Частотно регулируемый привод насосных установок

Установка частотно-регулируемых приводов (ЧРП) на насосы

В асинхронных электрических двигателях возникает необходимость регулировки частоты вращения ротора. С этой целью используется частотно-регулируемый привод, основным элементом которого является частотный преобразователь. В его конструкцию входит мост постоянного тока, он же – выпрямитель, преобразующий промышленный переменный ток в постоянный. Другая важная деталь – инвертор, выполняющий обратное преобразование постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой.

Принцип действия технологии

Стандартное управление насосами любых типов заключается в регулировке дросселей, устанавливаемых в напорных линиях и определении числа действующих агрегатов. За счет этого удается получить определенные технические параметры, такие как давление в трубопроводе и другие. Насосы имеют постоянную частоту вращения и не учитывают изменяющийся расход в результате переменного водопотребления. Даже в случае минимального расхода насосы будут поддерживать постоянную частоту вращения, приводя к созданию избыточного давления в сети и вызывая аварийные ситуации. Все это сопровождается значительным бесполезным расходом электроэнергии. В основном это происходит в ночное время при резком падении водопотребления.

Использование технологии

С появлением частотно регулируемого привода появилась возможность поддержки постоянного давления непосредственно у потребителей. Данные системы хорошо зарекомендовали себя в совокупности с асинхронными двигателями общего назначения. Регулировка частоты позволяет изменять скорость вращения вала, делая ее более высокой или низкой по сравнению с номинальной. Датчик давления, установленный у потребителя, передает информацию на частотно регулируемый привод, который, в свою очередь, изменяет частоту, поступающую к двигателю. Современные регулирующие устройства отличаются компактными размерами. Они размещаются в корпусе, защищенном от пыли и влаги. Благодаря удобному интерфейсу, приборы могут эксплуатироваться даже в наиболее сложных условиях, при широком диапазоне мощности – от 0,18 до 630 киловатт и напряжении 220/380 вольт.

Эффект от внедрения

Для объекта: экономия электроэнергии для привода насосов, надежная и автоматизированная подача тепловой энергии, теплоносителя и воды (срок окупаемости до 1,5 лет).

Для муниципального образования: улучшение качества и надежности теплоснабжения потребителей, уменьшение тарифа на тепловую энергию.

Объекты внедрения:

• промышленность;
• насосные станции;
• частные дома;
• котельные, РТС, КТС, ТЭЦ, тепловые сети, в т. ч. системы ГВС;
• учреждения социальной сферы (школы, больницы, детские сады и т.д.);
• административные и общественно-бытовые здания и сооружения.

ЧРП для насосов: что это, из чего состоит и как работает?

Насосное оборудование по разным данным потребляет в промышленности от 50 до 90 процентов электроэнергии. При этом большинство насосных агрегатов оборудованы асинхронными электродвигателями. Многие из насосов работают с переменной нагрузкой или в режиме включено выключено. Эти моменты открывают широкое поле применения регулирующих устройств для управления насосными агрегатами для достижения энергосбережения и экономии расходов на электроэнергию.

Частотно-регулируемый привод или ЧРП это совокупность элементов которые позволяют управлять скоростью вращения асинхронных (в некоторых случаях синхронных) электродвигателей. ЧРП для насосов это не только энергосбережение. Нередко применение приводной техники позволяет обеспечит требуемые технологические режимы работы насосного оборудования.

ЧРП для насосов что это из чего состоит?

ЧРП для управления насосами как правило реализуется в формате шкафа управления основной элемент которого преобразователь частоты питающей сети. Так же в шкаф устанавливают аппаратуру защиты, программируемый контроллер (при необходимости) и ряд других элементов. Все эти элементы в совокупности позволяют управлять скоростью вращения двигателя насоса и таким образом изменять рабочие характеристики насосного агрегата (расход и напор).

ЧРП для насосов принцип действия

Частотно регулируемый привод насосных агрегатов работает следующим образом:

По сигналу задания (от датчика давления или расхода) преобразователь частоты изменяет частоту напряжения питающей сети таким образом, что бы обеспечить корректировку контролируемого параметра в пределах установленных заданий.

Изменение напряжение питающей сети происходит по принципу широтно-импульсной модуляции. Коротко это можно описать следующим образом: на преобразователь подается напряжение исходной частоты 50 Гц. Это напряжение в инверторе преобразователя «нарезается на импульсы». На выходе преобразователя частоты из этих импульсов собирается напряжение нужной частоты. В зависимости от модели преобразователя частоты выходное напряжение может меняться в широких пределах. Наиболее дорогие модели обеспечивают изменение напряжение в пределах от 5 до 400 Гц.

Внимание.

Важно понимать, что работа на повышенных частотах питающей сети может негативно сказаться как на электродвигателе, так и на механической части насосного оборудования.

