Подключение частотного преобразователя к насосу

Подключение частотного преобразователя к насосу

Автоматизация систем водоснабжения снижает расходы на эксплуатацию насосного оборудования и водопроводной сети, оптимизирует водопотребление, позволяет уменьшить объем накопительных баков. Регулирование водоподачи осуществляется по давлению и уровню. В отопительных системах также используется схема с обратной связью по температуре теплоносителя или воздуха в помещении.

Релейные схемы автоматизации

До появления частотных преобразователей в качестве устройства управления использовались релейные блоки.

Простейшая схема регулирования по уровню построена на базе магнитного пускателя и поплавкового реле. При увеличении уровня, контакты реле замыкаются, катушка магнитного пускателя оказывается под напряжением. Электродвигатель насосного агрегата запускается. При снижении уровня жидкости, реле размыкает управляющую цепь магнитного пускателя.

Такая схема обеспечивает ручное и автоматическое включение насосов, каскадный способ управления, индикацию режимов работы, остановку насосных агрегатов при пропадании перекачиваемой жидкости.

В нормальном режиме работает основной насосный агрегат. При снижении давления при пиках водопотребления или остановке основного насоса, срабатывает реле давления, включающее резервный насос с выдержкой времени. При необходимости включение и выключение насосов можно осуществлять в ручном режиме. Релейные схемы управления относительно просты и дешевы, однако, обладают следующими недостатками:

• Дополнительная нагрузка на электрическую сеть. Запуск электродвигателей осуществляется на полном напряжении сети. Ток при этом взрастает в несколько раз.
• Невозможность плавного изменения производительности. Регулирование давления в сети осуществляется включением резервного насоса. Ступенчатое изменение давления не всегда удовлетворяет условиям техпроцесса.
• Необходимость регулярного ремонта, технического обслуживания. Схемы такого типа содержат большое количество электроаппаратов и элементов автоматики. При частых коммутациях, контакты и механические части аппаратов быстро приходят в негодность.
• Высокая нагрузка на трубопровод. При прямом пуске насосов резко увеличивается вероятность гидравлических ударов. При их возникновении повреждается запорно-регулирующая арматура, трубы и другие элементы системы водоснабжения.

Для ограничения пусковых токов и плавного разгона электродвигателей в релейных схемах часто устанавливают устройства плавного пуска. Однако, эти устройства не обеспечивают плавное изменение подачи. Для этого на трубопровод устанавливают регулирующую арматуру, что приводит к потерям давления и снижает общий к.п.д. системы водоснабжения.

Функции систем управления насосным оборудованием на базе частотных преобразователей

Для автоматизации работы насосных станций все чаще и чаще используют схемы на базе частотных преобразователей. Частотное управление лишено недостатков релейных схем. Автоматизированные схемы с преобразователем частоты обеспечивают:

• Защиту приводных электродвигателей от коротких замыканий, обрыва фазы, перегрева, перегрузок, перепадов напряжения.
• Остановку насосных агрегатов при “сухом ходе”, повреждении проточной части и так далее.
• Плавное изменение производительности при снижении или увеличении давления. Частотный преобразователь также может функционировать в режиме регулирования подачи по нескольким параметрам системы водоснабжения или отопления.
• Сигнализацию о неисправностях. При поломках или ненормальных режимах работы элементов системы водоподачи, на экран выводится сообщение о неисправности. Во многих моделях частотников предусмотрена подача об авариях сигнала по “сухим контактам” и отправка сообщения по поддерживаемым протоколам проводной и беспроводной связи на удаленные диспетчерские пункты.

Частотные преобразователи используются как для автоматизации простых автономных систем водоснабжения, так и мощных станций с большим количеством насосов.

Пример работы схем на базе частотного преобразователя

Принципиальная схема управления циркуляционными насосными агрегатами на базе преобразователей частоты с обратной связью по давлению и температуре позволяет экономить до 30% тепловой энергии.

