Перетворювачі частотні для насосів систем водопостачання
Перші насоси з'явилися ще в античні часи. У наші дні це, мабуть, найпоширеніший пристрій, який застосовується практично повсюдно. Поверніть ручку крана, з нього потече вода, яку подає насос. У кожному автомобілі працюють кілька насосів для олії, палива, води, рідини, що охолоджує. Велосипедист не вирушить у дорогу, не накачавши насосом шини. При виготовленні електронної лампи з неї викачують повітря. Насоси накачують, викачують, відкачують та перекачують повітря, воду, нафту, молоко, бензин і навіть цемент. Від водопроводу до ракети, від вентилятора до атомної станції такий діапазон застосування насосів.
Але сам собою насос працювати не може. Для приведення його в дію потрібен електродвигун та пристрій регулювання тиску/розрідження. Найвідомішим і найпоширенішим способом регулювання в насосній системі є дроселювання, коли двигун працює на повних оборотах, а регулювання тиску в системі здійснюється за допомогою запірної арматури (засувок, вентилів, відводів, кульових кранів і т.д.). Якщо проводити паралелі з керуванням автомобілем, то дроселювання виглядає приблизно так: водій, натиснувши педаль газу до упору, регулює швидкість руху педаллю гальма.
Більш раціонально та ефективно керувати насосами дозволяють частотні перетворювачі, за допомогою яких на двигун подається необхідна кількість енергії для створення та підтримки необхідного рівня тиску/розрідження в системі, наприклад, у трубопроводі. При цьому досягається до 30% економії споживання енергії, а якщо врахувати, що протягом терміну служби двигун витрачає електроенергії на суму, що набагато перевищує його вартість, то цей показник виявляється надзвичайно актуальним. Наприклад, протягом року роботи з 8годин на день двигун потужністю 11 кВт витратить електроенергії у сумі близько 85 тис. крб. Частотний перетворювач за таких параметрів роботи окупиться протягом року, і надалі приноситиме підприємству прибуток.
Розглянемо описані вище способи регулювання тиску в насосній системі докладніше.
Потужність насоса для конкретної системи завжди розраховується за рівнем максимального споживання, тобто із певним запасом. На рис.1 продемонстровано типову схему обчислення необхідної потужності насоса. Блакитною лінією показана «крива насоса» - частина системи водопостачання, що подає, яка відображає залежність тиску нагнітання від величини витрати рідини (протоки). Червона лінія - це «крива системи» - споживає частина водопостачання, так само відображає взаємозалежність витрати та тиску рідини, але в дзеркальному відображенні. Перетин цих кривих є точкою оптимуму, коли насос забезпечує необхідну протоку і необхідний рівень тиску.
Але фактично в такому режимі система працює вкрай рідко, лише в моменти пікового споживання. В решту часу розрахункова потужність насоса виявляється надмірною, і тоді в системах без регулювання або із застосуванням дроселювання відбувається наступне: при зниженні витрати насос створює надлишковий тиск, створення якого витрачається додаткова енергія. На рис.2 це показано.
Застосування частотних перетворювачів, за рахунок зниження оборотів двигуна і як наслідок потужності, що подається дозволяє змінити «криву насоса» адаптувавши її під «криву системи»
Управління насосами систем водопостачання
Як відомо, витрата води на господарські та побутові потреби дуже сильно коливається протягом доби,під час вихідних та свят. Безліч людей приймають душ, стирають, миють посуд одночасно в певний час і майже не користуються водою в інший час, наприклад, вночі. Це створює умови для виникнення таких проблем, як поганий напір води в ранкові та вечірні години, значні добові коливання тиску в системі водопостачання і, як наслідок, прискорене зношування труб та запірної арматури.
На щастя, сьогодні стабілізація тиску не є таким складним завданням. Сьогодні вже актуальнішим є питання підвищення загальної ефективності управління системами водопостачання, тобто досягнення максимальних результатів за мінімального енергоспоживання та незначних капіталовкладень у модернізацію обладнання. Використання частотно-регульованих приводів (ЧРП) на насосних станціях дозволяє блискуче впоратися із цим завданням. Статистика показує, що ЧРП здатний знизити споживання енергії на насосних станціях від 30 до 50%, а термін їхньої окупності становить від одного до півтора року.