Подробнее по теме ЧРП для насосов принцип действия

ЧРП для насосов расшифровка. Варианты

На практике чаще всего аббревиатуру ЧРП применительно к насосам расшифровывают как частотно-регулируемый привод. Кроме этого можно встретить следующие варианты расшифровок:

• Частотный регулятор преобразователь;
• Частотное регулирование привода и другие.

При этом как правило основная часть функционала данной системы не меняется.

Для чего нужен ЧРП насосов?

В зависимости от типа насосного оборудования и технологического процесса ЧРП насосов можно использоваться для энергосбережения, обеспечения требуемых технологических показателей или для реализации обеих функций вместе. Например, при использовании со скважинными насосами ЧРП позволяет существенно сократить расходы на электроэнергию и кроме этого обеспечить качественную подачу воды при пиковых нагрузках.

Для ЧРП для насосов расчет нужен?

Смотря что понимать под расчётом.

Если речь идет о расчете эффективности или технологических аспектов, то для большинства применений (являющихся типовыми) необходимости в расчете может не оказаться. При желании можно найти методические указания по вариантам экономического или технологического обоснования применения ЧРП для насосов.

Если речь идет о расчете затрат на создание ЧРП для управления насосами, то этот этап актуален и необходим. При этом важно понимать, что конечная стоимость ЧРП во многом зависит от конкретных условий. Например, в некоторых случаях стоимость ЧРП для скважинного насоса может увеличиваться на 50 – 100% только по тому, что глубина установки насоса больше 30 — 40 метров. Связано это с необходимостью установки дополнительных фильтров. При этом необходимость зависит от типа частотного преобразователя.

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) от компании Danfoss

Частотно-регулируемый электропривод используется в системах автоматизированного управления (САУ) насосных установок, чтобы с его помощью привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы обслуживаемой системы подачи жидкости, например, водопроводной или канализационной сети города или промышленного предприятия.

Регулированием частоты вращения насоса его рабочие параметры приводятся в соответствие с режимом работы обслуживаемой системы. Чтобы изменить частоту вращения насоса, необходим регулируемый электропривод (РЭП). Значение частоты вращения насоса, с которой он должен работать в тот или иной момент времени, определяется системой САУ насосной установки.
Требуемое значение частоты вращения устанавливается в зависимости от многих факторов. К ним относятся: расход жидкости в системе, её уровень в резервуарах, значения статического и динамического противодавления, количество параллельно работающих насосов и насосных установок, подающих жидкость в систему, и т. д.

Книга Б. С. Лезнова о ЧРП насосных установок: энергопотребление, устранение потерь энергии, особенности применения.

Частотно-регулируемый электропривод от компании «Данфосс» – это доступная цена и максимальное качество. Частотно регулируемый электропривод «Данфосс» прост в обслуживании и настройке, надежен в эксплуатации. В контуре постоянного тока ЧРП предусмотрен специальный фильтр, который понижает уровень гармонических искривлений в сети и дает возможность сэкономить на входных дросселях. Опция регулирования энергопотребления обеспечивает экономию электроэнергии до 10%. Особые невысыхающие конденсаторы в конструкции прибора не требуют замены в течение всего срока эксплуатации. Если вашему предприятию необходим прибор, работающий в условиях повышенной влажности или агрессивных средах, рекомендуем купить частотный привод, электронные платы которого имеют конформное покрытие.

Компания «Данфосс» является пионером использования частотного привода в насосных установках водопроводно-канализационного хозяйства. Компания «Данфосс» с 1968 г. изготавливает серийные частотные преобразователи, которые успешно используются в насосных установках. Каждый реализуемый «Данфосс» частотный привод имеет долгий срок службы. Оборудование обеспечивает экономию электроэнергии и увеличивает срок службы двигателя и другого сопряженного оборудования. С использованием предлагаемых нами ЧРП можно осуществлять частотное регулирование в диапазоне 0,18-1,4 МВт.

Частотно-регулируемый привод – это оптимизация в использовании электроэнергии, необходимость в которой для предприятий России становится все более явной. Лучшее решение этой задачи – выбор в пользу оборудования от компании «Данфосс». Обратившись к нам, Вы сможете приобрести электропривод частотный по доступной цене с гарантиями надежности и качества.

Преимущественное распространение в насосных установках получили частотно-регулируемые электроприводы, обеспечивающие плавное изменение технологических параметров насосов (подачи и давления). Впервые в практике российского водоснабжения регулируемый электропривод был применён в 1964 г. Номинальные параметры регулируемого насосного агрегата: подача 0,35 м 3 /с, напор 30 м, мощность 155 кВт, частота вращения 980 мин–1. Вследствие отсутствия в те годы надёжных и экономичных преобразователей частоты регулирование осуществлялось с использованием электромагнитной муфты скольжения индукторного типа ИМС-160 (вращающий момент 160 кгс•м).

