частотно-регульованого привода становить від 0,5 до 2 років.
Статичний напір
Головний обмежувач економії, про який часто забувають
Кубічний закон діє в чистому вигляді лише тоді, коли весь напір витрачається на подолання гідравлічного опору труб. Якщо рідину треба підняти на геодезичну висоту або подати в резервуар під тиском, з’являється статична складова напору, яка від швидкості не залежить.
- Мережі з малим статичним напором — циркуляційні контури опалення, оборотне водопостачання, вентиляція, димососи. Тут економія найбільша, до 35–40 %.
- Мережі з великим статичним напором — шахтний водовідлив із глибокого горизонту, подача на високу відмітку, живильні насоси котлів. Діапазон регулювання вузький, економія суттєво менша.
- Критична точка. Нижче певної швидкості насос перестає долати статичний напір, і подача припиняється взагалі. Мінімальну робочу частоту визначають за напірною характеристикою насоса, а не «на око».
Де привод не заощаджує енергію
Механізми з постійним моментом
Конвеєри, дробарки, млини, поршневі компресори, підйомні машини й екструдери мають момент, який мало залежить від швидкості. Кубічного закону там немає, і економія енергії невелика. Але частотний привод на таких механізмах вирішує інші задачі.
- Плавний пуск під навантаженням. Завантажений конвеєр або млин запускається без ривка стрічки й ударного струму в мережі.
- Обмеження моменту. Привод зупиняє механізм при заклинюванні раніше, ніж спрацює механічний захист.
- Технологічна швидкість. Продуктивність лінії узгоджують із суміжним обладнанням.
- Рекуперація. На підйомних установках енергія опускання вантажу повертається в мережу або розсіюється на гальмівному резисторі.
Ефекти, яких не видно на лічильнику
Що ще дає перехід на регульований привод
- Менше аварій на трубопроводах. Стабілізація тиску усуває гідроудари — головну причину поривів у зношених мережах водоканалів. Зниження витрат на ремонт нерідко можна порівняти з економією електроенергії.
- Менші втрати води. Витоки через свищі й нещільності залежать від тиску, тому нічне зниження тиску зменшує їх безпосередньо.
- Ресурс обладнання. Відсутність прямих пусків подовжує строк служби підшипників, муфт, ущільнень і обмотки двигуна.
- Зняття обмеження на кількість пусків. Прямий пуск потужного двигуна просаджує напругу в мережі, тому кількість пусків на годину обмежують. Частотний привод це обмеження знімає.
- Коефіцієнт потужності. Вхідний cos φ перетворювача близький до одиниці незалежно від завантаження двигуна. Водночас перетворювач сам є джерелом гармонік — про це нижче.
Технічні обмеження
Що перевірити до замовлення
- Гармоніки. Некерований випрямляч перетворювача створює гармоніки струму. При великій сумарній потужності приводів це спотворює напругу в мережі, перевантажує конденсаторні установки й нульовий провідник. Рішення — мережеві дроселі, пасивні фільтри або 12-пульсна схема.
- Довжина кабелю до двигуна. Довгий екранований кабель має значну ємність: зростає струм витоку, а на клемах двигуна виникають перенапруги. Для довгих ліній застосовують синусні фільтри або фільтри dV/dt.
- Ізоляція двигуна. Круті фронти імпульсів ШІМ навантажують міжвиткову ізоляцію. Двигуни, розраховані на живлення від перетворювача, мають посилену ізоляцію.
- Підшипникові струми. У двигунах потужністю приблизно від 100 кВт наводяться струми, що руйнують доріжки підшипників. Захист — ізольований підшипник з боку, протилежного приводу, або струмознімальне кільце.
- Охолодження на низькій швидкості. Власний вентилятор двигуна на малій частоті не забезпечує обдування. Для тривалої роботи на низьких обертах із повним моментом потрібне незалежне охолодження.
- Електромагнітна сумісність. Екран кабелю двигуна заземлюють з обох боків по колу, а силові й сигнальні траси розносять: наведення на аналогові кола 4–20 мА — типова причина «плаваючих» показань після впровадження приводів.
Привод у вибухонебезпечній зоні
Вимоги, яких немає у звичайній установці
- Сертифікація пари «двигун — перетворювач». Вибухозахищений двигун має бути прямо сертифікований для живлення від перетворювача частоти. Для двигунів із видом захисту «e» це критично: додатковий нагрів від гармонік може вивести температуру поверхні за межі температурного класу.
- Температурний контроль. Для двигунів «e» і для пилових зон, як правило, вимагається прямий контроль температури обмотки вбудованими датчиками з відключенням через перетворювач.
- Розміщення шафи. Перетворювач установлюють поза вибухонебезпечною зоною. Якщо це неможливо, застосовують вибухозахищене виконання привода — так виконані пристрої керування для шахт.
- Кола контролю. Сигнали датчиків із зони заводять через іскробезпечні бар’єри, а кабельні вводи підбирають під вид захисту оболонки.
Порядок підбору вводів описано в статті «Підбір вибухозахищеного кабельного вводу», розрахунок кіл датчиків — у статті «Іскробезпечні кола в системах автоматизації».
Досвід промислової експлуатації
Що показали перші впровадження
Один із перших електроприводів, упроваджених нашими фахівцями на АТ «Стирол», працює з 1987 року без жодної відмови. Економія електроенергії на цьому приводі становить 350 000 кВт·год на рік.
За роки промислового використання частотно-регульованих приводів на заводах України підтвердилися такі показники: економія 25–30 % річного споживання на промислових механізмах і до 35–40 % на об’єктах комунального господарства, де додатково знижуються витрати на ремонт трубопроводів завдяки оптимізації тиску й витрати рідин, що перекачуються.