Така економія досягається за рахунок того, що частотний перетворювач здатний змінювати частоту обертання електродвигуна плавно широкому діапазоні. Фактично це означає, що електродвигун насоса завжди буде споживати рівно стільки енергії, скільки необхідно для підтримки стабільного тиску незалежно від поточного споживання системи водопостачання в конкретний момент. Плавні пуск, зупинка та зміна частоти обертання двигуна дозволяє також уникнути гідравлічних ударів у трубопроводах, скорочуючи втрати води та збільшуючи термін безаварійної експлуатації насоса, трубопроводу, запірно-регулюючої арматури та вимірювальних приладів.
Вибір частотного перетворювача для насосів
Компанія Rockwell Automationпропонує частотні перетворювачі для вирішення найрізноманітніших завдань управління насосами: від управління одиночними малопотужними насосами до каскадного управління групою насосів з автозаміною. Перетворювачі PowerFlex можуть живитись як від однофазної, так і трифазної мережі.
Однофазні перетворювачі, використовуючи одну фазу 220В, формують на виході трифазну синусоїдальну напругу для ефективного управління трифазними двигунами без втрати потужності і без застосування фазозсувних ланцюгів, конденсаторів. Таке рішення пропонується для перетворювачів PowerFlex 4, PowerFlex 4М, PowerFlex 40 у діапазоні потужностей від 0,2 до 2,2 кВт.
Трифазні перетворювачі здатні працювати у ширшому діапазоні потужностей (від 0,2 до 250 кВт), асортимент таких перетворювачів доповнений моделями PowerFlex 40P та PowerFlex 400.
Для вирішення найпростіших завдань керування малопотужними насосами доступні перетворювачі PowerFlex 4, PowerFlex 4М, PowerFlex 40 та PowerFlex 40P. Вони дозволять виконувати плавний пуск та зупинку, керування режимами розгону/гальмування, захист від «сухого ходу», енергозбереження тощо. Крім того, PowerFlex 40 і 40P, крім скалярного (U/f, вольт-частотного) мають режим векторного бездатчикового управління двигуном. Такий режим відрізняється підвищеною точністю управління і дозволяє отримати високий крутний момент двигуна на знижених швидкостях обертання. Приводи відрізняються малими габаритами, можуть монтуватися з нульовими зазорами, впритул один до одного і пропонуються у виконанні для роботи від однофазної та трифазної мережі.
Для вирішення більш складних завдань (автоматичне тримання тиску, каскадне керування, керування заслінкою тощо) рекомендується використовувати перетворювачі PowerFlex 400. Частотніперетворювачі цієї серії мають вбудований контур ПІД-регулювання (пропорційно-інтегрально-диференціальне регулювання). Контур ПІД використовується для підтримки зворотного зв'язку процесу, наприклад тиску, потоку або натягу відповідно до заданого значення. А такі додаткові вбудовані функції як каскадне керування трьома додатковими двигунами та керування заслінкою в ряді випадків дозволяють використовувати PowerFlex 400 без керуючого контролера.
Вбудована функція управління додатковими двигунами дозволяє запустити до трьох двигунів з безпосереднім пуском на додаток до того двигуна, робота якого керується безпосередньо приводом PowerFlex 400. Вихід системи може змінюватися від 0% до 400%. Функція автоматичної заміни розподіляє навантаження між двигунами шляхом періодичної заміни керованого приводом двигуна додатковими двигунами.
Вбудована логічна схема управління заслінкою дозволяє заощадити на зовнішньому керуючому апаратному та програмному забезпеченні. При подачі команда запуску привід формує команду відкриття/закриття заслінки та контролює надходження сигналу готовності. Коли заслінка знаходиться у правильному положенні, виконується безпечний запуск приводу.