Винтовой компрессор с частотным преобразователем: преимущества и окупаемость

Многие промышленные предприятия при выборе компрессорного оборудования сталкиваются с вопросом: стоит ли переплачивать за винтовой компрессор с частотным преобразователем (VSD, Variable Speed Drive) или достаточно модели с постоянной производительностью?

Однозначного ответа не существует. Все зависит от характера потребления сжатого воздуха. На одних производствах компрессор с частотным регулированием, также известный как инверторный компрессор или VSD-компрессор, позволяет снизить затраты на электроэнергию на десятки процентов. На других предприятиях применение компрессора с регулируемой производительностью практически не дает экономического эффекта.

В этой статье разберем, в каких случаях винтовой компрессор с переменной скоростью вращения двигателя действительно оправдывает свою стоимость, как оценить срок его окупаемости и когда рациональнее выбрать компрессор с постоянной производительностью.

 

Что такое частотный преобразователь?

Частотный преобразователь — электронное устройство, которое изменяет частоту вращения электродвигателя винтового компрессора в зависимости от текущего потребления сжатого воздуха. Благодаря этому компрессор с частотным регулированием автоматически изменяет свою производительность, поддерживая необходимое давление при минимальном энергопотреблении.

В отличие от винтового компрессора с постоянной производительностью, VSD-компрессор позволяет плавно регулировать производительность практически во всем рабочем диапазоне.

 

Как работает обычный винтовой компрессор?

Компрессор с фиксированной производительностью постоянно работает на номинальной мощности. Когда предприятие потребляет меньше воздуха, автоматика переводит компрессор в режим разгрузки. При этом двигатель продолжает вращаться и потреблять значительную часть электроэнергии, хотя полезная работа практически не выполняется.

Чем чаще компрессор переходит между нагрузкой и разгрузкой, тем выше потери электроэнергии.

 

Преимущества компрессора с частотным преобразователем

Главное отличие винтового компрессора с частотным преобразователем заключается в способности автоматически изменять производительность в зависимости от текущего потребления сжатого воздуха. Оборудование не работает постоянно на максимальной мощности, а подстраивается под фактическую нагрузку пневмосистемы.

Такой принцип работы особенно эффективен на предприятиях, где количество одновременно работающих потребителей меняется в течение смены. Например, часть станков может периодически отключаться, пневматический инструмент используется не постоянно, а производственные линии работают с разной интенсивностью. В этих условиях компрессор с фиксированной производительностью часто переходит из режима нагрузки в режим холостого хода, продолжая потреблять электроэнергию без выработки полезного объема воздуха.

Частотное регулирование позволяет сократить такие потери, поддерживать стабильное давление в сети и снизить нагрузку на основные узлы компрессора.

 

Экономия электроэнергии

На производство сжатого воздуха приходится значительная часть энергопотребления промышленного предприятия, поэтому даже небольшое повышение эффективности компрессорной системы может заметно повлиять на эксплуатационные расходы.

Обычный винтовой компрессор с постоянной частотой вращения работает с номинальной производительностью. Когда потребление воздуха снижается и давление достигает установленного значения, оборудование переходит в режим разгрузки. Компрессор перестает подавать воздух в систему, однако двигатель продолжает работать и потреблять электроэнергию.

Компрессор с частотным преобразователем действует иначе. Автоматика отслеживает давление в пневмосети и изменяет частоту вращения двигателя в соответствии с текущим расходом воздуха. Если потребление уменьшается, снижаются обороты двигателя и энергопотребление. Когда нагрузка возрастает, компрессор автоматически увеличивает производительность.

Таким образом, максимальная экономия достигается не благодаря самому наличию частотного преобразователя, а благодаря его правильному применению на предприятиях с переменным расходом сжатого воздуха.

Наибольшая экономия достигается при следующих условиях:

• расход воздуха заметно меняется в течение смены;
• оборудование работает продолжительное время;
• компрессор часто переходит в режим разгрузки;
• фактическое потребление значительно ниже максимальной производительности;
• на предприятии действует высокая стоимость электроэнергии.

При правильно подобранной модели снижение энергопотребления может быть существенным. Однако точный результат зависит от графика нагрузки, мощности компрессора, количества рабочих часов и состояния пневматической сети. Поэтому экономическую эффективность лучше рассчитывать не по усредненным показателям, а на основании фактического потребления воздуха конкретного предприятия.

