Вопрос о давлении в 5000 PSI возникает практически в каждом энергетическом аудите предприятий литья под давлением, который я провожу для европейских клиентов. Директор завода хочет снизить счета за электроэнергию. Руководитель отдела технического обслуживания хочет сохранить существующую насосную инфраструктуру. Финансовый директор хочет получить расчет окупаемости. Каждый заинтересованный участник формулирует этот вопрос по-своему, и ответ зависит от данных, которые не всегда очевидны из одних только технических характеристик системы.

В этой статье обобщены знания, полученные мной в ходе проектов по модернизации систем частотно-регулируемого привода (ЧРП) в литьевых цехах, гидравлике станков и мобильной технике. Предложенная методика применима независимо от того, проводите ли вы оценку...Лопастной насос высокого давления Т7-Еобновление или указание новогосервогидравлическая системаПорог в 5000 PSI не является произвольным; он отражает кривую эффективности, где экономическая целесообразность использования частотно-регулируемых приводов переходит от привлекательной к предельной.

Как на самом деле работает энергосбережение с помощью частотно-регулируемых приводов (VSD)

Технология частотно-регулируемого привода снижает энергопотребление насоса за счет согласования скорости вращения двигателя с требуемым расходом. В насосной системе с фиксированной скоростью насос обеспечивает полный поток, когда работает двигатель, а избыток потока сбрасывается через предохранительный клапан. Этот сброшенный поток представляет собой чистые отходы: двигатель потребляет полную мощность для сжатия масла, которое немедленно превращается в тепло.

Для покупателей, проводящих оценкуНасосы серии VНаряду с платформами T6/T7, методология расчета экономии энергии применяется одинаково для обоих семейств.

Система частотно-регулируемого привода (VSD) устраняет потери на спуске, замедляя работу двигателя при снижении потребности в потоке. Насос подает только то, что необходимо системе, а предохранительный клапан остается в основном закрытым. Зависимость между скоростью двигателя и энергопотреблением приблизительно кубическая, что означает, что снижение скорости на 20 процентов уменьшает энергопотребление примерно на 50 процентов.

Для покупателей, оценивающих возможность модернизации с помощью частотно-регулируемых приводов, критически важным параметром является профиль рабочего цикла фактической установки, а не теоретический максимальный уровень экономии. Насос, работающий при 80% номинального давления в течение 16 часов в сутки и простаивающий 8 часов, будет иметь иную экономическую эффективность, чем насос, работающий при 95% номинального давления непрерывно. Первый сценарий обеспечивает значительную окупаемость. Второй — нет.

Пороговое значение в 5000 PSI и почему это важно

Значение 5000 PSI (350 бар) постоянно фигурирует в исследованиях целесообразности модернизации насосов с частотно-регулируемым приводом, поскольку оно находится в точке перегиба кривой эффективности насоса. Ниже этого давления лопастные насосы с фиксированной скоростью обеспечивают приемлемую эффективность даже при дросселировании через предохранительный клапан. Выше этого давления объемные и механические потери суммируются, и потери энергии становятся гораздо большей долей потребляемой мощности.

На практике большинство ячеек литья под давлением работают при давлении ниже 5000 PSI на протяжении большей части цикла. Фаза высокого давления приходится на этапы зажима пресс-формы и впрыска, которые в совокупности могут составлять от 20 до 35 процентов времени цикла. Оставшиеся 65-80 процентов приходятся на фазу охлаждения, пластификации и извлечения, которая работает при давлении от 800 до 1800 PSI. Использование частотно-регулируемого привода (ЧРП) в этом режиме работы обеспечивает существенную экономию, поскольку насос большую часть времени работает при низком давлении.

Экономическая ситуация меняется для применений с высоким давлением, таких как литье под давлением, штамповка и некоторые операции гидравлических прессов. Эти системы могут работать при давлении от 4000 до 5000 PSI непрерывно, оставляя мало возможностей для оптимизации с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП). Насос работает вблизи точки максимальной эффективности независимо от наличия ЧРП, поэтому электроника привода увеличивает стоимость без пропорциональной выгоды.

