Частотный преобразователь для насоса (регулирование): выбор

1 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

Как можно увидеть на схеме, насосное оборудование всегда рассчитывается по параметру предельной мощности, однако в режиме максимальной нагрузки насос работает лишь в периоды пикового потребления воды, что бывает крайне редко. Во всех остальных случаях повышенная мощность оборудования является излишней. Частотный преобразователь, как показывает статистика, позволяет экономить до 30-40% электроэнергии при работе циркуляционных и скважинных насосов.
к меню ↑

1.1 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

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.

В процессе разгона датчик сигнала непрерывно передает на преобразователь данные о уровне давления в трубопроводе. После того, как оно достигает требуемой величины, блок управления останавливает разгон и поддерживает заданную частоту оборотов мотора. Если подключенная к насосной станции точка водопотребления начнет расходовать больше воды, преобразователь увеличит давление подачи путем повышения производительности насоса, и наоборот.
к меню ↑

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

2 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:

Мощность — преобразователь напряжения всегда подбирается исходя из мощности электропривода, к которому он подключается.
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.
Диапазон частот регулировки — для скважинных насосов оптимальным будет диапазон 200-600 Гц (зависит от изначальной мощности насоса), для циркуляционных 200-350 Гц.
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.
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.

Циркуляционный насос Грундфос с частотным преобразователем

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.

Более доступным в ценовом плане является оборудование компании Rockwell Automation (Германия). Фирма предлагаем линейку преобразователей PowerFlex 4 и 40 для маломощных циркуляционных насосов и серию PowerFlex 400 для скважинных насосных станций (от одного преобразователя могут работать сразу 3 параллельно подключенных насоса.

Учитывайте, что цена хорошего преобразователя подчас может доходить до стоимости насоса, поэтому подключение и настройка такого прибора должна выполняться исключительно специалистами.

Частотные преобразователи для насосов

В качестве привода насосов широко используются одно- или трехфазные электродвигатели переменного тока. При всех своих достоинствах эти электрические машины обладают одним серьезным недостатком, которым является сложность регулирования скорости и момента на валу.

Основными характеристиками насосных агрегатов являются расход и напор. Эти параметры регулируются при помощи запорно-регулирующей арматуры, включением в работу дополнительных насосов при каскадной схеме регулирования.

Принцип регулирования основан на зависимости скорости вращения ротора электрической машины от частоты питающего напряжения. Частотный преобразователь изменяет частоту питающего напряжения электропривода насосных агрегатов.

Большинство ЧП выполнены на базе схемы двойного преобразования. Переменное напряжение в сети выпрямляется, сглаживается на LC фильтрах, затем поступает на инвертор, где снова преобразуется в переменное напряжение другой частоты. Задание частоты осуществляется широтно-импульсным модулятором, сигналы с которого поочередно отпирают и запирают ключи на силовых транзисторах инвертора.

Частотные преобразователи имеют дискретные и аналоговые выходы для подключения датчиков давления, температуры, приборов измерения расхода, удаленных устройств управления и контроля, аварийной сигнализации и так далее. Обработка данных происходит в блоке управления на базе микропроцессора. Схема управления частотника генерирует сигналы на изменение производительности, включение или отключение насосных агрегатов согласно заданной программе и изменению технологических параметров в системе водоснабжения.

Например, простейшая схема регулирования производительности насосов с обратной связью по давлению в сети водоподачи работает следующим образом:

При падении давления, частотный регулятор формирует сигнал на включение насосных агрегатов. Запуск происходит в плавном режиме, что предотвращает гидроудары. При нарастании давления, сигнал с датчика поступает на частотник, который плавно изменяет скорость вращения приводного двигателя и снижет производительность насосов. Такая схема может включать дополнительные насосные агрегаты при пиковых значениях водопотребления.

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.

Что нужно знать для правильного выбора преобразователя частоты?

1. Что такое частотный преобразователь и в каких случаях он применяется

Преобразователь частоты предназначен для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Внешний вид частотных преобразователей

Частотные преобразователи применяются в следующих случаях:

при необходимости изменения скорости вращения электродвигателя;
при необходимости поддержания значения технологического параметра (например, давления) посредством изменения скорости вращения электродвигателя;
отсутствует питание 380В. Частотные преобразователи с питанием 220В поставляются на мощность до 2,2кВт включительно. Мощность двигателя при этом не теряется (Если двигатель имеет возможность переключения «звезда-треугольник» 380/220, то он может быть включен от однофазной сети 220В);
требуется подключение к промышленной сети двигателей с “нестандартным” напряжением питания и частотой.

Кроме основных функций, ПЧ обеспечивает

возможность включения реверса без дополнительного оборудования;
ограничение пускового тока двигателя;
контроль тока двигателя;
плавный разгон и торможение (настраиваемые по времени);
дополнительную защиту двигателя;
возможность пропуска резонансных частот;
стабилизацию момента двигателя даже при колебаниях входного напряжения;
возможность остановки с замедлением;
возможность экономии электроэнергии при частично загруженном двигателе (даже без датчика обратной связи);
работу со встроенным таймером и счетчиком;
переход в “спящий режим” с отключением насоса при отсутствии водопотребления;
возможность автоматического перезапуска при восстановлении питания.

