Принцип работы частотных насосов в системе отопления

Содержание

1. Насосы и насосные установки
2. Режимы работы
3. Что такое преобразователь частоты, зачем он нужен
4. Эффективность применения преобразователей для насосов
5. Достоинства частотных насосов
6. Принцип работы частотного насоса
7. В чём разница между частотным насосом и классическим
8. Дополнительные возможности частотного насоса
9. Энергопотребление и нагрев
10. Положительное воздействие на элементы отопительной системы
11. Плюсы применения частотного преобразователя
12. Выводы
13. Заключение
14. Выбор частотного регулятора для насосов
15. Преимущества частотного регулирования привода насосов
16. Сферы применения частотно-регулируемых приводов насосного оборудования
17. Релейные схемы автоматизации
18. Функции систем управления насосным оборудованием на базе частотных преобразователей
19. Пример работы схем на базе частотного преобразователя
20. Принцип работы простейшей схемы регулирования с обратной связью по давлению
21. Преимущества применения частотных преобразователей в схемах автоматизации насосов
22. Выбор частотного регулятора для насосов
23. Автоматизация технологического процесса в свою очередь ведет к:
24. Настройка преобразователя частоты с циркуляционным насосом
25. Ввод в эксплуатацию преобразователей частоты
26. Преимущества применения преобразователей частоты с насосами
27. Пример расчета экономии использования преобразователей частоты с насосными станциями

Насосы и насосные установки

Определимся для начала с основными понятиями и принципами.

Насосная установка – это совокупность насосных агрегатов, трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, КИП, устройств управления и защиты.

Насосная установка характеризуется двумя основными параметрами: подача и напор.

Подача – это объем жидкости который способна перекачать насосная станция за единицу времени, измеряется в куб. метр / час.

Напор – это энергия необходимая для подъема жидкости на заданную высоту с преодолением сил трения в трубопроводной арматуре, измеряется в метрах. Напор и давление связаны между собой соотношением:

H=P/(ρg)

где H – напор; P – давление насоса; ρ – плотность жидкости;  g – ускорение свободного падения.

Насосные установки по назначение делятся на:

• Водопроводные (ВНС) – это насосные станции которые подают воду от водоема до очистных сооружений (ВНС I подъема) и от очистных сооружений в распределительную сеть трубопроводов (ВНС II подъема). Так же существуют промежуточные повысительные насосные станции, в случае когда необходимо создать достаточное давление для поднятия воды на требуемую высоту.
• Канализационные (КНС) – перекачивают сточные воды к месту очистки.
• Теплофикационные – предназначены для подачи горячей воды в системе горячего водоснабжения и отопления.
• Технологические – насосные станции для перекачки различных жидкостей в технологических процессах.

Главная КНС Нижнего Новгорода

По виду рабочей камеры насосы делятся на динамические и объемные, те в свою очередь на лопастные, электромагнитные, трения, крыльчатые, роторные, возвратно-поступательные и другие.

В наше время чаще всего используются лопастные насосы: центробежные и осевые.

В основе работы центробежного насоса лежит действие центробежной силы на перекачиваемую жидкость. При вращении рабочего колеса жидкость приходит во вращение и под действием центробежной силы перемещается от центра колеса на периферию, а далее в напорную трубу.

Жидкость в осевом насосе перемещается вдоль оси насоса за счет воздействия лопастей рабочего колеса и создания разности давления под и над лопастью. По принципу работы он схож с пропеллером самолета или бытовым вентилятором.

Основной характеристикой насоса является зависимость напора от подачи, которая называется напорно-расходной.

Пример напорно-расходной характеристики насоса

В качестве электропривода насосов в основном используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и синхронные двигатели переменного тока. Реже используются асинхронные двигатели с фазным ротором.

В статье мы рассмотрим работу насосных установок на примере центробежных насосов.

Режимы работы

Теперь рассмотрим режимы работы насосных установок и определимся от чего зависит тот или иной режим.

Режим работы насосных установок зависит либо от изменения расхода у потребителей, либо от притока сточной жидкости, в случае с канализационными насосными станциями.

Режимы водопотребления характеризуются временными графиками и бывают суточными, недельными, месячными и т.д.

