Частотный преобразователь для насоса: назначение, принцип работы и устройство

Содержание   

  1. Что собой представляют частотные преобразователи
    1. В чём разница между частотным насосом и классическим
    2. Функциональное назначение преобразователя частот в конструкции насоса
    3. Комплектации частотных преобразователей
    4. Преимущества частотно-регулируемого привода насосов.
    5. Недостатки
    6. Принцип работы частотных преобразователей для насосов
    7. Использование насоса в системах автономного водоснабжения и отопления
    8. Эффективность применения преобразователей для насосов
    9. Однофазный частотный преобразователь для насоса в рамках бытовой системы водоснабжения
    10. Однофазный преобразователь частоты для домашнего пользования
    11. Как подключать частотный преобразователь к насосу.
    12. Настройка преобразователей для насоса.
  2. Зачем нужен частотный преобразователь?
    1. Механические регуляторы
    2. Устройство и алгоритм работы
    3. Приборы для автоматического контроля
    4. Достоинства автоматического водоснабжения
    5. Как работает насос в паре с частотным преобразователем? (видео)
  3. Дополнительные возможности частотного насоса
    1. Энергопотребление и нагрев
    2. Положительное воздействие на элементы отопительной системы
    3. Плюсы применения частотного преобразователя
  4. Как выбирать и устанавливать оборудование?
    1. Где устанавливать преобразователь для насоса?
  5. Встроенные и внешние преобразователи частоты.
    1. Возможности частотно регулируемого насоса:
  6. Режимы управления частотными преобразователями
    1. Ручное управление.
    2. Внешнее управление.
  7. Модели преобразователей для насоса
  8. Фирмы производители и срок окупаемости
  9. Сферы применения
  10. Рекомендации по выбору и установке оборудования

1 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.

к меню ↑

1.1 В чём разница между частотным насосом и классическим

Обычный циркуляционный насос в условиях повышенной нагрузки продолжает работать в стандартном режиме, тем самым создавая избыточное давление на выходе, что влечет за собой повышенный расход электроэнергии. Частотный насос, в условиях снижения пропускной способности отопительного контура, снижает обороты при помощи частотного преобразователя, тем самым препятствуя созданию избыточного давления на выходе насоса, что существенно экономит электроэнергию.

При использовании обычных циркуляционных насосов в системах отопления, наряду с термостатическими вентилями, возникают посторонние шумы, связанные с перепадом давления в системе отопления. Эти посторонние шумы наиболее отчетливо слышны в ночное время, и оказывают раздражающее действие во время отдыха. Закрытие вентилей создаёт паразитные гидравлические сопротивления, которые увеличивают нагрузку на циркуляционный насос обычного типа, что не лучшим образом сказывается на его долговечности.

к меню ↑

1.2 Функциональное назначение преобразователя частот в конструкции насоса

Инвертор (частотный преобразователь) обеспечивает регуляцию работы насоса гораздо лучше, чем реле. Он работает в одно и то же время как стабилизатор, автоматика и регулятор рабочего процесса. Благодаря ему обеспечивается высокая эффективность прибора:

  • Снижается уровень подачи электричества, при необходимости, и частоты вращения двигателя, что способствует предохранению насоса от преждевременного износа.
  • Предотвращается образование в трубах избыточного давления.
  • Решается проблема со скачками напряжения, что также определённо увеличивает срок эксплуатации насоса.

Преимущественно уже в процессе сборки насосной станции вживляется частотный преобразователь. К числу подобных устройств нужно отнести модели весьма известного насоса Грундфос.

Визуально он представляет собой коробку оснащённую электроникой (несколько плат, датчик, осуществляющий замеры, и инвертор, выравнивающий уровень напряжения) и малогабаритным экраном.

Более дорогие образцы оснащены микропроцессорами. Могут быть встроены аккумуляторы, дополнительные выравниватели и так далее.

Используемые преобразователи могут быть однофазного или трёхфазного типа.

По принципу работы преобразователь частоты достаточно прост. Волна электрического тока подаётся на платы прибора. Расположенные там инверторы и стабилизаторы обеспечивают его выравнивание. Одновременно с этим датчик считывает данные давления и прочую значимую информацию.

Все сведения перенаправляются к блоку автоматики. Далее, преобразователь частоты осуществляет их оценку, определяя уровень мощности, который необходимо подать, и, в соответствии с этим, подавая необходимый для продолжения работы объём электроэнергии.