Все перечисленные параметры (функционал) поддерживают преобразователи частоты ELHART серии EMD-MINI и EMD-PUMP.

2. Подбор частотного преобразователя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Стоит обратить внимание, что стандартные частотные преобразователи не предназначены для работы с однофазными двигателями. Почти все представленные на рынке частотные преобразователи предназначены для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Чаще, когда говорят “однофазный преобразователь частоты”, имеют ввиду частотный преобразователь с питанием от однофазный сети напряжением 220В. Такой преобразователь имеет на выходе 3 фазы по 220В и также предназначен для управления трехфазным асинхронным двигателем.

Тем не менее, преобразователи частоты для однофазных двигателей существуют, но встречаются крайне редко.

Рисунок 1 — ПЧ для трехфазного двигателя

Подбор частотного преобразователя по мощности

При подборе преобразователя в первую очередь нужно ориентироваться на ток и напряжение питания электродвигателя. Эта информация указывается на шильдике двигателя.

Рисунок 2 — Шильдик двигателя

Напряжение на обмотках. Двигатель, шильдик которого показан рисунке 2, способен работать при трехфазном напряжении 220В (обмотки должны быть соединены в схему «треугольник») и при трехфазном напряжении 380В (соединение «звезда»). Если на шильдике указано 380/660, то такой двигатель может быть подключен к ПЧ с питанием 220В, но в таком случае не будут обеспечены номинальные характеристики двигателя.
Номинальный линейный ток двигателя. Данный двигатель потребляет 1,44А при подключении треугольником (питание 220В) и 0,83А при подключении звездой (питание 380В).

Остальная информация, приведенная на шильдике электродвигателя, не влияет на выбор ПЧ.

Несмотря на указанный на шильдике двигателя ток, наиболее правильным методом определения рабочего тока является его непосредственное измерение при работе двигателя. Это позволит избежать проблем в случае работы двигателя при повышенном токе. Фактический длительный рабочий ток двигателя не должен превышать номинальный выходной ток преобразователя.

Купить частотный преобразователь подобрав его по мощности двигателя не правильно, так как мощность двигателя зависит от КПД и коэффициента мощности (cosφ), а указанная на электродвигателе мощность относится к механической мощности двигателя на валу, а не к потребляемой от источника питания активной мощности, как это принято для других потребителей электроэнергии.

Таблица 1 – Электрические характеристики двигателей

Двигатель	Мощность, кВт	Об/мин	Ток при Δ220/Y380 В	КПД, %	Коэф. Мощн.	I_П/I_Н
АИР 80 А2	1,5	3000	6,2 / 3,6	78,5	0,85	6,5
АИР 80 В4		1500	6,8 / 3,9	78,5	0,80	5,3
АИР 90 L6		1000	7,3 / 4,2	76	0,70	5,0

Двигатель АИР 90 L6 (1000 об/мин) при одинаковой с частотным преобразователем мощности потребляет в номинальном режиме ток 4,2 А при питании 380 В, а преобразователь имеет номинальный выходной ток 4,0 А.

При соединении этого же двигателя в «треугольник» с питанием 220 В номинальный ток составит 7,3А, а преобразователь частоты рассчитан на 7,0А. Следовательно, как при питании 380В, так и при 220В указанный двигатель необходимо подключать к частотному преобразователю мощностью на ступень выше (2,2кВт):

Благодаря частотному преобразователю есть возможность подключать двигатели с “нестандартным” питанием к промышленной сети 220 или 380В. При этом главное, чтобы номинальное напряжение питания двигателя не превышало питание ПЧ, а номинальная частота поддерживалась ПЧ.

Например, машинка для стрижки овец МСУ-200 питается от переменного напряжения 36В частотой 200Гц. Для работы с такой машинкой в настройках преобразователя частоты задается номинальное напряжение питания двигателя — 36В и номинальная частота двигателя — 200Гц.

Несмотря на мощность электродвигателя 115Вт, рабочий ток составляет около 3А. Кроме номинального тока двигателя необходимо учитывать амплитуду, частоту и длительность возможных перегрузок. В моменты перегрузок ток указанной машинки может доходить до 7А.

Частотный преобразователь ELHART EMD-MINI выдерживает перегрузку 150% от номинального тока в течение 60 секунд; EMD-PUMP – 120% в течение 60 секунд.

Следовательно, номинальный ток ПЧ должен быть не менее 7 ÷ 150% = 4,7А. Для подключения к сети 220В выбираем преобразователь частоты ELHART EMD-MINI – 007S (0,75кВт, 5А, 220В). Для подключения к сети 380В выбираем ПЧ ELHART EMD-MINI – 022T (2,2кВт, 5А, 380В).

Обратите внимание: при небольшом запасе по току в данном примере, мощности ПЧ в 6 и 20 раз больше мощности соответствующего двигателя!

