Насосные функции преобразователей частоты и особенности специализированной серии AD800P Optimus Drive

Практически в любой продуктовой матрице современных преобразователей частоты (ПЧ) имеется линейка со специализированными насосными функциями. И хотя в базовых опциях эти ПЧ могут быть похожи, у некоторых серий есть особенности, делающие их уникальными.

В данном материале напомним, какие особые насосные функции вообще существуют, для чего они служат и что в рамках этих функций отличает представленные у нас преобразователи серии AD800P Optimus Drive.

В чём смысл насосных функций

Насосные функции преобразователей частоты – это специализированный набор алгоритмов и защит, встроенных в частотный преобразователь, которые оптимизируют работу насосного оборудования. Они учитывают физические особенности центробежных насосов и требования гидравлических систем, чем и отличаются от общепромышленных ПЧ.

Отметим, что в подавляющем большинстве уникальные насосные функции нацелены на специфику именно центробежных насосов, распространённых в водоснабжении, HVAC (ОВиК) и водоотведении и отражают их фундаментальные законы работы – законы подобия:

• Q₂ = Q₁ × (N₂ / N₁). Расход (Q) пропорционален частоте вращения (N).
• H₂ = H₁ × (N₂ / N₁)². Напор (H) пропорционален квадрату частоты.
• P₂ = P₁ × (N₂ / N₁)³. Мощность (P) пропорциональна кубу частоты.

Отсюда следует, что даже небольшое снижение частоты вращения даёт значительную экономию энергии. Например, снижение скорости на 20 % уменьшает потребляемую мощность примерно на 50 %. Кроме того, насосные функции учитывают такие специфические сценарии, как сухой ход, гидроудары, заклинивание рабочего колеса и необходимость каскадного управления несколькими механизмами.

Перейдём к самим функциям и расскажем о каждой по отдельности.

Функции регулирования производительности

Функции управления производительностью поддерживают заданный технологический параметр (давление, расход, уровень) путём изменения скорости вращения насоса. Их общая цель – точное соответствие текущему водозабору или технологическому требованию. Основными инструментами в данном случае являются ПИД-регулирование, спящий режим и каскадное управление.

ПИД-регулирование

Одна из самых важных насосных функций. Встроенный ПИД-регулятор поддерживает заданный технологический параметр – давление, расход, температуру или уровень жидкости – путём непрерывного изменения выходной частоты ПЧ. Датчик измеряет текущее значение и направляет обратную связь на аналоговый вход ПЧ. Преобразователь сравнивает значение с заданной уставкой и соответственно подстраивает частоту работы двигателя. Поскольку это происходит непрерывно, параметр постоянно держится на требуемом уровне. Так достигается стабильное давление в водопроводе, заданный расход в системе охлаждения, постоянный уровень в резервуаре.

Говоря о серии AD800P, нельзя обойти вниманием функцию, которая делает работу с ПИД-регулятором особенно удобной для оперативного персонала. В насосных преобразователях частоты Optimus Drive реализована возможность отображения уставки и обратной связи не в предустановленных единицах измерения, а в пользовательских – тех, в которых работает технологический процесс.

В настройках преобразователя указывается верхний предел диапазона датчика, например, «16» для датчика избыточного давления 0-16 бар. После этого преобразователь автоматически пересчитывает сигнал с аналогового входа в физическую величину, что позволяет сразу видеть реальные параметры в удобной форме.

Спящий режим

Функция полезна, когда водоразбор отсутствует. В этой ситуации насос продолжает работать, и давление в системе начинает расти. Как только давление превысит уставку, рассогласование становится отрицательным, и ПИД-регулятор снижает частоту вращения до минимальной безопасной (обычно около 20 Гц; работа ниже не рекомендуется). Но поскольку частота не равна нулю, насос продолжает подавать воду, а при отсутствии водоразбора давление продолжает нарастать.

Чтобы не тратить энергию вхолостую и снизить износ двигателя можно установить определённые значения частоты и давления, при которых насос автоматически уходит в «сон». Как правило, выход из «сна» происходит, когда разбор воды возобновляется.

Спящий режим эффективен в системах водоснабжения с периодами нулевого потребления: по ночам, в выходные дни, в нежилых зданиях. Также функция нужна в станциях повышения давления, где паузы в работе могут быть продолжительными.

