Частотный преобразователь как средство повышения эффективности насосов

Оптимизация процессов и сокращение издержек важны на любом уровне — от крупного предприятия до частного индивидуального хозяйства. Существенно повысить эффективность помогает модернизация насосного оборудования. Включение в систему частотного преобразователя для управления насосами улучшает качество работы и заметно экономит денежные средства на обслуживание и ремонт.

Что такое преобразователь частоты, зачем он нужен

Частотный преобразователь (ПЧ, преобразователь частоты, частотник, частотный регулятор) — современное высокотехнологичное устройство с микропроцессорным управлением, множеством функций и гибкими настройками.

Частотники созданы для качественного контроля скорости и/или момента электродвигателей переменного тока любого назначения, методом согласованного изменения выходной частоты и напряжения. Современные модели способны преобразовывать 50 Гц входящей электросети в необходимые значения. Встроенный инвертор формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках контролируемого электродвигателя. Благодаря этому можно плавно запускать и останавливать двигатель, поддерживать его обороты в нужном диапазоне и оперативно изменять их до нужных значений.

В насосных системах функцию привода выполняет электродвигатель. Поэтому для управления насосом частотник подходит наиболее оптимально. Практически любой электронасос можно дооснастить преобразователем.

Разновидностей ПЧ существует множество. Для управления однофазными и трехфазными электронасосами используют универсальные общепромышленные (например, «Веспер» из линейки EI-7011), которые управляют любыми электродвигателями в широком диапазоне мощностей.

Но выгоднее купить для насосов специализированный частотный преобразователь (например, «Веспер» E5-Р7500. Такие модели ПЧ настроены на выполнение конкретного круга задач, заранее оснащены всем необходимым — переплачивать за лишний функционал не нужно.

Помимо опций и функционала, преобразователь частоты для насоса должен соответствовать мощностным характеристикам управляемого привода. Производители насосов в техническом паспорте указывают, какой преобразователь подойдет к данной модели оборудования. Если таких рекомендаций нет, за помощью по подбору можно обратиться к специалистам компании «Веспер».

Принцип работы преобразователя частоты в тандеме с насосом

Классическая водопроводная насосная система, без ПЧ в контуре, работает по принципу дросселирования. Электродвигатель в этой схеме постоянно работает на максимальных оборотах, а давление в системе регулируется запорной арматурой, управление в лучшем случае осуществляется с помощью реле или же вручную.

Метод имеет ряд существенных недостатков:

• быстрый износ оборудования;
• высокий расход электроэнергии;
• частые аварийные ситуации;
• низкое качество работы.

Лишь в периоды пикового потребления воды насос работает в режиме максимальной нагрузки. Во всех остальных случаях повышенная мощность оборудования не оправдана. Это учитывается в продвинутой классической схеме, за остановку и старт электронасоса отвечает автоматика (реле). Но так как реле не способно регулировать обороты привода, по сигналу происходит резкий старт на максимальные обороты. Это приводит к гидроударам и перегрузкам в электросети, в результате система быстро изнашивается.

Частотные преобразователи «Веспер» для управления насосами оснащены микропроцессорами с обратной связью. С их помощью можно интеллектуально и бережно регулировать работу оборудования в соответствии с текущими потребностями системы.

Алгоритм работы прост. Когда датчики фиксируют, что уровень давления в трубопроводе либо уровень в резервуаре упал ниже минимума, передается сигнал на преобразователь. Тот плавно запускает электромотор насоса, ударные нагрузки на трубопровод и электросеть исключаются. Подходящее время разгона электродвигателя можно выставить самостоятельно.

Датчики в режиме реального времени передают на преобразователь информацию в процессе разгона насоса. После того, как требуемые величины достигаются, ПЧ прекращает разгон и поддерживает частоту оборотов электромотора. Если уровень снова начнет падать или расти, микропроцессор автоматически отрегулирует давление, изменив производительность насоса. Параллельно частотник выполняет функции защиты (отключает оборудование при сильных колебаниях тока в электросети).

Где используются насосные пч, плюсы и минусы применения

Частотники можно использовать с насосными установками самого различного назначения. Особенно важны частотные преобразователи для насосов систем горячего и холодного водоснабжения, отопления. Результат модернизации конечный потребитель ощутит и оценит сразу же. Водонапорная система с ПЧ в составе функционирует полностью в автономном режиме. При этом качество подачи воды остается неизменным в любое время суток.