Выбор между векторным и вольт-частотным режимом управления

По режиму управления частотные преобразователи можно разделить на вольт-частотные и векторные. Рассмотрим особенности работы этих режимов.

Вольт-частотный (или скалярный) режим управления ПЧ

Поддерживает постоянной величину магнитного поля статора при заданной частоте (отношение напряжения питания к частоте постоянно). Это значит, что при различных скоростях номинальный момент на валу двигателя останется неизменным. Есть особенности работы на низких частотах. Подробности расписаны в разделе “Возможный диапазон регулировки частоты вращения двигателя с помощью ПЧ”;
Скорость вращения двигателя зависит от приложенной нагрузки: при увеличении нагрузки двигатель замедляется, при уменьшении — ускоряется. При постоянной нагрузке скорость вращения не изменяется;
Позволяет работать с несколькими двигателями одновременно (для работы с несколькими двигателями необходимо обеспечить дополнительную защиту по току для каждого двигателя).

Векторный режим управления ПЧ:

поддерживает постоянную скорость вращения при изменяющихся нагрузках (за счет автоматической регулировки выходного напряжения);
более стабильно работает при низких частотах (за счет компенсации падения напряжения в обмотках двигателя).

Особенности работы векторного режима:

— возможно изменение скорости вращения при постоянной нагрузке в пределах 2Гц (вследствие поиска оптимального напряжения). Это нормально и не является неисправностью;
— возможна работа только с одним двигателем (не поддерживает многодвигательный режим);
— работает корректно, если правильно введены паспортные данные двигателя и успешно прошло его автотестирование.

И вольт-частотный и векторный режимы управления при наличии встроенного ПИД-регулятора способны точно поддерживать технологический параметр по датчику обратной связи (скорость, давление, влажность, температуру и другие).

Как правило, для большинства применений достаточно использования вольт-частотного режима. Такими применениями являются насосы, вентиляторы, конвейеры, деревообрабатывающие станки, высокоскоростные шпиндели фрезерных станков, простые куттеры, прессы, упаковочные станки, фасовочные аппараты, дозаторы, компрессоры и другое оборудование.

Векторный режим обычно применяется при работе с подъемно-транспортными механизмами, на дробилках, буровом оборудовании и другими нагрузками, где требуется высокий момент в области низких частот и при запуске, а также нет четкой зависимости момента нагрузки от скорости вращения.

Поддерживаемые способы управления преобразователем частоты

Так как преобразователь частоты обычно устанавливается в шкаф управления, то для доступа к встроенной панели необходимо каждый раз открывать дверь шкафа (в случае работы в пыльном производстве — мука, пыль, цемент — частое открытие двери недопустимо). Кроме того, часто преобразователь устанавливается рядом с двигателем, а пульт оператора находится в стороне.

С помощью выносного пульта управления EMD-Mini — RCP (не входит в комплект поставки) можно реализовать дистанционное управление преобразователем частоты EMD-Mini на расстоянии до 2 метров. Выносной пульт имеет абсолютно те же функции и возможности, что и панель управления на самом частотном преобразователе.

В частотных преобразователях ELHART серии EMD-PUMP встроенный пульт является съемным и имеет возможность выноса с помощью входящего в комплект двухметрового кабеля.

Для дистанционного управления пуском и остановом двигателя с помощью кнопок и переключателей необходимы дискретные входы.

Наличие аналогового входа позволяет дистанционно осуществлять плавную регулировку оборотов с помощью потенциометра или аналогового сигнала 0. 10В/4. 20мА. Совместно со встроенным ПИД-регулятором аналоговый вход позволяет непрерывно поддерживать значение технологического параметра (давление, расход, температура и т. д.)

Наличие интерфейса RS-485 либо RS-232 позволяет подключиться к верхнему уровню АСУТП.

Программный режим позволяет изменять скорость и направление вращения по заранее заданной программе.

Подбор частотного преобразователя для насоса

Отдельное внимание стоит уделить частотным преобразователям насосной серии. От остальных преобразователей их отличает заложенный алгоритм работы с несколькими двигателями. А именно: чередование двигателей и каскадный режим. Режим чередования применяется для равномерного износа двигателей. Каскадный режим применяется, когда необходимо с помощью одного частотного регулятора управлять несколькими насосами. Особенность каскадного режима заключается в том, что частотный преобразователь небольшой мощности способен регулировать производительность или давление в широком диапазоне, включая в работу минимально необходимое количество насосов. Преобразователи частоты ELHART EMD-PUMP могут управлять группой от 2 до 7 насосов. Возможна работа с насосами разной мощности, в таком случае мощность ПЧ определяется наиболее мощным насосом.

