Современные бытовые и промышленные насосы работают за счет использования мощностей электродвигателя. Именно электродвигатель можно считать настоящим сердцем насоса. Изначально регулировку его работы выполняло только реле давления или более сложная автоматика.
Однако в последнее время для этих целей стали использовать частотные преобразователи.
Устройство и назначение
Частотный преобразователь для насоса выполняет очень полезную функцию. Дело в том, что современные насосы остаются приборами, которые нельзя изначально контролировать должным образом. Конечно, можно установить на него реле, но это только полумеры.
С таким оборудованием двигатель насоса всегда будет работать в полной мере. При максимальной подаче электричества он работает даже чересчур мощно. А ведь проблема здесь в том, что и энергии он потребляет достаточно много.
Причем образовавшееся избыточное давление в трубах ни к чему хорошему не приведет. В итоге получается ситуация, когда из-за своих конструктивных особенностей насосы работают неэффективно.
Не стоит забывать и о проблемах с подачей электричества, перепадах напряжения и других неприятных вещах. Все эти моменты могут привести к выходу насоса из строя или чересчур быстрому его износу.
Решить проблему очень легко. Нужно лишь установить на насосное оборудование частотный преобразователь. Он выполняет функции стабилизатора, автоматики и регулятора работы насоса.
Очень часто производители насосных станций еще на этапе сборки интегрируют преобразователи в схему насоса. Ярким примером являются насосы Грундфос с частотным регулированием, которые в магазинах раскупают с повышенной интенсивностью.
Выглядит это устройство, как коробка с электронной начинкой и небольшим экраном. Внутри преобразователя размещены инверторы для выравнивания напряжения, несколько плат автоматики и специальные датчики для замеров.
В дорогих моделях встроен микропроцессор. Существуют также модели с аккумуляторами дополнительными выравнивателями и т.д. Преобразователи могут быть однофазными или трехфазными.
Принцип работы преобразователя очень простой. Подача электрического тока сначала идет на платы устройства. Там его выравнивают с помощью стабилизаторов и инверторов. В то же время датчики на преобразователе оценивают уровень давления в системе, а также все другие необходимые показатели.
Данные подаются на блок автоматики. Затем преобразователь оценивает необходимую мощность насоса и подает на него ровно столько электричества, сколько потребуется для выполнения поставленных задач.
Также преобразователи могут обеспечивать плавный пуск двигателей, их аварийную остановку и т.д. Список всех функций описать очень сложно, так как разработчики постоянно совершенствуют свою продукцию.
Регулировать преобразователь можно посредством всего нескольких простых команд. Команды вводят с помощью кнопок и экрана. Чем дороже устройство, тем больше команд оно способно распознавать. Качественные преобразователи имеют десятки возможных режимов работы, скоростей и программ.
Совершенно очевидно, что плюсов у преобразователей очень много. Доказано, что они окупаются уже за первый год эксплуатации. Минусы у такого оборудования тоже имеются, но они незначительны.
Плюсы частотных преобразователей:
- Выравнивание входного напряжения;
- Регулировка мощности насоса;
- Возможность экономии электроэнергии;
- Повышение срока службы двигателя насоса;
- Выполнение функций автоматики насосных станций;
- Наличие преобразователя может избавить вас от необходимости покупать гидроаккумулятор;
- Понижение шума от работы насоса.
Минусы частотных преобразователей:
- Довольно высокая цена оборудования;
- Настройку и подключение преобразователя желательно доверять профессионалам.
О моделях
Современные производители быстро сориентировались и стали выпускать преобразователи в больших количествах. Изготовители насосов тоже не остались в стороне. Выше уже было упомянуто про насосы Grundfos с частотным регулированием, но такая практика популярна и у других популярных компаний.
- Grundfos Cue – это частотный преобразователь от известной компании производителя насосов. Они специально проектировали преобразователи так, чтобы те наилучшим образом взаимодействовали с их продукцией. Устройство способно тонко регулировать работу насоса, выполнять функции автоматики и предохранителя. Системы Cue очень разнообразны и имеют множество вариаций. За преобразователь придется выложить существенную сумму. Системы Grundfos Cue стоят 400-500 долларов. Здесь серьезно влияние оказывает мощность оборудования. Чем она больше, тем дороже сам преобразователь.