Как результат, преобразователь частоты может отрегулировать плавность запуска электродвигателей, уровень давления воды и остановку работы в критической ситуации. Перечень всех возложенных на частотник “обязанностей” постоянно расширяется ввиду производимых разработчиками усовершенствований.

Процесс управления действиями преобразователя осуществляется всего лишь нажатием нужной кнопки с ориентировкой на данные, отображаемые на экране. Более дорогие устройства способны распознать большее число команд. Самые качественные модели рассчитаны на несколько десятков рабочих режимов со сменой скорости и программы.

Затраты на инсталляцию и покупку преобразователя полностью компенсируются в течение одного года эксплуатации

Перечень положительных функций преобразователя частот:

  • Способность выравнивать входное напряжение.
  • Обеспечение регулировки мощности насоса.
  • Создание условий, позволяющих экономить электроэнергию.
  • Увеличение длительности эксплуатации насосного оборудования.
  • Предоставление возможности работы без гидроаккумулятора.
  • Стабилизация внутрисистемного давления.
  • Снижение уровня шумового воздействия насоса.

Также он работает как заместитель автоматики.

Отрицательные моменты:

  • Высокая себестоимость прибора.
  • Осуществление настройки и подключения обычно доступно только специалистам.

Преобразователь частот работает в конструкции насоса следующим образом: при значительном падении уровня давления в гидробаке (определяется с помощью реле), частотник получает соответствующий сигнал и даёт команду на запуск электромотора. При этом всё осуществляется “без резких движений”, мощность нарастает постепенно, обеспечивая страховку от гидравлической перегрузки. В настоящее время модели преобразователей обеспечивают регуляцию времени разгона от 5 до 30 секунд.

Пока осуществляется разгон преобразователь непрестанно получает сведения о том, каков уровень давления в трубопроводе. Как только этот уровень достигает нужного значения, разгон прекращается, работа двигателя продолжается на достигнутой частоте.

Основные функции преобразователя частоты

Управление расходом является одним из наиболее распространенных применений ЧРП. Реальные условия часто требуют пониженной скорости потока жидкости, поэтому возможность изменять скорость работы насоса для управления расходом имеет первостепенное значение. Для уменьшения потока в подавляющем большинстве случаев используются задвижки и клапаны, но эта стратегия не способствует энергосбережению. И наоборот, ЧРП может контролировать скорость потока, одновременно оптимизируя потребление электроэнергии.

Может возникнуть ситуация, когда оператору необходимо в определенное время дня запускать двигатель с максимальной производительностью, а в другое время работать на неполной нагрузке. Это и есть реальная причина популярности ЧРП, так как при работе на сниженных оборотах можно экономить электроэнергию и уменьшать эксплуатационные расходы. Если оператору необходимо просто запустить асинхронный двигатель с постоянной скоростью, которая меньше номинальной скорости двигателя, можно использовать редуктор. Однако, если исполнительный механизм представляет собой нагрузку с переменным крутящим моментом, то лучший вариант – это частотный преобразователь.

Например, представьте, что для запуска вентилятора на градирне используется асинхронный электродвигатель. Чем быстрее нужно вращаться вентилятору, тем он больше будет потреблять энергии. Из-за изменения условий внешней среды в течение дня температура окружающего воздуха может снизиться. Из-за этого, возможно, вентилятору достаточно работать на скорости, которая меньше, чем требовалось в жаркую часть дня. Вращаясь на полной скорости вентилятор тратит дорогостоящую энергию впустую в то время, как мог бы вращаться медленнее.

к меню ↑

1.3 Комплектации частотных преобразователей

На рынке представлено огромное количество моделей насосов с частотным регулированием на любой выбор с различным функционалом. Среди насосов с частотным преобразователем есть оборудование, оснащенное сразу всем необходимым для того, чтобы обеспечить безопасную и экономичную работу вашему насосу, а также те, которые нуждаются в дополнительной комплектации.

В первом случае вы получите более дорогую, универсальную и надежную конструкцию, а во втором – сам частотник будет недорогим, за то каждая приобретаемая опция будет стоить несколько дороже, а ее подключение и настройка должны будут производиться своими руками.

к меню ↑

1.4 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.

Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.

Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.   

Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.

Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов. 

Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

к меню ↑

1.5 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.

к меню ↑

1.6 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:

Насос (автоматическое поддержание заданного давления, энергосбережение)
Преобразователи частоты для насосов

Насосная станция на два насоса
(автоматическое поддержание давления, пуск дополнительного насоса от сети)
Преобразователи частоты для насосов

к меню ↑

1.7 Использование насоса в системах автономного водоснабжения и отопления

Модели насоса данной категории считаются весьма производительными, но отличаются чрезмерно высоким уровнем энергопотребления, что, конечно, затрудняет эксплуатацию. Снизить объём энергозатрат, уровень давления и продлить срок службы позволяют конечно же частотные преобразователи.