В AD800P функция имеет полностью настраиваемые пороги и задержки на каждом этапе – отдельное значение для входа в спящий режим и выхода из него. Установка минимальной длительности сна защищает от частых циклов «пуск-останов», если в системе есть небольшие утечки.

Пуск-останов и изменение задания по часам реального времени

В ряде ситуаций требуется включать и выключать насос в определённое время. Для этого служит функция задания пуска-останова по часам реального времени.

В преобразователе AD800P можно задать время пуска и время останова, а также дни недели, в которые нужно запускать насос. После включения этого режима включение и выключение насоса в нужное время будет осуществляться автоматически. Кроме того, можно организовать автоматическое изменение задания давления по времени суток. Сутки можно разделить на периоды (до 4-х), и для каждого назначить своё задание.

Всё это обеспечивает максимальную гибкость настройки и возможность обойтись без внешнего контроллера, таймера или ПЛК – расписание настраивается прямо в параметрах ПЧ.

Каскадное управление

Каскадное управление позволяет одному частотному преобразователю управлять несколькими насосами, параллельно работающими с одним коллектором. Выделяют два основных типа каскада: с постоянным мастером и с переменным мастером.

В первом случае один ведущий насос всегда подключён к преобразователю частоты и плавно регулирует свою скорость. Остальные насосы (до 7 шт.) подключаются к сети напрямую через контакторы и включаются/отключаются ступенчато по команде ПЧ с помощью дискретных выходов. Такой тип каскада хорошо работает в системах водоснабжения и отопления с относительно стабильным расходом; на объектах, где насосы имеют разную мощность, а также в системах с кратковременными пиковыми нагрузками. Реализация такого каскада достаточно проста и требует небольших затрат, но есть и существенные недостатки: ведущий насос изнашивается быстрее ведомых, при подключении дополнительных агрегатов точность регулирования падает, а главное – если ПЧ выйдет из строя, перестанет работать вся система.

Во втором случае роль ведущего насоса не закреплена за одним агрегатом. В работе всегда один насос-мастер подключён к ПЧ и плавно регулирует скорость, остальные работают напрямую от сети (всего в каскаде может быть 3 насоса). Когда мощности одного насоса недостаточно (нагрузка растёт), текущий мастер переключается на работу от сети, а роль мастера передаётся следующему насосу. При дальнейшем росте нагрузки мастер снова уходит на сеть, а регулируемым становится оставшийся третий насос. При снижении нагрузки процесс идёт в обратную сторону. Встроенный в AD800P алгоритм корректно передает роль мастера без гидроудара и заметных просадок давления.

Преобразователи AD800P дополнительно поддерживают наиболее совершенный и гибкий вариант каскада – по сети – при котором каждый насос оснащён собственным преобразователем частоты. ПЧ подключаются между собой по шине Modbus RTU через интерфейс RS-485.

Ведущий ПЧ управляет двигателем для поддержания давления (расхода) с использованием ПИД-регулятора, и по мере необходимости запускает или отключает ведомые ПЧ. Двигатели, управляемые ведомыми ПЧ, выводятся на заданную максимальную частоту, поддержание давления (расхода) при этом осуществляется регулированием скорости двигателя, работающего от ведущего ПЧ. Данный режим работы поддерживает максимальную энергоэффективность системы, обеспечивает надёжность и гибкость конфигурации за счёт автоматического назначения резервного ведущего, если предыдущий выходит из строя.

Также реализована система учёта моторесурса – для каждого насоса ведётся счётчик наработки, в зависимости от которого можно настроить смену мастера.

Защитные функции

Защитные функции предназначены для предотвращения аварийных ситуаций и продлевают срок службы насоса и трубопровода. В насосном применении выделяют защиту от сухого хода, защиту от повышенного давления, обнаружение порыва трубы, защиту от частых пусков и заклинивания, плавное заполнение трубы, работу с обратным клапаном, функцию очистки насоса.

Защита от «сухого хода»

«Сухой ход», то есть ситуация, когда насос работает без воды, фиксируется ПЧ, когда давление в системе ниже пороговых значений. Длительная работа всухую приводит к преждевременному износу рабочего колеса (крыльчатки). Это может существенно сократить срок службы торцевых уплотнений из-за повышения температуры и плохой смазки.

