Особенности применения преобразователей частоты в системах ОВиК (HVAC)

Автор: Дмитрий Слесарев Время прочтения: 12 мин.

Системы HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning), или ОВиК (отопления, вентиляции и кондиционирования), относятся к наиболее энергоемким инженерным комплексам зданий. Значительную часть потребления электроэнергии в них составляют электродвигатели вентиляторов, насосных групп, компрессоров и другого оборудования.

Традиционные способы регулирования производительности – например, использование воздушных заслонок или регулирующих клапанов – не позволяют эффективно снижать расход электроэнергии. Электродвигатель продолжает работать практически с постоянной скоростью, а изменение параметров достигается за счет создания дополнительных механических сопротивлений.

Преобразователи частоты (ПЧ) регулируют скорость вращения двигателя напрямую. Обороты изменяются в зависимости от текущих параметров: расхода воздуха, давления, температуры или нагрузки здания.

Принципы работы и классификация преобразователей частоты в системах ОВиК

Основные элементы устройства:

• выпрямитель – преобразует входное переменное напряжение сети в постоянное;
• звено постоянного тока – сглаживает напряжение и стабилизирует работу силовой части;
• инвертор – формирует выходное напряжение необходимой частоты для управления скоростью электродвигателя.

Современные преобразователи используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и силовые транзисторные модули, обеспечивающие управление электроприводом.

Типы нагрузок HVAC-оборудования

Большинство механизмов отопления, вентиляции и кондиционирования относятся к оборудованию с переменным моментом нагрузки. К ним относятся:

• приточные и вытяжные вентиляторы;
• насосы систем отопления и охлаждения;
• циркуляционные насосные группы;
• вентиляторы градирен.

Особенность таких механизмов заключается в том, что даже небольшое уменьшение скорости вращения двигателя приводит к значительному снижению энергопотребления. Поэтому использование частотного регулирования особенно эффективно именно в вентиляционных и насосных системах.

По способу управления электродвигателем преобразователи частоты можно разделить на несколько типов:

• вольт-частотное управление (V/f) – востребовано для вентиляторов и насосов, обеспечивающий простую и энергоэффективную регулировку скорости;
• управление вектором тока – применяется там, где требуется более высокая точность поддержания скорости и момента;
• управление моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения – используется в сложных приводных системах с повышенными требованиями к динамике работы.

В системах ОВиК чаще используют преобразователи с режимами энергосбережения, встроенными алгоритмами управления насосами и вентиляторами и поддержкой подключения к автоматизации здания.

Преимущества и экономический эффект применения частотных преобразователей в системах ОВиК

В традиционных установках электродвигатели часто работают с постоянной скоростью, а расход воздуха или жидкости регулируется заслонками, клапанами и другой арматурой. ПЧ изменяет обороты двигателя напрямую в зависимости от требуемой производительности.

Для центробежных вентиляторов и насосов потребляемая мощность меняется пропорционально кубу скорости вращения. Поэтому даже небольшое снижение оборотов дает заметную экономию электроэнергии.

Например:

• снижение скорости вращения на 20% может сократить потребление энергии примерно на 50%;
• работа на пониженных оборотах уменьшает нагрузку на электрическую сеть и механические элементы оборудования.

Кроме экономии электроэнергии, преобразователи частоты обеспечивают:

• плавный запуск и останов электродвигателя;
• снижение пусковых токов;
• уменьшение нагрузки на подшипники, муфты и другие механические элементы;
• предотвращение гидроударов в трубопроводах;
• увеличение срока службы оборудования.

Плавный пуск особенно важен для мощных вентиляционных и насосных установок. Преобразователь постепенно увеличивает частоту вращения и исключает резкий запуск с высоким пусковым током.

В результате ПЧ сокращают расходы на электроэнергию и обслуживание, а также снижают нагрузку на инженерное оборудование здания.

Технические проблемы и методы их решения при использовании ПЧ в ОВиК

Гармонические искажения в электрической сети

Работа преобразователя частоты основана на преобразовании электрической энергии с помощью силовых электронных компонентов. При этом могут возникать гармонические искажения тока в питающей сети, которые способны влиять на работу другого электрооборудования и качество электропитания.

Для снижения уровня гармонических искажений применяются:

• сетевые дроссели – базовое решение для уменьшения влияния преобразователя на питающую сеть;
• пассивные фильтры гармоник;
• активные фильтры, автоматически компенсирующие возникающие искажения;
• ПЧ со встроенными средствами подавления помех.

Выбор способа защиты зависит от мощности оборудования, количества установленных преобразователей и требований к качеству электроэнергии на объекте.

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Из-за высокочастотного переключения силовых элементов преобразователь частоты может создавать электромагнитные помехи, которые способны влиять на работу датчиков, контроллеров и средств автоматизации здания.

Для обеспечения электромагнитной совместимости рекомендуется:

• использовать экранированные моторные кабели;
• выполнять правильное заземление оборудования;
• разделять прокладку силовых и сигнальных линий;
• применять моторные дроссели, входные и выходные ЭМС-фильтры при необходимости.

Особенности подключения электродвигателей

При работе двигателя от преобразователя частоты необходимо учитывать длину кабельной линии, характеристики двигателя и условия эксплуатации.