При увеличении температуры теплоносителя или падении давления в сети, сигнал с аналогового датчика температуры поступает на частотный преобразователь, который плавно увеличивает частоту напряжения в цепи питания электродвигателя. Скорость вращения ротора увеличивается, производительность насоса возрастает. При необходимости в работу включается резервный насос. По достижении заданной температуры, подача насоса возвращается к запрограммированной величине. Схема также обеспечивает попеременную работу насосных агрегатов, остановку двигателей при авариях, включение резервного насоса при аварийной остановке основного, запрет на запуск неисправного насоса до устранения поломки, а также индикацию режимов работы.

Для увеличения экономического эффекта в отопительных системах используют преобразователи частоты с функцией АОЕ или автоматической оптимизации энергопотребления. При этом электродвигатель поддерживает энергопотребление соответственно требуемой производительности насосного агрегата. Частотные преобразователи с такой функцией выпускает компания Danfoss, всемирно известный производитель электрооборудования и элементов автоматики.

Принцип работы простейшей схемы регулирования с обратной связью по давлению

Частотные преобразователи применяются также для небольших систем водоснабжения, отопления и ГВС. Плавное регулирование напора и производительности насоса обеспечивает постоянное давление в сети, отсутствие перепадов температуры горячей воды при открытии и закрытии дополнительных кранов, поддержание микроклимата в помещении.

При пуске насоса через частотный преобразователь, на электродвигатель подается напряжение небольшой частоты, которая увеличивается согласно запрограммированным значениям. Это обеспечивает плавное нарастание давления в системе и снижает вероятность гидравлических ударов.

При увеличении водопотребления, давление в системе падает. Сигнал с датчика давления подается на частотный преобразователь, который увеличивает частоту питающего напряжения электрического двигателя. Производительность насоса плавно увеличивается, пока давление в системе не достигнет заданного значения. При снижении потребления воды, частота напряжения в питающей цепи снижается, обороты насосного агрегата падают.

При помощи частотных преобразователей также можно реализовать систему каскадного автоматического управления двумя и более насосами. Такие схемы используются в сетях с высокими пиковыми нагрузками, где максимальная производительность одного насоса не обеспечивает компенсацию потерь давления. В этих случаях частотный преобразователь обеспечивает плавный ввод дополнительных агрегатов и равномерное распределение нагрузки между работающими насосами.

Преимущества применения частотных преобразователей в схемах автоматизации насосов

• Системы водоснабжения не требуют компенсационных емкостей для гашения гидравлических ударов. Запуск и отключение насосных агрегатов осуществляется плавно, что исключает резкие скачки давления. В системах отопления и автономного водоснабжения все же рекомендуется установить расширительные баки мембранного типа. Это оборудование позволит избежать последствий гидроударов и увеличения давления при авариях и температурном расширении теплоносителя.
• Комфортная температура горячей воды и теплоносителя в отопительной системе. В отличие от релейных схем управления, частотное регулирования позволяет избежать скачков температуры воды независимо от ее расхода.
• Защита арматуры, трубопровода, котла от гидроударов. При прямом пуске электродвигателя, резко меняется скорость потока в трубопроводе. Возникает гидравлический удар, который может повредить гидроавтоматику, котел и другие элементы системы. Ликвидация последствий гидроудара может обойтись в сотни тысяч рублей.
• Защита электродвигателя насоса от аварий и аномальных режимов работы. При несимметричной нагрузке, изменении напряжения в сети, коротких замыканиях, перегреве обмоток, частотный преобразователь осуществляет аварийную остановку электродвигателя.
• Возможность удаленного управления. Danfoss выпускает преобразователи частоты, поддерживающие все распространенные протоколы обмена данными. Управление можно осуществлять с удаленного ПК, при помощи приложений, установленных на смартфоны или планшеты. Преобразователи для промышленных систем водоподачи можно встраивать в многоуровневые системы АСТП.
• Возможность регулирование напора и производительности насосных агрегатов по одному или нескольким характеристикам. Частотные преобразователи можно запрограммировать на регулировку по расходу, давлению, температуре, уровню, напору, а также по двум и более параметрам.

