Потенциалът за енергийни спестявания на честотните регулатори

• Внедряването на честотни регулатори изисква поетапен подход, за да се гарантира, че те са интегрирани правилно и ще осигурят максимално големи енергийни спестявания
  
  
• Съвременните честотни регулатори предлагат и редица функции за безопасност, като защита от пренапрежения и къси съединения, както и STO функционалност
  
  
• Интегрирането на честотни регулатори с решения за индустриален интернет на нещата (IIoT) дава възможност за прогнозна поддръжка и бърз анализ на експлоатационните параметри

Близо 46% от електроенергията в Европа се изразходва от електродвигатели, като 70% от този дял се консумират от помпи, вентилатори и компресори. Общата мощност на годишния брой продадени единици от тези три вида оборудване достига 101,3 GW. Останалите 30% от енергията на електрическите двигатели се използват за задвижване на конвейери и други системи за манипулиране с материали и преработка.

В много случаи помпите, вентилаторите и компресорите работят при частично натоварване. Редуцирането на масовия дебит често се постига чрез механични устройства, като дроселни вентили и др., които водят до високи енергийни загуби. Като алтернатива могат да се използват честотни регулатори, изменящи скоростта на двигателите и съответно – масовия дебит. Тъй като енергийните потребности при това оборудване нарастват приблизително на трета степен с увеличаване на масовия дебит, дори малки намаления в скоростта на въртене водят до високи спестявания на енергия.

Варианти за енергийни спестявания с честотни регулатори

Един от най-директните начини за спестяване на енергия с честотни регулатори е експлоатацията на двигателите при по-ниска скорост за по-продължителни периоди. Когато един двигател работи при по-ниска скорост, той консумира по-малко енергия. Благодарение на експлоатацията му при по-ниска скорост той все още може да изпълнява необходимите задачи, макар и с по-бавни темпове, като същевременно това може да е съпроводено със значителни енергийни спестявания в дългосрочен план.

Например, ако в едно помпено приложение двигателят работи при 80% скорост, той потребява само 50% от електроенергията, необходима за работата му при пълна скорост. Това означава, че макар изпомпването на същото количество флуид да отнема два пъти по-дълго, консумацията на енергия е значително по-ниска.

Защо обаче използването на двигатели при по-ниска скорост пести енергия? Отговорът на този въпрос изисква разбиране на взаимоотношението между скоростта и мощността на оборудването, наричано още закон на куба. Той представлява фундаментален принцип и обяснява как енергопотреблението на помпи и вентилатори е свързано с тяхната скорост. Казано просто, този закон гласи, че електроенергията, консумирана от една помпа или един вентилатор, е пропорционална на скоростта на оборудването на трета степен. Това означава, че дори малко понижение на скоростта може да доведе до значителен спад на енергопотреблението.

Например, ако една помпа работи при 100% скорост и консумира 100% електроенергия, то редуцирането на скоростта до 90% ще доведе до консумация на енергия от 72,9%. Това представлява спад на енергопотреблението с 27,1% при понижение на скоростта само с 10%.
Друг ефективен начин за спестяване на енергия с честотни регулатори е използването им за спиране и пускане на двигателя. Традиционните моторни пускатели загряват двигателя, така че честият пуск може да доведе до прегарянето му. Този проблем не съществува при използването на честотен регулатор, което дава възможност за спиране на двигателя, когато той не е в експлоатация. Спирането му, когато не се изисква той да работи, може да помогне на компаниите да постигнат съществени енергийни спестявания и да ограничат износването на двигателя, по този начин удължавайки полезния му живот.

За да се гарантират оптимални енергийни спестявания, е от критично значение честотните регулатори да се поддържат и оптимизират регулярно. Редовната поддръжка може да спомогне за предотвратяване на неочаквани откази, свеждайки до минимум престоите и гарантирайки, че устройствата работят с върхова ефективност.
Дейностите по поддръжка обхващат почистване и инспектиране на честотните регулатори, проверяване за разхлабени съединения и др. Също така, периодичното преразглеждане и оптимизиране на настройките на устройствата спрямо изискванията на системата може да доведе до допълнителни енергийни спестявания.