При длинных моторных кабелях (обычно более 50–100 м) возрастает влияние высокочастотных импульсов напряжения. В таких случаях применяются dU/dt-фильтры или синус-фильтры, которые уменьшают нагрузку на изоляцию двигателя.

Также важно правильно настроить параметры преобразователя:

• номинальный ток и мощность двигателя;
• режимы разгона и торможения;
• ограничения минимальной и максимальной частоты;
• параметры защиты двигателя.

Соблюдение требований по монтажу и настройке позволяет обеспечить корректную работу оборудования и получить максимальный эффект от применения частотного регулирования.

Требования к автоматизации и интеграции преобразователей частоты с системами ОВиК

Через диспетчеризацию можно контролировать основные параметры работы оборудования:

• текущую частоту вращения двигателя;
• рабочий ток и нагрузку;
• энергопотребление;
• состояние оборудования;
• аварийные сообщения и предупреждения.

Для подключения преобразователей частоты к контроллерам и средствам автоматизации используются промышленные коммуникационные протоколы: Modbus RTU / Modbus TCP, BACnet MS/TP и BACnet/IP, Profibus, Ethernet/IP и другие промышленные сети.

Выбор протокола зависит от архитектуры управления, используемых контроллеров и требований объекта. Подробнее особенности популярных интерфейсов промышленной автоматизации рассмотрены в статье о сравнении коммуникационных протоколов Modbus, Profinet и других решений.

Интеграция ПЧ с автоматикой позволяет автоматически изменять работу оборудования в зависимости от показаний датчиков температуры, давления, расхода воздуха или уровня CO₂.

Например, в вентиляционной системе датчик давления передает сигнал на преобразователь частоты, а встроенный ПИД-регулятор автоматически меняет скорость вращения вентилятора для поддержания заданного значения. При снижении потребности в воздухообмене обороты двигателя уменьшаются, что снижает расход электроэнергии.

В насосных группах аналогичный принцип применяется для поддержания постоянного давления или расхода теплоносителя.

При выборе ПЧ для современных систем ОВиК важно учитывать наличие:

• необходимых интерфейсов связи;
• аналоговых и дискретных входов/выходов;
• встроенного ПИД-регулятора;
• функций диагностики и удаленного мониторинга.

Благодаря интеграции с автоматикой здания ПЧ становится частью общей инфраструктуры управления и помогает точнее регулировать работу инженерного оборудования.

Пример установки преобразователя частоты в шкафу управления инженерным оборудованием

Как подобрать преобразователь частоты для оборудования ОВиК

Тип нагрузки и характеристики оборудования

Для вентиляторов и насосов в составе ОВиК обычно применяются преобразователи частоты, рассчитанные на работу с переменным моментом нагрузки. Такие ПЧ регулируют скорость вращения двигателя в соответствии с фактической нагрузкой и снижают энергопотребление при уменьшении производительности.

При подборе ПЧ необходимо учитывать:

• номинальную мощность и ток электродвигателя;
• тип подключаемого оборудования (вентилятор, насос, компрессор);
• диапазон регулирования скорости;
• условия эксплуатации и требования к установке;
• необходимость подключения к системе автоматизации.

Для насосного оборудования ПЧ позволяет автоматически поддерживать необходимые параметры – например, давление или расход теплоносителя – изменяя производительность двигателя без использования механического регулирования. Подробнее об особенностях такого решения можно узнать в статье о частотном регулировании насосов.

При использовании ПЧ в вентиляционном оборудовании скорость работы вентиляторов регулируется в зависимости от текущей потребности здания: нагрузки на систему, требуемого воздухообмена или показаний датчиков. Такой подход помогает снизить энергопотребление и уменьшить механический износ оборудования. Один из примеров внедрения такого решения – применение преобразователей частоты в системе вентиляции.

Возможности управления и дополнительные функции

Для современных систем ОВиК полезными являются следующие возможности частотного преобразователя:

• встроенный ПИД-регулятор для поддержания давления, температуры или расхода;
• поддержка промышленных протоколов связи для интеграции с автоматикой здания;
• функции энергосбережения;
• защита электродвигателя;
• автоматический перезапуск после восстановления питания;
• диагностика состояния оборудования.

Практические рекомендации по выбору

Для стабильной эксплуатации рекомендуем:

• выбирать ПЧ с учетом характеристик электродвигателя и условий эксплуатации;
• проверять совместимость ПЧ с типом нагрузки;
• рассчитывать длину кабельной линии и необходимость дополнительных фильтров;
• предусматривать подключение к автоматике и диспетчеризации здания.

Для управления вентиляционными установками подходят специализированные преобразователи частоты для вентиляторов, рассчитанные на работу с такими нагрузками.

Соблюдение этих рекомендаций позволяет подобрать ПЧ под конкретные объект ОВиК и условия эксплуатации оборудования.

Итог

Преобразователи частоты адаптируют работу HVAC-систем под реальные условия эксплуатации: регулируют производительность оборудования, снижают энергопотребление и нагрузку на электропривод.

При выборе ПЧ важно учитывать характеристики электродвигателя, тип нагрузки, условия установки и требования к автоматизации. Специалисты «РусАвтоматизации» помогут подобрать преобразователь под задачи вашего объекта.

Скачать статью в формате PDF