Дополнительное оборудование

В некоторых случаях при использовании преобразователя частоты может потребоваться установка дополнительного оборудования:

Тормозной резистор необходим для рассеивания энергии, поступающей в ПЧ от двигателя, который работает в генераторном режиме. Тормозной резистор используется для обеспечения быстрой остановки или замедления двигателя (особенно с высокоинерционными нагрузками), при работе с подъемно-транспортными механизмами (краны, лифты, наклонные транспортеры, подъемники), высокоинерционными применениями (дымососы, центрифуги, рольганги, тягодутьевые механизмы, транспортные тележки), в применениях, где важна точность позиционирования.
Моторный дроссель устанавливается при расстоянии между двигателем и преобразователем более 30м; защищает двигатель от импульсных токов, уменьшает помехи, ограничивает амплитуды тока короткого замыкания, снижает скорость нарастания тока КЗ и, как следствие, улучшает защиту преобразователя от КЗ.
Сетевой дроссель подключается ко входу преобразователя и является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты. Защищает от пиковых скачков напряжения в сети. Установка сетевого дросселя рекомендуется при нестабильных параметрах сети (пульсация, провалы напряжения), при перекосе фаз более 3%, если мощность источника питания (распределительного трансформатора) более 500 кВА и превышает в шесть и более раз мощность преобразователя или если длина кабеля между источником питания и ПЧ менее 10м. Использование сетевых дросселей значительно повышает срок службы и надежность работы частотных преобразователей.

3. Диапазон регулирования скорости вращения двигателя при использовании преобразователя частоты

Использование ПЧ для уменьшения скорости вращения двигателя

Для работы на низких частотах (ниже 10-15 Гц) необходимо особое внимание уделить охлаждению двигателя и моменту на валу.

Электродвигатель закрытого типа с вентиляторным охлаждением (TEFC) имеет охлаждение только за счет встроенного вентилятора. Производительность вентилятора охлаждения уменьшается пропорционально скорости вращения двигателя. При занижении оборотов двигателя эффективность охлаждения снижается, что приводит к перегреву двигателя и возможному выходу из строя.

Существует несколько вариантов охлаждения электродвигателя при работе на низких частотах:

сократить период непрерывной работы двигателя на низкой частоте
организовать дополнительное охлаждение;
уменьшить нагрузку на валу двигателя;
установить понижающий редуктор, что позволит повысить обороты двигателя;
использовать двигатель большего типоразмера.

Вольт-частотный метод регулирования позволяет сохранять постоянный момент на валу двигателя при различных скоростях. При работе на низких частотах (ниже 5-10 Гц) момент на валу будет зависеть от характеристики конкретного двигателя (активного сопротивления обмоток). Для сохранения момента на частотах ниже 5-10 Гц может потребоваться корректировка минимального напряжения кривой U / f. Увеличение значения напряжения вызовет увеличение пускового момента, но также приведет к увеличению потребляемого тока, а пропорционально увеличению протекающего тока усиливается нагрев. Рекомендуемый диапазон регулирования частоты при вольт-частотном управлении: 5-50 Гц. Преобразователь частоты ELHART EMD-MINI поддерживает регулировку частоты от 0,5 до 999,9 Гц.

Векторный метод регулирования способен более точно поддерживать момент при низких частотах (особенно при изменяющейся нагрузке). Диапазон возможной регулировки шире, чем у вольт-частотного режима и зависит от конкретной модели (фирмы, серии) ПЧ. Для векторного управления рекомендовано использовать преобразователи частоты Delta Electronics серии VFD-E и VFD-C.

Для увеличения пускового момента рекомендуется использовать частотный преобразователь большей мощности (так как преобразователь может обеспечить двигатель только полуторократным током (номинальный ток × перегрузочную способность ПЧ).

Использование ПЧ для увеличения скорости вращения двигателя

Преобразователь частоты можно использовать для увеличения скорости вращения двигателя выше номинальной. При этом важно учесть, что при увеличении частоты выше номинальной, момент (Т) уменьшается пропорционально квадрату отношения напряжение/частота. При частоте f = 70 Гц момент на валу уменьшается в 2 раза T = 0,5 × T_ном; при частоте f = 100 Гц момент уменьшается в 4 раза T = 0,25 × T_ном. Следовательно, увеличивается риск перегрузки двигателя. Кроме того, увеличивается нагрузка на подшипники.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рыбчинский М.Ю.

Выбор преобразователя частоты для применения с насосом

Использование преобразователя частоты для управления электродвигателем насоса — одно из самых частых решений, позволяющих получить заметную экономию электроэнергии и продлить срок службы как самого электродвигателя, так и насоса.

Общие принципы выбора преобразователя частоты для двигателя изложены в статье “Помощь при выбора преобразователя частоты”.

Использование преобразователя частоты для управления электродвигателем насоса может иметь свои особенности, которые можно выделить, рассмотрев выбор преобразователя частоты на примере конкретного применения.

1. Определение параметров двигателя.

Для корректного выбора преобразователя частоты для насоса необходимо выяснить мощность, номинальный ток и напряжение электродвигателя насоса. Наиболее точно эти параметры можно узнать из паспорта или шильдика (таблички) двигателя.

Шильдик выглядит следующим образом:

Из шильдика следует, что двигатель трехфазный, его номинальное напряжение 380 В, его номинальный ток (Iн) 22,9 А и мощность 11 кВт.