Выбор частотного регулятора для насосов

Выбор частотных преобразователей для насосного оборудования делается по следующим критериям:

• Типу приводного электродвигателя. Число фаз и тип электродвигателя должны соответствовать параметрам частотного. Для привода насосных агрегатов применяются синхронные и асинхронные одно- или трехфазные электрические машины.
• Интервалу регулируемых частот. Каждому значению частоты питающего напряжения соответствует определенная скорость вращения электродвигателя и производительность насоса. Эта характеристика частотного преобразователя должна отвечать параметрам сети водоподачи.
• Току, напряжению и мощности. Номинальные электрические характеристики электродвигателя и преобразователя частоты должны совпадать. Рекомендуемый запас мощности частника – 15-20%.
• По числу аналоговых и релейных входов. В зависимости от числа датчиков, необходимо подобрать частотный преобразователь с соответствующим количеством входов.
• По функциям. Частотный преобразователь может совмещать функции устройства плавного пуска, ПИД-регулятора, устройств защиты. Функционал устройства выбирают в соответствии с требованиями к системе отопления и водоснабжения.

Использование частотных преобразователей снижает потери давления, оптимизирует потребление воды и электроэнергии, а также снижает вероятность аварий. Их применение дает значительный экономический и технический эффект, особенно заметный на примере крупных систем подачи тепла и водоснабжения.

Как уменьшить производительность скважинного насоса (чтобы он не превышал дебит скважины)

Мы уже неоднократно писали, что расход скважинного насоса должен минимум на 10-15% быть меньше дебита скважины (например, см. статью «Скважинные насосы – большая глубина не проблема» или «Как подобрать скважинный насос»). Последствий несоблюдения этого условия может быть несколько:

– насос выкачает из скважины всю воду и, если не предусмотрена его защита от сухого хода (работа всухую, без воды), то просто серьезно выйдет из строя (расплавятся подшипники);

– постоянное осушение скважины насосом быстро приведет к ее заиливанию.

Но зачастую дебит песчаной скважины меньше расхода насоса. Например, меньше 1м 3 /ч, а минимальный расход того же скважинного насоса Grundfos – 1.7 м 3 /ч (Grundfos SQ первой серии). В насосах Водомет есть модели с минимальным расходом 0,45-0,6 м 3 /ч. Но, во-первых, многие не хотят покупать такие насосы, предпочитая более надежные и технически совершенные зарубежные марки. Во-вторых, насосов Водомет в трехдюймовом исполнении вообще не существует. Кроме того, возможна ситуация, когда насос достается по случаю, а не подбирается под конкретные характеристики скважины. Как в таком случае поступать?

Выход один – искусственно уменьшить расход скважины. Как это сделать? На специализированных форумах по водоснабжению этот вопрос многократно обсуждался, что говорит об актуальности проблемы. Давались разные советы, но всех их можно свести к следующим вариантам:

1. Уменьшить мощность, а значит и расход насоса путем уменьшения напряжения, подводимого к нему (например, при помощи ЛАТР).

2. Уменьшить расход при помощи понижения частоты вращения вала двигателя (частотное регулирование).

3. Увеличить гидравлическое сопротивление в системе, например, поставив вентиль или кран.

4. Часть воды туже вновь сбрасывать в скважину.

Рассмотрим подробнее, каждый из этих вариантов.

1. Уменьшение напряжения, подводимого к насосу. Крайне нежелательный вариант. Производитель в паспорте к насосу всегда указывает, что допустимые колебания напряжения составляют ± 10%, а то и ±5%. Все системы управления насосов имеют защиту от просадок напряжения.

2. Уменьшение частоты вращения вала двигателя. Сейчас только насосы Grundfos серии SQE позволяют частотное регулирование в пределах 65-100% диапазона расхода и напора. Заметим, что эти насосы имеют высокую стоимость, даже по сравнению с отнюдь не дешевыми насосами Grundfos серии SQ (отличие именно в возможности частотного регулирования).

3. Увеличение гидравлического сопротивления. В принципе, такой вариант возможен. Но не желателен. Что значит увеличенное гидравлическое сопротивление? Ведь согласно закону сохранения энергии, чем выше статическое давление (которое как раз и растет при увеличении гидравлического сопротивления), тем ниже скорость жидкости. Но не забываем, что скважинные насосы охлаждаются водой, которую перекачивают. И уменьшение скорости водяного потока означает ухудшения отвода тепла, что ведет к перегреву насоса. Минимальная скорость водяного потока должна быть не менее 0,5м/с.