Товарови профили и енергийни спестявания

Концепцията за товарови профили е основна, когато се обсъжда енергийната ефективност на системи, задвижвани от електродвигатели. Товаровите профили представляват оперативните режими на тези системи, по-специално как се изменят изискванията за въртящ момент със скоростта. Има два основни вида товарови профили – с постоянен и променлив въртящ момент, като и двете разновидности могат в значителна степен да се повлияят от използването на честотни регулатори.

В приложенията с постоянен въртящ момент изискването за този показател остава непроменено, независимо от скоростта. Сред примерите са подемни машини, конвейери и компресори. В тези сценарии честотните регулатори предлагат ползи под формата на регулиране на скоростта на двигателя спрямо точните потребности на приложението, предотвратявайки загубата на енергия по време на периоди с по-ниски потребности.

Приложенията с променлив въртящ момент, типични за оборудване като помпи и вентилатори, изискват повишаване на въртящия момент с увеличаване на скоростта. Това се дължи на естеството на центробежните товари, при които, както бе споменато, необходимата електроенергия е пропорционална на скоростта на трета степен. Тук потенциалът за енергийни спестявания на честотните регулатори е още по-явен.

Вентилатори и оборудване за обработка на въздух

Енергийната ефективност на честотните регулатори е обща полза за редица приложения на електродвигатели, като вентилаторите не са изключение. Добре документирано е, че оборудването за обработка на въздух може да консумира огромни количества енергия. Следователно всеки прозорлив производствен или заводски мениджър би искал да обмисли внимателно управлението на енергията.

Енергийните спестявания, които могат да бъдат реализирани с внедряването на честотни регулатори в приложения с вентилатори, са такива, че често самото редуциране на енергопотреблението може да оправдае закупуването им. Допълнителни спестявания обаче могат да бъдат постигнати благодарение на намаленото механично износване и свързаната с него поддръжка. Постепенното ускорение на двигателя от състояние на бездействие допринася за удължаване на експлоатационния живот, тъй като, ако не се използва честотен регулатор, моторът ще стартира веднага с ток с голяма величина, което може да бъде много неблагоприятно за дълготрайността на актива. Освен това, тъй като двигателят може да бъде стартиран без пик в тока, се редуцира и използването на електроенергия в натоварени периоди на потребление.

Помпи

Повечето потребители на помпи залагат или на честотен регулатор, или на устройства за плавен пуск. Макар че софтстартерите могат да ограничат ефекти като хидравличен удар заради пик в налягането, честотните регулатори могат да постигнат същото, но и да предложат допълнително предимство – възможността за цялостно управление на скоростта на помпата в режим на експлоатация.

Един честотен регулатор може да предостави далеч по-ефективен контрол на дебита просто чрез изменение на скоростта на двигателя на помпата в съответствие с изискванията. Вместо да се изменя съпротивлението на системата с цел да се модулира дебитът, какъвто е случаят с дроселните вентили, при използването на честотен регулатор се променя скоростта на помпата.

Компресорни системи

Честотните регулатори в компресорни системи могат да стабилизират налягането в тръбопроводната мрежа, като потенциално могат изцяло да елиминират флуктуациите в налягането. Резултатът от това е, че всички компресори, работещи в системата, могат да функционират при най-ниското налягане, необходимо за посрещане на производствените потребности, и да се редуцират загубите на мощност вследствие на флуктуации в налягането. В допълнение се свежда до минимум рискът от течове благодарение на по-ниското налягане в системата.