Иногда определить параметры электродвигателя невозможно по причине повреждения или отсутствия шильдика. Теоретически, используя справочники, можно определить недостающие параметры, зная тип электродвигателя, его типоразмер и высоту вала. Но на практике отсутствие или повреждение шильдика часто свидетельствует о длительной эксплуатации электродвигателя и старении изоляции его обмоток. При последующей работе такого электродвигателя с преобразователем частоты, усталость изоляции обмоток может привести к быстрому выходу электродвигателя из строя. Поэтому многие производители преобразователей частоты рекомендуют применять преобразователи частоты только с новыми электродвигателями. Год и месяц выпуска также указывается на шильдике электродвигателя.

2. Определение максимального тока преобразователя частоты

Каждая рабочая машина или механизм имеет свои значения перегрузки и пускового момента. Так, например, для обеспечения работы центробежного насоса коэффициент запаса по пусковому моменту (Kз) равен 1,1. Это означает, что преобразователь частоты должен иметь возможность выдавать ток на 10% выше номинального тока электродвигателя. Для погружного насоса этот коэффициент Kз будет равен 1,5.

Расчет максимального тока (Im) для преобразователя частоты на примере центробежного насоса будет следующим:

Im=Kз*Iн=1,1*22,9=25,19 А.

Таким образом, преобразователь частоты должен обеспечивать максимальный ток не ниже 25,19 А.

В параметрах преобразователя частоты указывается номинальный ток (In) и значение перегрузочной способности, которая указывается в процентах от номинального тока. Например, для преобразователя частоты серии Vacon 100 FLOW значение перегрузочной способности равно 110%.

При выборе преобразователя частоты должны соблюдаться следующие правила:

а) Номинальный ток преобразователя частоты (In) должен быть не ниже номинального тока двигателя (Iн) насоса:

Iн ≤ In

б) Максимальный ток преобразователя частоты (Imp) должен быть не ниже расчетного максимального тока:

Im ≤ Imp

Максимальный ток преобразователя частоты (Imp) можно рассчитать по следующей формуле:

Imp = (In / Kp)*100%.

3. Требования электромагнитной совместимости (ЭМС).

Преобразователь частоты является источником электромагнитных помех, которые могут негативно сказываться на работе электроустановок и электронных приборов. Для снижения негативного воздействия помех в преобразователе частоты могут устанавливаться входные фильтры ЭМС.

Существует классификация фильтров ЭМС, которая зависит от того, насколько хорошо фильтр сглаживает электромагнитные помехи. Например, для жилых помещений рекомендуется использовать фильтры A1 (категория размещения С2), а для промышленных предприятий – А2 (категория размещения С3). Фильтры более высокого класса, например А1, действуют эффективнее и могут также использоваться в помещениях категории С3, но при этом общая стоимость преобразователя частоты возрастет.

Для нашего примера будем считать, что насос расположен в промышленном помещении категории С3, потому необходим преобразователь частоты с фильтром ЭМС А2 или лучше.

4. Определение длины моторного кабеля.

Моторным кабелем называется кабель, которым соединяется преобразователь частоты и электродвигатель. Как правило, для центробежного насоса длина моторного кабеля составляет не более 10 метров, поскольку преобразователь частоты располагается в непосредственной близости от электродвигателя. Но для погружных насосов длина моторного кабеля может быть 60 и более метров, поскольку насос расположен глубоко в скважине. Большинство производителей преобразователей частоты ограничивают длину моторного кабеля расстоянием 30-50 метров. Для увеличения длины моторного кабеля может потребоваться дополнительная установка дорогостоящих dU/dt фильтров или синус-фильтров.

При большой длине моторного кабеля можно использовать некоторые серии преобразователей частоты Danfoss или Vacon. Так, например, преобразователи частоты серии Vacon 100 FLOW могут эксплуатироваться с моторным кабелем длиной до 200 метров без применения специальных фильтров.

Для нашего примера будем считать, что расстояние от преобразователя частоты до насоса не более 10 метров.

5. Определение режима торможения электродвигателя.

Как и большинство насосов, центробежные насосы останавливают выбегом, поэтому наличие тормозного прерывателя с возможностью подключения дополнительного тормозного сопротивления не нужно.

При выборе преобразователя частоты для нашего примера выберем преобразователь частоты без тормозного прерывателя. Это позволит снизить общую стоимость преобразователя частоты, поскольку тормозной прерыватель в нашем случае не нужен.

6. Степень защиты и окружающая среда.

Преобразователь частоты может быть установлен в специальном шкафу с высокой степенью защиты от воздействий окружающей среды — влаги и пыли. В этом случае можно выбрать преобразователь частоты со степенью защиты IP21 и ниже. Преобразователь частоты в исполнении IP21 можно также установить без шкафа непосредственно на стену в сухом и чистом помещении, но при вероятности появления пыли или повышенной влажности степень защиты преобразователя частоты при установке вне шкафа должна быть не менее IP54.