Масштаб системы не имеет значения. ПЧ способны заметно поднять эффективность промышленных насосных станций и бытовых колодезных и артезианских миниводокачек на один дом.

Преимущества управления насосами с преобразователем частоты:

• экономия электроэнергии (до 30–40%);
• исключена ситуация «сухого хода» (без воды в системе);
• нет температурных скачков при подаче горячей воды;
• стабильная сила напора;
• отсутствует избыточное давление в трубах;
• продлен ресурс электронасоса и трубопровода;
• снижен уровень шума;
• можно упростить систему, убрать из схемы гидроаккумулятор и др. ненужные узлы и агрегаты.

Минусы схемы с ПЧ:

• начальные вложения на покупку прибора;
• необходим специалист для подключения и настройки оборудования.

Эти недостатки быстро компенсируются за счет удешевления обслуживания. В результате сокращаются издержки на поддержание работоспособности и ремонт, стоимость владения в целом уменьшается, а комфорт заметно повышается.

Частотный преобразователь для насоса водоснабжения

Приводами насосных агрегатов служат асинхронные или синхронные электрические двигатели. Главный недостаток электрических машин переменного тока – затруднение регулировки частоты вращения ротора и высокие пусковые токи. От скорости вращения зависят основные характеристики насоса – производительность и напор.

Для регулировки рабочих параметров насосных агрегатов применяются:

• Задвижки, заслонки и вентили. Запорная арматура позволят изменять давление в сети, подачу жидкости.
• Каскадное включение и отключение. При этом несколько насосов подключают к сети параллельно, регулировка характеристик достигается изменением количества одновременно работающих агрегатов.
• Применение двигателей с фазным ротором. При этом рабочие параметры насоса регулируют путем изменения напряжения на обмотках.

Такие способы имеют ряд серьезных недостатков. При применении задвижек существенно увеличивается гидравлическое сопротивление сети и потери напора и давления, также возрастает вероятность гидравлических ударов.

Каскадная работа требует установки резервных насосов, при этом невозможно регулировать напор и расход в диапазоне производительности одного агрегата, а также плавно изменять напор и расход. Такой способ оправдан только в крупных сетях водоподачи теплоснабжения, а также в автономных системах с большим перепадом расхода.

Установка электродвигателя с фазным ротором позволяет изменять скорость вращения рабочего колеса. Это наиболее перспективой способ регулирования рабочих характеристик, однако, двигатели такого типа позволяют изменять скорость вращения в небольшом диапазоне. Кроме того, стоимость таких электрических машин существенно выше двигателей с короткозамкнутым ротором.

Для плавной регулировки производительности насосных агрегатов применяют преобразователи частоты. Принцип действия устройств основан на зависимости скорости вращения ротора от частоты тока и напряжения на обмотках электрической машины.

Регулирование напора и расхода насоса путем изменения частоты на обмотках статора лишен недостатков каскадного регулирования, изменения параметров путем регулировки пропускной способности труб запорно-регулирующей арматурой.

Преобразователи частоты могут применяться в цепях асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором, синхронных машин с обмотками и постоянными магнитами.

Принцип работы электропривода насосов с регулировкой производительности по давлению.

Самый распространенный способ регулирования подачи воды в небольших автономных водопроводных системах – изменение производительности по давлению. Насосные станции для таких систем состоят из одного или нескольких насосов с частотно-регулируемым приводом, датчика давления, напорного бака, устройства управления.

При нулевом потреблении воды в системе поддерживается постоянное давление. При открытии крана, давление в трубах падает. Датчик вырабатывает сигнал, который поступает на преобразователь частоты. Устройство плавно разгоняет двигатель насоса, увеличивая производительность агрегата, при этом давление в системе поддерживается на заданном уровне. Подача насосного агрегата изменяется пропорционально расходу.

На насосных станциях с несколькими насосами при дальнейшем увеличении производительности преобразователь частоты включает резервные агрегаты. При снижении расхода, устройство плавно снижает производительность.

В приводе циркуляционных насосов автономных систем отопления применяется частотно-регулируемая схема с изменением подачи теплоносителя по температуре и давлению. В схему добавлен датчик температуры, регулировка производительности осуществляется по 2 характеристикам.

Преимущества частотно-регулируемого привода насосов.