Технические характеристики лопастного насоса, совместимого с частотно-регулируемым приводом (VSD).

Не каждый лопастной насос подходит для работы с частотно-регулируемым приводом. Минимальное ограничение скорости вращения имеет первостепенное значение. Лопастным насосам требуется достаточная скорость вращения для того, чтобы лопатки упирались в кулачковое кольцо под действием центробежной силы. Ниже этого минимума лопатки не упираются полностью, увеличивается внутренняя утечка, и износ резко ускоряется.

Полные технические характеристики T7-E доступны в [ссылка на документацию].центр технических загрузоквключая кривые номинальной эффективности в диапазоне рабочих скоростей.

Рекомендуемая нами серия T7-E для применения с частотно-регулируемым приводом рассчитана на непрерывную работу в диапазоне от 200 до 1800 об/мин. Этот диапазон позволяет значительно снижать скорость в периоды низкого расхода, сохраняя при этом целостность удлинения лопаток. Работа ниже 200 об/мин технически возможна в течение коротких периодов времени, но ускоряет износ и не рекомендуется для непрерывной работы.

Технические характеристики двигателя так же важны, как и характеристики насоса. Стандартные асинхронные двигатели не рассчитаны на скачки напряжения и гармонические колебания, создаваемые типичными преобразователями частоты. Для надежной работы с преобразователями частоты требуются двигатели, предназначенные для работы от инвертора, с усиленной изоляцией, более низким температурным диапазоном и часто отдельным вентилятором охлаждения. Использование стандартного двигателя с питанием от преобразователя частоты является распространенной причиной преждевременного выхода двигателя из строя.

Когда частотно-регулируемый привод не экономит энергию

Один лишь профиль давления не определяет экономическую целесообразность использования частотно-регулируемого привода. Три дополнительных фактора могут превратить теоретически привлекательный проект по установке частотно-регулируемого привода в энергозатратную модернизацию.

Во-первых, электрические потери в двигателе и приводе частично компенсируют экономию, достигаемую за счет насоса. Частотно-регулируемые приводы обычно работают с КПД от 95 до 98 процентов, а двигатели, работающие в режиме инвертора, увеличивают потери на 2–5 процентов по сравнению со стандартными двигателями. Когда эти электрические потери добавляются к увеличению КПД насоса, общее улучшение системы уменьшается. Для очень маленьких насосов электрические издержки могут полностью превысить экономию, достигаемую за счет насоса.

Во-вторых, в системах с быстрыми скачками давления оптимизация с помощью частотно-регулируемого привода становится невозможной. Если давление в системе колеблется от 500 до 4500 PSI каждые несколько секунд, привод не может реагировать достаточно быстро, чтобы оптимизировать скорость для каждой фазы. В итоге насос работает почти на максимальной скорости, чтобы справиться с пиковыми значениями скачков давления, что сводит на нет большую часть потенциала экономии энергии.

Во-третьих, использование частотно-регулируемых приводов в системах с недостаточным тепловым регулированием может привести к худшим результатам, чем работа на фиксированной скорости. Двигатели с регулируемой скоростью выделяют больше тепла на низких скоростях из-за уменьшенного потока охлаждающего воздуха. Если двигатель не рассчитан на данный рабочий цикл или если в установке отсутствует дополнительное охлаждение, температура обмоток двигателя повышается, и срок службы двигателя резко сокращается.

Частотно-регулируемые приводы против приводов с датчиком нагрузки: выбор правильной технологии

Гидравлическая система с датчиком нагрузки обеспечивает сопоставимую экономию энергии с частотно-регулируемым приводом за счет другого механизма. Вместо изменения скорости насоса, датчик нагрузки изменяет рабочий объем насоса в соответствии с требуемым давлением. Выходная мощность насоса непрерывно регулируется на основе обратной связи по давлению в системе, а угол наклона шайбы насоса контролирует поток.