Для нашего примера будем считать, что преобразователь частоты будет смонтирован без шкафа непосредственно на стене и в помещении возможно появление пыли. Исходя из этих условий, выбираем привод в исполнении IP54.

7. Выбор способа управления преобразователем частоты.

Управление преобразователем частоты может осуществляться разными способами: со встроенной панели управления преобразователя частоты, кнопками на двери шкафа или на панели управления, по сетевому протоколу (при наличии такой возможности).

Также нужно определить, что будет выступать сигналом для регулирования скорости вращения насоса: аналоговый датчик давления, дискретный датчик давления, задание скорости вращения потенциометром или по сетевому протоколу.

Предположим, что нам нужно управлять преобразователем частоты с удаленного кнопочного поста кнопками «Пуск» и «Стоп», в качестве задатчика скорости вращения используется аналоговый датчик давления в трубопроводе с токовым сигналом 4. 20 мА и необходимо иметь удаленную сигнализацию аварийного режима.

Учитывая вышесказанное,необходимо чтобы у преобразователя частоты было 2 дискретных входа для пуска и останова, аналоговый вход 4. 20 мА для подключения датчика давления и сигнальное реле — для передачи сигнала «Авария».

8. Выбор типа преобразователя частоты – специализированный или универсальный?

Удобство применения универсальных преобразователей частоты может проявляться в хорошем знании обслуживающим персоналом принципов настройки и эксплуатации, унификации запасных частей и применимостью на разных типах механизмов (одна серия преобразователей частоты может использоваться например и на грузоподъемном оборудовании, и на насосах). Но эта особенность зачастую определяет более сложную конструкцию и наличие множества невостребованных функций.

Наличие большого количества прикладных функций у универсального преобразователя частоты является его преимуществом, но в тоже время для конкретного применения количество функций может быть минимальным. Например, универсальный преобразователь частоты может управлять насосом и иметь ПИД-регулятор для точного поддержания давления в трубе, но не иметь функции заполнения пустой трубы (для исключения гидравлического удара) или функции каскадного регулятора для управления несколькими насосами.

Специализированный преобразователь частоты, в свою очередь, имеет очень ограниченные возможности применения (например, основными сферами применения Vacon 100 FLOW являются насосы, вентиляторы и компрессоры). Но, для «своих» применений у специализированного преобразователя частоты есть множество специальных функций. Например, для управления насосом есть функции контроля заполнения трубы, спящий режим, каскадное регулирование, пожарный режим, часы реального времени, функция попеременного управления насосами для оптимальной наработки ресурса.

Стоит отметить, что для простых применений, а насос именно такое — специализированные преобразователи частоты значительно дешевле универсальных и проще в настройке.

Возвращаясь к нашему примеру, предположим, что нам уже сейчас нужны функции заполнения трубы, спящего режима, а в дальнейшем планируется полноценный каскадный регулятор из двух насосов.

В связи с этим предпочтительнее выбор специализированного преобразователя частоты для работы с насосом и с поддержкой специализированных насосных функций.

9. Подведем итоги:

Для выбора преобразователя частоты для насоса нужна следующая информация:

– Параметры электродвигателя насоса;

– Тип насоса;

– Тип входного фильтра преобразователя частоты;

– Длина кабеля от насоса до преобразователя частоты;

– Степень защиты преобразователя частоты от воздействий окружающей среды;

– Способ управления преобразователем частоты;

– Необходимость использования специализированные функций.

Для нашего примера эти параметры будут такими:

Номинальный ток двигателя — 22,9 А;

Максимальный ток ПЧ (не ниже) — 25,19 А;

Входной фильтр — не хуже А2;

Длина моторного кабеля — 10 метров;

Тормозной прерыватель — не нужен;

Степень защиты корпуса ПЧ — IP54;

Количество дискретных входов — не менее 2;

Количество аналоговых входов 4. 20 мА — 1;

Количество релейных выходов — 1;

Специальные функции: заполнение трубы, спящий режим, каскадный регулятор (в перспективе).

Исходя из этого, выбираем преобразователь частоты

имеющий следующие характеристики:

Номинальный ток — 23 А;

Максимальный ток — 25,3 А;

Входной фильтр — A1;

Максимальная длина моторного кабеля — 200 метров;

Тормозной прерыватель — нет;

Степень защиты корпуса — IP54;

Количество дискретных входов — 6;

Количество аналоговых входов 4. 20 мА — 2;

Количество релейных выходов — 3;

Функция заполнения трубы — есть;

Спящий режим — есть;

Каскадный регулятор — есть.

Как выбрать преобразователь частоты для погружного насоса?

Применение частотных преобразователей для управления скважинными насосами обеспечивает не только сбережение энергии, но и повышает уровень комфорта. Ведь, в независимости от расхода насос, управляемый частотные преобразователем, обеспечит стабильный уровень напора в трубопроводах. Но для обеспечения стабильной работы системы «погружной насос – преобразователь частоты» необходимо соблюдать ряд правил при выборе частотного регулятора.