Большая часть современных насосов спроектирована в соответствии с принципом дросселирования. Электрические моторы этих механизмов находятся в режиме работы на верхнем мощностном пределе, то есть буквально на износ. Зачастую из-за отсутствия плавности при включении наблюдаются мощные гидравлические удары, портящие конструкцию насоса. Чтобы точно настроить такой механизм тоже нужно изрядно постараться.

Расчёт данных для насосного оборудования всегда производится исходя из предельного уровня мощности, хотя максимальную нагрузку механизм испытывает лишь эпизодически при пиковом потреблении воды, что случается нечасто. В остальное время осуществление работы на пределе возможностей совершенно неоправданна. Как раз в такие моменты частотный преобразователь для циркуляционного и скважинного насоса сокращает энергопотребление на 30 – 40 %.

Помимо прочего, использование частотного преобразователя в станции насоса обеспечивающего доставку воды позволяет предотвратить проблему “сухого хода”. Она актуальна в тех случаях, когда воды внутри системы нет, а двигатель работает дальше. Из-за “сухого хода” может произойти перегрев двигателя и  поломка механизма в целом. Это ещё раз доказывает необходимость использования преобразователя.

к меню ↑

1.8 Эффективность применения преобразователей для насосов

Суть работы частотного преобразователя основывается на плавном бесступенчатом регулировании скорости вращения вала двигателя, передающего нагрузку на связанные с ним механизмы. Наиболее часто использую преобразователи для однофазных двигателей, применяемых в насосах и работающих по принципу переменного вращающего момента. Кроме того, современные частотные устройства способны не только выполнять функцию управления, но и ряд других задач, в том числе и защитных, влияющих на эффективность работы насосного оборудования:

  • защищают насосы и электродвигатели от перегрузок;
  • выполняют защиту от перепадов напряжения;
  • предотвращают возможность возникновения коротких замыканий;
  • предотвращают перегрев двигателя насосного устройства;
  • предотвращают возникновение гидроударов в системе;
  • одинаково эффективное управление при использовании нескольких насосов;
  • максимально облегчают эксплуатацию насосных станций, проведение ремонтных операций, исключая существенные потери в водоснабжении.

Спроектированные на профессиональном уровне, использующие множество функций автоматической диагностики и определения параметров, а так же чётко построенный алгоритм работы, использование устройств для частотного регулирования насосами обрело множество выгодных решений, среди которых:

  • Автоматическое включение/отключение насосов и насосных станций по сигналу датчиков давления;
  • Автоподдержание давления при меняющемся расходе рабочего вещества;
  • Защита от включения насоса при отсутствии воды или закрытой задвижке;
  • Даёт возможность перекачивать различные типы жидкостей, в том числе и по температурному значению;
  • Выполняет сглаживание пусковых моментов, защищая от воздействия резких гидропотоков;
  • Способствует снижению энергозатрат на эксплуатацию систем;
  • Снижают потребление электрической энергии при любых допустимых условиях мощностной эксплуатации двигателя;
  • Возможность регулировать работу двигателей и, соответственно насосов на расстоянии, благодаря съёмному пульту управления и прочие.

к меню ↑

1.9 Однофазный частотный преобразователь для насоса в рамках бытовой системы водоснабжения

Эргономичность приборов является весьма значимым показателем в рамках бытового обслуживания. Улучшение данного параметра для системы водоснабжения, использующей маломощную однофазную модель насоса, затруднительно, поскольку для этого требуется преобразователь с входным/выходным уровнем напряжения 1×220В, а найти такой нелегко.

Обычно бытовые насосы не имеют нареканий по энергопотреблению, однако это не компенсирует затрат на покупку, ввиду её редкой эксплуатации.

Однако установка преобразователя при этом не теряет актуальности, поскольку он помогает поддержанию постоянного сетевого давления. Иначе говоря здесь осуществляется запрос на комфортную эксплуатацию.

chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

Особенно важна такая опция при использовании горячей воды. То есть, применение частотника избавляет от температурных скачков и изменения силы напора.

Однофазные преобразователи подходят как для погружных, так и для поверхностных насосов.

к меню ↑

1.10 Однофазный преобразователь частоты для домашнего пользования

Преобразователи стандартного типа обычно не оснащены гидравлическим подключением. Попытка самостоятельного модернизирования устройства под такие нужды может оказаться бесполезной, даже если за дело возьмётся специалист.

