Frekvenční automatizace pro čerpadlo: jak funguje a proč je potřeba

V soukromém domě a na pozemku se zásobování vodou obvykle provádí instalací studny. Pro běžné zásobování vodou však samotná studna přirozeně nestačí. Aby vše správně fungovalo a voda byla nepřetržitě přiváděna do všech prvků systému, je nutné připojit automatiku, která bude hlídat objem vody v zásobníku a případně čerpadlo zapínat a vypínat. Po dlouhou dobu byl běžným zařízením pro tento úkol tlakový spínač. Ten je však dnes nahrazován modernějším a technologičtějším zařízením s mikroprocesorovým řízením – frekvenčním měničem.

Takzvaný frekvenční generátor má mnoho funkcí a také možnost jej flexibilně nakonfigurovat na požadované provozní podmínky. Regulátory frekvence jsou určeny k řízení chodu motoru, konkrétně jeho otáček a točivého momentu. Takové vlastnosti vám umožňují plynule startovat a zastavovat motor, stejně jako udržovat otáčky v požadovaném rozsahu nebo je rychle měnit.

Maximální výkon motoru je vyžadován pouze při nejintenzivnějším provozu systému. Ve všech ostatních případech není potřeba z pumpy ždímat maximum. Tento požadavek je zohledněn v systémech s automatickými relé, nicméně toto zařízení má i některé nevýhody. Tlakový spínač není schopen ovlivňovat otáčky motoru čerpadla, takže pokud je potřeba čerpat vodu, náhle okamžitě zapne zařízení na maximální výkon. To často vede k vodním rázům a přetížení v napájecím systému. Taková dodatečná zatížení negativně ovlivňují systém zásobování vodou, v důsledku čehož se rychle opotřebovává a selhává. Frekvenční měnič může tento problém vyřešit, protože zahájí práci hladce a také ji plynule zastaví úpravou otáček motoru.

Princip činnosti frekvenčního měniče

Vezmeme-li pro srovnání klasický vodovodní systém pracující bez měniče, pak funguje převážně na principu škrcení. V takových konstrukcích motor neustále pracuje na maximální výkon a tlak je řízen pomocí uzavíracích ventilů. Ovládání se provádí ručně nebo pomocí tlakového spínače. Tato metoda je neúčinná a způsobuje rychlé opotřebení zařízení.

Tlakový spínač v zásadě zajišťuje efektivní provoz, není však schopen regulovat otáčky motoru, a proto je čerpadlo na signál okamžitě zapnuto na maximální výkon, což negativně ovlivňuje kvalitu provedení. Frekvenční měnič je dalším krokem v problému regulace provozu čerpacího zařízení, opatrnější a inteligentnější způsob řízení zásobování vodou.

Operační algoritmus převodníku je jednoduchý. Jakmile senzory detekují, že hladina kapaliny v nádrži dosáhla nízkého prahu, je z ní odeslán signál do převodníku. Řídicí zařízení plynule spouští motor čerpadla, aby se zabránilo vodním rázům v potrubí a přetížení v elektrické síti. Dobu zvýšení výkonu čerpadla lze nastavit nezávisle.

Senzory v čerpadle neustále poskytují převodníku informace o tom, jak čerpadlo zrychluje. Jakmile jsou dosaženy požadované ukazatele, systém přestane zvyšovat rychlost a výkon a jednoduše udržuje aktuální stav. Pokud bude hladina vody nadále klesat nebo naopak začne stoupat, konvertor upraví proces čerpání a ovlivní výkon čerpadla. Frekvenční spínač má také doplňkovou funkci: chrání zařízení v případě náhlých výkyvů proudu v elektrické síti.

Proč používat frekvenční měnič?

Jednou z výhod frekvenčního měniče je, že jej lze použít na jakémkoli čerpacím zařízení. Hrají zvláštní roli při provozu systémů zásobování teplou a studenou vodou a vytápění. Po instalaci tohoto zařízení je výsledek cítit okamžitě, protože systémy začnou pracovat zcela autonomně. Současně je kdykoli zachována vysoce kvalitní dodávka vody. Zajímavé je, že na objemu a měřítku systému vůbec nezáleží, protože frekvenční měnič je schopen efektivně pracovat jak na velkých průmyslových stanicích, tak na mini čerpacích stanicích pro jeden dům. Proces regulace provozu čerpadla pomocí měniče má řadu výhod:

• Snížené náklady na energii. Úspory mohou dosáhnout 40 %;
• Možnost ochrany zařízení před „suchým chodem“;
• Žádné změny teploty při dodávce teplé vody;
• Žádný zvýšený tlak v potrubí;
• Zvýšení životnosti potrubí, jakož i čerpacího zařízení;
• Nízká hladina hluku;
• Schopnost zjednodušit design odstraněním nepotřebných prvků z něj, například hydraulického akumulátoru nebo jiných komponent.