Перепускание части воды обратно в скважину. Против этого варианта у нас никаких возражений нет за исключением того, что часть энергии расходуется зря (кстати, в предыдущем варианте тоже, так как насосу приходится преодолевать повышенное гидравлическое сопротивление). Конструктивно это реализуется следующим образом. В трубу до мембранного гидроаккумулятора врезается труба с краном, второй конец которой опускается в скважину. Регулируя проходное сечение крана, можно легко добиться необходимого фактического расхода насоса. Учитывая, что малодебитные песчаные скважины в основном используются для летних домиков, такой вариант вполне приемлем, так как суммарный перерасход электроэнергии будет не слишком велик.

Частотное регулирование электродвигателей погружных насосов. Ограничения.

Эффективность применения частотного регулирования электродвигателя погружного насоса на практике зависит от соблюдения ряда ограничивающих условий:

1) Длина кабеля, соединяющего частотный преобразователь с электродвигателем погружного насоса, является фактором, влияющим на появление пиковых импульсов напряжений (более 1000В) на вводе обмоток электродвигателя. Пиковые напряжения определяются качеством структуры широтно-импульсной модуляции (ШИМ-импульса) частотного преобразователя, скоростью (временем) нарастания модифицированного напряжения, длиной и типом кабеля, частотой переключения (несущей частоты), временем между соседними импульсами, управляющим напряжением. Периодические импульсные перенапряжения могут увеличить скорость старения изоляции обмоток электродвигателя (снижение диэлектрических характеристик) и сократить срок его службы. Для ограничения пиковых напряжений при значительной длине электрокабеля рекомендуется установка пассивных индуктивно-емкостных LC — или резистивно-емкостных RC- фильтров. Частотные преобразователи с LC- или RC- фильтрами позволяют получить ограничения «бросков» напряжений при длине кабеля до 100 м ( не более 850В) ;

2) Скорость обтекания потока жидкости вдоль радиаторной поверхности электродвигателя погружного насоса должна составлять не менее 50 см/с. Такая рекомендация связана с дополнительным тепловыделением в электродвигателе погружного насоса, управляемого частотным преобразователем. В случае невозможности добиться эффективной скорости охлаждения необходимо оснастить электродвигатель дополнительным охлаждающим кожухом, применить двигатель с запасом мощности или специальный двигатель промышленного назначения с большей теплостойкостью изоляции и большей площадью поверхности охлаждения;

3) Минимально допустимая частота оборотов вала электродвигателя не должна устанавливаться ниже 1800 об/мин (30Гц), что позволяет обеспечить минимальные условия смазывания подшипников электродвигателя погружного насоса и устранить риск «полусухого» трения;

4) Снижение номинальной производительности скважинного насоса более чем на 10-15% при сохранении статического напора неэффективно по причине существенного снижения КПД насоса. Для погружного скважинного насоса в системе, характеризующейся большим статическим напором, снижение частоты может привести к значительному снижению КПД, смещению «рабочей точки» насоса в левую неэффективную зону рабочей характеристики.

В насосных системах с большой статической составляющей в напорной характеристике более эффективным будет каскадное регулирование — подключение и отключение необходимого количества насосов, работающих в номинальном режиме. Для систем с преимущественным изменением динамической составляющей напора (производительности) лучшим вариантом остается частотное регулирование.

Наличие большой статической составляющей в напорной характеристике (что особенно характерно для применения глубинных насосов) регулирование скорости практически не дает экономического эффекта, но, тем не менее, позволяет значительно уменьшить габаритные размеры промежуточных гидроаккумуляторов, устранить гидродинамический удар, стабилизировать давление.

На рисунке видно, что изменение производительности и напора насоса не вызывает снижение КПД.

Как улучшить работу насосного оборудования с помощью частотных преобразователей

Повышение эффективности работы оборудования и снижение затрат на его содержание — важные задачи для хозяйственной деятельности любого масштаба. Добиться заметных результатов поможет модернизация электронасосов. Включение в цепочку управления насоса частотного преобразователя позволяет сделать его работу лучше и экономичнее.