Насосы с датчиком нагрузки реагируют на переходные процессы давления быстрее, чем частотно-регулируемые приводы, что делает их подходящими для применений с быстрыми изменениями спроса. Компромисс заключается в сложности: насосы с датчиком нагрузки требуют компенсаторов давления, регулирующих клапанов и линий обратной связи, что увеличивает стоимость и требует более сложного обслуживания. В частотно-регулируемых приводах используются стандартные насосы с фиксированным рабочим объемом, что упрощает гидравлическую схему за счет более сложной электрической инфраструктуры.

При проектировании новых систем выбор часто сводится к существующей инфраструктуре и опыту операторов. Предприятия с развитыми возможностями по техническому обслуживанию электрооборудования и предпочтением стандартных гидравлических компонентов выбирают частотно-регулируемые приводы (ЧРП). Предприятия с развитыми гидравлическими технологиями и существующей инфраструктурой для измерения нагрузки предпочитают использовать датчики нагрузки в новых установках. Модернизация системы, разработанной для другой технологии, редко имеет экономический смысл.

Контрольный список по внедрению частотно-регулируемого привода в системах лопастных насосов

Для покупателей, готовых оценить возможность установки частотно-регулируемого привода на существующую систему лопастных насосов, следующий контрольный список из шести шагов поможет избежать наиболее распространенных ошибок при внедрении, с которыми я сталкивался в процессе полевого обслуживания.

Отраслевые справочные материалы, такие какЕвропейская федерация погрузочно-разгрузочных работПредоставить дополнительные рекомендации по интеграции частотно-регулируемых приводов с гидравлическими силовыми установками в промышленных условиях.

Во-первых, необходимо зафиксировать фактический профиль рабочего цикла в течение как минимум двух недель репрезентативного производственного цикла. Зарегистрируйте давление на выходе насоса, требуемый расход и ток двигателя с интервалом в одну секунду. Полученные данные послужат основой для расчета экономии энергии и подтвердят, соответствует ли рабочий цикл экономической эффективности частотно-регулируемого привода.

Во-вторых, убедитесь, что насос рассчитан на работу с переменной скоростью в пределах запланированного диапазона скоростей. Насосы T7-E и большинство современных лопастных насосов имеют соответствующую маркировку, но более старые насосы могут не иметь. Эксплуатация насоса без соответствующей маркировки при переменной скорости приводит к ускоренному износу и преждевременному выходу из строя.

В-третьих, выберите двигатель для работы с инвертором, с изоляцией класса F или выше и коэффициентом запаса прочности 1,15 или выше. Стандартные двигатели выйдут из строя в течение 12–24 месяцев при работе с частотно-регулируемым приводом. Стоимость модернизации двигателя следует включить в расчет окупаемости частотно-регулируемого привода.

В-четвертых, настройте привод с учетом профилей скорости, специфичных для насоса. Минимальная скорость должна быть установлена ​​не ниже 300 об/мин для сохранения целостности выдвижения лопаток. Интервалы разгона и замедления следует устанавливать на уровне 5-10 секунд, чтобы предотвратить гидравлический удар. Частоты пропуска, вызывающие механические резонансы, следует исключить из программы.

В-пятых, установите датчики давления с соответствующим временем отклика. Стандартные промышленные датчики давления со временем отклика 100 миллисекунд достаточны для большинства применений с частотно-регулируемым приводом. Для высокодинамичных систем необходимы датчики с более быстрым откликом (10 миллисекунд), но это увеличит стоимость.

В-шестых, необходимо спланировать снижение гармонических искажений в электрической части. Частотно-регулируемые приводы создают гармонические искажения, которые могут влиять на другое оборудование, подключенное к той же электросети. Для соответствия стандартам IEEE 519 часто требуются линейные реакторы или гармонические фильтры, и их стоимость следует включить в бюджет проекта по установке частотно-регулируемого привода.