Пример суточного графика водопотребления за трое суток

Подача насосных установок, работающих без промежуточных емкостей, должна быть равна потреблению. При увеличении потребления подачу необходимо увеличивать, при этом также увеличиваются потери напора в трубопроводах. Поэтому следует также увеличивать давление, которое развивают насосные установки. При уменьшении водопотребления следует снизить подачу и давление.

Ранее для регулирования характеристик насосных установок использовалось изменение числа работающих насосов и степени открытия задвижек. Теперь с появлением частотных преобразователей регулируется частота вращения рабочих колес насосов.

При работе с промежуточной (аккумулирующей) емкостью подача насосной установки отличается от потребления. В этом случае, если нет частотных преобразователей, насосные агрегаты включаются, когда уровень воды достиг минимальной отметки, и отключаются, когда уровень достигает верхней заданной отметки, и так далее по циклу.Таких циклов в сутки может быть до 50, а в некоторых случаях и до 100. Такое количество пусков, особенно для двигателей большой мощности, негативно сказывается на состоянии электроприводов.

Изменение характеристик центробежных насосов можно осуществить двумя способами: изменением степени открытия задвижки на напорном трубопроводе и изменением частоты вращения рабочего колеса насоса.

• регулирование задвижкой (дросселирование) – уменьшая степень открытия задвижки, мы уменьшаем подачу насоса, напор перед задвижкой увеличивается, а после задвижки уменьшается из-за потери напора на запорной арматуре. Открывая задвижку, мы увеличиваем подачу, напор который создает насос уменьшается, а напор за задвижкой увеличивается. Этот способ крайне неэкономичный, так как большое количество энергии теряется на сопротивлении запорной арматуры.

Регулирование задвижкой

• регулирование изменением частоты вращения насосов – при таком регулировании при снижении частоты вращения, кривая напорно-расходной характеристики насоса перемещается вниз. Подача, напор насоса и напор в трубопроводе одновременно уменьшаются. При увеличении частоты вращения насоса, увеличивается подача и напор насоса, и напор в сети.

Частотное регулирование

Данный способ регулирования является более экономичным, но требует применения частотных преобразователей.

При регулировании с помощью частотных преобразователей снижение энергопотребления равно потерям, которые обусловлены повышением напоров при работе насосов с постоянной частотой вращения.

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».

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.

Советуем к прочтению:   Система чиллер-фанкойл, схемы и принцип работы систем чиллер-фанкойл

Достоинства частотных насосов

Насосы с частотным регулированием имеют два основных преимущества перед обычными. Главными преимуществами насосов с частотным преобразованием можно считать:

• Они могут работать в режимах, пропорциональных давлению теплоносителя;
• Меньший расход электроэнергии, поскольку частотный работает более рациональней, чем классический.

На самом деле этих преимуществ гораздо больше, но об этом — ниже.

Работа в режиме пропорционально давлению очень важна в системах отопления, где расход теплоносителя регулируется терморегуляционными вентилями, которые установлены на радиаторах. Эти вентили еще называют термостатическими вентилями и с помощью данных устройств можно регулировать подачу теплоносителя в радиатор. Закрывая вентиль проток через радиатор уменьшается, тем самым увеличивая нагрузку на циркуляционный насос, поскольку пропускная способность отопительного контура немного снижается.

Принцип работы частотного насоса

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

Выводы

Плюсов применения частотного преобразователя для совместной работы с насосом достаточно, а потому агитация в его пользу бессмысленна – преимущества очевидны. Необходимо лишь грамотно подобрать прибор по характеристикам и комплектации.

Настройка системы водопровода с частотным преобразователем имеет свои нюансы. В электронный блок прибора вводятся значения нескольких параметров, выбирается способ (закон) управления. Инструкция производителя, даже очень подробная, носит общий характер; в ней не учитывается местная специфика. А потому по всем пунктам рекомендация и помощь от профессионала будет как нельзя кстати.

Интернет-магазин «АЛЬФАТЭП» предлагает несколько моделей частотных преобразователей для насосов. Сайт «alfatep.ru» работает в круглосуточном режиме и позволяет не только выбрать устройство, но и оставить заявку на его приобретение. Доставка возможна по всей территории РФ, причем в сжатые сроки. Сотрудники компании окажут любую консультативную помощь всем позвонившим на номер 8 (495) 109 00 95, а специалисты сервисного подразделения еще и практическую (по монтажу и настройке) прибора преобразования частоты собственникам недвижимости в Подмосковье.

