VFD-технология в системах вентиляции и кондиционирования

В 1888 году Никола Тесла получил патент на индукционный двигатель переменного тока. По сравнению с появившимися ранее двигателями постоянного тока изобретение оказалось более надежным и эффективным. Однако для управления скоростью вращения такого требуется изменение величины магнитного потока либо изменение числа полюсов в двигателе. И даже спустя десятилетия, после того как индукционный двигатель стал широко применяться, изменение частоты питающего тока для управления скоростью вращения оставалось крайне непростой задачей, а физическая конструкция двигателя не позволяла производителям создавать устройства более чем с двумя скоростями.

Появление VFD

Долгое время практически единственным решением для случаев, где требовались точный контроль скорости вращения и высокая выходная мощность, оставались двигатели постоянного тока. Скорость и крутящий момент такого двигателя изменялись при помощи реостата, установленного в цепь постоянного тока.

К началу 1980-х годов повышение надежности двигателей переменного тока и снижение их стоимости позволило устройствам начать конкурировать с традиционными двигателями постоянного тока. Для точного контроля над скоростью вращения синхронных и индукционных (асинхронных) двигателей была разработана технология частотно-регулируемых приводов (VFD).

Индукционный двигатель в разрезе
Рис. 1. Индукционный (асинхронный) двигатель в разрезе
Использование VFD позволяет изменять скорость вращения в диапазоне от нуля до максимума (оборотов в минуту) при максимальном крутящем моменте, также существует возможность превысить максимально допустимую скорость вращения при снижении крутящего момента.

Управление частотой выходного тока в VFD происходит за счет преобразования входного переменного тока в постоянный, далее выполняется широтно-импульсная модуляция по напряжению для получения переменного тока с необходимыми характеристиками.

Типы частотно-регулируемых приводов

Существует три основных типа частотно-регулируемых приводов.

Приводы на основе инвертора тока (CSI) давно и успешно применяются в области обработки сигналов и в промышленном силовом оборудовании. CSI VFD являются единственным типом приводов, позволяющим выполнять рекуперацию мощности. Другими словами, приводы данного класса могут направлять вырабатываемую двигателем мощность обратно в цепь источника питания. CSI VFD дают очень качественную характеристику выходного тока, однако для работы им требуются большие и дорогие катушки индуктивности.

Приводы на базе инвертора напряжения (VSI) обладают низким коэффициентом мощности, могут вызывать пульсацию двигателя при частоте ниже 6 Гц и не позволяют осуществлять рекуперацию. Частотно-регулируемые приводы типа CSI и VSI не получили широкого распространения.

Приводы с широтно-импульсной модуляцией (PWM) являются наиболее часто используемым типом приводов по причине отличного показателя входного коэффициента мощности, отсутствия пульсации двигателя, высокой эффективности работы и более низкой стоимости в сравнении с аналогами.

Привод типа PWM использует набор импульсов напряжения различной ширины для моделирования синусоидальной волны. Получение выходной волны достигается за счет пропуска треугольной волны и синусоидальной волны через компаратор, на выходе которого образуется импульс напряжения, в случае если величина синусоиды превосходит величину треугольной волны. Для получения импульсов напряжения чаще всего применяется биполярный транзистор с изолированным затвором.

ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ VFD

Ряд компаний уже внедрили в принадлежащих им ЦОД вентиляторы с переменной скоростью вращения, что позволяет экономить сотни тысяч долларов ежегодно.

BNY Mellon

Компания BNY Mellon (США) работает в сфере инвестиционного менеджмента. В принадлежащем компании дата-центре площадью 6500 квадратных метров, расположенном в северной части штата Пенсильвания, были установлены вентиляторы с переменной скоростью вращения. В результате удалось добиться снижения скорости работы вентиляторов на 25 %, что привело к сокращению энергопотребления вентиляторными системами на 58 %.

Target

Два принадлежащих компании Target (США) дата-центра, Brooklyn Park и Elk River, имеющие общую мощность 3,4 МВт, были оснащены вентиляторами с частотно-регулируемыми приводами (VFD). До установки VFD система кондиционирования воздуха и вытяжные вентиляторы вращались с постоянной скоростью каждый день на протяжении всего года.