Пример расчета экономии энергии

Типичная ячейка литья под давлением, работающая в две смены, служит полезным ориентиром для расчета экономии энергии при использовании частотно-регулируемых приводов. Насос с фиксированной скоростью работает с номинальной мощностью 15 кВт, а двигатель работает непрерывно. Среднее энергопотребление за цикл, с учетом потерь на предохранительном клапане во время фаз низкого давления, составляет приблизительно 9,5 кВт.

Добавление частотно-регулируемого привода с соответствующим профилированием скорости снижает среднее энергопотребление примерно до 5,8 кВт. Экономия энергии составляет 3,7 кВт в непрерывном режиме, или около 31 000 кВт·ч в год при 8400 часах работы. При промышленном тарифе на электроэнергию в 0,10 долларов США за кВт·ч годовая экономия составляет приблизительно 3100 долларов США.

Стоимость системы частотно-регулируемого привода (ЧРП), включая привод, двигатель для работы с инвертором, монтажные работы и фильтры гармоник, обычно составляет от 6000 до 9000 долларов США для модернизации мощностью 15 кВт. Таким образом, простой срок окупаемости составляет от 24 до 36 месяцев, в зависимости от особенностей установки и местных тарифов на электроэнергию. Работа в три смены сокращает срок окупаемости вдвое, а работа в одну смену увеличивает его на 50–100 процентов.

Системы с частотно-регулируемым приводом на лопастных насосах по сравнению с сервогидравлическими системами

Сервогидравлические системы, объединяющие насос, двигатель, привод и управляющую электронику в одном корпусе, представляют собой высококачественную альтернативу частотно-регулируемым приводам (ЧРП) на стандартных лопастных насосах. Сервосистемы обеспечивают более быструю реакцию, более высокую точность и экономию энергии, сопоставимую или превосходящую ЧРП, но при этом значительно увеличивают капитальные затраты.

Для применений, требующих точного контроля давления и потока, таких как передовые технологии литья под давлением с замкнутым контуром управления процессом, сервогидравлические системы являются подходящим выбором. Экономия энергии часто превышает экономию при использовании частотно-регулируемых приводов на 5–15 процентных пунктов, поскольку сервосистемы одновременно оптимизируют скорость и перемещение.

В тех случаях, когда существующая инфраструктура лопастных насосов работает достаточно эффективно и целью является снижение затрат на электроэнергию, модернизация с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП) обычно является более экономически выгодным решением. Капитальные затраты на 40–60 процентов ниже, чем на полную сервогидравлическую систему, а экономия энергии в значительной степени компенсирует повышение эффективности.

Пять условий эксплуатации, при которых частотно-регулируемый привод выходит из строя.

В ходе анализа проведенных мною модернизаций с использованием частотно-регулируемых приводов (ЧРП) неисправности группируются в пять повторяющихся категорий. Понимание этих закономерностей на начальном этапе позволяет избежать инвестиций в систему, которая не обеспечит прогнозируемой экономии. Каждая из этих категорий обнаруживается при сборе данных о рабочем цикле в течение одной-двух недель, что значительно дешевле, чем выявление проблемы после установки оборудования с ЧРП.

Стандарты энергоэффективности частотно-регулируемых приводов задокументированы в [указать документ].Стандарт управления энергопотреблением ISO 50001которая обеспечивает основу для количественной оценки и проверки заявлений о сбережениях.

Первый вариант: постоянная работа под высоким давлением. Литейные цеха и гидравлические прессы большой грузоподъемности часто работают при давлении выше 4000 PSI в течение 80% и более рабочего цикла. Насос работает непрерывно вблизи точки максимальной эффективности, оставляя мало возможностей для оптимизации с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП). Добавление ЧРП в такие системы обычно обеспечивает экономию энергии в размере нескольких процентов, что не оправдывает капиталовложений.