Заключение

Циркуляционные насосы с частотным преобразованием завоевывают всё большую популярность, невзирая на немного большую стоимость, чем у обычных насосов. Преференций от такого оборудования гораздо больше и все затраты на покупку данного устройства с лихвой компенсируется — экономией электроэнергии и работой системы отопления в правильном режиме. Также использование такого оборудования несёт пользователю повышенный комфорт, поскольку работа системы отопления становится практически бесшумной.

Советуем к прочтению:   Заправка фреоном кондиционера: как заменять фреон в бытовых или промышленных кондиционерах

Циркуляционный насос с частотным преобразованием не только задает правильные параметры функционирования отопительного контура, но и положительно отражается на работе отопительного котла. Отсутствие перепадов давления, в первую очередь, очень благотворно отражается на теплообменнике, избавляя его от постоянных деформаций, которые вызваны скачками давления в системе отопления. Такие насосы — это очень полезная инновация в отопительных системах и за этой инновацией — будущее.

Выбор частотного регулятора для насосов

Многие производители насосного оборудования поставляют уже укомплектованные частотными преобразователями. В паспортных данных насосов без регуляторов обычно указывают конкретные модели преобразователей, совместимых с электродвигателями агрегатов. Однако, при отсутствии этой информации, при модернизации и реконструкции насосных станций с двигателями старого образца возникает вопрос выбора частотников. Подбор регулятора осуществляет по следующим характеристикам:

• Типу электродвигателя. Количество фаз частотника должен соответствовать типу электродвигателя. При использовании трехфазного электродвигателя в однофазной сети установка частотного регулятора позволяет решить проблему запуска электрической машины без внешнего конденсатора.
• Электрическим характеристикам. Напряжение и потребляемый двигателем насоса ток должны совпадать с аналогичными параметрами частотника. Мощность преобразователя должна быть больше мощности привода насосного агрегата на 15-30%. При выборе по этим параметрам следует обратить внимание, что насосные агрегаты одной мощности могут иметь различные номинальные токи.
• Диапазону регулирования частот. Этот параметр определяет скорость вращения электродвигателя, а значит и производительность насоса. Для грамотного выбора необходимо знать характеристики сети водоподачи и другие параметры. Для циркуляционных насосов систем охлаждения и теплоснабжения обычно достаточно частотника 200–350 Гц, для скважных и глубинных насосов – от 200 до 600 Гц.
• Числу аналоговых и цифровых входов и выходов. Количество разъемов преобразователя частоты должно совпадать с числом датчиков, устройств оповещения и других подключаемых устройств. На случай модернизации системы лучше приобрести частотник с большим количеством управляющих входов.
• По поддерживаемым протоколам связи. Для корректного обмена данными с автоматизированными устройствами управления или удаленного контроля параметров, требуется частотный преобразователь, поддерживающий используемый в САР протокол (САN, LАN или другие).
• Наличию пульта дистанционного управления. Для насосных станций и агрегатов, расположенных в труднодоступных местах, целесообразно подобрать частотный преобразователь с выносной управляющей панелью.

Внимание! При реконструкции насосных станций часто требуется программировать частотники для двигателей, долго бывших в эксплуатации. Для таких электрических машин целесообразно приобрести преобразователи с автоматической адаптацией, так как фактические характеристики этих электродвигателей могу отличаться от паспортных данных.

Преимущества частотного регулирования привода насосов

Комплектование электродвигателей насосных агрегатов частотными преобразователями обеспечивает:

• Плавное включение и остановку насосов, что снижает вероятность гидравлических ударов в системе.
• Упрощение автоматического регулирования с обратной связью по напору, давлению, другим параметрам сети. Аналоговые выходы расходомеров и манометров можно подключать напрямую к частотному преобразователю.
• Защиту насосных агрегатов от “сухого хода” перегрузок. Отключение электродвигателей при перегреве обмоток, обрыве одной или нескольких фаз, скачках напряжения и других авариях.
• Увеличение срока службы сети водоподачи за счет точного поддержания необходимого давления, снижения нагрузки на трубопровод.
• Снижение шума при эксплуатации насосных агрегатов.
• Возможность интеграции в многоуровневые системы автоматизации и телемеханического управления.

