Автоматизацию работы насосного оборудования, можно считать самым важным аспектом в области технического развития систем водоснабжения и водоотведения. Это важно не только для станций, обеспечивающих водой населённые пункты.

Умный насос для скважины сделает так же комфортной эксплуатацию автономного водопровода. Для этого очень важно правильно произвести расчёт скважинного насоса, и соответственно полученным расчётам, подобрать для него преобразователь частот.

Видео в этой статье поможет вам сделать это своими руками.

Достоинства автоматического водоснабжения

Чтобы добиться максимально щадящего режима эксплуатации оборудования, на насосных станциях автоматизируют всё – начиная от запуска и остановки агрегатов, и заканчивая контролем расхода воды. Приборы, помогающие осуществлять тотальный контроль над системой, передают сигналы на табло в диспетчерском пункте.

Примерно тоже, только в меньших масштабах, происходит и в случае автоматизации домашнего насоса. Давайте рассмотрим, какие преимущества даёт системе автоматика.

Итак:

• Наиболее важно вот что: плавный запуск и остановка двигателя насоса, сводит до нуля вероятность возникновения гидроударов, а бережный режим эксплуатации способствует продлению срока службы любого оборудования. При этом снижаются расходы, связанные с эксплуатацией водозабора.
• Прежде всего, это расход электроэнергии. Её цена неуклонно растёт, и это ощущают все: как частные лица, так и предприятия. Частотное регулирование работы двигателей насосов даёт возможность уменьшить объёмы накопительных резервуаров, и даже полностью от них отказаться.

В таких случаях, используют прибор, который называется: «инверторный блок управления для скважинного насоса» — именно его вы видите на фото сверху. Инвертор объединяет в себе различные комбинации контрольных приборов, которыми не оснащён сам насос, и в том числе, имеет встроенный преобразователь частот.

Функциональность и подбор частотного преобразователя

Понятно, что максимальное потребление воды происходит только в определённые моменты, а большую часть времени мощность насоса оказывается излишней. Частотный преобразователь позволяет настроить систему так, чтобы в «час пик» насос выдавал полную мощность, а в остальное время снижал обороты.

• От количества вращений в определённый промежуток времени колеса насоса, зависит развиваемый им напор, и, соответственно, производительность. Суть применения частотного преобразователя заключается в том, чтобы заставить вращаться вал двигателя в заданном темпе. При этом частота переменного тока, получаемого из электросети, меняет свою величину.
• Современные преобразователи имеют широчайший диапазон, и способны преобразовать напряжение как выше, так и ниже характеристик питающей электросети. Схема данного прибора разделена на две части: силовую, состоящую из группы транзисторов либо тиристоров, и управляющую, по сути, являющуюся электронным ключом.
• Состоит управляющая часть из цифровых микропроцессоров, и выполняет все контрольные и защитные функции. Так как структура силовой части имеет характерные различия, частотные преобразователи подразделяются на две группы. Одна из них, включает в себя приборы с промежуточным звеном постоянного тока.

• Вторая группа этого звена не имеет, и называется «преобразователи частот с непосредственной связью». Приборы без промежуточного звена обладают более высоким КПД, и способны «обуздать» самый мощный высоковольтный двигатель. Не смотря на то, что цена данного варианта более высокая, система, в которую он внедрён, по затратам получается на порядок экономичнее.
• За счёт чего получается экономия? Дело в том, что такие преобразователи имеют малый диапазон частот, причём он не может быть равным, или превышать характеристики питающей сети. Нормативная частота тока в сети равна 50Гц, а прибор преобразует её до 30Гц и ниже, вплоть до нуля. Следовательно, снижается потребление электроэнергии – вот вам и экономия!

Столь ограниченный диапазон не позволяет использовать преобразователи данного типа в промышленных масштабах. Зато для бытовых насосов это как раз то, что надо.

Подбор насоса для скважины

Прежде всего, нужно иметь в виду, что мощностные характеристики насоса должны превышать расчётное потребление. То есть, всегда должен быть запас мощности.