Галузеве застосування
Де ефект підтверджено практикою
| Галузь | Механізми | Що дає привод |
|---|---|---|
| Водопостачання та водовідведення | Насоси першого й другого підйому, повітродувки аеротенків | Підтримання тиску в диктуючій точці, нічне зниження тиску, менше поривів мережі |
| Теплопостачання | Мережеві, підживлювальні й циркуляційні насоси, димососи та дуттьові вентилятори котлів | Погодне регулювання, підтримання розрідження в топці |
| Хімічна промисловість | Насоси, компресори, мішалки, вентилятори витяжних систем | Точне дотримання технологічних параметрів, економія пари й сировини |
| Гірнича галузь | Вентилятори місцевого провітрювання, водовідлив, конвеєри, шахтний підйом | Провітрювання за фактичним газовиділенням, плавний пуск завантажених конвеєрів |
| Елеватори та переробка зерна | Норії, транспортери, аспіраційні вентилятори, сушарки | Узгодження продуктивності ліній, зменшення пускових струмів |
| Металургія | Насоси оборотного циклу, димососи, апаратура переміщення електродів | Стабілізація режимів, зниження ударних навантажень на мережу |
Обладнання АТ «ДІГ» для частотно-регульованого привода
Шафи, вибухозахищені пристрої та перетворювачі
| Обладнання | Застосування |
|---|---|
| Шафа керування частотним електроприводом ЧЕП | Комплектна шафа для насосів, вентиляторів і димососів: перетворювач, комутація, захист, автоматика підтримання тиску або температури. |
| Перетворювачі частоти TWERD ENERGO-PLUS | Низьковольтні та середньовольтні перетворювачі, зокрема з рекуперацією, для приводів великої потужності. |
| Пристрій управління електроприводом для ВМП | Регулювання швидкості вентиляторів місцевого провітрювання в шахтах, небезпечних за метаном і вугільним пилом. |
| Пристрої керування електроприводом ЕМДВ | Керування приводами гірничих машин у підземних виробках. |
| Пристрій плавного пуску УППВ | Альтернатива перетворювачу там, де регулювати швидкість під час роботи не потрібно, а критичний саме пуск. |
| Апаратура автоматизації водовідливу ААВ | Автоматичне керування насосними станціями водовідливу без постійної присутності оператора. |
| Апаратура керування конвеєром АУРТ-К | Автоматизація конвеєрних ліній і узгодження швидкості суміжних конвеєрів. |
| Установки конденсаторні УКРМ | Компенсація реактивної потужності — окремий напрям енергозбереження, що доповнює регульований привод. |
Не знайшли потрібного виконання? АТ «ДІГ» проєктує й виготовляє шафи керування за технічним завданням: із вбудованим контролером, диспетчеризацією, каскадним керуванням групою насосів і резервуванням.
Нормативна база
Чим керуватися при проєктуванні
- ДСТУ EN 61800-5-1 — системи електроприводу з регульованою швидкістю, вимоги безпеки
- ДСТУ EN 61800-3 — електромагнітна сумісність систем регульованого привода
- ДСТУ EN 61000-3-12 — обмеження гармонік струму
- ДСТУ EN 60079-14 — монтаж у вибухонебезпечних зонах, зокрема живлення двигунів від перетворювача
- ДБН В.2.5-74 — водопостачання, зовнішні мережі та споруди
Часті запитання
Відповіді на найпоширеніші запитання
Яка реальна економія від частотного привода?
Для відцентрових насосів і вентиляторів із малим статичним напором — 25–30 % річного споживання на промислових об’єктах і до 35–40 % у комунальному господарстві. Для мереж із великим статичним напором економія менша, а для механізмів із постійним моментом (конвеєри, дробарки) ефект дає не економія енергії, а плавний пуск і захист механіки.
Від чого залежить термін окупності?
Від річного напрацювання механізму, тарифу, частки статичного напору й нерівномірності навантаження. На практиці окупність становить від 0,5 до 2 років; найшвидше окупаються приводи, що працюють цілодобово з добовими коливаннями навантаження.
Чи можна підключити до перетворювача наявний двигун?
Часто так, але перевірте три речі: клас ізоляції обмотки, наявність вбудованих температурних датчиків і тип підшипників. Для двигунів приблизно від 100 кВт додатково оцінюють ризик підшипникових струмів. Для вибухозахищеного двигуна потрібне пряме підтвердження придатності до живлення від перетворювача в його документації.
Чому після встановлення приводів «попливли» показання датчиків 4–20 мА?
Найчастіше через наведення від кабелю двигуна. Перевірте, чи заземлено екран кабелю з обох боків по колу, і рознесіть силові та сигнальні траси. Якщо кабель до двигуна довгий, може знадобитися синусний фільтр.
Чи можна ставити шафу перетворювача у вибухонебезпечній зоні?
Загальнопромислову шафу — ні, її розміщують поза зоною. Для роботи безпосередньо в зоні призначені вибухозахищені пристрої керування приводом, наприклад для вентиляторів місцевого провітрювання в шахтах.
Чи замінює перетворювач частоти конденсаторну установку?
Ні. Перетворювач покращує коефіцієнт потужності власного привода, але не компенсує реактивну потужність решти навантаження — трансформаторів, нерегульованих двигунів, зварювальних апаратів. Це два різні напрями, які часто застосовують разом.
Оцінити економію на вашому об’єкті
Надішліть тип механізму, потужність, напрацювання та графік навантаження — зробимо розрахунок
Сергій Черніков