Частотник для насоса: какой выбрать для скважины, отопления и водоснабжения

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.

Однофазный частотник для насоса скважины

Однофазный частотник для насоса скважины принимает на входе однофазное напряжение 220 В, а на выходе формирует трёхфазное напряжение для питания стандартного трёхфазного погружного двигателя. Это удобно там, где к скважине подведена только однофазная линия, а менять насос на однофазную версию не хочется, или насос такой мощности просто не выпускается в однофазном исполнении.

Главная особенность подбора: из-за ограничений по входному однофазному питанию такие преобразователи почти всегда требуют снижения (дерейтинга) допустимой выходной мощности по сравнению с трёхфазным входом того же типоразмера, причём степень снижения зависит от конкретной модели. Поэтому мощность однофазного частотника для насоса скважины нужно выбирать не по мощности двигателя напрямую, а по паспортным данным конкретной модели преобразователя при работе от однофазной сети.

• 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.

Частотник для скважинного и погружного насоса

Погружные насосы имеют особенность: обмотки электродвигателя охлаждаются перекачиваемой водой, а не воздухом. Поэтому частотный преобразователь для насоса скважины нельзя настраивать на слишком низкую частоту вращения — при снижении расхода жидкости через двигатель падает и охлаждение, что грозит перегревом обмоток. Обычно нижний предел частоты для погружных агрегатов ограничивают на уровне 30 Гц, если производитель насоса не указал иное значение.

Вторая особенность связана с длиной кабеля от станции управления до погружного двигателя, которая на скважинах может достигать десятков метров. На таких расстояниях импульсы с широтно-импульсного модулятора искажаются и создают повышенную нагрузку на изоляцию обмоток. Чтобы частотный преобразователь для скважинного насоса работал надежно, при длине кабеля более 30-50 метров рекомендуется устанавливать дополнительный выходной синусный или du/dt-фильтр между частотником и двигателем.

• 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.

Частотник для водоснабжения частного дома

В системах водоснабжения частного дома или коттеджа частотник для насоса позволяет поддерживать постоянное давление в трубопроводе без объемного гидроаккумулятора или с баком минимального размера. Насос работает не циклами включения-выключения, а плавно меняет производительность вслед за реальным разбором воды, что снижает износ арматуры и количество пусков двигателя.

При большом водопотреблении несколько насосов объединяют в станцию с одним общим частотным преобразователем и контроллером каскадного управления: один агрегат работает под управлением частотника и точно держит давление, а остальные подключаются напрямую от сети при пиковых нагрузках. Такая схема иногда применяется для водоснабжения коттеджных посёлков, небольших производств и многоквартирных домов.

• 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.

Частотник для циркуляционного насоса отопления

В системах отопления частотник для циркуляционного насоса чаще настраивают не на поддержание постоянного давления, а на регулирование по разнице температур теплоносителя на подаче и обратке или по заданному температурному графику. Такой алгоритм позволяет автоматически снижать скорость насоса в теплую погоду и повышать её при похолодании, не перегревая при этом помещения.

Поскольку циркуляционные насосы отопления обычно маломощные, но работают почти постоянно в течение всего сезона, экономия от применения частотного регулирования на них ощутима даже при небольшой мощности агрегата. Дополнительный плюс — плавный пуск и работа на пониженных оборотах снижают шум насоса, что особенно важно при установке оборудования в жилых помещениях.

• 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.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли заменить реле давления частотником и что для этого нужно?

Частотник может поддерживать давление или расход, но он не заменяет весь комплекс защиты. Для нормальной работы нужны датчик давления или расхода, корректная настройка регулятора, защита от сухого хода и аварийные блокировки. Реле давления иногда оставляют как резервную защиту или для аварийных сценариев.

Почему циркуляционный насос может шуметь при работе через частотник и что проверить?

Если насос начал шуметь при работе через частотник, сначала проверяют воздух в системе, кавитацию, резонанс трубопровода и состояние подшипников. Также можно проверить минимальную рабочую частоту и настройки несущей частоты ШИМ, но менять ее следует только по инструкции производителя: снижение или повышение несущей может повлиять на нагрев двигателя и самого преобразователя.

Можно ли использовать частотник в домашнем водоснабжении без гидроаккумулятора?

Технически это возможно, если есть стабильный датчик давления и правильно настроенное регулирование. Но небольшой гидроаккумулятор обычно рекомендуется: он сглаживает кратковременные скачки давления, уменьшает частые подстройки при малых утечках и снижает риск частых пусков. Полностью без бака система становится более чувствительной к качеству настройки и исправности датчиков.

Как проверить фактическую экономию электроэнергии после установки частотника?

Нужно сравнивать потребление за одинаковые периоды с учетом реального расхода воды или тепла. Лучше всего использовать встроенный счетчик энергии в частотнике, если он есть, или внешний счетчик электроэнергии. Также нужно убедиться, что насос не работает постоянно на завышенном давлении: перерегулирование давления может «съедать» часть экономии.

Почему частотник выдает перегрузку при пуске, если насос раньше работал напрямую?

Нужно проверить механическую часть насоса: не заклинило ли крыльчатку, нет ли посторонних предметов, в норме ли подшипники. Также проверяют правильность введенных данных двигателя, время разгона, напряжение сети, изоляцию кабелей и обмоток. Если двигатель старый, полезно выполнить автоматическую адаптацию или ручную проверку параметров, если такая функция есть в преобразователе.

Как защитить погружной насос от сухого хода, если уже установлен частотник?

Один только частотник не является полноценной защитой от сухого хода. Ориентироваться только на ток или мощность двигателя нельзя, потому что при снижении уровня воды или падении расхода параметры могут измениться не сразу. Надежнее использовать датчик давления, реле потока, датчик уровня, поплавковый или электродный датчик. Их сигнал нужно завести на дискретный вход частотника или контроллер, который запретит пуск насоса при аварии.

Экономит ли частотный преобразователь для насоса электроэнергию?

Да, за счёт отказа от дросселирования запорной арматурой и точного соответствия производительности насоса реальному потреблению экономия электроэнергии может достигать существенных значений, в отдельных случаях 35 % и более.

Можно ли установить частотник на уже работающий насос без замены двигателя?

В большинстве случаев да, если частотник подобран по типу, напряжению и току двигателя. Для старых электродвигателей рекомендуется брать модели с автоматической адаптацией к фактическим параметрам двигателя.

Нужен ли частотник для погружного насоса на неглубокой скважине?

Нужен, если важно плавно регулировать давление и расход, снижать число пусков и шум. На неглубоких скважинах частотник для насоса скважины также помогает защитить агрегат от работы всухую и перегрузок.