Раціональні режими роботи насосних електроприводів: дослідження ефективності частотного та комбінованого регулювання

Abstract

У статті розглянуто проблему підвищення енергоефективності насосних установок систем водопостачання, які є найбільшими споживачами електроенергії в промисловості та комунальному господарстві. Актуальність дослідження зумовлена зростанням вартості енергоресурсів, необхідністю зниження викидів парникових газів і тенденціями до впровадження енергоощадних технологій. Показано, що більшість систем водопостачання в Україні з використанням насосних агрегатів працюють на базі нерегульованих асинхронних двигунів із прямим пуском від мережі, що призводить до підвищених пускових струмів, гідравлічних ударів, перевитрат електроенергії та до скорочення ресурсу обладнання. Традиційні методи регулювання подачі (дроселювання, ступінчасте керування) не відповідають сучасним вимогам енергоефективності. Перспективним напрямом є використання частотно-регульованих електроприводів (ЧРП), які забезпечують адаптацію продуктивності насосів до реального водоспоживання. Виконане математичне моделювання на основі законів подібності підтвердило зниження питомої енергоємності до 0,32 кВт·год/м³. Результати експериментальних вимірювань показали, що мінімальне значення цього показника досягалося в години пікового водоспоживання – 0,122 кВт·год/м³, тоді як у нічний час він зростав у кілька разів. Досліджено також комбіновану схему регулювання на базі двох насосних агрегатів, один з яких працює під керуванням ЧРП, а інший – у фіксованому режимі. Такий підхід дозволив знизити середню питому енергоємність до 0,12 кВт·год/м³, що відповідає енергозбереженню до 60 %. Отримані результати підтверджують ефективність застосування частотного та комбінованого регулювання, підвищують надійність і довговічність обладнання та створюють передумови для цифровізації систем водопостачання в різних сферах діяльності.

The problem of improving the energy efficiency of pumping installations in water supply systems is one of the key tasks of modern energy engineering, since these installations are among the largest electricity consumers in industry and municipal services. Rising energy costs and global trends toward the implementation of energy-saving technologies determine the relevance of research in this field. Analysis shows that most pumping stations in Ukraine operate on the basis of unregulated induction motors with direct-on-line starting, which leads to excessive electricity consumption, hydraulic shocks, increased starting currents, and a reduction in equipment lifetime. Traditional flow control methods (throttling, step control) do not meet modern energy efficiency requirements and need to be replaced. Purpose. The research aims to improve the efficiency of pump electric drives by optimizing operating modes through the application of frequency and combined control. Methodology. A comprehensive approach was applied, including analytical calculations of energy consumption, mathematical modeling based on similarity laws, and experimental verification of the results on operating installations. Energy and techno-economic indicators were used to evaluate efficiency. Scientific novelty. For the first time, rational operating modes of pump electric drives under variable water consumption conditions have been substantiated using a combined control scheme that integrates frequency-controlled and unregulated operation. It has been proven that such a scheme ensures: reduction of specific energy consumption to 0.09–0.12 kWh/m³ (which is 60% lower compared to traditional modes); improvement of system pressure stability and reduction of dynamic loads; creation of technical prerequisites for the integration of pumping stations into digital monitoring and control systems. Results. It was found that the use of frequency control reduces the specific energy consumption to 0.32 kWh/m³, and during peak water consumption hours – to 0.122 kWh/m³. The combined scheme with two pumping units demonstrated even higher efficiency, with an average specific energy consumption of 0.12 kWh/m³, which ensures up to 60% energy savings compared to traditional systems. Practical value. The developed recommendations can be applied in the modernization of pumping stations in municipal services and the agro-industrial sector. This will reduce operating costs, improve pressure stability, extend equipment lifetime, and create prerequisites for the digitalization of water supply systems.