Осознавая данную проблему, производители, занимающиеся выпуском преобразователей частоты, создали специальный однофазный частотный преобразователь для насоса, обеспечивающего бытовые системы водоснабжения.

Одним из подобных преобразователей является SIRIO ENTRY 230, оснащённый гидравлическим подключением и способный к выполнению всех стандартных задач частотника.

к меню ↑

1.11 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.

к меню ↑

1.12 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.

к меню ↑

2 Зачем нужен частотный преобразователь?

Практически все современные насосы, реализующиеся в бюджетной и средней ценовой категории, спроектированы по принципу дросселирования. Электромотор таких агрегатов всегда работает на максимальной мощности, а изменение расхода/давления подачи жидкости осуществляется посредством регулировки запорной арматуры, которая меняет сечение пропускного отверстия.

Такой принцип работы имеет ряд существенных недостатков, он провоцирует появление гидравлических ударов, так как сразу же после включения насос начинает качать воду по трубам на максимальной мощности. Также проблемой является высокое энергопотребление и быстрый износ компонентов системы — как насоса, так и запорной арматуры с трубопроводом. Да и о точной настройке такой системы водоснабжения дома из скважины речи быть не может.

Вышеописанные недостатки несвойственны насосам, оснащенным частотным преобразователем. Данный элемент позволяет эффективно управлять давлением, создаваемым в трубопроводе водоснабжения либо отопления, с помощью изменения величины поступающей на мотор электроэнергии.
Схема работы насоса в разных режимах

к меню ↑

2.1 Механические регуляторы

Вероятно, самым простым элементом автоматики для скважины является механический регулятор. Его также называют «реле давления». Он используется только для контроля давления. А устанавливаемый одновременно с регулятором гидроаккумулятор обеспечивает следующие важные функции:

  • исключает слишком частые запуски насоса, то есть делает работу оборудования рациональной и эффективной;
  • защищает систему от гидроудара, возникающего, как правило, при закрывании крана.

Реле давления

Регулятор (реле) давления – недорогой и простой в установке элемент. Принцип действия устройства заключается в создании давления воды в капсуле и автоматическом замыкании контактов. Причем их замыкание происходит при достижении определенного значения этого давления. Если происходит замыкание контактов, то насос включается, и гидроаккумулятор заполняется водой. В момент закрытия крана давление увеличивается, а контакты размыкаются.

Некоторые модели могут иметь манометры. Но это необязательное дополнение. Сами реле ставятся в любой точке трубы, потому что уровень давления в магистрали одинаков на всем ее протяжении.

Реле давления с манометром

Однако, несмотря на эффективность, такая автоматика как регулятор имеет недостаток – датчик «сухого хода» в нем отсутствует. Это означает, что при падении давления в полости скважины, вызванном отсутствием воды, реле продолжает работу и заставляет насос работать. Если хозяин не будет постоянно это отслеживать, оборудование просто утратит свою работоспособность.

к меню ↑

2.2 Устройство и алгоритм работы

Частотный преобразователь для насосов водоснабжения является электротехническим прибором, который преобразует постоянное напряжение электросети в переменное по предварительно заданной амплитуде и частоте. Практически все современные преобразователи выполнены по схеме двойного изменения тока. Такая конструкция состоит из 3-ех основных частей:

  • неуправляемый выпрямитель;
  • импульсный инвертор;
  • система управления.

Ключевым элементом конструкции является импульсный инвертор, который в свою очередь состоит из 5-8 ключей-транзисторов. К каждому из ключей подключается соответствующий элемент обмотки статора электромотора. В зарубежных преобразователях используются транзисторы класса IGBT, в российских — их отечественные аналоги.

Система управления представлена микропроцессором, который параллельно выполняет функции защиты (отключает насос при сильных колебаниях тока в электросети) и контроля. В скважинных насосах для воды управляющий элемент преобразователя подключается к реле давления, что позволяет функционировать насосной станции в полностью автоматическом режиме.
Экономия электроэнергии при использовании ЧП

Экономия электроэнергии при использовании ЧП

Алгоритм работы частотного преобразователя достаточно прост. Когда реле давления определяет, что уровень давления в гидробаке упал ниже допустимого минимума, передается сигнал на преобразователь и тот запускает электромотор насоса. Движок разгоняется плавно, что снижает воздействующие на систему гидравлические нагрузки. Современные преобразователи позволяют пользователю самостоятельно устанавливать время разгона электродвигателя в пределах 5-30 секунд.

