1. Введение

Задачи, требующие перемещения газов и жидкостей под напором, возникают и в промышленности, и в повседневной жизни. В промышленности используются компрессорные установки, системы смазки и охлаждения, системы транспортирования продуктов, различные гидравлические системы, приводы. В бытовой сфере применяются системы водоснабжения, вентиляции, отопления, кондиционирования, канализационные насосные станции. Используемые для этого насосы классифицируются по принципу работы и по конструкции, но большинство из них объединяет привод — асинхронный электродвигатель.

Данный двигатель получил широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. Он не требует регулярного обслуживания, у него отсутствует скользящий контакт и возможен прямой пуск от сети. Ещё одно значительное преимущество — простота регулирования скорости вращения.

В данной статье рассмотрено частотное регулирование в сравнении с классическим дросселированием, описаны реализация и способ настройки на примере преобразователя частоты.

2. Классическое регулирование

Работу любого насоса характеризует зависимость напор-подача (см. рисунок 1). Эта характеристика показывает, какой напор сможет обеспечить насос при текущей подаче.

Определить, сможет ли насос обеспечить требуемую производительность, можно по характеристике насоса и по требуемым в системе напору и подаче. На рисунке 2 представлена характеристика насоса с отмеченными точками: требуемый напор (H_тр) и требуемая подача (Q_тр). Согласно графику данный насос сможет обеспечить требуемую производительность с определенным запасом (зеленая зона). Но если расход превысит значение Q1, насос не сможет обеспечивать требуемый напор (красная зона).

Если насос работает с постоянной подачей, требуется лишь выбрать модель соответствующей производительности. Но тогда как обеспечивать напор при переменной подаче? Ведь при изменении расхода жидкости будет меняться и создаваемый напор. Чем больше в системе будет расход, тем меньшее давление насос сможет обеспечить. И наоборот, при снижении расхода давление будет повышаться. Даже в представленном примере насос нагнетает напор больше (H1), чем требуется (H_тр).

Типовое решение данной проблемы — дросселирование. В напорный трубопровод добавляется сопротивление, снижающее давление при низком разборе. Дросселирование позволяет регулировать только в одну сторону — на уменьшение подачи. Поэтому для поддержания требуемого напора необходимо применить насос, производительность которого при Q_тр сможет обеспечить H_тр (см. рисунок 3).

При снижении расхода (давление при этом растет) необходимо будет все больше закрывать дроссель. Работа в таком режиме неэффективна — целесообразно остановить насос, а при увеличении расхода запустить повторно. На рисунке 4 изображено, как при достижении требуемого напора (H_тр) происходит остановка насоса, а при падении ниже заданного порога (H_мин) — насос запускается вновь.

Такая система обрела популярность благодаря своей простоте, но имеет и ряд минусов:

1. В момент прямого пуска двигатель потребляет ток в 6-7 раз превышающий номинальный, что приводит к дополнительной нагрузке на сеть. При нехватке мощности питающей сети двигатель может не запуститься.

2. «Пусковые токи» – это кратковременное явление, но оно оказывает негативное влияние на обмотки двигателя (возможен перегрев и старение изоляции). Для каждого двигателя изготовитель указывает допустимое количество включений в час — это накладывает ограничение на частоту включения/отключения насосов.

3. Двухпозиционное регулирование зачастую является причиной колебательных процессов (см. рисунок 4). Запуск и остановка двигателя происходят скачкообразно — внезапное повышение давления приводит к возникновению гидроударов, повреждениям труб и запорной арматуры.

4. Дросселирование при переменной подаче является неэффективным с точки зрения энергозатрат, так как насос постоянно работает с номинальной скоростью.

Часть проблем решается дополнительным оборудованием:

• Для запуска двигателя применяют устройства плавного пуска или переключатели «звезда-треугольник»
• Колебания давления компенсируются за счет аккумулирующих резервуаров, систем рециркуляции.
• Устройства коммутации защищаются дополнительными реле напряжения и тепловыми реле.

Качество работы такой системы растет, но при этом растет и количество элементов в системе управления. Это влечет за собой снижение общей надежности и усложнение обслуживания.

3. Регулирование оборотов

Избавиться от вышеописанных проблем возможно при регулировании оборотов насоса. Существует зависимость расхода (Q) и напора (Н) от скорости вращения (n). Для центробежных насосов её описывает закон подобия:

Согласно ему, изменяя частоту вращения, возможно изменить характеристику насоса.