Jako každý produkt má i převodník své nevýhody:

• Náklady na zařízení jsou ve srovnání s jinými podobnými zařízeními poměrně vysoké;
• Pro instalaci a připojení musíte zavolat odborníka.

Počáteční náklady v procesu používání zařízení jsou rychle kompenzovány díky úsporám elektřiny, takže obecně je instalace frekvenčního generátoru nejen efektivní, ale také zisková.

Kde se používá frekvenční měnič?

Nejčastěji jsou frekvenční měniče součástí následujících systémů:

• Čerpací jednotky určené k organizaci zásobování pitnou a užitkovou vodou. Použití frekvenčních měničů poskytuje vysoce kvalitní a optimální způsob zavlažování a zásobování vodou. Převodníky se používají v průmyslu a každodenním životě. Pro domácí použití vytváří mnoho výrobců jednofázová zařízení;
• Cirkulační čerpací zařízení pro systémy vytápění a chlazení. U těchto provedení měnič reguluje přívod chladicí kapaliny nejen z hlediska průtoku, ale také z hlediska tlaku a teploty. Zajišťují také odvod a dodávku tepelné energie s minimálními náklady na elektřinu;
• Čerpadla používaná v systémech určených k hašení požárů. V tomto případě provozovatelé frekvence udržují výkon čerpadla na požadované úrovni a spouštějí zařízení, když je zjištěn požár;
• Zařízení používaná v jiných oblastech. Zařízení se například aktivně používají v dávkovacích čerpadlech v chemickém průmyslu.

Frekvenční měniče tak posouvají procesy zásobování vodou a vytápění, stejně jako všechny procesy spojené s provozem čerpadel, na novou úroveň účinnosti. Pomocí tohoto jednoduchého zařízení můžete automatizovat a optimalizovat dodávku vody a dalších tekutin a zároveň výrazně snížit náklady na elektřinu.

Ponorná (vrtová) čerpadla Jsou široce používány ve vodovodních a kanalizačních systémech městských a průmyslových budov, v systémech těžby ropy a pro domácí potřeby majitelů soukromých domů a zahrad. Tento typ čerpadel se ponořuje pod hladinu čerpané kapaliny a zajišťuje její výstup z velké hloubky.

Mezi ponornými čerpadly pro zvedání vody je nejběžnější vodou plněná konstrukce s dobrým chlazením jednotek, sestávající z odstředivého čerpadla a elektromotoru v ochranném pouzdře s pevným spojením jejich hřídelí (viz obr. 1). Čerpadla jsou zpravidla vybavena zpětnými ventily, které drží vodní sloupec v potrubí, když se čerpadlo zastaví, a usnadňují opětovné spuštění elektrické čerpací jednotky.

V poslední době stále častěji ponorná čerpadla se začínají používat společně s frekvenčními měniči, které zajišťují konstantní tlak kapaliny v systému bez ohledu na spotřebu úpravou otáček čerpadla. Díky frekvenční regulaci je možné se vyhnout nadměrnému tlaku v potrubí. Díky frekvenčnímu měniči jsou zajištěny plynulé spouštění a zastavování. elektrický pohon, což eliminuje výskyt vodního rázu a prodlužuje životnost potrubních sítí. Použití frekvenčního měniče umožňuje vyhnout se nadměrné spotřebě energie, protože maximální výkon motoru je obvykle vyžadován pouze 10–20 % celkové provozní doby čerpadla. Po zbytek času motor, který není vybaven frekvenčním měničem, pracuje se stejnou vysokou rychlostí otáčení hřídele a spotřebovává o 30–60 % více elektřiny, než je potřeba.

Obr. 1. Konstrukce ponorného čerpadla ECV,
vyrobeno společností JSC Livnynasos

Toto jsou hlavní výhody použití frekvenční regulace otáček ponorného čerpadla, kromě toho lze jmenovat spolehlivější ochranu elektrického pohonu, snížení úniků kapaliny v systému a téměř dvojnásobné prodloužení životnosti čerpacího zařízení. To vše naznačuje ekonomickou proveditelnost použití frekvenčních měničů a jejich rychlou návratnost investic.