Установка VFD позволила снизить скорость вращения вентиляторов, что привело к существенному сокращению энергопотребления. В некоторых случаях скорость удалось снизить на 78 %, что привело к сокращению энергопотребления оборудования на 99 %. Мощность двигателей, устанавливаемых в кондиционерах и вентиляционных модулях, находится в диапазоне от 7,5 до 15 л. с. Мощность вытяжных вентиляторов 1,5 л. с.

EBAY

Компания EBAY (США) установила VSD в дата-центре, расположенном в г. Фениксе и имеющем общую площадь 13 000 квадратных метров. На объекте были установлены 83 модуля CRAH с водяным охлаждением, каждый из которых оснащен вентиляторами с постоянной скоростью вращения. Подача охлажденной воды в каждом модуле регулировалась датчиком температуры отработанного в ЦОД воздуха, установленным в вытяжной камере.

В рамках модернизации были установлены новые высокоэффективные двигатели (эффективность 95 %), и каждый модуль CRAH был оснащен вентиляторами с переменной скоростью вращения. Наборы для модернизации CRAH поставлялись непосредственно производителем. Установка VSD позволила сократить энергопотребление воздушных кондиционеров практически в 4 раза, что соответствует ежегодной экономии в 283 596 долларов США при стоимости одного кВт∙ч электричества 6,5 цента.

RagingWire

В принадлежащем компании RagingWire (США) дата-центре CA1 общей мощностью 20 МВт были установлены вентиляторы с частотно-регулируемым приводом. Каждый насос системы охлаждения, насос подачи охлажденной воды и модуль CRAH был оснащен VFD. В результате среднее сокращение скорости вращения вентиляторов составило 42 %, что соответствует ежегодной экономии в 473 000 долларов.

Оригинальная система управления модулями кондиционирования обладала одним недостатком: если один из модулей отключался, требовалось подключение другого модуля. В случае использования VFD отказ одного из модулей приводит к повышению скорости вращения вентиляторов в других модулях, что также способствует эффективности работы системы.

Использование VFD в России

Один из примеров успешного внедрения данной технологии — дата-центр КОМКОР, расположенный на Варшавском шоссе в Москве.

Энергопотребление ЦОД составляет 3,5 МВт. Установленные на насосной станции моторы оснащены частотно-регулируемым приводом для плавного пуска/переключения скорости работы, что положительно сказывается на энергоэффективности и снижает степень износа оборудования. Вентиляторы VFD расположены на внешней ферме, что позволяет без проблем работать даже при сильном ветре.

Развитие технологии VFD

Частотно-регулируемые приводы первого поколения имели ограниченную область применения. В настоящее время VFD могут использоваться практически в любой системе вентиляции и кондиционирования воздуха, устанавливаемой в коммерческих и муниципальных зданиях. Современные двигатели могут работать при более высоком уровне напряжения по сравнению с их ранними аналогами, что позволяет серийно выпускать модели мощностью до 500 л.с.

Устройства первых поколений также отличались низким коэффициентом мощности, что могло негативно сказываться на качестве распределения электроэнергии и приводить к штрафным санкциям со стороны энергетических компаний. Коэффициент мощности современных системы VFD близок к постоянному по всему диапазону скоростей.

Еще одной характерной проблемой оборудования, которая устранена в новых моделях VFD, являлся шум. По мере того как выходная частота привода снижалась в ответ на изменение нагрузки, возбуждаемая в двигателе вибрация приводила к возникновению шума, который распространялся от двигателя по всему рабочему помещению. Современные частотно-регулируемые приводы работают на повышенных частотах, так что возникающий во время работы шум находится выше воспринимаемого человеком звукового диапазона.

Частотно-регулируемые приводы и системы кондиционирования и вентиляции

Традиционные системы вентиляции и кондиционирования, как правило, используют вентиляторы и насосы, работающие с постоянной скоростью. Однако рабочая нагрузка на объекте не является постоянной.

В традиционной системе с целью снижения расхода уровня воды или воздуха может быть применен дроссельный механизм. При этом двигатель продолжает работать на полной скорости, используя практически неизменный объем энергии вне зависимости от уровня нагрузки на систему кондиционирования. Дроссельный механизм позволяет достаточно точно контролировать подачу жидкости/газа, но он является не слишком эффективным. VFD представляют собой эффективную и экономичную альтернативу дроссельному механизму.