Следует учитывать и состояние самой системы. Даже частотное регулирование не обеспечит ожидаемой экономии, если в трубопроводах присутствуют значительные утечки, давление установлено выше необходимого, а фильтры и осушители создают чрезмерное сопротивление.
Максимальный эффект достигается при комплексной оптимизации всей компрессорной станции.

 

Стабильное давление в пневмосистеме

Для нормальной работы производственного оборудования важно не только наличие необходимого объема воздуха, но и стабильность давления. У компрессора с постоянной производительностью давление обычно изменяется в заданном диапазоне. После достижения верхней границы оборудование переходит в разгрузку, а когда давление снижается до нижнего значения, снова включается под нагрузку. Такие колебания являются нормальной частью работы стандартного компрессора, однако для некоторых технологических процессов они могут быть нежелательны.

Частотный преобразователь позволяет регулировать производительность плавно. Компрессор поддерживает давление ближе к заданному значению, компенсируя изменения расхода воздуха за счет корректировки частоты вращения двигателя.

Стабильное давление особенно важно для оборудования, чувствительного к параметрам сжатого воздуха:

• станков лазерной резки;
• линий порошковой и жидкостной окраски;
• упаковочного оборудования;
• автоматизированных производственных линий;
• систем дозирования;
• пневматических приводов;
• контрольно-измерительного оборудования.

Например, снижение давления может привести к ухудшению качества окраски, уменьшению скорости работы пневматического инструмента или нестабильному срабатыванию исполнительных механизмов. Избыточное давление, напротив, увеличивает расход воздуха и энергопотребление.

Более точное поддержание давления также позволяет уменьшить его установленное значение. Предприятия нередко задают повышенное давление только для компенсации его колебаний и потерь в сети. Если система работает стабильно, этот запас можно сократить, дополнительно снизив затраты на электроэнергию.

Именно поэтому компрессоры с частотным регулированием широко применяются на производствах, где стабильность давления напрямую влияет на качество продукции.

 

Плавный запуск и снижение пусковых токов

При прямом запуске электродвигателя возникает кратковременный пусковой ток, который может в несколько раз превышать номинальное значение. Это создает дополнительную нагрузку на электросеть предприятия, коммутационное оборудование и сам двигатель.

Особенно заметной проблема становится при эксплуатации мощных компрессоров или на объектах с ограниченной выделенной электрической мощностью. Одновременный запуск нескольких крупных потребителей может вызвать просадку напряжения и повлиять на работу другого производственного оборудования.

Частотный преобразователь обеспечивает плавный разгон электродвигателя. Частота и напряжение увеличиваются постепенно, поэтому компрессор выходит на рабочий режим без резкого скачка нагрузки.

Это дает несколько преимуществ:

• уменьшается пусковой ток;
• снижается нагрузка на электросеть;
• исключаются резкие механические воздействия на привод;
• уменьшается вероятность просадки напряжения;
• упрощается запуск мощного оборудования;
• повышается стабильность работы других потребителей электроэнергии.

Плавный запуск особенно важен для предприятий, где компрессор регулярно включается после остановок или работает в составе системы с несколькими компрессорными установками.

 

Снижение количества циклов «нагрузка — разгрузка»

Обычный винтовой компрессор регулирует производительность за счет переходов между режимами нагрузки и разгрузки. При переменном потреблении воздуха такие переключения могут происходить достаточно часто.

Каждый переход сопровождается работой впускного клапана, изменением давления внутри системы, а также дополнительной нагрузкой на отдельные элементы компрессора. При неправильном подборе оборудования, когда его производительность значительно превышает фактическое потребление, количество таких циклов увеличивается.

Частотное регулирование снижает потребность в постоянных переключениях. Вместо полного перехода в разгрузку компрессор уменьшает обороты и продолжает подавать необходимый объем воздуха.
Это делает работу оборудования более равномерной и уменьшает нагрузку на:

• впускной клапан;
• винтовой блок;
• электродвигатель;
• приводные элементы;
• подшипниковые узлы;
• систему сепарации;
• элементы автоматики.

При этом важно понимать, что частотный компрессор также имеет допустимый диапазон регулирования. Если потребление воздуха падает ниже минимальной производительности, оборудование все равно может перейти в режим разгрузки или остановиться. Поэтому модель необходимо подбирать так, чтобы ее рабочий диапазон соответствовал реальному графику нагрузки.

 

Увеличение ресурса оборудования

Более плавная и равномерная работа положительно влияет на ресурс компрессора. Отсутствие резких пусков и снижение количества переходов между режимами уменьшают механические и электрические нагрузки.

