Применение преобразователей частоты для управления индвидуальными бытовыми
насосами или насосами в насосных станциях повышения давления.
В настоящее время основными потребителями электроэнергии в мире являются
приборы с электродвигателями. Электродвигатели потребляют 60% всей
вырабатываемой в мире электроэнергии.
Применение электродвигателей самое разнообразное. В быту это разнообразные
приборы на кухне у домохозяек, бытовые строительные электроинструменты. Что
касается насосов, то это бытовые насосы, как скваженные насосы или бытовые
станции повышения давления. В промышленности и сфере ЖКХ это все приборы и
механизмы от промышленного станка и заканчивая приводами электровозов,
самолетов и промышленных станков и линий. Самое большое количество электродвигателей
используется в сфере гражданского строительства и сфере ЖКХ. Эти приборы
применяются для водоснабжения потребителей, циркуляции воды, отопления и
вентиляции.
Именно по причине широкого распространения электродвигателей в этих двух
сферах, остро строит задача, не только качественно управлять
электродвигателями, но и в обязательном порядке обеспечить экономию
электроэнергию.
Производители электродвигателей и преобразователей частоты могут
и делают многое для решения этой задачи: за последнее десятилетие технологии
развивались быстрыми темпами. Как результат, современное инновационное
оборудование обеспечивает существенную экономию энергопотребления.
Производители электродвигателей производят электродвигатели различных классов
энергоэффективности.
Сейчас большинство электрдвигателей в мире производятся по Стандарту IEC
60034-30 2008, который определяет три международных класса энергоэффективности:
- IE1 – стандартный класс (Standard Efficiency
- IE2 – высокий класс (High Efficiency)
- IE3 – премиум класс (Premium
Efficiency)
Стандарт распространяется почти на все промышленные трехфазные асинхронные
электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
С точки зрения специалистов по энергоэффективности, сегодня наиболее
простой способ уменьшить потери и увеличить эффективность для
потребителя — установить электродвигатели более высокого класса
энергоэффективности. Увеличение этого показателя на одну ступень
увеличивает стоимость электродвигателя. Однако эта разница в стоимости
окупается в срок от одного года до трех в зависимости
от режима работы электродвигателя и стоимости электроэнергии.
Но учитывая, что в эру стоительства высокоэтажных зданий, растет и
технологический уровень электроприводов. В основном это касается сферы
водоснабжения. Современные насосные станции повышения давления невозможно
представить без преобразователей частоты в их составе. Потому что именно
установка преобразователя частоты или модернизация дает значительный прирост
экономии энергии, однако еще большее повышение КПД достигается при использовании
энергоэффективного электродвигателя в сочетании с преобразователем
частоты.
На данный момент, несмотря на широкое использование
преобразователей частоты, лишь 25% центробежных нагрузок (насосы, компрессоры,
вентиляторы и т.д.) управляются с их помощью. Установка частотного
преобразователя на такие нагрузки позволяет экономить до нескольких
десятков процентов электроэнергии по сравнению с традиционным
способом управления параметрами с помощью задвижки или заслонки.
Для того, чтобы понять, какие же преимущества дает применение
преобразователей частоты. необходимо разобрать, какие существуют способы
управления электродвигателями в быту и насосами на насосных станциях повышения
давления.
Прямой пуск
Прямой пуск (по-другому direct-online starting — DOL). Это подключение
электродвигателя к сети при помощи коммутационных элементов, к которым
относится автоматы защиты двигателей, контакторы, магнитные пускатели. Такая
схема запуска электродвигателя сопровождается повышенными пусковыми токами.
Значения пусковых токов при таком способе пуска может достигать от 5 до 7 крат
от номинального тока двигателя, но действует кратковременно. После разгона
двигателя ток падает до номинального значения.
Преимущества
Прямой пуск от сети DOL является самым простым, дешёвым и самым
распространённым методом пуска. Кроме того, он даёт наименьшее повышение
температуры в электродвигателе во время включения по сравнению со всеми другими
способами пуска.
Недостатки
При прямом пуске электродвигатель испытывает повышенные нагрузки на валу, а
также протекание повышенных токов приводит к нагреву обмоток двигателя. Прямой
пуск влечет за собой не только повышенное энергопотребление, но и быстрый износ
компонентов двигателя, в следствие наличия ударных нагрузок при пусках.
Пуск “Звезда-Треугольник”
Целью данного метода пуска, используемого для трёхфазных электродвигателей,
является понижение пускового тока. В момент пуска электропитание к обмоткам
статора подключено по схеме «звезда» (Y). Электропитание переключается на схему
«треугольник» (Δ), как только электродвигатель разгонится до номинальных
оборотов.
Преимущества
Обычно электродвигатели мощностью больше 3 кВт рассчитаны на напряжение 400
В при соединении по схеме «треугольник» (Δ) или на 690 В при соединении по
схеме «звезда» (Y). Соединение по схеме «звезда — треугольник» дает низкий
пусковой ток, составляющий всего одну треть тока при прямом пуске от сети.