Насосы в энергетике

В настоящее время применяется большое количество типов центробежных насосов различного назначения. Это насосы отечественного производства типов К (Км), Д, СЭ, Кс и т.д., а также насосы зарубежных фирм. По каждому из указанных типов разработана и выпускается широкая номенклатура различных номинальных производительностей и напоров, что позволяет в каждом конкретном случае подобрать требуемые характеристики.

Следует рассматривать в основном две возможные гидравлические схемы, в которых используются насосные установки. В первом случае это «проточные» схемы, в которых вода после насоса непосредственно разбирается из различных точек трубопроводной системы. Во втором — применяются циркуляционные системы, в которых водоразбор из трубопроводов не производится, или имеет незначительную величину. В дальнейшем будем рассматривать циркуляционные системы, широко распространенным примером которых являются водяные тепловые сети.

Регулирование насосов

Подбор и работа насосов производится в соответствии с гидравлическими характеристиками систем, для которых должен быть обеспечен требуемый расход теплоносителя или заданный уровень давлений. Это могут быть системы с постоянным или с переменным расходом перекачиваемой среды, связанным с изменением гидравлического сопротивления элементов. В реальной эксплуатации, как для тех, так и для других условий, как правило, необходимо регулирование параметров насосов, что обуславливается двумя факторами.

Во-первых, для циркуляционных систем с постоянным расходом воды, таких как, например, системы отопления при их независимом присоединении к тепловым сетям, необходимость регулирования обуславливается дискретностью номинальных характеристик насосов, которые почти всегда не полностью соответствуют гидравлическим характеристикам систем. При этом за счет регулирования достигается требуемое соответствие, обеспечиваемое поддержанием необходимого перепада давлений на входе в систему или прямого поддержания заданного расхода.

Во-вторых, для систем с переменным гидравлическим сопротивлением элементов, определяющимся работой различных регуляторов (например, регуляторы температуры воды на горячее водоснабжение в системах теплоснабжения и т.д.) необходимость регулирования насосов обуславливается изменением гидравлических характеристик присоединенной системы и соответствующим изменением расхода перекачиваемой воды. В этом случае задачей регулирования является только поддержание заданного перепада давлений (располагаемого напора) в присоединенной системе.

При регулировании насосов в циркуляционных системах производится поддержание давления на всасе циркуляционных насосов за счет работы насосов подпитки. Требуемый перепад давлений в системе обеспечивается поддержанием давления после насосов в подающем трубопроводе.

Принципиально возможно применение трех основных способов регулирования насосов: это регулирование дросселированием части развиваемого напора, регулирование перепуском части воды с нагнетания на всас насосов (регулирование рециркуляцией) и регулирование изменением частоты вращения вала насосного агрегата. В качестве последнего в дальнейшем будет рассматриваться в основном частотное регулирование электродвигателя насоса (ЧРП).

Для понимания процесса организации регулирования при указанных способах, ниже приведены соответствующие диаграммы (графики) совместных характеристик насосов с учетом работы регуляторов и присоединенной сети. При этом режим работы циркуляционной системы (расход воды и перепады давлений) определяется точкой пересечения гидравлических характеристик насоса и сети.

к меню ↑

2.3 Приборы для автоматического контроля

Чтобы осуществлять контроль над работой насосного оборудования, в систему водоснабжения, внедряются различные приборы. Что это за датчики, и каковы их функции?

Ознакомиться с их перечнем вам поможет небольшая инструкция, приведённая ниже:

Наименование прибора Какие функции на него возложены
Аварийное реле Отключение работающего агрегата в случае нарушения заданного режима работы.
Реле напряжения Защита двигателя от перепадов напряжения в сети.
Реле промежуточное Переключение электрических цепей в определённой последовательности.
Таймер (реле времени) Отсчёт времени, необходимого на выполнение операции, или протекания конкретного процесса.
Электроконтактный манометр Контролирует давление в трубопроводе, и управляет автоматическими цепями.
Термореле Контроль температуры сальников и подшипников.
Датчик уровня Подача сигнала на включение или остановку насоса, при изменении уровня, либо напора воды.
Вакуумное реле Поддержание заданного уровня разрежения в рабочей камере насоса или во всасывающей трубе.
Струйное реле Контролирует движение воды в трубопроводе.

Данные приборы чётко фиксируют любые изменения, происходящие в работающей системе. Чтобы их легче было отслеживать, режим работы насоса, либо насосной установки, включающей в себя несколько насосов, должен непрерывно регулироваться. Вот для этого и нужен частотный преобразователь.