На срок службы оборудования также влияет работа при частичной производительности. Когда компрессор не требуется использовать на максимальной мощности, двигатель и винтовой блок работают с меньшей частотой вращения. В результате может снижаться нагрузка на подшипники, привод и другие движущиеся элементы.

Частотное регулирование помогает уменьшить износ:

• электродвигателя;
• винтового блока;
• подшипников;
• муфт и приводных соединений;
• впускного клапана;
• сепарационной системы;
• элементов электрической части.

Однако наличие частотного преобразователя не отменяет требований к техническому обслуживанию. Для сохранения ресурса необходимо своевременно заменять масло, воздушные и масляные фильтры, сепаратор, контролировать температуру и обеспечивать нормальную вентиляцию компрессорного помещения.

Кроме того, сам частотный преобразователь чувствителен к перегреву, загрязнению и качеству электроснабжения. Поэтому оборудование должно эксплуатироваться в условиях, предусмотренных производителем.

 

Снижение нагрузки на электросеть

На предприятиях с ограниченной электрической мощностью установка нового компрессора может потребовать модернизации сети. Частотный преобразователь позволяет частично снизить эту проблему за счет плавного запуска и более равномерного потребления электроэнергии.
Компрессор не создает резкого скачка тока при включении, а его мощность изменяется вместе с производительностью. При снижении расхода воздуха уменьшается и нагрузка на электросеть.

Это особенно актуально:

• для производств со значительным количеством электродвигателей;
• для предприятий с ограниченной выделенной мощностью;
• для объектов, работающих от автономных источников энергии;
• для площадок, где чувствительное оборудование подключено к общей сети;
• при эксплуатации нескольких компрессоров.

Тем не менее перед установкой оборудования необходимо проверить характеристики электросети, требования к защите и условия подключения частотного преобразователя.

 

Более тихая работа при частичной нагрузке

Уровень шума компрессора зависит от конструкции установки, частоты вращения двигателя, работы вентиляторов и движения воздушного потока.

Когда частотный компрессор работает с пониженной производительностью, обороты двигателя и винтового блока уменьшаются. В результате оборудование может работать тише, чем при номинальной нагрузке.

Это преимущество особенно важно, если компрессор установлен:

• вблизи рабочих мест;
• внутри производственного цеха;
• рядом с офисными или бытовыми помещениями;
• на предприятиях с повышенными требованиями к уровню шума;
• в компрессорной с ограниченной звукоизоляцией.

При этом снижение шума зависит от конкретной модели и режима работы. Если компрессор большую часть времени работает на полной мощности, разница по сравнению с обычной установкой может быть небольшой.

Гибкая адаптация к изменению производства

Потребление сжатого воздуха на предприятии редко остается неизменным в течение всего срока эксплуатации компрессора. Производство развивается, устанавливаются новые станки, меняются режимы работы и количество смен.

Компрессор с частотным регулированием способен работать в широком диапазоне производительности, подстраиваясь под текущую нагрузку. Это удобно для предприятий, где:

• производственные объемы меняются в зависимости от сезона;
• оборудование вводится в эксплуатацию поэтапно;
• разные линии работают по отдельным графикам;
• планируется постепенное расширение производства;
• расход воздуха существенно отличается в дневную и ночную смены.

Например, после запуска нового цеха потребление воздуха может быть относительно небольшим, а затем постепенно увеличиваться по мере установки дополнительного оборудования. Частотный компрессор позволяет эффективнее работать на промежуточных режимах без постоянной разгрузки.

Однако производительность все равно должна соответствовать минимальной и максимальной потребности предприятия. Частотный привод не компенсирует неправильный подбор компрессора: слишком слабая модель не обеспечит необходимый расход, а чрезмерно производительная будет работать за пределами эффективного диапазона регулирования.

 

Возможность эффективной работы в составе компрессорной станции

Частотный компрессор часто используется не только как самостоятельная установка, но и в составе станции из нескольких компрессоров.

Один или несколько компрессоров с постоянной производительностью обеспечивают базовую нагрузку, а модель с частотным преобразователем компенсирует изменения потребления воздуха. Она увеличивает или снижает производительность в зависимости от текущей потребности предприятия.

Такая схема позволяет:

• равномерно распределить нагрузку между установками;
• уменьшить количество часов работы в разгрузке;
• повысить надежность системы;
• обеспечить резервирование;
• оптимизировать энергопотребление компрессорной станции;
• проводить техническое обслуживание без полной остановки подачи воздуха.

