Автоматизация насосной станции с применением частотно-регулируемого электропривода

Почему используют частотники

Есть несколько причин, почему рекомендуют использовать частотник для насосов:

1. Он защищает электродвигатель от токовых перегрузок и скачков напряжения.
2. Он нивелирует возникновение разрушительных водяных ударов, сглаживая пусковые моменты двигателей.
3. Он защищает насос от работы в холостую.
4. Он на 30-50% увеличивает экономичность функционирования насоса, а также снижает количество его поломок.

Все частотные преобразователи оснащены специальным датчиком давления, который автоматически включает или выключает насос, при этом контролируя, чтобы заданное пользователем давление в системе оставалось неизменным.

Это предоставляет возможность свободно перекачивать независимо от ее температуры и даже качать агрессивные жидкости.

Как выбрать преобразователи частоты.

Производители силовой электроники выпускают общепромышленные специализированные преобразователи частоты. Модельные линейки устройств специального назначения включают серии для насосных агрегатов и станций.

Частотные преобразователи такого типа имеют ряд специальных функций. Такие устройства не требуют сложной настройки, программное обеспечение, ПИД или ПИ регуляторы, опции регулирования уже содержит заводской комплект.

Для управления насосом или группой агрегатов можно приспособить общепромышленный преобразователь, однако программирование и настройка таких устройств занимает много времени, а также требует установки специального ПО. Лучше приобрести частотник специального назначения.

Примерный набор специальных функций преобразователей частоты для насосов:

• Групповое управление несколькими агрегатами.
• Режим сброса осевших загрязнений.
• Подавление механического резонанса.
• Предпусковая сушка электродвигателя.
• Защита от «сухого хода», заклинивания вала.
• Режим заполнения трубопровода.
• Пожарный режим (для устройств насосов установок или систем автоматического тушения огня).
• Специальные алгоритмы автоматического регулирования работы насосных агрегатов.

Функции оборудования зависят от модели и назначения устройства. Производители преобразователей выпускают линейки однофазных преобразователей для насосов бытового назначения с простейшим функциональным набором, серии для мощных полностью автоматизированных насосных станций.

Ряд производителей насосов, например, Wilo, Grundfos, POMPE ZANNI и другие поставляют агрегаты с приводом, куда уже встроен преобразователь частоты. Такие устройства не требуют сложной наладки. После простой адаптации к системе, оборудование полностью готово к работе.

Для модернизации электроприводов и при замене двигателей, а также при построении системы автоматизации и управления крупными насосами или станциями, преобразователь частоты подбирают по параметрам.

Устройства для частотно-регулируемого привода выбирают:

По электрическим характеристикам. Номинальное напряжение, ток, количество фаз электродвигателя должны соответствовать аналогичным параметрам устройства частотного регулирования. Мощность преобразователя лучше выбирать с запасом 10-20%. Пуск двигателей насосных агрегатов проходит в легких или средних режимах, большой запас мощности и высокая перегрузочная способность частотного преобразователя в этом случае не нужны.

По типу электродвигателя. В качестве привода насосов применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором, синхронные двигатели с пусковыми обмотками и постоянными магнитами. Преобразователь должен быть адаптирован для работы с конкретным типом электрической машины.

По диапазону частот. Для циркуляционных низкоскоростных насосов достаточно преобразователя с интервалом регулирования частоты выходного напряжения от 200 до 400 Гц, для глубинных и скважных насосов с высоким напором нужно устройство от 200-800 Гц. Производитель преобразователей обычно указывает диапазон регулировки в об/мин. Это значительно упрощает выбор.

По количеству входов и выходов для датчиков и удаленных устройств управления, поддерживаемым протоколам связи. При выборе частников для проводов, встраиваемых в системы автоматизации, нужно учитывать количество аналоговых, цифровых и релейных выходов и входов для подключения датчиков, ПК пунктов управления и контроля, панелей операторов. Количество управляющих входов и выходов должно превышать число подключаемого оборудования. Это позволит не покупать новый преобразователь при реконструкции или модернизации системы АСУТП. Преобразователь также должен поддерживать протоколы связи, применяемые в автоматизированной системе. Ведущие производители силовой электроники выпускают серии частотных преобразователей с возможностью установки карт поддержки различных протоколов обмена данными.

