Оптимізація електроприводів насосних агрегатів систем водопостачання на основі частотного регулювання

Abstract

У статті досліджено питання підвищення енергоефективності насосних станцій шляхом модернізації їх електроприводів із застосуванням частотного та комбінованого регулювання. Актуальність проблеми обумовлена зростанням вартості енергоресурсів, підвищенням вимог до ефективності технологічних процесів, а також значною часткою електроенергії, що споживається насосним обладнанням у промисловості та комунальному господарстві. Обґрунтовано доцільність переходу від нерегульованих асинхронних електродвигунів до частотно-регульованих систем керування, що дозволяє адаптувати роботу насосів до змін водоспоживання, зменшити енергоспоживання, покращити стабільність тиску в мережі, продовжити термін служби обладнання, а також знизити витрати на технічне обслуговування та ремонт. У роботі наведено результати математичного моделювання режимів роботи насосної станції з урахуванням законів подібності та проведено аналіз добових графіків роботи для різних режимів керування. Підтверджено зниження питомої енергоємності при частотному регулюванні до 0,32 кВт·год/м³, а також ефективність комбінованої схеми керування на базі трьох насосних агрегатів, один з яких працює з частотним перетворювачем. Такий підхід забезпечив мінімальний показник питомої енергоємності – 0,06 кВт·год/м³, що відповідає до 60 % енергозбереження порівняно з традиційними схемами без регулювання. Дослідження підтвердило, що впровадження частотного та комбінованого регулювання дає змогу значно підвищити енергоефективність насосних установок в умовах змінного навантаження, зменшити гідравлічні удари, знизити пускові струми та підвищити надійність обладнання. Розроблені рекомендації можуть бути використані під час модернізації існуючих насосних станцій, планування інвестиційних проектів у сфері водопостачання, а також при впровадженні автоматизованих систем керування для промислових і муніципальних об’єктів.

The article examines the issue of improving the energy efficiency of pumping stations through the modernization of their electric drives by implementing frequency and combined control methods. The relevance of the problem is determined by the rising cost of energy resources, the increasing requirements for the efficiency of technological processes, and the significant share of electricity consumed by pumping equipment in industry and public utilities. The feasibility of transitioning from non-adjustable asynchronous electric motors to frequency-controlled systems is substantiated, enabling pumps to adapt to changes in water consumption, reduce energy consumption, improve network pressure stability, extend equipment service life, and lower maintenance and repair costs. The paper presents the results of mathematical modeling of pumping station operating modes based on similarity laws and an analysis of daily operating graphs for various control modes. It confirms a reduction in specific energy consumption with frequency control to 0.32 kWh/m³, as well as the effectiveness of a combined control scheme using three pump units, one of which operates with a frequency converter. This approach achieved a minimum specific energy consumption of 0.06 kWh/m³, corresponding to up to 60 % energy savings compared to traditional non-regulated schemes. The study confirmed that the implementation of frequency and combined control makes it possible to significantly increase the energy efficiency of pumping units under variable load conditions, reduce hydraulic shocks, lower starting currents, and improve equipment reliability. The developed recommendations can be applied in the modernization of existing pumping stations, the planning of investment projects in the water supply sector, and the implementation of automated control systems for industrial and municipal facilities.