Для крупных предприятий подобная конфигурация нередко оказывается эффективнее установки одного компрессора большой мощности. Однако для этого требуется правильно организовать общую систему управления и согласовать рабочие диапазоны оборудования.

 

Какую экономию можно получить

Частотное регулирование эффективно, если расход воздуха постоянно изменяется. Например: несколько станков работают поочередно; оборудование периодически включается и выключается; в течение смены меняется загрузка производства; есть выраженные пики потребления.

В таких условиях компрессор редко работает на максимальной мощности длительное время. Именно здесь частотный преобразователь позволяет существенно снизить энергопотребление.

 

Когда частотный привод может не окупиться?

Если предприятие круглосуточно потребляет практически одинаковый объем воздуха, компрессор почти всегда работает с полной нагрузкой.

Например: асфальтобетонный завод; бетонный завод; мельница минерального порошка; непрерывные производственные линии.

В таких случаях компрессор с фиксированной производительностью зачастую оказывается более рациональным выбором.

 

Как оценить срок окупаемости?

Срок окупаемости зависит от нескольких факторов:

• стоимости электроэнергии;
• количества часов работы в год;
• характера потребления воздуха;
• разницы в цене между обычным компрессором и моделью с частотным приводом.

На предприятиях с переменной нагрузкой дополнительные инвестиции обычно окупаются за 1,5–3 года за счет снижения затрат на электроэнергию.

При стабильной нагрузке срок окупаемости может оказаться значительно больше или вовсе отсутствовать.

Например, предприятие использует компрессор мощностью 37 кВт, работающий 4000 часов в год. Если благодаря частотному преобразователю удается снизить энергопотребление всего на 20%, экономия составит около:

37 × 4000 × 20% = 29 600 кВт·ч в год.

При стоимости электроэнергии 10 руб./кВт·ч это около 296 000 рублей ежегодно.

Даже при более скромной экономии дополнительная стоимость компрессора может окупиться за несколько лет эксплуатации.

 

Сравнение винтового компрессора с частотным преобразователем и компрессора с постоянной производительностью

Выбор между стандартным винтовым компрессором и моделью с частотным преобразователем зависит от характера потребления сжатого воздуха. При стабильной нагрузке более рациональным может оказаться обычный компрессор, а при постоянно меняющемся расходе — установка с частотным регулированием.

Для удобства сравнения основных характеристик мы подготовили таблицу, которая наглядно показывает ключевые отличия винтового компрессора с частотным преобразователем и модели с постоянной производительностью. Это поможет быстрее определить, какое решение лучше соответствует условиям эксплуатации вашего предприятия.

 

Как выбрать компрессор с частотным преобразователем?

Выбор винтового компрессора с частотным преобразователем должен основываться не только на требуемой производительности, но и на особенностях эксплуатации предприятия. Даже самое современное оборудование не обеспечит ожидаемой экономии, если его параметры не соответствуют фактическому потреблению сжатого воздуха.

Перед покупкой важно определить:

• средний расход сжатого воздуха в течение рабочей смены;
• максимальный расход воздуха в периоды пиковой нагрузки;
• характер изменения нагрузки — насколько часто меняется потребление воздуха в течение дня;
• график работы предприятия (количество смен, продолжительность работы оборудования, сезонность);
• стоимость электроэнергии, поскольку именно она во многом определяет срок окупаемости частотного регулирования;
• возможность дальнейшего расширения производства и увеличения потребления сжатого воздуха.

Только после анализа этих параметров можно объективно оценить экономическую эффективность частотного регулирования.

Подробнее о том, как определить необходимую мощность и производительность компрессора, читайте в нашей статье Как выбрать мощность винтового компрессора.

Винтовой компрессор с частотным преобразователем позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы предприятий с переменным потреблением сжатого воздуха. Однако максимальный эффект достигается только при правильном подборе оборудования с учетом реального расхода воздуха, режима работы производства и перспектив его развития. Поэтому перед покупкой рекомендуется выполнить расчет потребности в сжатом воздухе и оценить ожидаемую экономию электроэнергии. Такой подход позволяет выбрать компрессор, который обеспечит минимальную стоимость владения на протяжении всего срока эксплуатации.

Специалисты АКОВЕНТ помогут подобрать оптимальную модель компрессора с учетом фактического режима работы предприятия, рассчитать ожидаемую экономию электроэнергии и определить срок окупаемости оборудования. Получить консультацию можно по телефону +7 (843) 280-01-01, по электронной почте info@acovent.ru или оставив заявку на сайте acovent.ru.