Сферы применения частотно-регулируемых приводов насосного оборудования

Частотными регуляторами комплектуют:

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

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

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

Релейные схемы автоматизации

До появления частотных преобразователей в качестве устройства управления использовались релейные блоки.

Простейшая схема регулирования по уровню построена на базе магнитного пускателя и поплавкового реле. При увеличении уровня, контакты реле замыкаются, катушка магнитного пускателя оказывается под напряжением. Электродвигатель насосного агрегата запускается. При снижении уровня жидкости, реле размыкает управляющую цепь магнитного пускателя.

Такая схема обеспечивает ручное и автоматическое включение насосов, каскадный способ управления, индикацию режимов работы, остановку насосных агрегатов при пропадании перекачиваемой жидкости.

В нормальном режиме работает основной насосный агрегат. При снижении давления при пиках водопотребления или остановке основного насоса, срабатывает реле давления, включающее резервный насос с выдержкой времени. При необходимости включение и выключение насосов можно осуществлять в ручном режиме. Релейные схемы управления относительно просты и дешевы, однако, обладают следующими недостатками:

• Дополнительная нагрузка на электрическую сеть. Запуск электродвигателей осуществляется на полном напряжении сети. Ток при этом взрастает в несколько раз.
• Невозможность плавного изменения производительности. Регулирование давления в сети осуществляется включением резервного насоса. Ступенчатое изменение давления не всегда удовлетворяет условиям техпроцесса.
• Необходимость регулярного ремонта, технического обслуживания. Схемы такого типа содержат большое количество электроаппаратов и элементов автоматики. При частых коммутациях, контакты и механические части аппаратов быстро приходят в негодность.
• Высокая нагрузка на трубопровод. При прямом пуске насосов резко увеличивается вероятность гидравлических ударов. При их возникновении повреждается запорно-регулирующая арматура, трубы и другие элементы системы водоснабжения.

Для ограничения пусковых токов и плавного разгона электродвигателей в релейных схемах часто устанавливают устройства плавного пуска. Однако, эти устройства не обеспечивают плавное изменение подачи. Для этого на трубопровод устанавливают регулирующую арматуру, что приводит к потерям давления и снижает общий к.п.д. системы водоснабжения.

Функции систем управления насосным оборудованием на базе частотных преобразователей

Для автоматизации работы насосных станций все чаще и чаще используют схемы на базе частотных преобразователей. Частотное управление лишено недостатков релейных схем. Автоматизированные схемы с преобразователем частоты обеспечивают:

• Защиту приводных электродвигателей от коротких замыканий, обрыва фазы, перегрева, перегрузок, перепадов напряжения.
• Остановку насосных агрегатов при “сухом ходе”, повреждении проточной части и так далее.
• Плавное изменение производительности при снижении или увеличении давления. Частотный преобразователь также может функционировать в режиме регулирования подачи по нескольким параметрам системы водоснабжения или отопления.
• Сигнализацию о неисправностях. При поломках или ненормальных режимах работы элементов системы водоподачи, на экран выводится сообщение о неисправности. Во многих моделях частотников предусмотрена подача об авариях сигнала по “сухим контактам” и отправка сообщения по поддерживаемым протоколам проводной и беспроводной связи на удаленные диспетчерские пункты.

Частотные преобразователи используются как для автоматизации простых автономных систем водоснабжения, так и мощных станций с большим количеством насосов.

Пример работы схем на базе частотного преобразователя

Принципиальная схема управления циркуляционными насосными агрегатами на базе преобразователей частоты с обратной связью по давлению и температуре позволяет экономить до 30% тепловой энергии.

При увеличении температуры теплоносителя или падении давления в сети, сигнал с аналогового датчика температуры поступает на частотный преобразователь, который плавно увеличивает частоту напряжения в цепи питания электродвигателя. Скорость вращения ротора увеличивается, производительность насоса возрастает. При необходимости в работу включается резервный насос. По достижении заданной температуры, подача насоса возвращается к запрограммированной величине. Схема также обеспечивает попеременную работу насосных агрегатов, остановку двигателей при авариях, включение резервного насоса при аварийной остановке основного, запрет на запуск неисправного насоса до устранения поломки, а также индикацию режимов работы.