Специализированные преобразователи частоты оснащены функцией обнаружения «сухого хода», предотвращающей работу насоса в сухом состоянии. В AD800P реализован трёхфакторный контроль по давлению, частоте и току одновременно. Такая схема надёжнее, чем контроль только по давлению (который может ложно сработать при пуске) или только по току (который не отличит сухой ход от малой нагрузки). При включении данной функции, если в процессе работы давление и ток станут ниже заданных пороговых значений, при этом частота будет выше заданного порогового значения, ПЧ остановит двигатель насоса и выведет соответствующее сообщение на дисплей.

Защита от «сухого хода» особенно важна для скважинных насосов, дренажных установок, насосов с верхним забором воды.

Плавное заполнение трубы

Чтобы исключить гидроудар при первом пуске насоса на пустой трубопровод, ПЧ разгоняет насос до заданной частоты заполнения и удерживает её, пока давление не достигнет уровня заполнения или пока не пройдёт заданное оператором время. После этого происходит переход в штатный режим с ПИД-регулированием работы. Данный режим применяется в случаях введения системы в эксплуатацию, после технического обслуживания или ремонта, а также при запуске на пустой трубопровод (например, в оросительных комплексах).

Функция очистки рабочего колеса насоса

В ряде применений рабочее колесо насоса может засориться. Для того чтобы сбросить загрязнения, используется функция очистки, когда ПЧ выполняет серию реверсивных циклов: вращение вперёд и назад с настраиваемыми длительностью каждого направления, паузой между циклами и количеством циклов. Процесс очистки может быть запущен с дискретного входа, которому назначена данная функция.

Очистка насоса нужна там, где загрязнение происходит регулярно: в канализационных и дренажных насосных станциях, в насосах для сточных вод и т. п.

Защиты по верхнему и нижнему давлению

С помощью этих функций можно задать верхний и нижний предел давления. При превышении или падении давления ниже заданного уровня ПЧ останавливает насос и выдаёт аварийный сигнал.

Данные защиты актуальны: по верхнему пределу – в системах с трубопроводами низкого давления или там, где инфраструктура не рассчитана на высокие напоры; по нижнему пределу – в повысительных насосных станциях в системах водоснабжения, в системах охлаждения на электростанциях или в химическом производстве, в магистральных нефтепроводах и системах перекачки.

Обнаружение порыва трубы

Когда рабочая частота выше заданного порогового значения, а давление, определяемое по датчику обратной связи, ниже заданного уровня обнаружения порыва трубы в течение заданного времени, ПЧ автоматически останавливает насос и выводит на дисплей аварийное сообщение. То есть в основе простая логика: если насос работает на повышенной частоте, а давление не растёт до заданного порога, значит где-то произошёл порыв трубы и вода уходит не туда, куда следует.

Обнаружение порыва трубы – важнейшая функция для бытового водоснабжения/водоотведения, систем отопления, ирригационных трубопроводов и других систем высокой протяжённости с высокими рисками материальных потерь при утечке.

Работа с обратным клапаном

Обратный клапан – это защитная трубопроводная арматура, предназначенная для того, чтобы поток рабочей среды (жидкости, газа) в технологической системе не мог изменить своё направление. Такой клапан свободно пропускает среду в одном направлении и автоматически перекрывает её движение в противоположном. По принципу действия он относится к арматуре прямого действия.

Для защиты клапана от ударных нагрузок в насосном преобразователе частоты предусмотрена специальная рампа разгона и замедления, чтобы плавно открывать клапан при пуске и не допускать резкого захлопывания при останове. Регулировка происходит с помощью двух пороговых частот, подобранных под конкретный клапан.

Функция используется в системах с параллельной работой насосов и в каскадах с обратными клапанами.

Потеря или неисправность датчика обратной связи

Защита от потери сигнала датчика обратной связи считается базовой при любой работе с ПИД-регулированием.

В устройствах серии AD800P дополнительно предусмотрена функция определения неисправности датчика обратной связи. При достаточно больших значениях выходной частоты и выходного тока и низком значении сигнала обратной связи датчик считается неисправным.

Имеются два варианта реакции на такую аварию: полный останов или переход на работу с заданной фиксированной скоростью, сопровождающийся соответствующим предупреждением. Второй вариант полезен там, где кратковременное отсутствие автоматического регулирования лучше, чем полная остановка системы.

Пожарный режим

Пожарный режим – это программная опция в преобразователе частоты, которая принудительно переводит его в режим работы, игнорирующий большинство внутренних защит и аварийных сигналов. При поступлении сигнала «Пожар» на дискретный вход преобразователь переходит в пожарный режим, для которого задается скорость и направление вращения. При этом возможен автоматический или ручной пуск, а при любой аварии самого ПЧ агрегат автоматически переключается на прямую работу от сети, поэтому пожарный режим всегда реализуется вместе с байпасом.

