Пітер Гайдон,
Американський Інститут Гідравліки
Зростання кількості насосних систем із регулюванням швидкості. Особливості застосування – переваги та проблеми.
Технологічний прогрес та загальне покращення галузевих знань зробили насосні системи з частотним регулюванням швидкості максимально актуальними та доступними на сьогоднішній день для широкого кола застосувань. Разом з доступністю існує прямий запит споживача на розуміння особливостей застосування для забезпечення прийнятної надійності. Технології та рівень знань зросли, проте, як і раніше, залишилася проблема в доступності об’єктивної літератури, здатної надати повноцінну та всебічну інформацію для споживача з акцентом на особливі вимоги до застосування перетворювачів частоти спільно з відцентровими насосами.
Європейська асоціація виробників насосів Europump та Інститут гідравліки спільно розробили Посібник із застосування насосів із регульованою швидкістю, що полегшує кінцевим споживачам та інсталяторам насосного обладнання ¦вибір, встановлення, управління та експлуатацію обладнання.
У таблиці викладено три методи керування відцентровим насосом.
| Метод керування | Переваги | Недоліки |
| Насосні системи з регулюванням швидкості | Точне регулювання процеса. Зниження споживання електроенергії. Підвищення надійності. | Високі капіталовкладення обладнання. Недостатня ефективність для насосів із високою статичною складовою напору та насосів із плоскою характеристикою. |
| Нерегульовані насоси. Пуск — стоп. | Простий метод керування. Мінімальні початкові капиталовкладення. | Висока циклічність включення та відключення. Неможливість адаптуватися до змін у витратах. Вимагає додаткового обладнання (гідроакумулятор). |
| Нерегульовані насоси. Дроселювання. | Точне регулювання процеса. | Втрата енергії. Підвищений знос арматури. Шум. |
Отже, кожен метод управління має як переваги, так і недоліки. Тим не менш, з позиції загальної надійності та раціонального використання енергоресурсів частотне регулювання швидкості насоса є найбільш досконалим способом управління насосною системою. Економія електроенергії може бути додатково збільшена, якщо регулювання швидкістю поєднати з циклічним включенням та вимкненням насоса при роботі на низькій швидкості та у поєднанні з проміжним накопичувачем (гідроакумулятором).
Досягнення максимальної економічності роботи насоса забезпечується оптимізацією швидкості насоса за критерієм мінімальної питомої витрати енергії (Es). Критерій Es може виявитися не знайомим багатьом користувачам насосів. Однак, це дуже простий для розуміння критерій, що враховує співвідношення кількості споживаної енергії та обсягу рідини, що перекачується.
При використанні циклічного керування включенням та вимкненням насоса спільно з регулюванням швидкості споживач може оптимізувати роботу системи за критерієм мінімальної питомої витрати електроенергії Es. Ця оптимізація дозволить отримати значно більший ефект економії енергії порівняно з циклічною роботою насоса з повною швидкістю та короткими циклами роботи та простою. Крім того, такий підхід забезпечує більш тривалі цикли в роботі насоса і, відповідно, менше пусків насоса і менші витрати на його обслуговування.
Pin – кількість енергії, яку споживає перетворювач частоти;
Ti – час роботи;
Vi – об’єм переміщеної води;
Qi – продуктивність насоса.
Рисунок 1. Насосна станція водовідведення з частотним регулюванням.
Рисунок 2. Насосна станція водовідведення з регулюванням швидкості та циклічним включенням/вимкненням насоса на швидкості нижче мінімального Es.
Поведінка насосної системи водовідведення з частотним регулюванням швидкості щодо споживання кіловат-годин електричної енергії на кубічний метр води можна порівняти з більш зрозумілою для споживача витратою палива на дистанції в 100 кілометрів під час руху на автомобілі. У випадку з Вашим автомобілем, якщо Ви вирішили їхати повільніше (для насоса це знижена швидкість), Вам знадобиться більше часу, щоб дістатися місця призначення (насос працює довше), але Ваш автомобіль витратить менше палива (насос потребує менше електроенергії на виконання завдання) .