Для увеличения экономического эффекта в отопительных системах используют преобразователи частоты с функцией АОЕ или автоматической оптимизации энергопотребления. При этом электродвигатель поддерживает энергопотребление соответственно требуемой производительности насосного агрегата. Частотные преобразователи с такой функцией выпускает компания Danfoss, всемирно известный производитель электрооборудования и элементов автоматики.

Принцип работы простейшей схемы регулирования с обратной связью по давлению

Частотные преобразователи применяются также для небольших систем водоснабжения, отопления и ГВС. Плавное регулирование напора и производительности насоса обеспечивает постоянное давление в сети, отсутствие перепадов температуры горячей воды при открытии и закрытии дополнительных кранов, поддержание микроклимата в помещении.

При пуске насоса через частотный преобразователь, на электродвигатель подается напряжение небольшой частоты, которая увеличивается согласно запрограммированным значениям. Это обеспечивает плавное нарастание давления в системе и снижает вероятность гидравлических ударов.

Советуем к прочтению:   Чистка вентиляции: прочистка шахты в многоквартирном доме

При увеличении водопотребления, давление в системе падает. Сигнал с датчика давления подается на частотный преобразователь, который увеличивает частоту питающего напряжения электрического двигателя. Производительность насоса плавно увеличивается, пока давление в системе не достигнет заданного значения. При снижении потребления воды, частота напряжения в питающей цепи снижается, обороты насосного агрегата падают.

При помощи частотных преобразователей также можно реализовать систему каскадного автоматического управления двумя и более насосами. Такие схемы используются в сетях с высокими пиковыми нагрузками, где максимальная производительность одного насоса не обеспечивает компенсацию потерь давления. В этих случаях частотный преобразователь обеспечивает плавный ввод дополнительных агрегатов и равномерное распределение нагрузки между работающими насосами.

Преимущества применения частотных преобразователей в схемах автоматизации насосов

• Системы водоснабжения не требуют компенсационных емкостей для гашения гидравлических ударов. Запуск и отключение насосных агрегатов осуществляется плавно, что исключает резкие скачки давления. В системах отопления и автономного водоснабжения все же рекомендуется установить расширительные баки мембранного типа. Это оборудование позволит избежать последствий гидроударов и увеличения давления при авариях и температурном расширении теплоносителя.
• Комфортная температура горячей воды и теплоносителя в отопительной системе. В отличие от релейных схем управления, частотное регулирования позволяет избежать скачков температуры воды независимо от ее расхода.
• Защита арматуры, трубопровода, котла от гидроударов. При прямом пуске электродвигателя, резко меняется скорость потока в трубопроводе. Возникает гидравлический удар, который может повредить гидроавтоматику, котел и другие элементы системы. Ликвидация последствий гидроудара может обойтись в сотни тысяч рублей.
• Защита электродвигателя насоса от аварий и аномальных режимов работы. При несимметричной нагрузке, изменении напряжения в сети, коротких замыканиях, перегреве обмоток, частотный преобразователь осуществляет аварийную остановку электродвигателя.
• Возможность удаленного управления. Danfoss выпускает преобразователи частоты, поддерживающие все распространенные протоколы обмена данными. Управление можно осуществлять с удаленного ПК, при помощи приложений, установленных на смартфоны или планшеты. Преобразователи для промышленных систем водоподачи можно встраивать в многоуровневые системы АСТП.
• Возможность регулирование напора и производительности насосных агрегатов по одному или нескольким характеристикам. Частотные преобразователи можно запрограммировать на регулировку по расходу, давлению, температуре, уровню, напору, а также по двум и более параметрам.