Использование регулируемого электропривода в российских насосных установках длительное время носило экспериментальный характер. Перелом произошел в конце прошлого века, когда ведущие мировые компании, в том числе «Данфосс», стали поставлять современные частотные преобразователи.

Появление на отечественном рынке серьезных зарубежных фирм, поставщиков преобразовательной техники, а также освоение производства современных частотных преобразователей отечественными предприятиями с использованием импортных комплектующих изделий обеспечило насосные установки достаточно надежными и приемлемыми по цене низковольтными преобразователями мощностью до 1000 кВт. На основе этих преобразователей созданы сотни энергосберегающих САУ в различных регионах России. Особенно широкое распространение получили низковольтные частотно-регулируемые электроприводы мощностью до 400 кВт.

Частотные преобразователи «Данфосс», и в частности VLT® AQUA Drive, получили широкое распространение на многих предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства всего мира, в том числе и в России. В настоящее время в водопроводных и канализационных насосных станциях системы автоматического управления их режимом оснащаются преимущественно частотно-регулируемым электроприводом, в том числе фирмы «Данфосс».

Частотно-регулируемый электропривод насосных установок

Режимы работы центробежных насосов энергетически наиболее эффективно регулировать путем изменения частоты вращения их рабочих колес. Частота вращения рабочих колес может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются регулируемый электропривод.
Устройство и характеристики газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения в необходимом диапазоне.

Процесс регулирования частоты вращения любого механизма удобно анализировать с помощью механических характеристик агрегата.

Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата, состоящего из насоса и электродвигателя. На рис. 1 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

Рис. 1. Механические характеристики насосного агрегата

Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса называется динамическим моментом. Если вращающий момент двигателя больше момента сопротивления насоса, динамический момент считается положительным, если меньше — отрицательным.

Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится.

При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис. 1).

Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного резистора в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 1), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления.

Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 1). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента.

Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.

Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.

Регулирование частоты вращения электродвигателей

В насосных установках используются преимущественно двигатели переменного тока. Частота вращения электродвигателя переменного тока зависит от частоты питающего тока f, числа пар полюсов р и скольжения s. Изменив один или несколько из этих параметров можно изменить частоту вращения электродвигателя и сочлененного с ним насоса.

Основным элементом частотного электропривода является частотный преобразователь. В преобразователе постоянная частота питающей сети f1 преобразуется в переменную f 2. Пропорционально частоте f 2 изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.

С помощью частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжение U1 и частота f1 преобразуются в изменяемые параметры U2 и f 2, требуемые для системы управления. Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования.

Для насосов должно соблюдаться соотношение:

U1/f1 = U2/f2 = const

На рис. 2 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании. При уменьшении частоты f2 механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах n — М, но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя. Обусловлено это тем, что при соблюдении соотношения U1/f1 = U2/f2 = const и изменении частоты f1 не учитывается влияние активного сопротивления статора на величину вращающего момента двигателя.

Рис. 2. Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах

При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.

Частотные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В последнее время наибольшее распространение получили частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором).

IGBT-модуль является высокоэффективным ключевым элементом. Он обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения. Преобразователь частоты на IGBT-модулях с ШИМ и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он характеризуется высоким значением коэффициента мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты.

Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема частотного преобразователя на IGBT-модулях: 1 — блок вентиляторов; 2 — источник питания; 3 — выпрямитель неуправляемый; 4 — панель управления; 5 — плата пульта управления; 6 — ШИМ; 7 — блок преобразования напряжения; 8 — плата системы регулирования; 9 — драйверы; 10 — предохранители блока инвертора; 11 — датчики тока; 12 — асинхронный короткозамкнутый двигатель; Q1, Q2, Q3 — выключатели силовой цепи, цепи управления и блока вентиляторов; K1, К2 — контакторы заряда конденсаторов и силовой цепи; С — блок конденсаторов; Rl, R2, R3 — резисторы ограничения тока заряда конденсаторов, разряда конденсаторов и узла слива; VT — силовые ключи инвертора (IGBT-модули)

На выходе частотного преобразователя формируется кривая напряжения (тока), несколько отличающаяся от синусоиды, содержащая высшие гармонические составляющие. Их наличие влечет за собой увеличение потерь в электродвигателе. По этой причине при работе электропривода на частотах вращения, близких к номинальной, происходит перегрузка электродвигателя.

При работе на пониженных частотах вращения ухудшаются условия охлаждения самовентилируемых электродвигателей, применяемых в приводе насосов. В обычном диапазоне регулирования насосных агрегатов (1:2 или 1:3) это ухудшение условий вентиляции компенсируется существенным снижением нагрузки за счет уменьшения подачи и напора насоса.