Из (1) и (2) следует:

Таким образом, с помощью полученной функции (3) можно построить подобные параболы и для других режимов работы, где n ≠ n_ном. На рисунке 5 изображены различные характеристики одного насоса, но на разных скоростях. Видно, что изменяя скорость вращения, можно обеспечить требуемое соотношение

Данные кривые построены с учетом постоянного КПД. В действительности с увеличением скорости вращения возрастает скорость потока и гидравлические потери в трубопроводе, а при снижении скорости увеличиваются механические потери в двигателе. Поэтому для каждого насоса имеется оптимальная скорость, при которой достигается максимальный КПД.

Стоит учесть, что у центробежных насосов значение напора находится в квадратичной зависимости от скорости вращения. Регулировать обороты достаточно в пределах 30-40 % от номинальной скорости. К тому же за счет регулирования скорости можно осуществить плавный разгон двигателя и избежать возникновения гидроударов, колебаний в системе и высоких пусковых токов.

4. Реализация системы управления на ПЧ

В системах водоснабжения расход является переменной величиной, а давление должно быть неизменным. Если в такую систему добавить датчик давления (обратной связи), можно реализовать автоматический регулятор. В качестве таких регуляторов отлично зарекомендовали себя преобразователи частоты ELHART EMD-MINI и EMD-PUMP. Они имеют встроенный ПИД-регулятор и универсальный аналоговый вход. В данном разделе на примере преобразователя EMD-MINI будет рассмотрена типовая настройка параметров управления.

По умолчанию аналоговый вход ПЧ настроен на сигнал 0...10 В (к примеру, такой сигнал у датчиков mic+, преобразователей T201DCH, датчиков влажности). Чтобы запустить режим регулирования, достаточно подключить подобный датчик, задать параметр P600=1 и нажать кнопку «RUN». В зависимости от сигнала обратной связи преобразователь решит: оставаться на текущей частоте, понижать её или повышать. Конечно, для частного случая может потребоваться дополнительная настройка. За работу ПИД-регулятора отвечает шестая группа параметров (см. Таблицу 1).

Помимо настроек регулятора пользователю могут понадобиться дополнительные настройки:

Ниже представлен пример использования ПЧ для управления насосной станцией:

В данном случае используется преобразователь давления PTE5000C-010-М20-С (диапазон измерения 10 бар, выход 4...20 мА). Команда на запуск насоса подается с внешнего переключателя. Схема подключения представлена на рисунке 6.

В примере указана схема подключения для ПЧ модификации EMD-MINI-015T (v1.0). Символ «T» обозначает тип питающего и выходного напряжения — трехфазное, 380В. Если обмотки используемого двигателя рассчитаны на напряжение 220В, существует модификация «S». Питающее напряжение таких ПЧ — однофазное, 220В (используются только клеммы L1 и L2), а выходное напряжение — трехфазное, 220В.

Для данной схемы подключения необходимо настроить параметры:

• P117 = 8: Сброс на заводские настройки
• P000 = 12: Настройка режима отображения
• P102 = 1: Источник команды «Пуск» — дискретный сигнал
• P106 = 20 Гц: Минимальная выходная частота — 20 Гц
• P300 = 1 В: Минимальный сигнал на входе AVI (1 В соответствует 4 мА)
• P301 = 5 В: Максимальный сигнал на входе AVI (5 В соответствует 20 мА)
• P325 = 3: Дискретный выход срабатывает при аварии
• P600 = 1: Включение режима ПИД-регулятора
• P604 = 50 %: Задание уставки относительно сигнала ОС — 5 бар
• P611 = 22 Гц: Частота входа в спящий режим
• P612 = 60 сек: Время задержки входа в спящий режим
• P613 = 60 %: Уровень выхода из спящего режима
• P614 = 1000: Значение обратной связи, отображаемое на дисплее — 10.00 бар

В результате мы получим регулятор давления, который поддерживает давление на уровне 5 бар. Он имеет возможность ухода в спящий режим при работе на частоте ниже 22 Гц в течение 60 секунд. Обладает аварийной индикацией и функцией автостарта. Приведенный пример показывает общее построение системы с ПЧ. Конечно, пользователь может более гибко настроить работу преобразователя под свои требования.

С помощью представленных параметров можно изменить:

4.1 Способ включения

Запускать ПЧ можно различными способами:

• Если задать P600=1, то ПЧ будет постоянно находиться в режиме ПИД-регулятора, а команду на запуск самого насоса необходимо подавать дополнительным сигналом (см. P102).
• Если задать P600=2, то ПИД-регулятор будет запускаться только при наличии сигнала на дискретном входе (например, P318=19) . С помощью внешнего тумблера можно реализовать «автоматический» и «ручной» режимы. В одном положении давление поддерживает ПЧ, а в другом — оператор, который вручную управляет насосом.