Эффективность работы VFD обеспечивается следующими факторами:

  • Работа при неполной загрузке системы. Системы вентиляции разрабатываются с учетом пиковой нагрузки. Пиковые нагрузки, как правило, наблюдаются в течение 1–5 % от всего времени работы. Это означает, что используемые в насосах и вентиляторах двигатели расходуют лишнюю энергию в течение 95–99 % рабочих часов.
  • Завышение мощности системы. Разработка систем вентиляции с учетом пиковой нагрузки приводит к завышенному энергопотреблению при работе в штатном режиме. Более того, система может разрабатываться с учетом непредвиденных и внештатных нагрузок, а также потенциальных нагрузок, которые могут возникнуть в связи с изменениями в механизме использования внутреннего пространства здания.
  • Энергопотребление двигателя является функцией скорости. Наиболее часто в системах вентиляции и кондиционирования применяется индукционный двигатель. Для индукционного двигателя характерна кубическая зависимость потребляемой мощности от скорости вращения привода. Это означает что если снизить скорость работы двигателя на 25 %, его энергопотребление упадет почти на 60 %. В случае 50 %-ного снижения скорости экономия электроэнергии достигает 90 %.

Использование VFD в системах вентиляции и кондиционирования позволяет устранить влияние первых двух факторов, а третий фактор способствует росту энергоэффективности.

Двигатели, работающие по технологии VFD, преобразуют ток с частотой 60 Гц в постоянный, а затем снова в переменный, напряжение и частота которого меняется в зависимости от уровня нагрузки на систему. По мере снижения нагрузки VFD-контроллер уменьшает скорость вращения привода, что позволяет поддерживать необходимый уровень охлаждения при пониженном энергопотреблении.

Преимущества VFD

Частотно-регулируемый привод из линейки P-series от компании Cerus Industrial
Рис. 2. Частотно-регулируемый привод из линейки P-series от компании Cerus Industrial
Наиболее важное преимущество VFD — экономия электроэнергии. За счет соответствия текущей потребляемой мощности системы реальной загрузке на протяжении всего года достигается значительная экономия энергии.

Еще одним преимуществом частотно-регулируемых приводов является уменьшение степени износа оборудования. В момент запуска через индукционный двигатель проходит значительно более высокий ток в сравнении со штатным режимом функционирования. Величина пускового тока может в 3–10 раз превышать величину тока при полной загрузке системы, что приводит к нагреву оборудования и повышению нагрузки на обмотку и другие компоненты двигателя. Если включение и отключение двигателя происходят достаточно часто, может наблюдаться ранний выход оборудования из строя.

В противоположность этому, когда происходит запуск двигателя, подключенного к VFD, частотно-регулируемый привод прикладывает к двигателю низкое напряжение с низкой частотой. Обе величины постепенно повышаются до нормального рабочего состояния, что позволяет продлить жизнь двигателю.

Частотно-регулируемый привод также позволяет более точно управлять работой систем кондиционирования. К примеру, в высотных зданиях применяются специальные насосы для поддержания необходимого уровня давления воды по всем этажам. Традиционные механизмы управления могут поддерживать уровень давления в рамках определенного диапазона, однако VFD-система позволяет точнее контролировать поток воды в более широких пределах, что приводит к снижению энергопотребления и уменьшению степени износа насосного оборудования.

Варианты использования VFD-технологии в климатических системах

Частотно-регулируемый привод (VFD) является одним из наиболее эффективных инструментов для управления энергопотреблением, когда-либо применявшихся в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

В течение более чем двадцати лет VFD успешно устанавливаются на вентиляторы и насосы, используемые в условиях переменной рабочей нагрузки. Экономия энергии при использовании VFD составляет от 35 до 50 % в сравнении с традиционными двигателями с постоянной скоростью вращения, что позволяет окупить затраты на установку оборудования за период от 6 месяцев до двух лет.

Наиболее часто используемым типом двигателя в системах вентиляции и кондиционирования является трехфазный индукционный двигатель. Впрочем, в некоторых ситуациях может применяться однофазный индукционный двигатель. Оба типа двигателей могут быть оснащены частотно-регулируемым приводом.