Расчёт строится на таких данных:

• Глубина и
• Диаметр обсадной трубы
• , а если проще — расстояние от зеркала воды в скважине, до поверхности земли при работающем насосе
• Суммарный суточный расход воды на семью, содержание животных и полив (рассчитывается исходя из существующих нормативов)
• Удалённость скважины от дома
• Высота подачи воды (учитывается этажность здания)
• Диаметр напорного трубопровода

Напор насоса для скважины, из которой вода будет подаваться непосредственно в дом, представляет собой сумму протяжённости вертикальных и горизонтальных расстояний, умноженную на сопротивление трубопровода — этот коэффициент является величиной постоянной, и равен 1,15.

• Если же в системе водоснабжения присутствует накопительная ёмкость, то к сумме расстояний добавляется ещё и давление гидробака. Давление выражается в атмосферах, а каждая атмосфера приравнивается к 10 вертикальным метрам.
• Рассмотрим, как будет выглядеть расчёт на конкретном примере. Допустим, у вас есть скважина с динамическим уровнем в 35 м. Находится она в 20м от двухэтажного дома высотой 7 м. При этом в доме установлен гидроаккумулятор ёмкостью 60л и давлением в 3 атм.

Расчёт напора будет выглядеть так: Н = (35+20+7+(3*10))*1,15 = 105 метров.

Если учесть небольшой запас, то можно купить насос с напорной характеристикой 110-115м. Как видите, особой сложности данный расчёт не представляет. Теперь поговорим о критериях подбора частотного преобразователя, сокращённо ЧП.

Подбор преобразователя

Что касается технических характеристик ЧП, то они должны соотноситься с типом и мощностью электродвигателя, к которому он будет подключаться. Далее, нужно учитывать необходимый диапазон регулирования, а так же уровень точности настройки и поддержания крутящего момента на валу мотора.

• Конструктивные особенности инвертора, то есть, его габариты, конфигурация, встроенное или выносное управление, так же имеют значение. В подавляющем большинстве установлены асинхронные двигатели. К ним ЧП подбирается по мощности, и лучше, если эта характеристика у преобразователя будет на порядок выше, чем у насоса.

• Существуют преобразователи с векторным управлением, которые позволяют поддерживать скорость вращения при переменных нагрузках, а так же работать, не снижая оборотов в нулевом диапазоне. Такие преобразователи наиболее точно контролируют крутящий момент и частоту вращения вала. Это особенно важно, когда в сети работает два насоса.
• Вообще, частотные преобразователи имеют свою классификацию. Как и любое другое электрическое оборудование, они могут быть однофазными и трёхфазными. Вариант исполнения инверторов может быть бытовым, для сети 220В. Есть так же промышленные преобразователи, мощностью до 500В, и высоковольтные – до 6000В.
• Степень защиты IP, тоже бывает разной. По типу управления, ЧП делятся на векторные и скалярные. Все ведущие производители насосного оборудования, предлагают потребителю и инверторные блоки. Обычно производители привязывают модели преобразователей к конкретным модификациям насосов, и дают рекомендации по их применению.

Покупателю и думать-то особо не надо над выбором: консультант-продавец укажет вам модель преобразователя, подходящую к данному насосу, и разъяснит вам, в чём заключаются особенности его использования.

В системах управления бытовыми электрическими насосами может использоваться автоматика разных видов — от простейших недорогих реле до сложных блоков электронного управления, превосходящих по цене простую автоматику в десятки раз. Самыми перспективными и высокотехнологичными устройствами для управления насосным оборудованием считаются приборы, изменяющие частоту питающего напряжения насосов.

Частотное преобразование по сравнению с обычной схемой подключения электрического насосного оборудования с использованием реле давления имеет следующие преимущества:

• Позволяет поддерживать в системе постоянное давление вне зависимости от объема потребления воды. Автоматика отслеживает напор и изменяет скорость работы электрического насоса.
• Водопроводная магистраль практически не подвержена гидроударам, в связи с чем гидроаккумулятор может быть заменен на прибор меньшего объема или вообще исключен из системы.