По классу защиты от пыли и влаги. Исполнение корпуса частотного преобразователя IP должно соответствовать условиям эксплуатации. Устройства IP20-40 размещают в сухих незапыленных помещениях или электротехнических шкафах управления. Преобразователи в корпусе IP54 и IP65 можно устанавливать в местах с высокой влажностью, запыленных помещениях. Допускается размещать устройства рядом с насосом.

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.

Сферы применения частотно-регулируемых приводов насосного оборудования

Частотными регуляторами комплектуют:

• Насосные агрегаты для подачи питьевой и хозяйственной воды. Комплектация частотными преобразователями обеспечивает оптимальный режим полива и водоснабжения. ЧП используют как в промышленных, так и в бытовых сетях. Для бытовых насосов многие производители выпускают однофазные преобразователи.
• Циркуляционные насосы систем охлаждения и отопления. Преобразователи частоты в этих системах осуществляют регулирование подачи теплоносителей по температуре, давлению, расходу и обеспечивают отвод или подачу тепла с минимальным расходом электроэнергии.
• Насосы для систем тушения пожаров. Частотные преобразователи поддерживают необходимую производительность сетевых насосов, обеспечивают запуск основных агрегатов при возгорании.
• Насосах, применяемых в других сферах. Электропривод с ЧП широко используется в насосах-дозаторах в химической промышленности, а также других областях.

Главные достоинства частотно-регулируемых приводов насосных агрегатов – снижение энергопотребления на 35 % и более, оптимизация параметров систем водоподачи, экономия воды, тепла.

К недостаткам частотного регулирования обычно относят высокую стоимость частотных преобразователей. За счет значительной экономии ресурсов и улучшения водоснабжения преобразователи частоты достаточно быстро окупают себя. Их внедрение дает хороший экономический и технический эффект.

Плюсы применения частотного преобразователя

1. Стабилизация напора. Установка ЧП поддерживает давление в трубе на нужном уровне (значение выставляется пользователем) независимо от времени суток, количества открытых кранов и конфигурации магистрали. В этом и еще ряд плюсов: при ГВС с помощью проточного водонагревателя температура жидкости неизменна; бытовые приборы, подключенные к водопроводу, работают в оптимальном режиме.
2. Предохранение насоса от перегрева. В состав частотного преобразователя входит реле протока. Следовательно, перекачивающее устройство защищено от «сухого хода».
3. Плавный пуск. Он исключает перегрузки при подаче напряжения на эл/двигатель.
4. Оптимизация расхода эл/энергии. Так как насос постоянно переводится с одного режима на другой, эн/потребление становится экономичнее. Если перекачивающее устройство большой мощности, снижение достигает 50%. По некоторым оценкам, только на этом частотный преобразователь окупается примерно через 1,5 года.
5. Снижение риска протечек (прорывов в магистрали). Объясняется просто – давление поддерживается в пределах нормы, а потому и аварийные ситуации по причине его скачков исключены. Получается, что частотный преобразователь опосредованно дает экономию на материалах и времени, необходимом для устранения неполадок в системе. Следовательно, и связанного с этим перерасхода воды (проникновение в грунт, растекание по полу цокольного этажа) не будет.
6. Повышение ресурса насоса. Частотный преобразователь регулирует силу тока и напряжения (0 – 230 В), а отсутствие их резких скачков продляет эксплуатационный срок перекачивающего устройства.
7. Дистанционное управление. В некоторых моделях ЧП имеется USB (COM) порт, и менять настройки можно с ПК; дополнительное удобство для пользователя.
8. Аварийное отключение насоса. Следовательно, одна из функций частотного преобразователя – защитная.
9. Отпадает необходимость включения в схему гидроаккумулятора. При совместной работе насоса и ЧП он попросту не нужен.

Особенности монтажа

Преобразователь устанавливается в шкаф, где сосредоточено все управление системами насосов, или в иное место с обязательным соблюдением требований, обеспечивающих функционирование инвертора. Для качественной установки необходимо соблюсти следующие условия:

• инвертор необходимо устанавливать в хорошо проветриваемых местах;
• диапазон температур в помещении должен быть от 10 до 45 градусов и влажность не более 90%;
• нельзя допускать попадания воды на устройство;
• не устанавливать преобразователь в местах с повышенной пожароопасностью;
• исключить возможность воздействия прямых солнечных лучей;
• устанавливать преобразователь на твердую жесткую основу, не подверженную вибрациям;
• не устанавливать инвертор в местах электромагнитного излучения.