Блок управления насосом (инвертор)

Электродвигатель насоса подключается через него, что позволяет привести в соответствие работу всей сети. Это особенно ценно для систем, в которых используется несколько насосов.

Для автономных водопроводов это тоже не редкость. Допустим, в случае большой удалённости скважины от дома, в сеть приходится внедрять ещё и повысительную насосную станцию.

В таких случаях, используют прибор, который называется: «инверторный блок управления для скважинного насоса» — именно его вы видите на фото сверху. Инвертор объединяет в себе различные комбинации контрольных приборов, которыми не оснащён сам насос, и в том числе, имеет встроенный преобразователь частот.

к меню ↑

2.4 Достоинства автоматического водоснабжения

Чтобы добиться максимально щадящего режима эксплуатации оборудования, на насосных станциях автоматизируют всё – начиная от запуска и остановки агрегатов, и заканчивая контролем расхода воды. Приборы, помогающие осуществлять тотальный контроль над системой, передают сигналы на табло в диспетчерском пункте.

Итак:

Наиболее важно вот что: плавный запуск и остановка двигателя насоса, сводит до нуля вероятность возникновения гидроударов, а бережный режим эксплуатации способствует продлению срока службы любого оборудования. При этом снижаются расходы, связанные с эксплуатацией водозабора.
Прежде всего, это расход электроэнергии

Её цена неуклонно растёт, и это ощущают все: как частные лица, так и предприятия. Частотное регулирование работы двигателей насосов даёт возможность уменьшить объёмы накопительных резервуаров, и даже полностью от них отказаться.

Для промышленных насосных станций – это ещё и возможность сокращения расходов на строительство, отопление и освещение технических помещений, а так же снижение числа персонала для их обслуживания. Причём, в одном пункте можно сосредоточить управление несколькими насосными станциями. Практика показывает, что все расходы, связанные с автоматизацией, окупаются уже в течение года.

к меню ↑

2.5 Как работает насос в паре с частотным преобразователем? (видео)

к меню ↑

3 Дополнительные возможности частотного насоса

Насосы с частотным преобразованием имеют специальный дисплей, на котором отображается информация об объёме перекачиваемого теплоносителя — в час. Также насосы данного типа имеют органы управления в виде кнопок, с помощью которых можно задавать вручную режимы работы насоса. Частотный насос, с помощью кнопок управления, можно настроить на обычный режим, что позволит использовать это устройство, как обычный нерегулируемый насос. Это делается по желанию пользователя, а также при необходимости установки частотного насоса в системах отопления, где не используется термостатические вентили. Режимы работы частотного насоса также отображаются на светодиодном дисплее.

к меню ↑

3.1 Энергопотребление и нагрев

В условиях максимальной нагрузки циркуляционный насос частотного типа расходует не более 20 Вт электроэнергии. И всё это благодаря тому, что в данном насосе используются постоянные магниты. При минимальном снижении оборотов частотный насос расходует всего 12-13 Вт, в то время как обычный циркуляционный насос постоянно расходует около 50 Вт — в среднем.

В условиях снижения пропускной способности отопительного контура, в силу закрытия термостатических вентилей, обычный насос продолжает работать на штатных оборотах, пытаясь преодолеть сопротивление. На выходе насоса растет давление, и вместе с тем повышается нагрев самого насоса, что также негативно сказывается на сроке его эксплуатации. Циркуляционный насос с частотным регулированием не имеет таких недостатков, поскольку он подстраивается под сопротивление отопительной системы, и его двигатель работает в комфортных условиях без излишнего нагрева. Частотный насос рассчитан для работы десятилетиями.

к меню ↑

3.2 Положительное воздействие на элементы отопительной системы

Также нивелирование частотным насосом перепадов давления в отопительном контуре благотворно сказывается на сроке службы расширительного бачка. Перепады давления заставляют резиновую мембрану, которая используется в расширительных бачках, сжиматься и растягиваться, что со временем приводит к выходу расширительного бачка из строя.

Отсутствие перепадов давления, которое гарантировано при использовании насоса с преобразователем, позволяет работать расширительному бачку практически в одном режиме, который не влечет за собой растягивание или сжимание резиновой мембраны. Всего лишь нужно чётко следить за давлением воздуха в расширительном бачке, и периодически подкачивать его. Это должен делать специалист, который обслуживает вашу систему отопления.

При использовании циркуляционного насоса с регулированием, гораздо дольше служат радиаторы. Это также связано напрямую с отсутствием перепадов давления в отопительном контуре, которые способствуют деформации радиаторов, что со временем приводит к появлению микротрещин, а затем и свищей.