4.2 Тип обратной связи

ПЧ может работать с положительной (P601=1) и отрицательной (P601=0) обратной связью (ОС). Регулятор с положительной ОС применяется в системах, где управляющее воздействие снижает контролируемую величину, например холодильные машины. А отрицательная ОС подходит для систем, где управляющее воздействие увеличивает контролируемую величину, например повысительные насосы.

4.3 Способ задания уставки

Параметр P602 определяет способ задания уставки:

• При P602=0 оператор задает уставку в параметре P604. Во время работы эту уставку можно изменять кнопками «ВВЕРХ»/«ВНИЗ». Также при работе по протоколу Modbus задание уставки осуществляется через параметр P604.
• При P602=1 оператор задает уставку только с помощью потенциометра.

4.4 ПИД-регулятор

В ПЧ реализован ПИД-регулятор.

Параметры P607, P608 и P609 соответственно являются коэффициентами П, И, Д. В случае неудовлетворительной работы пользователь может вручную корректировать коэффициенты.

4.5 Спящий режим

Если при работе выходная частота опускается ниже значения P611 в течение времени, заданного в P612, ПЧ останавливает двигатель. Выход из спящего режима происходит при превышении рассогласования на значение, заданное в параметре P613. Применение спящего режима позволяет повысить энергоэффективность системы. Для обеспечения стабильной работы необходимо установить минимальную выходную частоту — P106.

4.6 Тип используемого датчика

ПЧ поддерживает работу с аналоговыми сигналами 0...10 В и 4...20 мА. Для переключения аналогового входа на определенный сигнал нужно установить переключатель на корпусе ПЧ и задать соответствующие параметры:

• Для датчиков 0...10 В — P300=0, P301=10;
• Для датчиков 4...20 мА — P300=1, P301=5.

Стоит учитывать, что предпочтительней использовать токовый сигнал, так как он обладает большей помехозащищенностью, чем сигнал 0...10 В.

4.7 Отслеживание обрыва датчика

ПЧ может отслеживать потерю сигнала обратной связи. «Обрыв датчика» — ситуация, когда значение сигнала ОС меньше P622 в течение времени P623. Реакцию на обрыв определяет параметр P621:

• «0» – обрыв не отслеживается;
• «1» – при обрыве на экран выводится индикация ошибки, ПЧ сохраняет выходную мощность;
• «2» – при обрыве ПЧ останавливает двигатель, требуется сброс ошибки.

4.8 Масштабирование сигнала ОС

При необходимости показания подключенного датчика можно приводить к пользовательской шкале: с помощью P614, P615 и P616 пользователь может задать значение сигнала ОС, которое будет отображаться на дисплее.

• P614 – значение соответствующее максимальному сигналу ОС.
• P615 – количество разрядов, отображаемых на дисплее.
• P616 – количество разрядов, отображаемых после запятой.

К примеру, если сигнал датчика давления меняется в диапазоне 0.00...8.00 бар, необходимо задать параметры P614=800, P615=3, P616=2. Корректная настройка данных параметров важна. Относительно сигнала ОС задается уставка регулятора. У ПЧ серии EMD-MINI, выпущенных после четвертого квартала 2018 г., уставка задается в пользовательских единицах. А у ПЧ, выпущенных до этого периода, уставка задается в процентах относительно сигнала ОС. Например, если используется датчик давления (0...8 бар) и необходимо выставить задание на 6 бар, для старых модификаций ПЧ необходимо установить значение 75%, а для новых модификаций — 6 бар (Рисунок 7).

4.9 Способ вывода измерений

У ПЧ имеется настраиваемый параметр P000, который отвечает за дополнительный экран отображения (Рисунок 8).

Для EMD-MINI с ПО v1.0 возможно отображение ОС только в стандартном режиме. Для этого необходимо установить P000=7. В стандартном режиме на экране будут отображены значение ОС и задание одновременно.

Для EMD-MINI с ПО v1.1 доступны два варианта отображения. При P000=12 на экран будет выведен сигнал ОС в стандартном режиме. При P000=10 включается расширенный режим — сигнал ОС и задание выводятся на экран последовательно.

4.10 Аварийная сигнализация

У ПЧ имеется релейный выход, который можно использовать для дополнительного информирования оператора, например с помощью сигнальной лампы. В P606 задается минимальное давление, а в P607 – максимальное, при котором сработает выход (при P325=14 или P325=15 соответственно). Возможна индикация обрыва датчика ОС, для этого нужно задать P325=16. Также релейный выход может срабатывать при возникновении аварийных ситуаций (P325=3).