Что собой представляют частотные преобразователи

Часто производители водонасосов еще на этапе сборки их конструкций включают в них частотные преобразователи. Например, как в насосах Грундфос, которые пользуются высоким спросом. В более дорогих моделях в качестве преобразователей используются микропроцессоры, тем не менее, не во всех насосах предусматриваются преобразователи частоты и может потребоваться их отдельное приобретение и установка.

Таким образом вы можете выбрать насос в котором уже есть частотный преобразователь для насоса и всеми опциями, так и приобретать их отдельно с возможностью подключением дополнительных возможностей, зависимо от меняющихся потребностей.

Инверторы для насосов представляют собой сочетание асинхронного двигателя с фазным ротором, который работает в режиме генератора-преобразователя. Им управляет микропроцессор, оснащенный большим функционалом, а сам частотник, несмотря на достаточно сложную конструкцию, имеет простой интерфейс, благодаря которому им сможет легко управлять обычный пользователь.

Частотный регулятор на водяной насос устанавливается на электродвигателе, в месте расположения штатной клемной коробки или на стене, в специальном шкафу. Сами инверторы отличаются по мощности и весу и характеризуются наличием надежной защиты от перегрузки.

Принцип работы частотного насоса

Использование циркуляционного насоса с частотным управлением может решить массу проблем. Он сам определяет для себя режимы работы, поскольку моментально адаптируется под перепады давления в отопительном контуре. Частотный преобразователь внутри управляет оборотами двигателя, и как только сопротивления в системе отопления начинает увеличиваться, с помощью частотного преобразователя, сразу же уменьшаются обороты двигателя. Это позволяет стабилизировать давление на выходе и поддерживать данное давление на заданном уровне. В таких условиях частотный насос работает в щадящем режиме, что положительного сказывается на сроке его службы, и не ведёт к неоправданному расходу электроэнергии.

С помощью частотного насоса достигаются идеальные параметры работы системы отопления, в которой применяются термостатические вентили. Также отсутствие перепадов давления положительно сказывается на сроке службы трубных соединений и фитингов, а также на состоянии самих труб и теплообменника. Также такие насосы имеют некоторые конструкционные особенности, которые отличают данные устройства от обычных циркуляционных насосов. Насосы с частотным преобразованием изготовлены с применением постоянных магнитов, что позволяет существенно снизить потребление электроэнергии.

Частотник можно сравнить с энергосберегающей лампой, которая хоть и дороже обычной, но приносит ощутимую экономию при длительном использовании. Насосы частотного типа также экономят бюджет пользователя, хоть и сам насос стоит немного дороже, чем его классический собрат. При использовании частотного насоса в системах отопления на долговременной основе, экономический эффект — очевиден. Частые перепады давления в отопительном контуре могут со временем вывести обычный циркуляционный насос из строя, а данный элемент системы отопления является одним из самых дорогостоящих. Частотный же насос работает в оптимальных условиях, и имеет вдвое больший срок эксплуатации.

2 Рекомендации по выбору и установке оборудования

Если используемый вами насос не обладает встроенным частотным преобразователем, то приобрести и установить такой регулятор мощности можно самостоятельно. Как правило производители насосов в техническом паспорте указывают, какой конкретно преобразователь подойдет к данном модели оборудования.

Если же рекомендаций нету, и выбор прибора полностью лег на ваши плечи, руководствуйтесь следующими критериями:

1. Мощность — преобразователь напряжения всегда подбирается исходя из мощности электропривода, к которому он подключается.
2. Входное напряжения — указывает на силу тока, при которой преобразователь остается работоспособным. Тут необходимо выбирать с оглядкой на колебания, которые могут быть в вашей электросети (пониженное напряжение приводит к остановке прибора, при повышенном он может попросту выйти из строя). Также учитывайте тип двигателя насоса — трех, двух или однофазный.
3. Диапазон частот регулировки — для скважинных насосов оптимальным будет диапазон 200-600 Гц (зависит от изначальной мощности насоса), для циркуляционных 200-350 Гц.
4. Количество ходов и выходов управления — чем их больше, тем больше команд и, как следствие, режимов работы преобразователя в сможете настроить. Автоматика позволяет задать скорость оборотов при пуске, несколько режимов максимальных оборотов, темпы разгона и т.д.
5. Способ управления — для скважинной насосной станции удобнее всего будет выносное управление, которое можно расположить внутри дома, тогда как для циркуляционных насосов отлично подойдет преобразователь с пультом ДУ.

Циркуляционный насос Грундфос с частотным преобразователем

Если вы отсеяли все представленные на рынке приборы и столкнулись с тем, что подходящего по характеристикам оборудования попросту нет, необходимо сузить критерии выбора до ключевого фактора — потребляемого двигателем тока, по которому подбирается номинальная мощность преобразователя.

Также выбирая блок управления частотой, особенно от отечественных либо китайских производителей, учитывайте срок гарантийного обслуживания. По его продолжительности можно косвенно судить о надежности техники.

Пару слов о производителях. Ведущей компанией в данной сфере является фирма Grundfoss (Дания), которая поставляет на рынок свыше 15 различных моделей преобразователей. Так, для насосов с трехфазным электродвигателем подойдут модель Micro Drive FC101, для однофазных (работающих от стандартной электросети 220В) — FC51.

Более доступным в ценовом плане является оборудование компании Rockwell Automation (Германия). Фирма предлагаем линейку преобразователей PowerFlex 4 и 40 для маломощных циркуляционных насосов и серию PowerFlex 400 для скважинных насосных станций (от одного преобразователя могут работать сразу 3 параллельно подключенных насоса.

Учитывайте, что цена хорошего преобразователя подчас может доходить до стоимости насоса, поэтому подключение и настройка такого прибора должна выполняться исключительно специалистами.

Принцип работы и правила монтажа

Сначала следует разобраться, какой вам нужен частотник для скважинного насоса, и тогда будет проще осуществить его монтаж. Дело в том, что производители подобных агрегатов довольно-таки часто выпускают обсуждаемые устройства с предусмотренным по умолчанию ПЧ и тогда эта статья приобретёт для вас исключительно познавательный смысл. Но такая комплектация не всегда имеет место, следовательно, вам придётся покупать инвертор отдельно. Так что в магазине вы можете приобрести либо насос с частотным регулированием, либо без него.

Причины для использования ПЧ

В пользу насосов с частотным преобразователем можно назвать, как минимум, четыре причины:

• Прибор защищает электродвигатель от скачков напряжения, которые особенно актуальны за городом при слабом трансформаторе на ТП.
• Блокирует холостой ход агрегата.
• Благодаря отладке пускового момента, инвертор сглаживает водяной удар.
• Снижается потребление электроэнергии на 30-50%, тем самым повышается эксплуатационный ресурс насоса.

Комплектация и возможности ЧП

Каким бы ни был частотник для насоса (интегрированным или внешним), вам всё рано придётся оборудовать место для небольшой насосной станции, чтобы установить там гидроаккумулятор, реле давления, фильтры и т.д., так что место для ЧП всегда найдётся. Как правило, такую НС размещают в котельной, но в тех случаях, когда монтаж осуществляется в домашних условиях (частный сектор), то это может быть любая комната или утепленная яма.

Теперь немного подробнее о преобразователях, в зависимости от места размещения:

• Интегрированные. Для таких моделей не нужно отдельно покупать электрический привод – он уже либо закреплен на корпусе насоса, либо интегрирован в схему двигателя. Безусловно, такое оборудование стоит дороже, но, увы, за качество приходится платить.
• Внешние. У таких узлов есть некоторые преимущества, и они больше востребованы в промышленности. Дело в том, что в данном случае двигатели не ограничиваются по мощности, поэтому могут быть задействованы при бурении полезных ископаемых. Следует отметить, что наружные преобразователи никак не связаны с производством обговариваемых насосов, так как ЧП задействованы в разных сферах электротехники и электроники.

Если говорить о возможностях частотника для скважинного насоса, а также узла в целом, то это работа:

• узла с постоянной определенной характеристикой;
• с возможностью компенсировать перепады давления (плюс датчик давления);
• с поддержанием регулируемого объема жидкости (плюс расходомер).

Пояснение: к примеру, для поддержания постоянного давления в системе холодного водоснабжения лопасти турбины должны вращаться с определённой скоростью. Если кто-то открыл кран, они завертятся быстрее, а если закрыл – сбавят обороты или вообще остановятся.

Снижение расхода электроэнергии

Подавляющее большинство инженерных коммуникаций в промышленном и жилом секторе, на подпитку которых нужна электроэнергия, используют её в разном количестве. Это означает, что разница между пиковой и потенциальной фазой потребления меняется чуть ли не в два раза. Это зависит от времени суток (день или ночь), времени года (потребность кондиционирования и/или отопления), дней недели (рабочие или выходные дни). Но это не только бытовые электроприборы, но также водопотребление.

Например, в учебных заведениях во время каникул показатели чуть ли не нулевые, зато в это же время (особенно, на юге) резко возрастает приток жильцов в отелях и гостиницах. Все эти люди хотят пить, мыться, готовить еду, мыть посуду, делать влажную уборку и т.д, но для этого нужна вода. По понятным причинам в таких местах устанавливают наиболее мощное оборудование, но вот, пик спадает, и что делать с этими мощностями? Вот здесь как раз и помогает частотное регулирование насосов.

Технические характеристики насосов hp Technik разной модификации с интегрированными электроприводами:

Частотный преобразователь для электродвигателя: назначение и функции

Инверторный преобразователь частоты — электронное устройство для изменения частоты электрического тока и напряжения. Пределы изменений солидные. Частота может меняться от 1 Гц до 500 Гц. И это не максимум, а предел регулировки нормального частотника. Современные частотные инверторы делают на основе электроники, что позволяет точно поддерживать частоту и напряжение. При желании можно создать условия для плавного старта. Все это позволяет применять относительно недорогие электромоторы постоянного тока там, где раньше это было невозможно.

Некоторые частотные преобразователи управляются микропроцессорами

Частотный инвертор с асинхронным электромотором

Асинхронные двигатели при включении потребляют в разы больше энергии чем при штатной работе. Пусковые токи могут быть в 6-8 раз выше рабочих. Такие мгновенные скачки просаживают сеть. Напряжение резко падает, потом также скачкообразно восстанавливается. При включении особо мощного движка, сетевые параметры изменяются настолько сильно, что воспринимаются чувствительной техникой как пропадание. В результате перезапускается компьютерная техника, моргают или совсем гаснут лампы, перегорают блоки питания у котлов отопления и т.д.

Раньше остроту проблемы снижали установкой конденсаторов, которые сглаживали скачки. Но конденсаторы требуются большой емкости — по 70 мкФ на каждый киловатт мощности, плюс такую же емкость необходимо подключать для нейтрализации пускового тока. Но даже в этом случае скачки были, как и перегрузки двигателя на старте. К тому же подключение через емкость «съедало» значительную часть мощности мотора. Для компенсации потери необходимо было покупать более мощные агрегаты, ставить более мощные пусковые конденсаторы. В общем, решение не лучшее, но другого по сути, не было.

Преобразователи частоты выбирают по мощности подключаемого оборудования (должен быть запас не менее 20%) и по току (тоже с запасом)

С появлением преобразователей частоты (ПЧ) проблема решается намного эффективнее. Основная функция этого оборудования — плавный и постепенный разгон двигателя с нуля до полной мощности. На протяжении определенного промежутка времени (может задаваться, а может быть фиксированной величиной), подаваемый на двигатель ток плавно изменяет свои параметры, выводя движок на рабочий режим. Никаких перегрузок, влияния на сети. И конденсаторы не нужны, значит мощность двигателя может быть примерно на 40% меньше чем раньше (именно настолько она снижалась с конденсаторами). Точно так же, постепенно, происходит отключение. Электромотор постепенно замедляется, затем останавливается. В общем, частотный преобразователь для электродвигателя продлевает срок его эксплуатации, убирает проблему пусковых токов, стабилизирует параметры сети.

Что дает применение частотного инвертора с синхронным двигателем

Синхронные электродвигатели постоянного тока имеют несложное устройство, после выхода на требуемую скорость работают стабильно. Недостатки — сложности с пуском и невозможность регулирования частоты вращения вала. Проблему пуска давно научились обходить — делают асинхронную пусковую обмотку, которой разгоняют до нужной частоты. А вот невозможность менять скорость очень сильно ограничивает область применения. Не так много устройств, в которых нет необходимости в разных скоростных режимах работы двигателя. Это вентсистемы, кулеры.

Таблица с несколькими моделями, их параметрами и ценами

Если с синхронным электродвигателем использовать частотный преобразователь, проблема изменения скоростей решается на раз. Причем эта связка  работает настолько удачно, что японцы уже выпустили новые электропоезда на такой тяге. Стало появляться и другое подобное оборудование. Причем не только тяговое — новые электроинструменты некоторые производители стали выпускать с такими моторами. Да, стоит такое оборудование дороже, но имеет хороший КПД, работает стабильно.