При работе на частотах, близких к номинальному значению (50 Гц), ухудшение условий охлаждения в сочетании с появлением гармоник высших порядков требует снижения допустимой механической мощности на 8 — 15%. Из-за этого максимальный момент электродвигателя снижается на 1 — 2%, его КПД — на 1 — 4%, cos φ — на 5 — 7%.

Во избежание перегрузки электродвигателя необходимо или ограничить верхнее значение его частоты вращения, или оснастить привод более мощным электродвигателем. Последняя мера обязательна тогда, когда предусматривается работа насосного агрегата с частотой f 2 > 50 Гц. Ограничение верхнего значения частоты вращения двигателя осуществляется ограничением частоты f 2 до 48 Гц. Увеличение номинальной мощности приводного электродвигателя осуществляется с округлением до ближайшего стандартного значения.

Групповое управление регулируемыми электроприводами агрегатов

Многие насосные установки состоят из нескольких агрегатов. Как правило, регулируемым электроприводом оборудуются не все агрегаты. Из двух-трех установленных агрегатов регулируемым электроприводом достаточно оснастить один. Если один преобразователь постоянно подключен к одному из агрегатов, имеет место неравномерное расходование их моторесурса, поскольку агрегат, оснащенный регулируемым приводом, используется в работе значительно большее время.

Для равномерного распределения нагрузки между всеми агрегатами, установленными на станции, разработаны станции группового управления, с помощью которых агрегаты могут поочередно подключаться к преобразователю. Станции управления изготавливаются обычно для низковольтных (380 В) агрегатов.

Обычно низковольтные станции управления предназначены для управления двумя-тремя агрегатами. В состав низковольтных станций управления входят автоматические выключатели, обеспечивающие защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю, тепловые реле для защиты агрегатов от перегрузки, а также аппаратура управления (ключи, кнопочные посты и пр.).

Схема коммутации станции управления содержит в своем составе необходимые блокировки, позволяющие произвести подключение преобразователя частоты к любому выбранному агрегату и осуществить замену работающих агрегатов без нарушения технологического режима работы насосной или воздуходувной установки.

Станции управления, как правило, наряду с силовыми элементами (автоматическими выключателями, контакторами и т.п.) содержат в своем составе управляющие и регулирующие устройства (микропроцессорные контроллеры и пр.).

По требованию заказчика станции комплектуются устройствами автоматического включения резервного питания (АВР), коммерческого учета потребляемой электроэнергии, управления запорной аппаратурой.

При необходимости в состав станции управления вводятся дополнительные аппараты, обеспечивающие использование наряду с частотным преобразователем устройства плавного пуска агрегатов.

Автоматизированные станции управления обеспечивают:

• поддержание заданного значения технологического параметра (давления, уровня, температуры и др.);
• контроль режимов работы электродвигателей регулируемых и нерегулируемых агрегатов (контроль потребляемого тока, мощности) и их защиту;
• автоматическое включение в работу резервного агрегата при аварии основного;
• переключение агрегатов непосредственно на сеть при выходе из строя частотного преобразователя;
• автоматическое включение резервного (АВР) электрического ввода;
• автоматическое повторное включение (АПВ) станции после пропажи и глубоких посадок напряжения в питающей электрической сети;
• автоматическое изменение режима работы станции с остановкой и запуском агрегатов в работу в заданное время;
• автоматическое включение в работу дополнительно нерегулируемого агрегата, если регулируемый агрегат, выйдя на номинальную частоту вращения, не обеспечивал требуемой подачи воды;
• автоматическое чередование работающих агрегатов через заданные промежутки времени для обеспечения равномерного расходования моторесурса;
• оперативное управление режимом работы насосной (воздуходувной) установки с панели управления или с диспетчерского пульта.

Рис. 4. Станция группового управления частотно-регулируемыми электроприводами насосов

Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках

Применение частотно-регулиремого привода позволяет существенно экономить электроэнергию, т. к. дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач. Благодаря этому можно, увеличив единичную мощность агрегатов, уменьшить их общее число, и следовательно, уменьшить габаритные размеры зданий, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить число трубопроводной арматуры.

Таким образом, применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вторичные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания, приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20 — 50%.

В технической документации на преобразователи частоты указывается, что применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод, а сроки окупаемости составляют три — девять месяцев.

Вместе с тем расчеты и анализ эффективности регулируемого электропривода в действующих насосных установках показывает, что в небольших насосных установках с агрегатами мощностью до 75 кВт, особенно тогда, когда они работают с большой статической составляющей напора, оказывается нецелесообразным применение регулируемых электроприводов. В этих случаях можно использовать более простые системы регулирования с применением дросселирования, изменения числа работающих насосных агрегатов.

Применение регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой — требует дополнительных капитальных затрат, поэтому целесообразность применения регулируемого электропривода в насосных установок определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового. За новый вариант принимается насосная установка, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый — установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Ранее на эту тему: Электропривод