5. Применение дополнительного оборудования

При создании системы с частотным регулированием существуют некоторые особенности по использованию дополнительного оборудования и настройке системы:

5.1 Датчик давления

Неотъемлемой частью системы регулирования является датчик давления. От него зависит точность работы всей насосной станции. В первую очередь датчик должен соответствовать требованиям:

• по температуре рабочей и окружающей среды;
• по химической совместимости со средой;
• по точности измерения;
• по типу присоединения;
• по перегрузочной способности (для защиты от гидроудара).

Более подробно выбор датчиков давления описан в отдельной статье.

5.2 Монтаж датчика давления

Насос может быть установлен как в систему холодного водоснабжения, так и горячего. Для обеспечения стабильной работы необходимо устанавливать датчик через трехходовой кран и сифонную трубку (Рисунок 10).

Кран позволяет производить безопасный монтаж датчика в трубопровод. При установке датчика без крана существует риск повреждения измерительного элемента – вкручивание датчика приводит к сжатию жидкости (давление начинает расти), и измерительный элемент механически разрушается. Петлевая трубка служит для охлаждения измеряемой среды, так как за счет нагрева самого датчика возможно образование конденсата внутри корпуса, который приводит к окислению и корродированию компонентов.

5.3 Диагностика работы насоса

Для проверки работоспособности насоса необходимо контролировать перепад давления или скорость потока в системе (Рисунок 11). Это позволит на раннем этапе диагностировать снижение производительности насоса и не допустить чрезмерного износа оборудования.

Благодаря своей простоте широкое распространение получили реле дифференциального давления, которые сравнивают показания в двух измерительных точках. Релейный выход срабатывает при достижении заданного оператором перепада. Для насосов с малым напором возможно применение реле протока и датчиков скорости. Сигналы с данных устройств могут использоваться как самим ПЧ (для аварийной остановки), так и для верхнего уровня АСУ ТП (например для сбора статистики).

5.4 Защита от сухого хода насоса

В зависимости от конструкции насоса существует риск его перегрева и выхода из строя. Часто причиной является работа насоса при отсутствии рабочей среды в подающем трубопроводе. Для защиты применяют различные датчики сухого хода (Рисунок 12), которые отслеживают наличие жидкости или давления. Например, в системах, где в подающем трубопроводе присутствует избыточное давление, достаточно использовать реле давления (прессостат). А при малом давлении в подающем трубопроводе оптимально использовать электромагнитные сигнализаторы.

5.5 Применение обратного клапана

При построении системы с частотным регулированием возможна нестабильная работа спящего режима. ПЧ может с высокой цикличностью производить запуск и остановку насоса или вовсе не уходить в спящий режим. Особенно эта проблема распространена на скважинных насосах. Она связана с тем, что при достижении рабочего давления ПЧ постепенно снижает выходную частоту. Значение напора постепенно падает, и под действием силы тяжести вода может менять направление потока. Для решения данной проблемы необходимо использовать обратный клапан. На рисунке 13 представлен пример установки обратного клапана со стороны напорного трубопровода.

Также в некоторых ситуациях подобное поведение возможно у системы с уже установленным обратным клапаном. Это может быть обусловлено неправильно настроенной частотой входа в спящий режим. В таком случае необходимо опытным путем снизить частоту входа в спящий режим (P611) до значения, при котором насос обеспечит оптимальную работу.

5.6 Монтаж запорной арматуры

Необходимо учитывать требования СП 31.13330.2012 (п. 10.8 и 10.9) по оборудованию насосных станций запорной арматурой. Это позволит беспрепятственно производить техническое обслуживание оборудования на насосной станции.

6. Вывод

Современные преобразователи частоты обладают достаточным функционалом для работы в системах поддержания давления. Они с легкостью заменяют системы дроссельного регулирования, обладая следующими преимуществами:

• снижение пусковых токов;
• снижение колебаний давления в системе;
• повышение энергоэффективности установки;
• повышение общей надежности системы;
• упрощение обслуживания.

Кроме того, благодаря встроенному регулятору и универсальному аналоговому входу, применение ПЧ не ограничено насосным оборудованием. Различные компрессорные и климатические установки, транспортеры, шнековые агрегаты и множество других систем, где управляющее воздействие оказывается за счет асинхронного двигателя, можно автоматизировать с помощью линейки преобразователей EMD-MINI.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Терёшин А.Д.