к меню ↑

3.3 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.

к меню ↑

4 Как выбирать и устанавливать оборудование?

Стандартная комплектация насосной станции состоит из:

  • Погружного или поверхностного насоса;
  • Манометра;
  • Шланга, оснащённого нержавеющим покрытием;
  • Гидроаккумулятора;
  • Реле давления воды.

К дополнительному оборудованию относят:

  • Частотные преобразователи скважинных насосов;
  • Стабилизаторы напряжения;
  • Источники бесперебойного питания;
  • Датчик;
  • Блоки;
  • Управляющие реле т.д.

Если конструкция уже имеющегося насосного оборудования не оснащена преобразователем частот, то можно осуществить его самостоятельную установку. Обычно в прилагаемой к модели насоса документации имеются указания относительно того, с каким именно преобразователем может взаимодействовать насос данного типа.

В случае отсутствия подобной информации нужно, опираясь на значимые параметры, подобрать преобразователь самостоятельно:

  1. Уровень мощности.

Необходимо соответствие между мощностью электропривода и преобразователя.

  1. Значение входного напряжения.

Указание на то, при какой силе тока преобразователь работает. Здесь необходимо учитывать каковы могут быть потенциальные колебания в сети (низкий уровень напряжения провоцирует остановку, высокий – поломку).

  1. Категория двигателя насоса.

Однофазный, двухфазный или трёхфазный.

  1. Границы диапазона частотного управления.

Для скважинного насоса требуется 200 – 600 Гц (в зависимости от того, какова первичная мощность насоса), для циркулярного насоса – 200 – 350 Гц.

  1. Соответствие числа входов/выходов управления эксплуатационным потребностям.

Чем их больше, тем больше возможностей управления рабочим процессом.

  1. Выбор подходящего способа управления.

В случае со скважинным насосом – управление выносного типа, позволяющее осуществлять управление напрямую из дома, а циркуляционный насос отлично работает с пультом дистанционного управления.

Определять надёжность приобретаемых устройств нужно косвенно по длительности гарантийного срока. Соответственно, чем он больше, тем лучше качество.

к меню ↑

4.1 Где устанавливать преобразователь для насоса?

Частотные преобразователи, имеющие гидравлическое подключение, устанавливаются прямо на напорной магистрали. Без такого подключения, на магистраль крепится лишь датчик давления воды, соединённый с ПЧ.

chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

Преобразовать располагается максимально близко к насосу, но только внутри отапливаемого помещения. Общая схема подключения к питанию проста и не вызывает затруднений.

к меню ↑

5 Встроенные и внешние преобразователи частоты.

Преобразователь частоты может быть:

  • Встроенным в электродвигатель (расположен непосредственно на двигателе или конструктивно выполнен в едином корпусе с двигателем). Подобные модели насосов выпускаются только самыми инновационными компаниями.
  • Внешним. Мощность насосов, регулируемых внешним преобразователем частоты, практически не лимитирована. Производители таких ПЧ никак не связаны с производством насосов, поскольку насосный сектор является для них далеко не единственной сферой применения.


Рис.1 Насос со встроенным в двигатель преобразователем частоты.


Рис.2 Насос со стандартным двигателем.

Применение ПЧ возможно как для поверхностных насосов, так и для погружных.

Внешние ПЧ имеют одно очень значимое преимущество — в случае их выхода из строя насос продолжает функционировать, в то время как со встроенным в двигатель ПЧ насос становится неработоспособным.

к меню ↑

5.1 Возможности частотно регулируемого насоса:

  • Работа на постоянной характеристике (частичной).
  • Работа для поддержания постоянного давления или перепада давления (требуется датчик давления, датчик перепада давления).
  • Работа для поддержания постоянного расхода (требуется электронный расходомер).
  • Работа для поддержания постоянной температуры или перепада температур (требуется датчик температуры, датчик перепада температур).

Например, в системах водоснабжения наибольшее распространение имеет схема работы с поддержанием постоянного давления. Преобразователь регулирует частоту вращения насоса с таким расчетом, чтобы при изменении расхода воды давление в сети оставалось неизменным.

Снижение потребления электроэнергии с использованием преобразователя частоты.

Большинство инженерных систем в жилых зданиях и производственных объектах являются системами с переменным расходом (тепло и водоснабжение, кондиционирование), где разница между пиковой и фактической нагрузкой может быть значительной. Разница эта обусловлена неравномерностью расхода с течением времени (рабочей смены, суток, сезонов года и т.п.). Причем чем больше эта разница, тем больше энергии насосам удастся сэкономить.