• Частотное регулирование обеспечивает плавный пуск и остановку электрического насоса — это увеличивает срок его службы за счет исключения из рабочего режима резких скачков напряжения, наиболее часто приводящих к выходу из строя любого электрооборудования.
• Скважинные насосы с частотным регулированием существенно экономят электроэнергию — они не нагнетают в систему избыточное давление при работе на полную мощность, расчет показывает, что экономия может быть до 50%.
• По удобству пользования и простоте управления частотные устройства значительно превосходят системы с реле давления. Для получения необходимого давления не требуется длительная настройка системы по манометру путем вращения винтов в реле — достаточно выбрать необходимое значение на пульте управления устройства, нажав соответствующую кнопку.

Принцип работы частотного преобразователя

Регулирование скорости вращения вала электродвигателя путем снижения числа его оборотов за счет изменения частоты питающего напряжения, является единственным способом получения малой производительности электронасоса без снижения коэффициента полезного действия.

Способ частотного управления асинхронным двигателем был сформулирован еще в 30-х годах советским академиком Костенко, его техническая реализация произошла намного позднее после появления мощных полупроводниковых устройств — тиристоров.

Электронная схема управления асинхронным трехфазным двигателем, позволяющая менять его частоту вращения путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, состоит из трех основных блоков:

Цепь постоянного тока. Электронными элементами цепи являются выпрямители и фильтры, преобразующие переменный ток частотой 50 Гц. напряжением 380 В. в постоянное напряжение.

Силовой импульсный инвертор. Транзисторные полупроводниковые приборы реализуют широтно-импульсную модуляцию, работая в ключевом режиме, то есть находятся в разомкнутом (выключенном состоянии) или в замкнутом (состоянии насыщения). В первом случае их сопротивление стремится к бесконечности и ток в цепи очень мал, поэтому падение напряжения на транзисторах невелико, как и рассеиваемая мощность. При подаче открывающего напряжения сопротивление p-n перехода стремится к нулю и падение напряжения на транзисторе незначительно, как и рассеиваемая на нем мощность. Переходные состояния вызывают существенное повышение выделяемой на транзисторах мощности, но длятся короткий отрезок времени, не вызывая перегрева приборов и выхода их из строя. Схемы управления с частотным (широтно — импульсным) преобразованием имеют КПД порядка 98%.

На выходе транзисторных ключей получают напряжение в виде импульсов одинаковой амплитуды с разной длительностью. Система управления организует работу транзисторных ключей, задавая время их открытого и закрытого состояния — соответственно изменяется ширина импульсов.

В приводах асинхронных двигателей используется трехуровневая широтно-импульсная модуляция с импульсами положительной и отрицательной полярности. На обмотку электродвигателя подается переменное импульсное напряжение прямоугольной формы (V), при этом магнитный поток в статоре (B) имеет синусоидальную форму.

Популярные модели частотных преобразователей

Частотные преобразователи для насосов систем водоснабжения могут заменить любую автоматику с реле для обеспечения преимуществ, описанных выше. Они подходят ко всем видам водяных электронасосов с асинхронными двигателями, модели имеют массу дополнительных функций.

ERMAN серии ER-G-220-02 «ERMANGIZER» (340 у.е.) — один из первых отечественных частотников, предназначенный для управления однофазным асинхронным двигателем, работает в комплекте с электрическим измерителем давления АДМ 100 (47 у.е.).

Особенности частотника ERMAN серии ER-G-220-02

• максимальный ток: 4,6 А.;
• максимальное давление: 6 бар.;
• электропитание: 220в;
• максимальная температура: 50 С;
• класс защиты: IP20;
• выходное напряжение: 15 В.;
• линейный вход: 4 на 20 мА. (100 Ом);
• диапазон рабочих температур: -10…+50 С.;
• градация настройки: 0,1 бар.;
• порог срабатывания защиты по давлению: 5,5 бар.;
• заводская установка давления: 4 бар.

ITALTECNICA SIRIO ENTRY 230 (350 у. е.) — частотный преобразователь для скважинного насоса с защитой от сухого хода, индикацией давления и неисправностей в работе системы или насоса, имеет дистанционное управление.