VFD-контроллеры имеют широкий спектр применимости, однако наибольших преимуществ можно добиться при использовании в условиях, требующих переменной скорости вращения двигателя. К примеру, скорость течения жидкости, регулируемая насосами, используемыми в системах водоснабжения, может быть адаптирована к существующему в здании уровню нагрузки за счет применения VFD для изменения скорости течения жидкости. Аналогичным образом в системах, требующих поддержания постоянного уровня давления вне зависимости от скорости течения жидкости (к примеру, системы горячего и холодного водоснабжения), может применяться VFD с контролем по реперной точке.

Большая часть коммерческих систем кондиционирования и вентиляции использует для распределения воздуха регулируемые вентиляционные системы. Эти системы, как правило, контролируются механизмом регулируемых лопаток входного направляющего аппарата, устанавливаемым в вентиляционных системах и в воздушных камерах переменного объема. По мере того как нагрузка на систему снижается, воздушные камеры переменного объема закрываются, что приводит к росту статического давления в системе. Контроллер вентилятора замечает изменения и закрывает входные лопатки. И хотя применение подобного механизма контроля позволит снизить энергопотребление вентиляторов в системе, он является менее эффективным и менее точным, чем VFD.

Еще одной потенциальной областью применения для VFD является система с регулируемым потоком хладагента. Подобные системы используются для подключения одного или нескольких компрессоров к общей системе подачи хладагента, которая питает несколько испарителей. Поскольку нагрузка на компрессор постоянно меняется в зависимости от режима работы испарителей, VFD может применяться для контроля над рабочей скоростью компрессора в зависимости от текущей нагрузки, что позволяет снизить потребление энергии при неполной загрузке.

МНЕНИЕ ЭКСПЕРТОВ О VFD-ТЕХНОЛОГИИ

Эрик Галлант, эксперт по критически важным приложениям, Lee Technologies (США):

— Последние технологические достижения в области разработки модулей CRAH позволили добиться существенного снижения энергопотребления, которое легко измерить. Мне выпала уникальная возможность провести сравнение кондиционера с традиционными вентиляторами, имеющими постоянную скорость вращения, и кондиционера с технологией VFD.

Один из моих клиентов захотел установить в серверное помещение дополнительный кондиционер. На тот момент в серверной уже был установлен модуль CRAH Stulz-ATS, запущенный в 1999 году. Мы установили новый кондиционер Stulz-ATS Cyberair 2, имеющий такую же мощность, но оснащенный VFD (реализация технологии VFD от Stulz называется EC fan). Установив модули рядом и поддерживая постоянный температурный режим в помещении, мы смогли измерить энергопотребление каждого кондиционера. Таким образом, мы выяснили, что новый модуль поддерживал требуемый уровень температуры, потребляя при этом на 50 % меньше энергии. Более того, Stulz-ATS Cyberair 2 работает гораздо тише и требует минимального техобслуживания.

Разумеется, далеко не всегда удается добиться 50 %-ного снижения энергопотребления для модулей CRAH. Впрочем, экономия в размере 20–60 % — это вполне реальная перспектива. Если предположить, что стоимость электроэнергии составляет 10 центов за 1 кВт∙ч, то можно добиться ежегодной экономии в размере $1700-$4900 на каждый модуль CRAH, установленный в ЦОД. Дополнительная экономия достигается за счет того, что VFD-вентиляторы не используют ремней, шкивов, приводов и прочих механических деталей, требующих регулярного технического обслуживания.

Деннис Симански, старший менеджер проектов в Научно-исследовательском институте электроэнергетики (EPRI, США):

Модули CRAH, выпускаемые компанией Stulz
Рис. 4. Модули CRAH, выпускаемые компанией Stulz
— Большой интерес представляет использование технологии VFD в системах непосредственного охлаждения (DX), где воздух пропускается через испаритель системы кондиционирования вместо охлаждения с помощью контура с холодной водой. Некоторые производители предостерегали специалистов отрасли ЦОД от использования приводов с переменной скоростью в критически важных системах, где применяется непосредственное охлаждение. Проблема заключается в том, что сокращение воздушного потока, проходящего через модули DX, может приводить к появлению конденсата и обледенению.