Устройства изменения частоты применяют как для привода насосов небольших автономных водопроводных и отопительных систем, так и для централизованных сетей отопления, горячего и холодного водоснабжения. Преобразователи частоты устанавливают также в электроприводах агрегатов подачи технологических жидкостей, высокоточных дозаторов, систем автоматического тушения пожаров и охлаждения.

Частотные преобразователи позволяют:

• Осуществлять плавный пуск. При запуске насоса на полную мощность резко увеличивается давление, что может привести к гидроударам. Кроме того, при старте на полном напряжении ток увеличивается в 3-5 раз и более. Преобразователи частоты снижают пусковые токи, а также снижают вероятность гидравлических ударов.
• Снизить потребление электроэнергии. При работе насосов на полузакрытые задвижки существенно снижается к.п.д. агрегатов. Преобразователи частоты позволяют регулировать подачу в зависимости от потребления путем изменения производительности. Это позволяет снизить потребляемую мощность на 20-70%.
• Осуществлять автоматическое управление. Современный преобразователь частоты – многофункциональное устройство. Оборудование позволяет регулировать расход и напор по нескольким характеристикам. Устройство также защищает двигатель и насос от перегрузок, перепадов напряжения, обрыва фаз, «сухого хода», заклинивания вала, других аварий и ненормальных режимов работы.
• Обеспечивать связь с удаленными пунктами управления. Промышленные преобразователи частоты, которые используют для насосных станций городского или сельского водоснабжения, централизованных сетях теплоснабжения, поддерживают базовые протоколы связи. Такие приводы встраиваются в сложные системы автоматизации.

При помощи специализированных устройств можно осуществлять групповое управление насосами на станциях, подключать и отключать резервные агрегаты, задавать алгоритмы управления.

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.

Как подключать частотный преобразователь к насосу.

Подключение частотного преобразователя к двигателю насосов осуществляется в соответствии с требованиями производителя и правилами устройства электроустановок ПУЭ:

• Перед преобразователем устанавливают автоматические выключатели или контакторы и предохранители. Коммутационные и защитные аппараты необходимы для долговременного отключения электропривода и аварийного отключения при коротких замыканиях. Электроаппараты выбирают по типовой методике.
• Сечение жил кабелей силовой цепи должно соответствовать потребляемому току. Марка кабеля и диаметр жил указывают в инструкции по монтажу. Входные и выходные силовые цепи, контрольные кабели управления прокладывают раздельно.
• Заземляют преобразователь отдельным проводом сечением не меньше диаметра жил питающего кабеля. Заземление присоединяют к общему контуру напрямую. Применять для заземления нулевой проводник запрещается.
• Для подключения датчиков и удаленного оборудования управления и контроля нужно использовать экранированные кабели. При длине линии больше 50 м в разрыв цепи устанавливают фильтры электромагнитных помех.
• Перед подключением обмотки двигателей соединяют в звезду или треугольник, исходя из номинального значения напряжения частотника. Двухскоростные электродвигатели с фазным ротором включают на одну скорость.

Все соединения выполняют в соответствии с требованиями безопасности и электромагнитной совместимости. При необходимости во входную и выходную цепь преобразователей включают фильтры гармоник. Соответствие подключений схеме и качество контактных соединений проверяют до наладки преобразователя.

Настройка преобразователей для насоса.

Перед наладкой и первым пуском насосных агрегатов еще раз проверяют подключения. Далее отключают подачу напряжения на двигатель и подают напряжение на частотный преобразователь. При этом должны заработать вентиляторы, засветиться дисплей, а на экране должно отобразиться сообщение “OFF”.

Затем переводят преобразователь в режим настройки, вводят характеристики двигателей, диапазоны скоростей, время разгона и остановки, другие характеристики. Устройства с автоматическим определением параметров двигателей переводят в режим адаптации.

После ввода и сохранения рабочих параметров настраивают специальные функции и задают режимы регулирования.

Далее подают напряжение в выходную цепь, проверяют направление вращения вала, работу двигателя во всех диапазонах.

Промышленные преобразователи в автоматизированных системах настраивают совместно с оборудованием управления и контроля. После внесения корректировок и окончательной настройки и полной адаптации привода насосный агрегат вводят в эксплуатацию.

Установка преобразователей частоты в приводы насосов эффективна практически во всех случаях. Устройства обеспечивают увеличение энергоэффективности (до IE 5 по стандарту IEC 60034-30 2008 в приводах с синхронными двигателями на постоянных магнитах), существенно снижают износ трубопровода и другого оборудования.