- Преобразователь Erman E-9 является бюджетным решением. Устройство способно компенсировать крутящий момент, плавно запускать двигатель насоса и имеет до 24 режимов управления оборудованием. Мощность преобразователя следует подбирать отдельно. Корпус прибора защищен от попадания пыли и грязи, что позволяет использовать его в различных ситуациях. Преобразователь Erman E-9 в магазинах можно купить за 100-150 долларов.
- Hyundai N 50 – это однофазный частотный преобразователь бытового применения. Мощность у него находится на уровне 0,7-2,5 кВт. Преобразователь имеет небольшие габариты и может быть установлен практически везде. Отличительной особенностью этой модели считается возможность ее тонкой настройки путем использования нескольких режимов настройки и 16 дискретных скоростей. Модель Hyundai N 50 продается за 250-300 долларов.
- PowerFlex 40 - еще одна популярная и универсальная модель. Ее можно отметить за счет наличия качественного привода с векторным управлением. В привод включены функции подавления шума двигателя, автоподхвата вращения электродвигателя, защита системы от перегрузок и перегревов, а также возможность плавного старта. Ну а цена прибора под названием PowerFlex 40 равняется 350-450 долларам.
Стоимость насоса с встроенным преобразователем будет еще больше. Например, насосы Wilo с частотным регулированием Stratos 40 продают за 1000—1100 долларов.
В системах управления бытовыми электрическими насосами может использоваться автоматика разных видов — от простейших недорогих реле до сложных блоков электронного управления, превосходящих по цене простую автоматику в десятки раз. Самыми перспективными и высокотехнологичными устройствами для управления насосным оборудованием считаются приборы, изменяющие частоту питающего напряжения насосов.
Частотное преобразование по сравнению с обычной схемой подключения электрического насосного оборудования с использованием реле давления имеет следующие преимущества:
- Позволяет поддерживать в системе постоянное давление вне зависимости от объема потребления воды. Автоматика отслеживает напор и изменяет скорость работы электрического насоса.
- Водопроводная магистраль практически не подвержена гидроударам, в связи с чем гидроаккумулятор может быть заменен на прибор меньшего объема или вообще исключен из системы.
- Частотное регулирование обеспечивает плавный пуск и остановку электрического насоса — это увеличивает срок его службы за счет исключения из рабочего режима резких скачков напряжения, наиболее часто приводящих к выходу из строя любого электрооборудования.
- Скважинные насосы с частотным регулированием существенно экономят электроэнергию — они не нагнетают в систему избыточное давление при работе на полную мощность, расчет показывает, что экономия может быть до 50%.
- По удобству пользования и простоте управления частотные устройства значительно превосходят системы с реле давления. Для получения необходимого давления не требуется длительная настройка системы по манометру путем вращения винтов в реле — достаточно выбрать необходимое значение на пульте управления устройства, нажав соответствующую кнопку.
Принцип работы частотного преобразователя
Регулирование скорости вращения вала электродвигателя путем снижения числа его оборотов за счет изменения частоты питающего напряжения, является единственным способом получения малой производительности электронасоса без снижения коэффициента полезного действия.
Способ частотного управления асинхронным двигателем был сформулирован еще в 30-х годах советским академиком Костенко, его техническая реализация произошла намного позднее после появления мощных полупроводниковых устройств — тиристоров.
Рис. 2 Функциональная схема частотного управления асинхронным трехфазным двигателем
Электронная схема управления асинхронным трехфазным двигателем, позволяющая менять его частоту вращения путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, состоит из трех основных блоков:
Цепь постоянного тока. Электронными элементами цепи являются выпрямители и фильтры, преобразующие переменный ток частотой 50 Гц. напряжением 380 В. в постоянное напряжение.
Силовой импульсный инвертор. Транзисторные полупроводниковые приборы реализуют широтно-импульсную модуляцию, работая в ключевом режиме, то есть находятся в разомкнутом (выключенном состоянии) или в замкнутом (состоянии насыщения). В первом случае их сопротивление стремится к бесконечности и ток в цепи очень мал, поэтому падение напряжения на транзисторах невелико, как и рассеиваемая мощность. При подаче открывающего напряжения сопротивление p-n перехода стремится к нулю и падение напряжения на транзисторе незначительно, как и рассеиваемая на нем мощность. Переходные состояния вызывают существенное повышение выделяемой на транзисторах мощности, но длятся короткий отрезок времени, не вызывая перегрева приборов и выхода их из строя. Схемы управления с частотным (широтно — импульсным) преобразованием имеют КПД порядка 98%.