Второй сценарий: резкие скачки давления. При штамповке и в некоторых испытательных стендах давление резко меняется от холостого хода до максимального менее чем за одну секунду. Привод с регулируемой скоростью не успевает достаточно быстро реагировать, чтобы оптимизировать скорость для каждого скачка, поэтому двигатель в итоге работает на почти максимальной скорости на протяжении всего процесса. Экономия энергии сводится на нет, а электроника привода добавляет электрические потери.

Третий вариант: длительные периоды простоя. В тех случаях, когда насос работает в режиме простоя в течение нескольких часов без существенной потребности в потоке, среднее энергопотребление и так низкое. Добавление частотно-регулируемого привода снижает энергопотребление в режиме простоя за счет замедления двигателя, но абсолютная экономия невелика, поскольку базовое энергопотребление и так низкое. Сроки окупаемости превышают срок службы оборудования.

Четвертый вариант: сильно загрязненные среды. Литейные заводы, горнодобывающие предприятия и некоторые химические заводы подвергают гидравлические системы воздействию уровней загрязнения, превышающих допустимый уровень фильтрации лопастного насоса. Работа частотно-регулируемого привода на пониженных скоростях увеличивает внутренние утечки и ускоряет износ в загрязненных условиях. Сокращение срока службы картриджа часто перевешивает экономию энергии.

Пятый вариант: устаревшие насосные платформы. Конструкции лопастных насосов, выпущенных до 2000 года, не были рассчитаны на работу с регулируемой скоростью. Минимальные номинальные скорости, зазоры между лопатками и конфигурация подшипников предполагали работу с фиксированной скоростью. Добавление частотно-регулируемого привода к этим устаревшим насосам ускоряет износ и сокращает срок службы, даже если профиль рабочего цикла в противном случае обеспечивал бы экономическую целесообразность использования частотно-регулируемого привода.

Помимо энергообеспечения: дополнительные преимущества частотно-регулируемых приводов.

Главное преимущество частотно-регулируемых приводов (ЧРП) — это экономия энергии, но для операторов предприятий второстепенные преимущества зачастую важнее, чем счета за электроэнергию. В ходе интервью с клиентами Vicks Hydraulic после установки оборудования неизменно выявляются три второстепенных преимущества.

Покупатели, оценивающие качество компонентов частотно-регулируемого привода, могут обратиться к следующему источнику:Стандарты ISO для гидравлических системдля протоколов тестирования производительности и методов измерения номинальной эффективности.

Первое преимущество, которое я хочу подчеркнуть, — это снижение уровня шума. Насосы с фиксированной скоростью, работающие под давлением сброса, производят значительный шум, который распространяется по гидравлической системе и конструкции здания. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) замедляет работу двигателя в периоды низкой нагрузки, снижая уровень шума на 5–15 дБ в типичных точках измерения. В чувствительных к шуму производственных средах, таких как чистые помещения или упаковочные линии, это снижение часто оправдывает инвестиции в ЧРП независимо от экономии энергии.

Второй фактор — снижение тепловыделения. Энергия, сэкономленная за счет предотвращения дросселирования предохранительным клапаном, не исчезает; она остается в масле в виде тепла. Меньшее тепловыделение означает меньшие размеры охладителей, снижение потребления охлаждающей воды и замедление деградации масла. Экономия на техническом обслуживании, связанная с интервалами замены масла и обслуживанием охладителей, часто добавляет еще 10–15 процентов к общей выгоде от использования частотно-регулируемого привода, помимо прямой экономии электроэнергии.

Третье преимущество, на котором я сосредоточусь, — это улучшенное управление технологическим процессом. Система частотно-регулируемого привода (VSD) позволяет точно согласовывать поток с требованиями процесса, что повышает стабильность времени цикла при литье под давлением и снижает вариативность деталей. Для операций литья, ориентированных на жесткие допуски по размерам, улучшение качества за счет стабильных профилей потока часто приносит больше экономической выгоды, чем сама экономия энергии.