Особенности ITALTECNICA SIRIO ENTRY 230

• тип: частотный преобразователь;
• напряжение питания: 220 — 230В.;
• диапазон регулирования давления выключения: 1,5 — 7,0 бар.;
• соединение: 1,2″;
• максимальная мощность: до 1,5 кВт.;
• максимальное давление в системе: до 8 бар.;
• максимальный ток на выходе при пуске: 12 А.;

Использование частотного преобразователя для управления электронасосом не только продлит срок службы оборудования для водоснабжения, повысит удобство пользования и найстройки, но и может стать экономически выгодным с течением времени. Дорогое устройство окупится быстрее при интенсивном водозаборе с использованием мощных электронасосов.

Полезные статьи по данному товару

• ➪ Автономное водоснабжение дачи или загородного дома
• ➪ Автономное водоснабжение частного дома
• ➪ Система и станция автономного водоснабжения
• ➪ Повысительный насос для системы водоснабжения частного дома

Частотный преобразователь для насоса 220В (для однофазных насосов )- это электронное устройство, которое контролирует включение и выключение электронасоса, регулируя его работу в зависимости от условий подачи, существующих в каждый конкретный отрезок времени. Данный прибор разработан специально для бытовых систем, где подача воды требуется на сравнительно небольшое время и обычно имеет выраженный график потребления.
Функции:
. Защита от "сухого хода", возникающего при недостаточном количестве воды на всасывании.
. Автоматическая перезагрузка после выключения насоса из-за "сухого хода".
. Цифровая индикация давления на экране устройства.
. Светодиоды и индикация на табло сигнализируют о режимах работы устройства, а так же о возникновении ошибок.
. Аварийное выключение и сообщение о сбоях в системе.
. Цифровое входное устройство для поплавка или подсоединения к внешнему устройству контроля.
. Электрические разъемы для удобного подключения кабеля.

Насос начинает работать на максимальных оборотах, а затем постепенно настраивается на работу, зависящую от напора, который требуется в системе. Таким образом, давление на выходе получается постоянным, обеспечивая более комфортное потребление.
Давление регулируется по максимальному временному интервалу (данную величину устанавливают с помощью параметра «Cool mode» от 5 до 30 минут, в соответствии с типом насоса), в течение которого будет происходить подача воды потребителю. По истечению установленного периода, если потребность в поставке воды все еще сохраняется, двигатель насоса начинает работать на максимальной скорости во избежание перегрева, вызванного уменьшенной вентиляцией.

Когда все источники потребления закрываются, выключение насоса и последующее охлаждение двигателя позволяют заново установить время регулирования для следующего цикла насоса (от его включения). Данное время рассчитывается в зависимости от времени паузы и времени работы (одна минута покоя насоса соответствует одной минуте регулирования в следующем цикле).

Применение:
. Электронные устройства контроля потока и давления.
. Частотные преобразователи (инверторы) для контроля постоянного давления.
. Защита от сухого хода.

Характеристики:
Питание сети: монофазное 230В ±10% - 50/60Гц.
Выходное напряжение: монофазное 230В~.
Максимальная мощность двигателя: 750Вт- 1л.с.
Максимальная сила тока на линию: 6A , 230Вт~.
Максимально допустимое давление: 800 КПа (8 бар).
Максимальная температура жидкости: 30°C.
Потеря давления: 0,7 бар на 150 л/мин.
Диапазон регулировки давления включения: 1,5÷5 бар.
Гидравлическое соединение: резьба нар/нар 1".
Диапазон модуляции электрического напряжения: 230÷170 В.
Класс защиты: IP65.

Использование частотных преобразователей для управления насосами является в настоящее время необходимостью, а не роскошью. Благодаря частотному регулированию имеется возможность снизить потребление электроэнергии в моменты сниженного водопотребления, а также избавить от избыточного давления в сети, что, зачастую, является причиной аварий. Благодаря использованию частотных преобразователей появилась возможность поддержать постоянное давление воды у потребителя.

Каким же образом происходит преобразование частоты применительно к насосам?

Возьмем насос, который работает от двухполюсного двигателя со скоростью вращения вала 2800 оборотов в минуту, при этом на выходе насоса мы получаем номинальный напор и производительность. Теперь, при помощи частотного преобразователя , мы понизим частоту, что повлечет за собой понижение скорости вращения двигателя, а значит, изменится производительность насоса. При помощи датчика, информация о давлении в системе поступит в блок преобразователя частоты, и следовательно, на основании данных от датчика, изменится частота, подаваемая на электродвигатель.