Однако существует огромное количество экспериментальных данных, которые позволяют утверждать, что опасения беспочвенны. Тестирование технологии VFD в системе непосредственного охлаждения на базе принадлежащего EPRI дата-центра привело к сокращению энергопотребления вентиляторов на 77 % (с 0,17 до 0,04 кВт). Мы оснастили вентиляторы частотно-регулируемыми приводами и начали постепенно сбрасывать скорость их работы. Был протестирован широкий диапазон скоростей. Единственное, на что обратил внимание ИТ-персонал в ходе проведения тестирования, — в ЦОД стало значительно тише.

Мы продолжаем анализировать полученные данные, но на данный момент результат выглядит потрясающе. Каждый раз, когда мы меняем скорость вращения вентиляторов, мы анализируем работу дата-центра. Проблем пока не возникало. Подобную модернизацию легко осуществить. Мы установили VFD в режиме байпас, так что при необходимости их всегда можно отключить. Данная стратегия может быть особенно привлекательной для небольших старых ЦОД, в которых изоляция холодных и горячих участков обойдется слишком дорого.

Применение технологии VFD в отрасли ЦОД

В центрах обработки данных (ЦОД) вопросам энергоэффективности уделяется особое внимание. Учитывая, что на долю систем кондиционирования приходится больше половины энергозатрат от всех инженерных систем, проблема снижения энергопотребления вентиляторов и компрессоров — одна из важнейших в современных дата-центрах.

Вентиляторы с переменной скоростью вращения для кондиционеров

Вентиляционный модуль PowerAire Quad, встраиваемый в фальшпол, от компании Tate
Рис. 3. Вентиляционный модуль PowerAire Quad, встраиваемый в фальшпол, от компании Tate
Вентиляторы в модулях CRAC (Computer Room Air Conditioner, шкафной прецизионный кондиционер) потребляют большой объем энергии, примерно соответствующий 5–10 % от общего энергопотребления дата-центра (больше потребляют только компрессоры). Модули, как правило, не умеют адаптировать скорость вращения вентиляторов к постоянно меняющейся нагрузке на сервера. Рабочие условия ЦОД подвержены изменениям, и поэтому вентиляторы с переменной скоростью вращения (VSD) имеет смысл использовать везде, где это возможно.

Для многих модулей CRAC существует возможность модернизации для использования VSD. Одной из разновидностей VSD является частотно-регулируемый привод (VFD), позволяющий вентилятору работать на пониженной скорости за счет изменения частоты электрического тока, подаваемого на двигатель.

Для обеспечения качественного охлаждения и поддержки механизма многократного резервирования дата-центры одновременно используют несколько модулей CRAC. Это может приводить к сокращению цикла работы системы охлаждения и возникновению высокого давления в камере охлаждения, что, в свою очередь, вызывает повышение энергопотребления (компрессор в модуле CRAC, работающий по сокращенному циклу, включается и выключается слишком часто, что снижает эффективность работы системы).

VSD позволяют экономить энергию за счет колебаний в уровне нагрузки ЦОД. Энергопотребление вентилятора пропорционально кубу скорости, так что снижение скорости вращения позволяет серьезно уменьшить потребление энергии. Снижение скорости вращения вентиляторов на 10 % сокращает энергопотребление примерно на 25 %. Снижение скорости на 20 % приводит к экономии до 45 %.

Вентиляционные модули, встраиваемые в фальшпол

В дата-центрах с высокой плотностью теплоизбытков кондиционирования шкафными кондиционерами может быть недостаточно — к серверам через фальшпол поступает недостаточно холодного воздуха.

В этом случае в фальшпол встраиваются вентиляционные модули, способные в 2–3 раза увеличить расход подаваемого в стойки воздуха. Конечно, эти меры отрицательно влияют на энергоэффективность. Для снижения потребляемой в подобных вентиляционных модулях энергии также используется технология VFD.

Отметим, что помимо энергосбережения регулирование встраиваемых в пол модулей удобно в эксплуатации: подаваемый ими расход можно занизить при перемещении некоторого серверного оборудования.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест