Частотный привод для насоса. Принцип работы и правила монтажа частотного преобразователя для насоса. Выбор частотного преобразователя для насосов

В корзине пока пусто

Частотные преобразователи для насосов систем водоснабжения

Первые насосы появились ещё в античные времена. В наши дни это, пожалуй, самое распространенное устройство, которое применяется практически повсеместно. Поверните рукоятку крана, из него потечет вода, которую подает насос. В каждом автомобиле работают несколько насосов для масла, топлива, воды, охлаждающей жидкости. Велосипедист не отправится в путь, не накачав насосом шины. При изготовлении электронной лампы из нее, выкачивают воздух. Насосы накачивают, выкачивают, откачивают и перекачивают воздух, воду, нефть, молоко, бензин и даже цемент. От водопровода до ракеты, от вентилятора до атомной станции - таков диапазон применения насосов.

Но сам по себе насос работать не может. Для приведения его в действие нужен электродвигатель и устройство регулирования давления/разрежения. Самым известным и распространенным способом регулирования в насосной системе является дросселирование, когда двигатель работает на полных оборотах, а регулирование давления в системе осуществляется с помощью запорной арматуры (задвижек, вентилей, отводов, шаровых кранов и т.д.). Если проводить параллели с управлением автомобилем, то дросселирование выглядит примерно так: водитель, нажав до упора педаль газа, регулирует скорость движения педалью тормоза.

Более рационально и эффективно управлять насосами позволяют частотные преобразователи, с помощью которых на двигатель подается необходимое количество энергии для создания и поддержания необходимого уровня давления/разрежения в системе, например в трубопроводе. При этом достигается до 30% экономии потребления энергии, а если учесть, что в течение срока службы двигатель расходует электроэнергии на сумму, намного превосходящую его стоимость, то это показатель оказывается чрезвычайно актуальным. К примеру, в течение года работы по 8 часов в день двигатель мощностью 11 кВт израсходует электроэнергии на сумму около 85 тыс. руб. Частотный преобразователь при таких параметрах работы окупится в течение года, и в дальнейшем будет приносить предприятию прибыль.

Рассмотрим описанные выше методы регулирования давления в насосной системе более подробно.

Мощность насоса для конкретной системы всегда рассчитывается по уровню максимально потребления, то есть с определённым запасом. На рис.1 продемонстрирована типовая схема вычисления необходимой мощности насоса. Голубой линией показана «кривая насоса» - подающая часть системы водоснабжения, которая отражает зависимость давления нагнетания от величины расхода жидкости (протока). Красная линия - это «кривая системы» - потребляющая часть водоснабжения, так же отображающая взаимозависимость расхода и давления жидкости, но в зеркальном отображении. Пересечение этих кривых является точкой оптимума, когда насос обеспечивает необходимый проток и требуемый уровень давления.

Но фактически в таком режиме система работает крайне редко, лишь в моменты пикового потребления. В остальное время расчётная мощность насоса оказывается чрезмерной, и тогда в системах без регулирования или с применением дросселирования происходит следующее: при снижении расхода насос создаёт избыточное давление, на создание которого расходуется дополнительная энергия. На рис.2 это наглядно показано.

Применение частотных преобразователей, за счёт снижения оборотов двигателя и как следствие подаваемой мощности позволяет изменить «кривую насоса» адаптировав её под «кривую системы»

Управление насосами систем водоснабжения

Как известно, расход воды на хозяйственные и бытовые нужды очень сильно колеблется в течение суток, во время выходных и праздников. Множество людей принимают душ, стирают, моют посуду одновременно в определённые часы суток и почти не пользуются водой в другое время, например, ночью. Это создает условия для возникновения таких проблем, как плохой напор воды в утренние и вечерние часы, значительные суточные колебания давления в системе водоснабжения и, как следствие, ускоренный износ труб и запорной арматуры.

К счастью, сегодня стабилизация давления не является такой уж сложной задачей. Сегодня уже более актуален вопрос повышения общей эффективности управления системами водоснабжения, то есть достижение максимальных результатов при минимальном энергопотреблении и незначительных капиталовложениях в модернизацию оборудования. Использование частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на насосных станциях позволяет блестяще справиться с этой задачей. Статистика показывает, что ЧРП способен снизить потребление энергии на насосных станциях от 30 до 50%, а срок их окупаемости составляет от одного до полутора лет.

Такая экономия достигается за счет того, что частотный преобразователь способен изменять частоту вращения электродвигателя плавно в широком диапазоне. Фактически, это обозначает, что электродвигатель насоса всегда будет потреблять ровно столько энергии, сколько необходимо для поддержания стабильного давления вне зависимости от текущего потребления системы водоснабжения в данный конкретный момент. Плавные пуск, останов и изменение частоты вращения двигателя позволяет также избежать гидравлических ударов в трубопроводах, сокращая потери воды и увеличивая срок безаварийной эксплуатации насоса, трубопровода, запорно-регулирующей арматуры и измерительных приборов.

Выбор частотного преобразователя для насосов

Компания Rockwell Automation предлагает частотные преобразователи для решения самых разнообразных задач управления насосами: от управления одиночными маломощными насосами, до каскадного управления группой насосов с автозаменой. Преобразователи PowerFlex могут питаться как от однофазной, так и трехфазной сети.

Однофазные преобразователи, используя одну фазу 220В, формируют на выходе трёхфазное синусоидальное напряжение для эффективного управления трехфазными двигателями без потери мощности и без применения фазосдвигающих цепей, конденсаторов. Такое решение предлагается для преобразователей , в диапазоне мощностей от 0,2 до 2,2 кВт.

Трёхфазные преобразователи способны работать в более широком диапазоне мощностей (от 0,2 до 250 кВт), ассортимент таких преобразователей дополнен моделями PowerFlex 40P и PowerFlex 400.

Для решения самых простых задач управления маломощными насосами доступны преобразователи PowerFlex 4, PowerFlex 4М, PowerFlex 40 и . Они позволят выполнять плавный пуск и останов, управление режимами разгона/торможения, защиту от «сухого хода», энергосбережение и т.д. Кроме того, PowerFlex 40 и 40P, помимо скалярного (U/f, вольт-частотного) имеют режим бездатчикового векторного управления двигателем. Такой режим отличается повышенной точностью управления и позволяет получить высокий крутящий момент двигателя на пониженных скоростях вращения. Приводы отличаются малыми габаритами, могут монтироваться с нулевыми зазорами, вплотную друг к другу и предлагаются в исполнении для работы от однофазной и трехфазной сети.

Для решения более сложных задач (автоматическое подержание давления, каскадное управление, управление заслонкой и т.п.) рекомендуется использовать преобразователи PowerFlex 400. Частотные преобразователи этой серии имеют встроенный контур ПИД-регулирования (пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование). Контур ПИД используется для поддержания обратной связи процесса, например давления, потока или натяжения, в соответствии с заданным значением. А такие дополнительные встроенные функции как каскадное управление тремя дополнительными двигателями и управления заслонкой в ряде случаев позволяют использовать без управляющего контроллера.

Встроенная функция управления дополнительными двигателями позволяет запустить до трех двигателей с непосредственным пуском в дополнение к тому двигателю, работа которого управляется напрямую приводом PowerFlex 400. Выход системы может изменяться от 0% до 400%. Функция автоматической замены распределяет нагрузку между двигателями путем периодической замены управляемого приводом двигателя дополнительными двигателями.

Встроенная логическая схема управления заслонкой, позволяет сэкономить на внешнем управляющем аппаратном и программном обеспечении. При подаче команда запуска привод формирует команду открытия/закрытия заслонки и контролирует поступление сигнала готовности. Когда заслонка находится в правильном положении, производится безопасный запуск привода.

Узнать более подробно о характеристиках рассмотренных выше приводов можно здесь:

Использование частотных преобразователей для управления насосами является в настоящее время необходимостью, а не роскошью. Благодаря частотному регулированию имеется возможность снизить потребление электроэнергии в моменты сниженного водопотребления, а также избавить от избыточного давления в сети, что, зачастую, является причиной аварий. Благодаря использованию частотных преобразователей появилась возможность поддержать постоянное давление воды у потребителя.

Каким же образом происходит преобразование частоты применительно к насосам?

Возьмем насос, который работает от двухполюсного двигателя со скоростью вращения вала 2800 оборотов в минуту, при этом на выходе насоса мы получаем номинальный напор и производительность. Теперь, при помощи частотного преобразователя , мы понизим частоту, что повлечет за собой понижение скорости вращения двигателя, а значит, изменится производительность насоса. При помощи датчика, информация о давлении в системе поступит в блок преобразователя частоты, и следовательно, на основании данных от датчика, изменится частота, подаваемая на электродвигатель.

Какие преобразователи частоты можно применять на насосные агрегаты?

Существуют различные производители, предлагающие специализированные частотные преобразователи для насосов , среди которых Vacon 100 Flow (новинка от финского производителя Vacon), INNOVERT VENT (Китай), и другие модели. Они отличаются компактностью, имеют удобный интерфейс и могут исполняться в различных степенях защиты (IP 21, IP 54, IP65). Самая высокая степень защиты- это IP 65, которая является влаго- и пылезащищенной, но при этом имеет более высокую цену.
Диапазон мощностей, в которых представлены преобразователи частоты, довольно широк: от 0,18 до 315 кВт и более, при питании 220 и 380В от сети 50-60Гц.

Применение частотных преобразователей для скважинных насосов

Для того, чтобы подобрать частотный преобразователь для скважинного насоса, необходимо учитывать глубину скважины. К примеру, при артезианской скважине более 100 м глубиной, необходимо использовать дроссели, которые позволяют увеличить износоустойчивость изоляции кабеля и уменьшить другие нежелательные эффекты.

Преобразователи частоты для глубинных насосов используются в артезианских системах водоснабжения как альтернатива водонапорной баше. Артезианские насосные станции, в которых используются преобразователи частоты значительно дешевле водонапорной башни, они исключают гидроудары в водопроводе, увеличивают термин работы глубинных насосов, улучшают эксплуатационные характеристики системы водоснабжения и дают экономию 25 – 40% электроэнергии.

Несмотря на все свои преимущества, преобразователи частоты иногда приводят к досадному разочарованию из-за проблем, возникающих при пуске глубинного насоса. Казалось бы, что все сделано правильно, преобразователи частоты выбирались не по мощности насоса, а по его номинальному току, настроили все параметры, а при пуске насос разгоняется до 20 – 25 Гц и преобразователь частоты отключается из-за перегрузки по току. Такой ситуации не пожелаешь никому, купили преобразователи частоты, а результата никакого.

Давайте рассмотрим основные причины, из-за которых мы «грешим» на преобразователи частоты и основные практические приемы, которые иногда помогают «уговорить» преобразователи частоты и они при неблагоприятно сложившихся обстоятельствах все-таки позволят обеспечить нормальное функционирование артезианской насосной станции.

Начнем с того, что добрая половина артезианских глубинных насосов работают с перемотанными электродвигателями, у которых рабочий ток значительно больше номинального паспортного значения на эти насосы. Вот и получается, что преобразователи частоты мы выбираем по номинальному току насоса, а реальный ток значительно больше. В таких ситуациях все наши «примочки», которые мы рассмотрим ниже, могут и не помочь, поэтому, выбирая преобразователи частоты, не поленитесь замерять реальный ток глубинного насоса – ведь токовые клещи есть у каждого электрика.

Теперь о водопогружном проводе, с помощью которого преобразователи частоты подключаются к артезианским глубинным насосам. Провод этот не дешевый и кое-кто «экономит» на его сечении, выбирая поменьше, чтобы было дешевле. Не делайте этого, нужно чтобы падение напряжения на всей длине водопогружного провода не превышало 2% от номинального значения питающего напряжения. Расчет сечения провода несложный и его может провести каждый, кто не забыл закон Ома. Если считать не охота, то можно воспользоваться таблицей, которая приводится в некоторых паспортах на погружные насосы. Для примера: мощность двигателя 2,2 кВт, ток 6 А, при длине провода 70 метров его сечение должно быть не менее 1,5 мм. квадратных, а при длине 200 метров – 4 мм. квадратных.

При высокой минерализации артезианской воды, особенно при наличии мела, иногда наблюдается «прикипание» подшипников и рабочих колес к корпусу насоса. В таких случаях преобразователи частоты не могут разогнать насос и отключаются из-за перегрузки по току. Для выхода из создавшегося положения необходимо включить насос в обратном направлении. В таком режиме глубинные насосы работают с меньшей нагрузкой, и преобразователи частоты могут разогнать насос, после чего необходимо восстановить рабочее направление вращения. Эти манипуляции можно провести вручную, а можно запрограммировать преобразователи частоты так, что они автоматически будут делать это сами при каждом пуске.

Если у Вас реальный ток двигателя не больше номинального тока преобразователя частоты, если сечение водопогружного провода в норме, если у Вас ничего не «прикипает», а преобразователи частоты при пуске насоса отключаются из-за перегрузки по току, то можно уменьшить частоту коммутации, например, до 1 кГц. Как ни странно, но уменьшение частоты коммутации иногда помогает решить проблему пуска глубинного насоса. Почему преобразователи частоты в таких случаях «работают» лучше мы рассматривать в этой статье не будем, а просто для себя отметим, что это связано с волновыми процессами, протекающими в длинной линии, которой является моторный кабель, соединяющий преобразователи частоты с глубинными насосами.

Далее, преобразователи частоты учитывают характеристику момента нагрузки приводного механизма и для работы с насосами они оптимизированы на квадратичную зависимость момента нагрузки от скорости. Однако зависимость момента нагрузки глубинного насоса от его скорости несколько отличается от квадратичной зависимости момента консольных и моноблочных насосов, особенно на низких скоростях, где глубинные насосы очень часто и «застряют». Чтобы преодолеть эту «нестыковку» приходится отказываться от оптимизированной квадратичной зависимости и выбирать постоянную характеристику нагрузочного момента, как для шнековых и спиральных компрессоров. При постоянном моменте преобразователи частоты без проблем разгоняют глубинный насос, но эффективность их работы, с точки зрения экономии электроэнергии, несколько хуже. Поэтому разгон глубинного насоса необходимо производить с постоянным моментом, а после разгона переходить на характеристику переменного момента.

Нетрудно заметить, что проблемы, о которых упоминалось выше, возникают тогда, когда преобразователи частоты выбираются тютелька в тютельку по номинальному току глубинного насоса без какого-либо запаса. Давайте вместе с Вами выберем преобразователь частоты для глубинного насоса, например, ЭЦВ 6-10-120, мощностью 5,5 кВт с номинальным током 14 А. Специализированный преобразователь частоты VLT FC 202, мощностью 7,5 кВт с номинальным током 16 А и с перегрузкой по току 110% в течение 60 секунд на первый взгляд вполне подходит, но практика эксплуатации свидетельствует о том, что при таком выборе постоянно приходится сталкиваться с проблемами пуска насоса. Если выбрать преобразователь частоты следующего типоразмера, мощностью 11 кВт с номинальным током 24 А, то Вы даже не будете догадываться о существующих проблемах пуска глубинных насосов. Запас никогда не помешает, преобразователи частоты будут работать в облегченном режиме, что благоприятно сказывается на их надежности и долговечности, кроме того, на преобразователи частоты, мощностью 11 кВт и выше поставляются запасные части, а на 7,5 кВт и ниже не поставляются. Что касается стоимости, то 11 кВт дороже на 25% за 7,5 кВт – выбор за Вами.

И в заключение хочется обратить Ваше внимание на то, что сервисный центр не только рассказывает о реальных проблемах и как с ними бороться, но и как официальный дистрибьютор Данфосс продает преобразователи частоты, и мы будем признательны, если Вы их купите у нас. Вам тоже выгодно сотрудничать с сервисным центром, ведь продать каждый сможет, а вот произвести ремонт или решить проблемы, возникающие в процессе работы, сможет далеко не каждый.

Большинство общепромышленных моделей частотных преобразователей можно использовать для управления насосами, но для этого необходимо их запрограммировать специальным образом.

Преобразователи частоты для насосов являются адаптированными приборами и показывают лучшие результаты в работе с насосным оборудованием. Частотные преобразователи для насосов более экономичны и функциональны в своей сфере.

Модели приборов и аналоги

Ниже в таблице представлен краткий обзор нескольких оптимизированных под управление насосами моделей. Подробную информацию по моделям можно получить на карточке соответствующего частотного преобразователя .

Области применения преобразователей частоты для насосов

ПЧ для насосов оптимизированы для следующих приложений:

• Системы вентиляции и кондиционирования (компрессоры и т.п.)
• ЖКХ, системы водоснабжения и водоотведения, отопления (насосы горячей/холодной воды, оборудование котельных, канализация)
• Энергетика (оборудование ТЭС, ТЭЦ, котлоагрегатов)
• Технологические линии в обогатительной отрасли (песковые, пульповые насосы)
• Прочие насосные агрегаты (станции подкачки для водопроводных сетей либо силовых распределительных пунктов)
• Погружные, скважинные насосы

Несмотря на вышеуказанные применения, такие приборы пригодны и для общепромышленного применения.

Назначение частотных преобразователей для насосов

• Оптимизированное управление в насосных системах с целью поддержания определенных параметров на заданном уровне (давление, температура, уровень, расход, потребление воды)
• Групповое управление насосами
• Экономия воды и электроэнергии на предприятиях, ресурсосбережение на станциях подкачки
• Защита трубопроводов от гидроударов, увеличение срока службы арматуры
• Полная защита электродвигателей в насосных установках
• Автоматизация насосных станций

Преимущества

Преобразователи частоты для насосов имеют преимущества:

• Как правило, имеют более высокий уровень защиты
• Благодаря своей специализации реализуют наиболее эффективное управление в насосных системах
• В большинстве случаев представляют собой многофункциональные устройства, способное полностью автоматизировать насосную станцию

Недостатки

На недостатки приборов влияют используемые в них принципов регулирования. В зависимости от того скалярный это или векторный преобразователь, ему присущи те или иные недостатки. (ссылки на страницы)

Принцип работы частотных преобразователей для насосов

Преобразователь частоты для насосов преобразует входное силовое напряжение в оптимальное для выбранного режима работы насоса выходное. При этом в системе формируется контур управления с обратной связью по выбранному параметру (например, по давлению воды в системе водоснабжения). Датчик давления передает информацию в электронный блок ПЧ, а преобразователь, в свою очередь, изменяет выход (частоту, напряжение) в ту или иную сторону для поддержания постоянного давления воды в трубопроводе.

Примеры представлены на рисунках:

Насосная станция на два насоса
(автоматическое поддержание давления, пуск дополнительного насоса от сети)