Для многих стандартных объектов с переменным расходом (школы, гостиницы, жилые дома и т.п.) построены суточные графики водопотребления, где можно увидеть, что при максимальной нагрузке насосы работают не более 10-15% всего времени. Простой пример — многоэтажный дом. Утром и вечером расход максимальный, днем средний, ночью минимальный. Все понятно без дополнительных разъяснений. Вот здесь и скрыт основной резерв экономии.

Экономическая целесообразность оснащения преобразователем частоты насоса, который работает все время в одном и том же режиме, практически отсутствует.

Энергопотребление насоса зависит от фактического расхода жидкости, который большую часть времени ниже расчетного максимального значения. Это вызвано тем, что насосы подбираются исходя из максимальных требований системы по расходу и напору, однако, как уже говорилось, такой режим наблюдается незначительную часть времени.

Получается, что большую часть времени избыточная мощность насоса просто не нужна.

При частичной нагрузке насос уже не будет запускаться на полную мощность, как это бывает в системах без частотного регулирования, а будет работать в каком-то промежуточном режиме, с пониженной частотой вращения. И самое главное, что насос будет подстраиваться под требования системы автоматически.

Для того, чтобы точно уяснить почему при снижении скорости вращения падает мощность, давайте обратимся к характеристикам насоса.

к меню ↑

6 Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

к меню ↑

6.1 Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

к меню ↑

6.2 Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

к меню ↑

7 Модели преобразователей для насоса

  • Grundfos Cue

Преобразователи, выпускаемые компанией, расположенной в Дании и производящей насосы. Как следствие, эти частотники спроектированы в максимальном соответствии с конструкцией моделей насоса от Грундфос. Прибор отвечает за тонкую регуляцию работы всего механизма, выполнение предохраняющих и управляющих функций. Преобразователи системы Cue отличаются разнообразием высококачественных моделей (более 15-ти видов в ассортименте), однако стоимость у них соответствующая. Кроме того цена напрямую зависит от того, для механизма какой мощности требуется преобразователь частоты. Среди спектра моделей можно найти преобразователи и для однофазного насоса (Micro Drive FC 51), и для трёхфазного (Micro Drive FC101).

chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

  • Erman E-9

Преобразователи этой компании отличаются бюджетностью. Отвечают за компенсацию крутящего момента, плавность запуска, контроль давления и обладают различными режимами управления числом до 24-х. Соответствие по мощности подбирается в индивидуальном порядке. Имеется защитный корпус, предохраняющий от воздействия пыли и грязи.chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

  • Hyundai N 50

Преобразователь частот однофазного типа. Можно использовать в бытовых приборах. Уровень мощности составляет 0,7-2,5 кВт. Малогабаритный, что делает его удобным для установки в любых устройствах. Примечателен тем, что обеспечивает тонкую настройку благодаря нескольким режимам настройки и 16-ти дискретным скоростям. Стоит примерно вдвое больше предыдущей модели.

chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

  • PowerFlex 40

Модели этой марки отличаются универсальностью и весьма популярны. Их отличительная особенность – качественный привод и векторное управление. Привод помимо прочего гасит шумы во время работы двигателя, автоматически подхватывает частоты вращения электрического двигателя, защищает весь механизм от перегрузки и перегрева, обеспечивает плавный старт. По стоимости сопоставимо с Grundfos Cue.

chastotnyj-preobrazovatel-dlya-nasosa

к меню ↑

8 Фирмы производители и срок окупаемости

На рынке представлены различные производители частотно-регулируемых приводов. Можно увидеть разнообразие продукции именитых фирм мирового класса типа АВВ и SIMENS, и образцы отечественного производства. Стоимость у именитых брендов будет соответствующая, а вот что касается качества, то его вполне реально встретить и у российских фирм.

Что касается сроков окупаемости, то в каждом случае он будет рассчитываться индивидуально. Обычно средства полностью покрываются экономией за срок от полугода до двух лет, но могут быть единичные исключения.

Можно выделить следующую закономерность — чем больше мощность у насоса, тем дороже он будет стоить, соответственно, и частотно регулируемый электропривод к нему будет дороже менее мощного аналога. Но такой насос и электроэнергии потребляет больше — следовательно, экономия при использовании «частотника» будет более значительна и он окупит себя раньше.

к меню ↑

9 Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин. Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов.Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

к меню ↑

10 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.

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.
PowerFlex 40

Рассчитайте утепление своего дома

Перейти к расчёту
Adblock
detector