Выбор частотного регулятора для насосов

Выбор частотных преобразователей для насосного оборудования делается по следующим критериям:

• Типу приводного электродвигателя. Число фаз и тип электродвигателя должны соответствовать параметрам частотного. Для привода насосных агрегатов применяются синхронные и асинхронные одно- или трехфазные электрические машины.
• Интервалу регулируемых частот. Каждому значению частоты питающего напряжения соответствует определенная скорость вращения электродвигателя и производительность насоса. Эта характеристика частотного преобразователя должна отвечать параметрам сети водоподачи.
• Току, напряжению и мощности. Номинальные электрические характеристики электродвигателя и преобразователя частоты должны совпадать. Рекомендуемый запас мощности частника – 15-20%.
• По числу аналоговых и релейных входов. В зависимости от числа датчиков, необходимо подобрать частотный преобразователь с соответствующим количеством входов.
• По функциям. Частотный преобразователь может совмещать функции устройства плавного пуска, ПИД-регулятора, устройств защиты. Функционал устройства выбирают в соответствии с требованиями к системе отопления и водоснабжения.

Использование частотных преобразователей снижает потери давления, оптимизирует потребление воды и электроэнергии, а также снижает вероятность аварий. Их применение дает значительный экономический и технический эффект, особенно заметный на примере крупных систем подачи тепла и водоснабжения.

Автоматизация технологического процесса в свою очередь ведет к:

• устранению гидроударов в системе, возникающих при прямом пуске от сети электродвигателей насосов;
• снижению износа насосного агрегата, исполнительных механизмов запорно-регулирующей аппаратуры, инженерной системы в целом;
• снижение износа коммутационной аппаратуры;
• снижению мощности источника питания и сечения кабеля электропитания.

Объём жидкости в системах отопления является постоянным. Основной задачей циркуляционных насосов в таких системах является доставка теплоносителя потребителю. Регулируемым параметром в таких системах является перепад давления в подающем и обратном трубопроводе.

Преобразователь частоты по датчику перепада давления поддерживает заданное значение перепада давления в подающем и обратном трубопроводах.

Настройка преобразователя частоты с циркуляционным насосом

Последовательность настройки параметров преобразователя частоты при использовании с циркуляционным насосом (Таблица 3.8)

Электрическая схема предусматривает ручное переключение преобразователя частоты на байпас, а также переключение рабочего и резервного насосов для обеспечения равномерной наработки. Переключение между режимами осуществляется с помощью реверсивного рубильника QS2, QS4 («работа от ПЧ» – «работа Напрямую от сети»). Переключение между насосом M1 и M2 – c помощью реверсивного рубильника QS3, QS4. Рекомендации по эксплуатации приведенной схемы даны в примечаниях (см. схему). При работе от ПЧ – QS2 – замкнут, QS4 автоматически размыкается. Далее осуществляется выбор насоса. Для работы с насосом M1 – замыкается рубильник QS3 (при этом QS4 разомкнут). Для работы с насосом M2 – замыкается рубильник QS4 (при этом QS3 разомкнут). При работе от Напрямую от сети –QS4 – замкнут, QS2 автоматически размыкается.

Ввод в эксплуатацию преобразователей частоты

Ввод в эксплуатацию и монтаж преобразователей частоты серии VLT Micro Drive FC51 и VLT HVAC Basic FC101
Подбор преобразователя частоты и коды для заказа

Преимущества применения преобразователей частоты с насосами

Применение частотно-регулируемого приводаПреимуществаОсобенности преобразователей частоты ДанфоссПреимущества

Изменение производительности насоса	Сокращение расходов на электроэнергию до 20%
Автоматизация системы управления насосной станцией	Улучшение управляемости системы, сокращающее время на перенастройку системы
Легкая балансировка системы	Увеличение срока службы двигателя
Плавный пуск	Увеличение срока службы двигателя. Отсутствие гидроударов, увеличение срока службы труб и арматуры
Поддержание требуемого давления, снижение утечек	Экономия воды до 5%
Функция автоматической оптимизации энергопотребления	Сокращение расходов на электроэнергию до 5%
Функция автоматической адаптации двигателя	Сокращение расходов на электроэнергию до 5%
Функция «СОН»	Снижение износа оборудования, сокращение расходов на электроэнергию до 5%
Внешние входы/выходы	Возможность синхронизации до 3 насосов для работы с одинаковой частотой (Преобразователи частоты VLT FC101)
Встроенный сетевой протокол BACnet	Легкая интеграция в BMS-систему, не нужен дополнительный преобразователь протоколов
Функция регулирования расхода по давлению	Снижение количества используемых компонентов в системе
Встроенный логический контроллер
Защитное покрытие плат	Увеличение срока службы преобразователя частоты (FC51)
Широкая сеть сервисных партнеров в России	Снижение времени простоя