ПЧ — современная интеллектуальная техника

Преобразователи частоты (ПЧ, частотники) — высокотехнологичные приборы с микропроцессором и множеством интеллектуальных функций. ПЧ регулируют скорость и/или момент электроприводов переменного тока различного назначения и мощности. Управление происходит путем подачи на обмотки привода напряжения заданной величины и частоты. Частотники со встроенным инвертором не ограничены характеристиками входящей электросети и способны на выходе выдавать все необходимые показатели. Благодаря интеллектуальным алгоритмам и широкому диапазону значений, прибор может производить плавный пуск и остановку привода, стабильно держать обороты и быстро их изменять.

Частотное регулирование насосов

Электронасос состоит из двух основных узлов — ротора и электродвигателя. Частотники созданы для управления электромоторами, поэтому они отлично справляются с насосным оборудованием. Любой электронасос можно модернизировать с помощью ПЧ.

Насосы бывают разные, соответственно и частотники нужно подбирать подходящие. Универсальные общепромышленные ПЧ регулируют работу всевозможных электроприводов в большом диапазоне мощностей. Для управления 1-фазными и 3-фазными насосами можно использовать, например, «Веспер» из линейки EI-7011.

Более выгодный вариант — купить специализированный частотный преобразователь для насоса (например, «Веспер» E5-Р7500). Специальные насосные ПЧ разработаны для выполнения определенных действий, и в набор опций включено все необходимое. Есть частотный преобразователь для скважинного насоса, для поверхностного, для колодезного, для циркуляционного и др. При таком выборе, не нужно тратить деньги на функционал, который не понадобится.

Важно, чтобы частотник для насоса, помимо набора возможностей, согласовывался с управляемым электроприводом по мощностным характеристикам. Поэтому производители заранее указывают в технической документации, какой ПЧ оптимально подойдет к их оборудованию. Если подобные рекомендации отсутствуют, лучше обратиться к специалистам. Инженеры компании «Веспер» обладают большим практическим опытом, и помогут подобрать самую подходящую модель.

Работа насосной станции в тандеме с частотником

Классическая водонасосная система, без частотника в управляющем контуре, функционирует по схеме дросселирования. Управление осуществляется при помощи реле (блока автоматики) или же ручным методом. Электронасос работает в такой системе с максимальной производительностью, а давление регулируется задвижками. Резкий старт вызывает перегрузки в электросети и создает гидроудары в трубопроводе. Как следствие, система быстро деградирует.

Схема без ПЧ имеет существенные недостатки:

• вода подается с перебоями;
• расходуется много электричества;
• оборудование быстро изнашивается;
• часто происходят аварии.

Включение в контур управления насосами частотного преобразователя помогает успешно справиться с недостатками и получить массу преимуществ. Например, интеллектуальные ПЧ «Веспер» качественно управляют работой водонасосной станции и регулируют напор в соответствии с потребностями.

Алгоритм прост. С помощью сенсоров частотник постоянно мониторит уровень давления в трубопроводе (и/или количество жидкости в резервуаре). Микропроцессор автоматически регулирует давление, плавно и бережно изменяет производительность насоса, без перегрузки электросети и гидроударов при старте. Плавность разгона электродвигателя можно настроить самостоятельно.

Водонасосные станции с ПЧ, плюсы и минусы модернизации

Преобразователи частоты можно установить на насосы самого различного назначения. Но для установок подачи горячей/холодной воды и отопления они просто незаменимы. Станция может работать автоматически. Масштаб системы не имеет значения (промышленные установки, бытовые миниводокачки на один дом). В любое время, 24/7, качество подачи воды будет неизменно высоким.

Плюсы схемы с ПЧ:

• экономия электричества;
• стабильный напор;
• исключена работа на сухую (без воды);
• температура горячей воды не скачет;
• оптимальное давление в трубах;
• продлевается ресурс насоса;
• меньше шума;
• конструкция упрощается.

Минусы схемы с ПЧ:

• нужно купить прибор;
• требуется специалист для запуска оборудования.

Эти недостатки быстро перекрываются за счет снижения стоимости владения и повышения уровня комфорта.