Рис. 3 Управляющие импульсы в схеме ШИМ
На выходе транзисторных ключей получают напряжение в виде импульсов одинаковой амплитуды с разной длительностью. Система управления организует работу транзисторных ключей, задавая время их открытого и закрытого состояния — соответственно изменяется ширина импульсов.
В приводах асинхронных двигателей используется трехуровневая широтно-импульсная модуляция с импульсами положительной и отрицательной полярности. На обмотку электродвигателя подается переменное импульсное напряжение прямоугольной формы (V), при этом магнитный поток в статоре (B) имеет синусоидальную форму.
Популярные модели частотных преобразователей
Частотные преобразователи для насосов систем водоснабжения могут заменить любую автоматику с реле для обеспечения преимуществ, описанных выше. Они подходят ко всем видам водяных электронасосов с асинхронными двигателями, модели имеют массу дополнительных функций.
ERMAN серии ER-G-220-02 «ERMANGIZER» (340 у.е.) — один из первых отечественных частотников, предназначенный для управления однофазным асинхронным двигателем, работает в комплекте с электрическим измерителем давления АДМ 100 (47 у.е.).
Рис. 4 ERMAN серии ER-G-220-02 и схема его подключения
Особенности частотника ERMAN серии ER-G-220-02
- максимальный ток: 4,6 А.;
- максимальное давление: 6 бар.;
- электропитание: 220в;
- максимальная температура: 50 С;
- класс защиты: IP20;
- выходное напряжение: 15 В.;
- линейный вход: 4 на 20 мА. (100 Ом);
- диапазон рабочих температур: -10…+50 С.;
- градация настройки: 0,1 бар.;
- порог срабатывания защиты по давлению: 5,5 бар.;
- заводская установка давления: 4 бар.
ITALTECNICA SIRIO ENTRY 230 (350 у. е.) — частотный преобразователь для скважинного насоса с защитой от сухого хода, индикацией давления и неисправностей в работе системы или насоса, имеет дистанционное управление.
Рис 5. ITALTECNICA SIRIO ENTRY 230
Особенности ITALTECNICA SIRIO ENTRY 230
- тип: частотный преобразователь;
- напряжение питания: 220 — 230В.;
- диапазон регулирования давления выключения: 1,5 — 7,0 бар.;
- соединение: 1,2″;
- максимальная мощность: до 1,5 кВт.;
- максимальное давление в системе: до 8 бар.;
- максимальный ток на выходе при пуске: 12 А.;
Использование частотного преобразователя для управления электронасосом не только продлит срок службы оборудования для водоснабжения, повысит удобство пользования и найстройки, но и может стать экономически выгодным с течением времени. Дорогое устройство окупится быстрее при интенсивном водозаборе с использованием мощных электронасосов.
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.
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 .
| Модель | Диапазон мощностей | Вход | Выход | Уровень защиты | Температура среды | Примечания, особенности |
| PD20 |
0,75…18,5 кВт | 3Ф 380В | Выходная частота 0…50/60 Гц |
IP65 | -10…+40°С | Полнофункциональные ПЧ с высоким уровнем защиты, могут устанавливаться на двигатель, специализированы для многонасосных применений |
| 0,37…2,2 кВт | 1Ф 220В | Выходная частота 0…50/60 Гц |
IP65 | -10…+40°С | Полнофункциональные ПЧ с высоким уровнем защиты, могут устанавливаться на двигатель, специализированы для одиночных небольших насосов | |
| 15…315 кВт | 3Ф 380В | Выходная частота 0…400 Гц |
IP20 | -10…+40°С | Скалярное управление, многофункциональные выходы и входы, полный набор функций для работы с насосами | |
| 0,75…400 кВт | 3Ф 230В 3Ф 460В |
ПИД | IP20 | -10…+50°С | Специализированные модели | |
| 0,75…220 кВт | 3Ф 230В 3Ф 460В |
ПИД | IP20 | -10…+40°С | Доступны специализированные модели | |
| 0,4…4 кВт | 1Ф 220В 3Ф 380В |
Выходная частота 0…600 Гц |
IP20 | -10…+50°С | Для насосов и вентиляторов |
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)
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.