Какие преобразователи частоты можно применять на насосные агрегаты?

Существуют различные производители, предлагающие специализированные частотные преобразователи для насосов , среди которых Vacon 100 Flow (новинка от финского производителя Vacon), INNOVERT VENT (Китай), и другие модели. Они отличаются компактностью, имеют удобный интерфейс и могут исполняться в различных степенях защиты (IP 21, IP 54, IP65). Самая высокая степень защиты- это IP 65, которая является влаго- и пылезащищенной, но при этом имеет более высокую цену.
Диапазон мощностей, в которых представлены преобразователи частоты, довольно широк: от 0,18 до 315 кВт и более, при питании 220 и 380В от сети 50-60Гц.

Применение частотных преобразователей для скважинных насосов

Для того, чтобы подобрать частотный преобразователь для скважинного насоса, необходимо учитывать глубину скважины. К примеру, при артезианской скважине более 100 м глубиной, необходимо использовать дроссели, которые позволяют увеличить износоустойчивость изоляции кабеля и уменьшить другие нежелательные эффекты.

В статье расскажем о том, как организовать автоматическое водоснабжение с помощью преобразователя частоты . Рассмотрим выбор преобразователя, составление системы автоматики, дополнительные возможности по контролю, управлению и защите асинхронного двигателя насоса.

Добиться эффективного водоснабжения и при этом обеспечить максимальную защиту двигателя насоса можно только с применением специализированной преобразовательной техники, выполненной на базе автономного инвертора напряжения. Данное решение позволяет организовать автоматизацию бесперебойной подачи воды, используемой как для собственных нужд, так и промышленных потребностей.

В независимости от того для каких целей используется насос (скважинный, перекачной, самовсасывающий и т. д.), практически все использующиеся в них двигатели можно разделить на два типа — однофазные и трехфазные асинхронные двигатели. Именно в зависимости от использованного в насосе приводного двигателя производится выбор требующегося преобразователя.

Что представляет из себя преобразователь

Это электрический блок, который преобразует электроэнергию сети в соответствии с поступающим заданием и выдающий на двигатель регулируемое напряжение в пределах от 0 до 220 В или от 0 до 380 В с частотой от 0 до 120 и более Гц. Внутри преобразователя находится:

1. Неуправляемый или полууправляемый мост Ларионова, обеспечивающий выпрямление сетевого напряжение, построенный на полупроводниковой базе из диодов или тиристоров.
2. Конденсаторное звено, сглаживающее полученное напряжение.
3. Ключ для сброса рекупирируемого при торможении напряжения.
4. Автономный инвертор напряжения на базе IGBT ключей, обеспечивающий получение переменного напряжения заданной величины и частоты.
5. Микропроцессорная система управления, отвечающая за выполнение всех операций в преобразователе и защиту двигателя.

Типичная структура трехфазного преобразователя частоты, выполненного на базе автономного инвертора напряжения

Критерии выбора преобразователя

Первое, что нужно учитывать — это соответствие преобразователя типу питающей сети (220 В или 380 В). Второе — соответствие мощности преобразователя мощности двигателя, при этом желательно иметь небольшой запас по номинальной мощности у приобретаемого преобразователя (в среднем на 20-50%), что позволит гарантировать работу при необходимости частого включения-выключения системы, а также в различных нештатных ситуациях.

Для удобства наладки преобразователь должен иметь экран управления. Большинство современных преобразователей уже в базовой комплектации имеют встроенные блоки обработки дискретных и аналоговых сигналов, что в дальнейшем позволит построить на его базе систему малой автоматизации, если их нет — нужно их заказать.

Один из возможных вариантов конструктивного исполнения клемм, использующихся для подключения дискретных и аналоговых сигналов к преобразователю

Основное, что должен обеспечивать насос — это поддержание в системе заданной величины давления при постоянно изменяющемся расходе подаваемой воды. При этом незначительное снижение скорости вращения нагнетающей части насоса, выполненное преобразователем, поскольку насос работает с «вентиляторным» типом нагрузки, приводит к более весомому снижению необходимого вращающего электромагнитного момента и как следствие — уменьшению затрат на электроэнергию.