Vlastnosti výběru a provozu frekvenčních měničů pro ponorná čerpadla

1. Jmenovitý proud ponorných elektromotorů je obvykle větší než proud standardních asynchronních motorů stejného výkonu, takže při výběru modelu frekvenčního měniče se řiďte především jeho jmenovitým proudem, nikoli jeho výkonem, a to s malou rezervou.

2. Pokud má měnič kmitočtu malou přetížitelnost (110–120 %), je lepší zvolit jej o jeden jmenovitý výkon vyšší, než je výkon motoru.

3. Na dlouhém kabelu motoru může dojít k velkému úbytku napětí, což následně sníží točivý moment vyvíjený motorem, proto se doporučuje použít kabel s větším průřezem.

4. Pokud je délka kabelu motoru větší než 20–50 metrů, většina výrobců frekvenčních měničů doporučuje použití motorové tlumivky s úbytkem napětí 2–4 % instalované na výstupu. konvertorJinak dojde v důsledku vysoké kapacitní složky vedení k únikům proudu, které přetíží měnič a povedou k aktivaci nadproudové ochrany.

5. Dalším negativním faktorem dlouhého kabelu je výskyt přepětí (až 1000 V) na svorkách motoru v důsledku vzniku stojaté vlny způsobené průchodem pulzního PWM signálu se strmou frontou (viz obr.). Účinným způsobem, jak snížit přepětí a tím prodloužit životnost elektromotoru, je použití motorové tlumivky nebo filtru dU/dt.

6. Tlumivka motoru navíc snižuje rychlost nárůstu nouzových zkratových proudů, čímž zajišťuje spolehlivější provoz elektronických ochranných obvodů měniče.

7. Použití síťové tlumivky instalované na vstupu konvertor, je v těchto aplikacích také velmi žádoucí, protože studny se často nacházejí v odlehlých venkovských oblastech, kde kvalita elektrické sítě nechává mnoho prostoru pro uspokojení. Síťová tlumivka je nezbytná, pokud je frekvenční měnič napájen výkonným, blízkým (až 10 m) distribučním transformátorem. V tomto případě může být měnič bez síťové tlumivky poškozen. Energetické společnosti mohou navíc ukládat pokuty za překročení přípustné úrovně harmonického zkreslení elektrické sítě při provozu frekvenčního měniče bez síťové tlumivky.

8. Při instalaci měniče v nevytápěné místnosti musí mít vhodný teplotní rozsah vhodný pro provoz v daných podmínkách prostředí.

9. Měnič kmitočtu musí mít následující minimální sadu funkčních schopností:

• Postaveno PI nebo PID regulátor pro provoz pohonu v uzavřeném okruhu udržování tlaku.
• Funkce optimalizace výkonu, která adekvátně snižuje výstupní napětí při nízkém zatížení měniče.
• Funkce automatického restartu měniče, která by v případě jakékoli nefatální poruchy měniče měla restartovat měnič bez zásahu obsluhy.
• Ochrana motoru před přetížením (zadřením hřídele) a přehřátím (I2t), ochrana měniče před zkratem, ochrana čerpadla před chodem nasucho atd.
• Funkce omezení minimální výstupní frekvence neboli „spánkový“ režim, který je nezbytný pro čerpadla s nízkým omezením otáček.
• Je vhodné mít archiv nehod, který pomůže správně diagnostikovat pohon v případě pravidelných poruch a selhání zařízení.
• Nastavitelná charakteristika V/f nebo vektorové řízení pro optimální výkon měniče.

Výkon

Správný výběr a nákup frekvenčního měniče, jakož i doplňkového vybavení k němu, je nákladově efektivní nejen díky přímým úsporám energie, ale také díky prevenci rychlého opotřebení čerpadla, prevenci nehod a prostojů zařízení a také díky zvýšení funkčnosti systému.

Proto dnes stále více výrobců nabízí kompletní dodávky čerpacích stanic vybavených frekvenčně řízeným pohonem, který zajišťuje zvýšenou životnost čerpacího zařízení a maximální efektivitu jeho provozu.

• LLC “Intekhniks”
• 109518, Moskva, st. 1. Grayvoronovský pr-d, 20
• tel. +7 (495) 287-45-49
• e-mail: info@intechnics.ru