Защита двигателя насоса по PTC-датчикам

Защита двигателя по датчикам PTC обеспечивает надежный контроль перегрева обмоток электродвигателя. PTC (Positive Temperature Coefficient) – это термисторы с положительным температурным коэффициентом. В трёхфазный двигатель, как правило, закладывают три датчика, соединённых последовательно. При достижении критической температуры сопротивление PTC резко возрастает, что фиксируется и отрабатывается преобразователем частоты.

Эта функция дополняет токовую защиту ПЧ, срабатывая на перегрев там, где токовая модель не срабатывает. Она особенно актуальна в насосных применениях, где двигатель может долго работать на пониженной скорости.

Функции энергоэффективности и оптимизации

Функции энергоэффективности и оптимизации призваны снизить энергопотребление и износ за счёт адаптации ПЧ к реальным режимам работы с насосами. Среди них можно выделить компенсацию потерь напора на трение и автоматическую оптимизацию энергопотребления.

Компенсация потерь напора на трение

Эта функция позволяет преобразователю компенсировать потери напора при помощи изменений заданного значения давления. ПЧ рассчитывает гидравлические потери в трубопроводе на основе номинального расхода, потерь при номинальном расходе и статических потерь. Задание давления корректируется с учётом текущего расхода – чем больше расход, тем выше задание, чтобы компенсировать потери на трение.

Компенсация потерь на трение помогает поддерживать постоянное давление в точке разбора независимо от требуемого расхода, если датчик давления установлен вблизи насоса. Для работы необходима установка датчика расхода (расходомера).

AEO – автоматическая оптимизация энергопотребления

Функция AEO (Automatic Energy Optimization) – это встроенный алгоритм преобразователя частоты, который автоматически снижает энергопотребление двигателя, когда он работает с неполной нагрузкой. Для насосных систем это означает дополнительную экономию электроэнергии без потери производительности.

Асинхронный двигатель потребляет ток двух составляющих: активную (создаёт полезный момент на валу) и намагничивающую (создаёт магнитное поле, необходимое для работы). Когда насос работает с полной нагрузкой, двигателю требуется полное магнитное поле. Но при снижении расхода (например, ночью, когда водозабор минимален) момент на валу падает, и полное поле становится избыточным.

AEO оптимизирует напряжение на двигателе, чтобы минимизировать ток для данной нагрузки. ПЧ автоматически снижает напряжение на двигателе до минимально необходимого уровня, что уменьшает намагничивающий ток, сохраняя при этом требуемый момент.

Также можно задать нижнюю границу этого снижения – минимальный уровень намагниченности. Это защита от чрезмерного снижения напряжения, которое могло бы привести к опасному увеличению скольжения и перегреву двигателя.

Функция применяется для оптимизации работы насосов с переменным расходом.

Заключение

Насосные функции преобразователей частоты являются инженерно-обоснованным инструментом, учитывающим физику центробежных насосов и особенности функционирования различных насосных систем. В комплексе они обеспечивают стабильную, безопасную и экономичную работу в специализированных приложениях.

Серия AD800P Optimus Drive выделяется полнотой реализации насосных алгоритмов и расширенным набором функций, уникальных для своего ценового сегмента:

• продвинутым ПИД-регулированием и «спящим» режимом;
• каскадными возможностями – от постоянного/переменного мастера на контакторах до каскада по сети RS-485 с автоматическим резервированием и учётом моторесурса;
• определение сухого хода без дополнительных устройств с помощью встроенных алгоритмов;
• пожарным режимом с автоматическим переключением на сеть при возникновении аварии;
• специализированными функциями – работой с обратным клапаном, компенсацией потерь на трение, очисткой рабочего колеса и оптимизацией энергопотребления, которые в совокупности закрывают практически весь спектр задач насосных применений.

Такой набор делает AD800P готовым решением для насосных станций, не требующим внешних контроллеров и усложнённой архитектуры. При выборе оборудования для водоснабжения, водоотведения, HVAC или технологических систем стоит обращать пристальное внимание на глубину проработки насосных алгоритмов, поскольку именно они определяют, насколько эффективно и долго прослужит система. В этом смысле серия AD800P держит высокую планку, объединяя энергоэффективность и надёжность с удобством эксплуатации и широким мощностным рядом.