Основната полза от използването на честотен регулатор в компресорни приложения е, че устройството автоматично регулира скоростта на двигателя спрямо потребностите от сгъстен въздух. Изчисленията варират, но що се отнася до енергийните спестявания, използването на компресор с честотен регулатор може да доведе до редуциране на енергопотреблението с 35 – 50% в сравнение с използването на агрегат, работещ с постоянна скорост или на празен ход.

Съвременните честотни регулатори предлагат и редица функции за безопасност, като защита от пренапрежения и къси съединения, както и STO (безопасно спиране на въртящия момент) функционалност. Внедрявайки честотни регулатори с такива функции, производителите могат да избегнат изискванията за определени електрически компоненти, като моторни прекъсвачи и контактори, което ще доведе до редуциране на разходите. Тази стратегия също увеличава надеждността на системата за крайния потребител и понижава риска от престой.

Стъпки към максимална ефективност

Внедряването на честотни регулатори изисква поетапен подход, за да се гарантира, че те са интегрирани правилно и ще осигурят максимално големи енергийни спестявания. Процесът включва оценяване на потребностите, избор на подходящ честотен регулатор и непрекъснати мониторинг и оптимизация за поддържане на върхова ефективност и икономии на енергия.

Първата съществена стъпка при имплементирането на честотни регулатори е оценяването на потребностите. Това включва анализиране на настоящото енергопотребление и идентифициране на възможности за спестявания и изчисляване на спестяванията в резултат от използването на честотен регулатор чрез сравняване на консумацията на енергия със стандартни електродвигатели в различни режими на натоварване. Следва също да се оцени необходимостта от честотни регулатори на база добро разбиране на товаровите профили на функциониращите системи и да се определи дали променливите скорости биха предложили съществени ползи.

Оценката трябва да включва и проверка на съвместимостта с наличните електродвигатели, за да се избегне нуждата от нежелана подмяна на оборудване. Несъвместимостите могат да бъдат преодолени чрез използване на редуктори, демпфери или дроселно управление, но тези решения повишават разходите и енергийните загуби и редуцират ефективността. За да се определят действителните енергийни спестявания от използването на честотни регулатори, е необходимо да се приложи базиран на данни подход.

Изборът на подходящ честотен регулатор обхваща съобразяването му с товаровите изисквания, за да се гарантира оптимална ефективност, и оразмеряването му спрямо действителните товари, а не спрямо номиналния капацитет на двигателя. За да се избегнат неефективности, честотните регулатори трябва да се интегрират с двигатели, които са съвместими с и подходящи за управление на скоростта.

Честотните регулатори следва да се изберат на база тяхната способност да се справят със специфичните изисквания на приложението по отношение на въртящия момент и скоростта. Възможността за адаптиране на честотните регулатори към различни товарови профили гарантира прецизно управление на процесите, повишава ефективността и редуцира енергийните загуби. За оптимална ефективност честотните регулатори трябва да бъдат конфигурирани за товари или с постоянен, или с променлив въртящ момент, в зависимост от приложението.

Непрекъснатият мониторинг е жизненоважен за тяхното функциониране при върхова ефективност и за поддържане на нивото на енергийни спестявания. Регулярните проверки и настройки могат да спомогнат за идентифициране на неефективности и за навременното им коригиране. Интегрирането на честотни регулатори с решения за индустриален интернет на нещата (IIoT) дава възможност за прогнозна поддръжка и бърз анализ на експлоатационните параметри, което гарантира, че системата запазва ефективността си във времето.

Системите за мониторинг могат да предоставят в реално време данни за енергопотреблението, експлоатационните параметри на двигателя и ефективността. Анализирайки тези данни, операторите могат да вземат информирани решения с оглед оптимизиране на ефективността и допълнително понижаване на енергийната консумация. Непрекъснатата оптимизация гарантира, че ползите от честотните регулатори по отношение на енергийните спестявания са напълно реализирани и допринасят за намаляване на разходите за енергия и за повишаване на ефективността на дейностите.