Общая стоимость владения: пятилетний прогноз

Полезная модель оценки частотно-регулируемых приводов (ЧРП) рассматривает общую стоимость владения за пять лет, а не только период окупаемости за счет энергозатрат. Пятилетний период учитывает затраты на техническое обслуживание, срок службы двигателя и привода, а также любые преимущества в качестве продукции, которые не выходят за рамки прямого расчета электроэнергии.

Для покупателей, сравнивающих варианты двигателей и приводов,Каталог лопастных насосов EatonВключает справочные материалы по техническим характеристикам двигателей, работающих с инверторами, и требованиям к снижению гармонических искажений.

Для модернизации литьевой ячейки мощностью 15 кВт пятилетний план обычно включает в себя: оборудование и установку частотно-регулируемого привода (ЧРП) за 8000 долларов США, модернизацию двигателя за 1500 долларов США, электротехническую инфраструктуру за 2000 долларов США, снижение гармоник за 1200 долларов США, общие капитальные затраты в размере 12 700 долларов США. Экономия энергии в размере 3100 долларов США в год в течение пяти лет составляет в общей сложности 15 500 долларов США. Экономия на техническом обслуживании, включая замену масла и обслуживание охладителя, добавляет еще 1800 долларов США за пять лет. Ценность повышения качества сложнее оценить количественно, но обычно она составляет от 2000 до 5000 долларов США в год для высокоточного литья.

В типичном случае чистая выгода за пять лет составляет от 7 000 до 30 000 долларов США в зависимости от оценки улучшения качества. Простой срок окупаемости капитальных затрат составляет от 24 до 36 месяцев, но общая экономическая выгода за пять лет в два-три раза превышает капитальные затраты. Именно поэтому модернизация с использованием частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на двух- и трехсменных линиях литья под давлением почти всегда оправдана, если этого позволяет рабочий цикл.

Заключение: Честный ответ по VSD

Я обнаружил, что на вопрос о 5000 PSI нет единого ответа, применимого ко всем установкам, которые я проверяю. По моему опыту, честный ответ заключается в сборе данных о рабочем цикле, расчете реальной экономии энергии и сопоставлении этой экономии с капитальными затратами на приводную систему с соответствующими модернизациями двигателя и инфраструктуры. Я всегда говорю клиентам, что расчет должен включать в себя затраты на замену двигателя, электротехническую инфраструктуру и снижение гармоник, чтобы честно оценить срок окупаемости. Я скорее откажусь от проекта, который не имеет экономического смысла, чем установлю оборудование, которое не обеспечит прогнозируемой экономии.

Для двух- и трехсменных операций литья под давлением, работающих значительно ниже номинального давления, частотно-регулируемый привод (ЧРП) обеспечивает очевидную экономическую выгоду. Для односменных операций или непрерывных процессов при высоком давлении инвестиции в ЧРП сложнее оправдать, и они могут никогда не окупиться. Оптимальный вариант зависит от местных тарифов на электроэнергию, эффективности существующего насоса и готовности оператора к капитальным проектам с многолетним сроком окупаемости.

Для покупателей, готовых провести анализ конкретной установки, наша инженерная группа может изучить данные о рабочем цикле и предоставить оценку целесообразности использования частотно-регулируемого привода (ЧРП). Отправьте полученные данные о давлении и расходе черезстраница контактовМы проведем расчет, сопоставив его с текущими ценами на компоненты частотно-регулируемых приводов и типичными тарифами на электроэнергию для промышленного сектора. Оценка обычно занимает несколько дней и предоставляет покупателям данные, необходимые для принятия обоснованного решения о капиталовложениях.

Технические характеристики и рекомендации по выбору насосов и сервосистем, упомянутых в данной статье, доступны в нашем магазине.центр загрузкиДля покупателей, сравнивающих модернизацию с использованием частотно-регулируемого привода с полной заменой сервогидравлической системы, в центре загрузки также представлены сравнительные данные и примеры применения.