Где может потребоваться:

В случае если выполняется обустройство водозаборной скважины или колодца

Правило первое «Выбираем по току»

В силу своей конструкции скважинные насосы оснащаются асинхронными двигателями, у которых номинальный ток достаточно высокий, если сравнивать его с током приводных двигателей такой же мощности у других типов насосов. По этой причине выбирая, преобразователь частоты необходимо в первую очередь обратить внимание на значение номинального тока, указанного в паспортных данных. При этом мощность преобразователя частоты может оказаться на одну или две ступени выше номинальной мощности двигателя насоса. В этом нет ничего страшного.

Правило второе «Следим за перегрузками»

Режимы работы погружных насосов, особенно на стадии пуска, предполагают значительные перегрузки по току. По этой причине необходимо, что бы преобразователь частоты смог выдержать данную перегрузку и не отключился по внутренней защите. Что бы избежать аварийных отключений при перегрузках нужно или выбирать модели преобразователей частоты, которые способны работать с перегрузками больше 120 – 130 процентов, или выбирать преобразователи частоты, работающие с перегрузками до 120 процентов на одну или две ступени выше по мощности, чем мощность двигателя насоса.

Правило третье «Используем кабель с увеличенным сечением»

Как правило, расстояние между преобразователем частоты и двигателем погружного насоса может быть несколько десятков метров. На кабеле такой длины может происходить значительное падение напряжения. По этой причине для подачи напряжения от преобразователя частоты к погружному насосу рекомендуется использовать кабели с увеличенным сечением. Обычно бывает достаточно запаса на одну – две ступени от расчётного параметра по току.

Правило четвертое «Используем моторный дроссель»

Глубины залегания водоносных слоев в песчаниках или известняках могут составлять десятки и даже сотни метров. При таких расстояниях между преобразователем частоты и электродвигателем, установленным на насосе, на кабеле может иметь место повышенная емкость. Данная емкость может стать причиной появления утечек тока, что в свою очередь станет причиной перегрузок привода и приведет к срабатыванию защиты по току. Для исключения аварийных отключений рекомендуется использовать на выходе преобразователя частоты моторный дроссель. Он будет сглаживать пульсации выходного напряжения, и уменьшит влияние емкостной составляющей кабеля на процессы в нем.

Еще одни плюс использования моторного дросселя состоит в снижении скорости нарастания аварийного тока короткого замыкания. Следовательно, при наличии моторного дросселя защита преобразователя срабатывает надежнее.

Правило пятое «Предотвращаем перенапряжение на зажимах двигателя»

При значительных расстояниях между двигателем и частотным регулятором в кабеле, соединяющем их, может возникать стоячая волна. При этом явлении на зажимах двигателя имеет место перенапряжение до 1000 В (при номинальном значении 380 В). Возникновение стоящей волны обусловлено прохождением напряжения сгенерированного частотным регулятором при условии значительной крутизны фронта волны. Для предотвращения перенапряжения необходимо устанавливать на выходе частотника или моторный дроссель или фильтр dU/dt.

Правило шестое «Заботимся о защите частотного преобразователя»

Скважные насосы, как правило, работаю в удалённых районах. В этих местах есть существенные трудности с обеспечением качественного электропитания. Нередко преобразователи частоты подключатся к мощным трансформаторам. В этих случаях целесообразно оснащать частотный преобразователь сетевым дросселем. Он обеспечит защиту частотника от перенапряжений со стороны сети. Так же сетевой дроссель обеспечивает защиту от гармонических искажений, которые могут возникать в сети от работы частотного регулятора.

Правило седьмое «Учитываем условия размещения преобразователя частоты»

Преобразователи частоты, управляющие погружными насосами, нередко устанавливают в неотапливаемых помещениях. В этом случае, для обеспечения должной надежности системы, частотные преобразователи должны выдерживать колебания температуры и влажности в таких помещениях.

Правило восьмое «О минимальном функционале преобразователя частоты»

Для создания системы управления погружным насосом преобразователь частоты должен иметь следующий минимальный набор функций:

Встроенное пропорционально-интегральное или ПИД регулирование. Эта функция необходима для организации работы системы с обратным сигналом от датчика давления.
Встроенная функция по оптимизации энергопотребления.
Перезапуск привода в случае сбоев.
Защиты двигателя.
Поддержка спящего режима.
Хранение данных об авариях.
Возможность настройки вольт-частотной характеристики.

Частотное регулирование скорости погружных насосов

Погружные (скважинные) насосы находят широкое применение как в системах водоснабжения и канализации муниципальных и промышленных сооружений, системах добычи нефти, так и для бытовых нужд владельцев частных домов и огородов. Данный тип насосов опускается ниже уровня перекачиваемой жидкости и обеспечивает её подъем с большой глубины.

Среди погружных насосов для подъема воды наиболее распространена водозаполненная конструкция с хорошим охлаждением узлов, состоящая из центробежного насоса и электродвигателя в защитном кожухе с жёстким соединением их валов (см. рис. 1). Как правило, насосы бывают оснащены обратными клапанами, которые удерживают столб воды в трубопроводе при остановках насоса и облегчают повторный запуск электронасосного агрегата.