Дополнительное обоудование для организации автоматической подачи воды

1. Аналоговый датчик давления.
2. Кнопки запуска-остановки системы.
3. Датчик температуры воды (для глубинных насосов).
4. Входные быстродействующие предохранители.
5. Выходной контактор.
6. Входной и выходной дроссель (на малых мощностях можно не устанавливать).

Кнопки «Пуск» и «Стоп» подключаются к дискретным входам преобразователя и в процессе наладки программно приобретают необходимые свойства. Аналоговый датчик давления подключается к соответствующему аналоговому входу на панели преобразователя и параметрируется для задания скорости вращения двигателя насоса.

Как работает автоматика

После нажатия кнопки «Пуск» преобразователь автоматически включает выходной контактор и в соответствии с показаниями датчика давления запускает двигатель насоса. После чего плавно доводит его скорость до необходимой для поддержания заданного давления.

В случае детектирования преобразователем аварийной ситуации или при нажатии кнопки «Стоп», преобразователь с требующейся в зависимости от ситуации интенсивностью снижает скорость вращения двигателя до минимума и отключает контактор.

Датчик температуры воды для скважинных насосов необходим для косвенного контроля температуры насоса, поскольку использование преобразователя снижает величину протока воды и, как следствие, ухудшает охлаждение. Данным контролем можно пренебречь, если температура воды гарантированно не повышается выше 15-16 градусов Цельсия.

При наличии в двигателе встроенного датчика температуры его стоит подключить к соответствующему входу на преобразователе, это гарантирует 100% защиту двигателя от перегрева в процессе работы.

Что нужно знать при сборке схемы и наладке преобразователя

Необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией на насос и преобразователь. При настройке системы в преобразователь нужно будет записать информацию по номинальной скорости двигателя, его мощности, номинальному току, напряжению и частоте питающей сети, оптимальному времени разгона и торможения, допустимой перегрузке двигателя при запуске и во время работы.

Потребуется задать функции аналоговых и дискретных входов и выхода для управления контактором. После этого выбрать закон управления, в данной системе — U/F или векторное управление. После чего потребуется включить автоматическую парамитризацию, в ходе которой преобразователь сам определит сопротивление обмоток двигателя, рассчитает все необходимые для создания его математической модели параметры.

Все необходимые настройки в современные цифровые преобразователи можно внести с помощью панели управления с жидкокристаллическим индикатором. Ряд моделей преобразователей поставляются со специальным программным обеспечением, установив которое на персональный компьютер, можно через USB или COM порт связаться с системой управления.

Панель управления преобразователем

Важно правильно подключить все составляющие системы автоматики и двигатель. В большинстве преобразователей имеется встроенный источник питания 24 В, который можно использовать при составлении схемы и создании индикации работы системы с помощью дискретных выходов и светодиодных ламп.

Плюсы использования системы преобразователь — двигатель насоса

При правильно выполненной настройке преобразователя он контролирует давление в системе водообеспечения и защищает ее от превышения заданного давления.

Преобразователь сам включает двигатель насоса и вращает его с той скоростью, при которой в соответствии с потреблением воды поддерживается требуемое давление, обычно эта скорость ниже номинальной, благодаря чему достигается экономия электроэнергии. Разгон двигателя проходит за указанное при наладке время (по так называемой рампе), данная опция позволяет не только снизить пусковой ток в системе и, как следствие, перегрузку двигателя, но и минимизировать нагрузку на механическую часть, благодаря чему продлевается срок эксплуатации насоса и снижается перерасход электроэнергии.

Только с помощью преобразователя можно эффективно использовать насосы с трехфазным асинхронным двигателем при питании от бытовой электросети 220 В.

Встроенные в преобразователь защиты постоянно контролируют потребляемый двигателем ток, его скорость вращения, температуру, что позволяет защитить от короткого замыкания, обрыва питающей фазы, заклинивания механической части, перегрузки и перегрева.