Цей приклад показаний рисунку 2. Коли приплив перевищує рівень мінімального Es, насос переміщує воду зі швидкістю, пропорційну інтенсивності припливу. Коли приплив води знижується нижче рівня мінімального Es, насос переміщує воду з циклами включення та відключення на швидкості, що відповідає критерію мінімального Es. Такий підхід в управлінні насосом забезпечує мінімальне споживання електроенергії для вирішення задач водовідведення.
Рисунок 3. Система с низькою статиччаю складовою натиску.
Рисунок 4. Система с високою статичною складовою натиску.
Економія енергії з допомогою регулювання швидкості насоса істотна тоді, коли втрати тертя переважають у гідравлічної системі статичний напір (див. рисунок 3). Відхилення від точки найвищої ефективності BEP є мінімальним при зниженні швидкості насоса. Отже, питоме споживання енергії Es також постійно знижується разом із зниженням швидкості насоса. Навпаки, в гідравлічних системах з переважанням у загальному натиску статичної складової (як показано на рисунку 4) зниження ефективності насоса (відхилення від точки BEP) вже помітніше в області низьких швидкостей і в певній точці питоме споживання енергії Es починає зростати при зниженні швидкості.
Ці два приклади наочно показують загальні принципи, згідно з якими в умовах змінного потоку управління швидкістю насоса більш ефективне і має великі переваги в порівнянні з таким методом регулювання насоса як дроселювання. Чим менша статична складова напору, тим більше буде ефект економії енергії при регулюванні швидкості.
На додаток до економії електроенергії, регулювання швидкості відцентрового насоса дозволяє:
— точно управляти процесом (підтримувати стабільний тиск в умовах змінного споживання води);
— забезпечити більший коефіцієнт потужності (перетворювач частоти, встановлений перед асинхронним двигуном, частково компенсує реактивну потужність за рахунок конденсаторної ланки);
— снизити пусковий струм;
— снизити механічне навантаження;
— забезпечити покращений моніторинг параметрів роботи та захист насоса;
— підвищити загальну надійність насосної системи.
З іншого боку, при застосуванні перетворювачів частоти з насосами мають місце загальні та експлуатаційні проблеми, які при їх ігноруванні можуть призвести до зворотного ефекту – зниження надійності системи (див. таблицю нижче). Список проблем у таблиці не є вичерпним.
| Потенційні проблеми | Способи вирішення |
| Підвищені експлуатаційні вимоги. | З погляду охолодження двигуна низька швидкість – далеко не найкраща ідея. Дуже важливо для досягнення тривалого терміну служби забезпечити умови покращеного охолодження двигуна насоса. |
| Додаткове навантаження на ізоляцію обмоток двигуна. Імпульси перенапруги. Результуючий сигнал напруги, що прикладається до двигуна, не є синусоїдальним. | Застосовувати двигун, призначений для частотного регулювання (для живлення ШІМ-формою напруги, двигун з високим класом ізоляції та опором імпульсному перенапруженню). |
| Більшість стандартних перетворювачів частоти використовують простий 4-х або 6-ти тактний випрямляч (діодний міст), який вносить гармонійні спотворення в лінію живлення. | Застосування додаткових активних та пасивних методів придушення гармонійних спотворень вхідного сигналу. |
| Синфазні перешкоди, синфазна напруга на роторі, паразитні струми на валу та підшипниках. | Застосування синфазних фільтрів ізольованих підшипників, пристроїв заземлення ротора. |
| У гідравлічних системах із високою статичною складовою напору невелике зменшення швидкості може спричинити роботу насоса у «мертвій зоні» напору. | Зниження швидкості насоса обмежують вимогами до мінімального потоку. |
Перетворювач частоти пред’являє особливий набір вимог, які важливо враховувати при проектуванні насосної системи з регулюванням швидкості. Ігноруючи особливі вимоги, у кращому випадку Ви ризикуєте отримати просто проблемну систему.