В последнее время все более часто погружные насосы начинают использоваться совместно с частотными преобразователями, обеспечивающими постоянство давление жидкости в системе вне зависимости от потребления за счет регулировки скорости насоса. При частотном регулировании удаётся избежать возникновения в трубопроводе избыточного давления. Благодаря частотному преобразователю обеспечиваются плавные пуски и остановы электропривода, что исключает возникновение гидроударов и продлевает срок службы трубопроводных сетей. Применение частотного преобразователя позволяет избежать перерасхода электроэнергии, так как максимальная мощность двигателя, как правило, необходима лишь в 10-20% от всего времени работы насоса. Всё остальное время двигатель, не оснащённый преобразователем частоты, работает с той же высокой скоростью вращения вала, потребляя при этом больше на 30-60% электроэнергии, чем требуется.

Это основные преимущества применения частотного регулирования скорости погружных насосов, кроме которых можно назвать более надёжную защиту электропривода, снижение утечек жидкости в системе, почти двукратное увеличение ресурса насосного оборудования. Все это свидетельствует об экономической обоснованности использования частотных преобразователей и быстрого срока их окупаемости.

Особенности выбора и эксплуатации частотно-регулируемого привода погружных насосов

1. Номинальный ток погружных электродвигателей как правило больше, чем у стандартных асинхронных двигателей такой же мощности, поэтому при выборе модели частотного преобразователя руководствуйтесь прежде всего его номинальным током, а не мощностью, выбирая с небольшим запасом.

2. Если частотный преобразователь имеет небольшую перегрузочную способность (110-120%), то лучше выбирать его на один номинал выше мощности двигателя.

3. На длинном моторном кабеле может происходить большое падение напряжения, что в свою очередь приведет к снижению момента, развиваемого двигателем, поэтому рекомендуется использовать кабель с увеличенным сечением.

4. При длине моторного кабеля более 20-50 метров большинство производителей преобразователей частоты рекомендует использовать моторный дроссель с 2-4% падением напряжения, устанавливаемый на выходе преобразователя. Иначе из-за высокой емкостной составляющей линии будут утечки тока, излишне нагружающие привод, и приводящие к срабатыванию защиты от перегрузки по току.

5. Еще одним негативным фактором длинного кабеля является возникновение перенапряжения (до 1000В) на зажимах двигателя вследствие образования стоячей волны, вызванной прохождением импульсного ШИМ-сигнала с крутым фронтом (см. рис.). Эффективным способом снижения перенапряжения и, тем самым, увеличения срока службы электродвигателя является применение моторного дросселя или фильтра dU/dt.

6. Помимо этого моторный дроссель снижает скорость нарастания аварийных токов короткого замыкания, тем самым обеспечивая более надежное срабатывание цепей электронной защиты преобразователя.

7. Применение сетевого дросселя, устанавливаемого на входе преобразователя, также весьма желательно в данных приложениях, так как скважины зачастую расположены в удаленных местах сельской местности, где качество электрической сети оставляет желать лучшего. Сетевой дроссель необходим, если частотный преобразователь питается от мощного недалеко расположенного (до 10м) распределительного трансформатора. В этом случае без сетевого дросселя преобразователь может быть поврежден. Кроме того, энергетические компании могут налагать штрафы за превышение допустимого уровня гармонических искажений электрической сети при эксплуатации частотного привода без сетевого дросселя.

8. При установке преобразователя в неотапливаемом помещении он должен иметь соответствующий диапазон температур, подходящих для эксплуатации в данных условиях окружающей среды.

9. Преобразователь частоты должен обладать следующим минимальным набором функциональных возможностей:

Встроенный ПИ или ПИД регулятор для работы привода в замкнутом контуре поддержания давления.

Функция оптимизации энергопотребления, адекватно снижающая выходное напряжения при низкой нагрузке привода.

Функция автоматического повторного включения привода, которая при возникновении какого-либо не фатального сбоя в работе привода должна перезапустить привод без участия оперативного персонала.

Защита двигателя от перегрузки (заклинивания вала) и перегрева (I2t), защита инвертора от короткого замыкания, защита насоса от сухого хода, и др.

Функция ограничения минимальной выходной частоты или «спящий» режим, которые необходимы таких насосов, которые имеют ограничение работы на низких скоростях.

Желательно иметь архив аварий, который поможет правильно провести диагностику привода в случае регулярных сбоев и выхода оборудования из строя.

Настраиваемая характеристика U/f или векторное управление для оптимальной настройки характеристик привода.

Вывод

Правильный выбор и приобретение преобразователя частоты, а также дополнительного оборудования к нему рентабельно не только вследствие прямой экономии электроэнергии, но и за счёт предотвращения быстрого износа насоса, предупреждения аварий и простоя оборудования, плюс увеличение функциональности системы.

Поэтому сегодня всё больше производителей предлагают комплектные поставки насосных станций, снабжённых частотно-регулируемым приводом, который обеспечивает повышенный ресурс насосного оборудования и максимальную эффективность его работы.