Пример расчета экономии использования преобразователей частоты с насосными станциями

Два циркуляционных насоса (рабочий и резервный) мощностью 10 кВт обеспечивают циркуляцию воды в системе ГВС жилого дома.
Насосы работают на номинальной мощности только в ночные и дневные часы (с 1 до 7 часов и с 10 до 16 часов) в остальное время воды циркуляция обеспечивается естественным разбором воды и производительность составляет 50% от номинала (25 Гц).
Учитывая, что потребляемая мощность электродвигателя прямо пропорциональна кубу производительности насоса и КПД насосной установки приблизительно равно 0.6, получим:
Потребляемая Мощность = 10 кВт x (0.53)/КПД установки (0.6) = 2,1 кВт = 21 % (номинальной).
Стоимость преобразователя частоты VLT HVAC Basic FC 101 мощностью 11 кВт ≈ 43 200.
Стоимость 1 кВт электроэнергии ≈ 3 руб.

Экономия за сутки = (10 кВт – 2,1 кВт) * 12часов = 94,8 кВт.
Экономия за сутки = 3 * 94,8 = 284,4 руб.
Экономия за год = 284,4 руб * 365 дней ≈ 103 500 руб.

Отдельно посчитаем экономию, которая достигается за счет энергосберегающих функций «Данфосс».
Напомним, что функция АЕО дает 5% экономии, автоматическая адаптация двигателя добавляет 5%, а функция «Сон» дополнительно экономит 5% энергии.
Общая дополнительная экономия составит 15%.

Экономия за сутки = 3 * 0,15 * 10 * 12 = 54 руб.
Экономия за год = 365*54 = 19 710 руб.
Общая экономия электроэнергии = 103 500 + 19 710 = 123 210 руб.
Экономия на дополнительном конвертере шлюзов может составить = 6000 руб.
Экономия достигаемая за счет встроенного дросселя на звене постоянного тока может составить около 6000 руб (это стоимость внешнего дросселя для такой мощности).
Экономия за счет встроенного логического контроллера составит 4000 руб (это стоимость внешнего контроллера).
Экономия за счет бесплатного обучения в учебном центре «Данфосс» основам работы с преобразователям частоты 24 000 руб (это стоимость обучения для двух человек).

Заметим, что приведенный расчет учитывает не все преимущества преобразователей частоты «Данфосс», итоговая экономия может оказаться более значительной.

Сведем все расчеты энергосбережения в таблицу

Применение частотно-регулируемого приводаЭкономия, руб.Особенности преобразователей частоты ДанфоссЭкономия, руб.

Изменения производительности насоса за счет частоты вращения	103 500
Функции автоматической оптимизации энергопотребления	19 710
Функция автоматической адаптации двигателя
Функция «СОН»
Встроенный сетевой протокол BACnet	6 000
Встроенный дроссель	4 000
Обучение	24 000
Встроенный логический контроллер	4 000
Итого	161 210

Покупка преобразователя частоты в данном случае окупится менее чем за год.

Источники

• https://adiseng.ru/2018/11/10/osnovy-primenenija-chastotnyh-preobra/
• https://www.vesper.ru/presscenter/articles/chastotnyy-preobrazovatel-kak-sredstvo-povysheniya-effektivnosti-nasosov/
• https://epusk.ru/articles/chastotnye-preobrazovateli/dlya-chego-neobkhodimo-chastotnoe-regulirovanie-nasosov/
• https://eurosantehnik.ru/chastotnye-nasosy-v-otopleniy.html
• https://AlfaTep.ru/article/nasosy/nasos_chastotnyy_preobrazovatel/
• https://drives.ru/stati/chastotnye-preobrazovateli-dlya-nasosov/
• https://drives.ru/stati/podklyuchenie-chastotnogo-preobrazovatelya-k-nasosu/
• https://drives.ru/standartnye-resheniya/cirkulyacionnye-nasosy/

Источник: akak7.ru