Пускатели «звезда — треугольник» особенно подходят при вращении больших масс,
когда нагрузка «подхватывается» после того, как достигается частота вращения
при номинальной нагрузке.
Недостатки
Подобная схема запуска электродвигателя понижает и пусковой момент,
приблизительно на 33 %. Данный метод можно использовать только для
электродвигателей, которые имеют подключение к напряжению питания по схеме
«треугольник».
Если переключение «звезда — треугольник» происходит при слишком низкой
частоте вращения, это может вызвать сверхток, который достигает почти такого же
уровня, что и ток при «прямом» пуске DOL. Во время небольшого периода переключения
«звезда — треугольник» электродвигатель очень быстро теряет скорость вращения,
для восстановления которой также требуется мощный импульс тока.
Плавный пуск
Принцип «плавного» пуска основан на полупроводниках. Через энергетическую
цепь и цепь управления данные полупроводники понижают начальное напряжение
электродвигателя. Это приводит к уменьшению вращающего момента
электродвигателя. В процессе пуска мягкий пускатель постепенно повышает
напряжение электродвигателя, что позволяет электродвигателю разогнаться до
номинальной скорости вращения, не образуя большого вращающего момента или пиков
тока. Плавные пускатели могут использоваться также для управления торможением
электродвигателя. Плавные пускатели не так дороги, как преобразователи частоты.
Недостатки
Тем не менее, у них те же проблемы, что и у преобразователей частоты: они
могут добавить в систему синусоидальные токи (помехи), что может повлиять на ее
функционирование.
Данный способ также обеспечивает подачу пониженного напряжения к
электродвигателю во время пуска. Плавный пускатель включает электродвигатель
при пониженном напряжении, которое затем увеличивается до полной величины.
Напряжение в плавном пускателе уменьшается за счет фазового сдвига. Данный
способ пуска не вызывает образования скачков тока, но он не позволяет
регулировать частоту вращения ротора двигателя насоса, что часто приводит к
управлению насосным оборудованием снова к релейному (прямой пуск) регулированию
давления.
Преобразователь частоты
Применение для управления электродвигателями и насосами преобразователей
частоты, в отличии от прямого пуска, позволяет регулировать частоту вращения
двигателя. Но выгода от установки преобразователя частоты на этом не
заканчивается. В отличие от прямого пуска преобразователь частоты при запуске двигателя
насоса плавно его ускоряет до необходимой рабочей частоты, при этом время его
ускорения можно устанавливать самим пользователем. Из-за плавного ускорения
практические исчезают пусковые токи, значения которых не превышают 1,2 крата от
номинального тока.
Плавное ускорение позволяет исключить гидравлические удары в системе
водоснабжения и убирает ударные нагрузки на рабочие элементы насоса, что влечет
за собой увеличение нормативного срока службы насосов и уменьшение стоимости
эксплуатации оборудования.
Основным же преимуществом преобразователей частоты является, как было
сказано выше, это способность регулировать обороты двигателя насоса. Это
достигается применением в системе датчков давления, а не механических реле
давления. Двигатель насоса вращается с той частотой, которая необходима для
поддержания требуемого давления.
Необходимо также понимать, что преобразователь частотные способен не только
управлять скоростью вращения двигателя, но он также обеспечивает функции защиты
бытового насоса и насосов на станциях повышения давления. Основные защиты,
которые обеспечивает преобразователь частоты это:
- защита по сухому ходу
- защита от перегрузки
- защита от повышенного или пониженного напряжения
- защита от перекоса или обрыва фазы
- защита “антизамерзание”
Ну и самая главная и немаловажная выгода от установки преобразователя
частоты для насоса – это экономия электроэнергии.
Экономия происходит из-за того, что двигатель насоса работает на частоте
ниже номинальной, следовательно потребляемые токи уменьшаются в процессе работы
насоса.
При установке преобразователей частоты на промышленных объектах, есть
возможность их подключения к сетям обмена информацией. Что позволяет их
интегрировать в любую систему автоматического управления и производить
мониторинг состояния системы водоснабжения и состояния двигателей. В случае их
выхода из строя, такая автоматизация позволяет быстро определить причину
поломки и уменьшить время простоя, что бывает критично на ответственных
объектах, где требуется бесперебойное водоснабжение.
Преимущества
Преобразователь частоты позволяет снизить пусковой ток, так как
электродвигатель имеет жесткую зависимость между током и вращающим моментом
(зависимость оборотов вращения от требуемого расхода).
Недостатки
Преобразователи частоты всё ещё дороже устройств плавного пуска, кроме
того, как и устройства плавного пуска, они добавляют в сеть синусоидальные
токи. Иногда требуется установка сетевого фильтра, если в системе присутствуют
электронные приборы.
