Frekvenční měnič pro čerpadlo – princip činnosti, ovládání

Všechny uvedené parametry (funkčnost) podporují frekvenční měniče ELHART řady EMD-MINI a EMD-PUMP.

2. Výběr frekvenčního měniče

2.1 Frekvenční měnič pro jednofázový motor

Stojí za zmínku, že standardní frekvenční měniče nejsou navrženy pro práci s jednofázovými motory. Téměř všechny frekvenční měniče na trhu jsou navrženy pro řízení rychlosti otáčení třífázového indukčního motoru s kotvou nakrátko.

Častěji, když říkají „jednofázový frekvenční měnič“, mají na mysli frekvenční měnič napájený z jednofázové sítě 220V. Takový měnič má na výstupu 3 fáze 220V a je určen i pro řízení třífázového asynchronního motoru.

Frekvenční měniče pro jednofázové motory však existují, ale jsou extrémně vzácné.

2.2 Výběr frekvenčního měniče podle výkonu

Při výběru měniče se nejprve musíte zaměřit na proud a napájecí napětí elektromotoru. Tyto informace jsou uvedeny na typovém štítku motoru.

1. Napětí na vinutích. Motor, jehož typový štítek je na obrázku 2, je schopen pracovat při třífázovém napětí 220V (vinutí musí být zapojeno do obvodu “trojúhelník”) a při třífázovém napětí 380V (příp “Hvězda”). Pokud je na typovém štítku uvedeno 380/660, pak lze takový motor připojit k měniči s napájením 220V, ale v tomto případě nebude zajištěna jmenovitá charakteristika motoru.

2. Jmenovitý lineární proud motoru. Tento motor spotřebuje 1,44A při zapojení do trojúhelníku (napájení 220V) a 0,83A při zapojení do hvězdy (napájení 380V).

Ostatní informace uvedené na typovém štítku motoru nemají vliv na výběr měniče.

Navzdory proudu uvedenému na typovém štítku motoru je nejsprávnější metodou pro určení provozního proudu jeho přímé měření za chodu motoru. Tím se zabrání problémům, pokud motor pracuje s vysokým proudem. Skutečný trvalý provozní proud motoru by neměl překročit jmenovitý výstupní proud měniče.

Není správné kupovat frekvenční měnič na základě výkonu motoru, protože výkon motoru závisí na účinnosti a účiníku (cos), a výkon uvedený na elektromotoru se vztahuje k mechanickému výkonu motoru na hřídeli, a nikoli k činnému výkonu spotřebovanému ze zdroje energie, jak je obvyklé u jiných spotřebičů elektřiny.

Tabulka 1 – Elektrické charakteristiky motorů

Motor AIR 90 L6 (1000 ot./min) o stejném výkonu jako frekvenční měnič spotřebuje ve jmenovitém režimu při napájení 4,2 V proud 380 A a jmenovitý výstupní proud měniče je 4,0 A.

Při připojení stejného motoru v “trojúhelník„Při napájení 220 V bude jmenovitý proud 7,3A, frekvenční měnič je dimenzován na 7,0A. Proto u napájení 380V i 220V musí být uvedený motor připojen k frekvenčnímu měniči s úrovní výkonu o jeden stupeň vyšší (2,2 kW):

• Frekvenční měnič ELHART EMD-MINI – 022 T (2,2 kW, 5 A, 380 V)
• Frekvenční měnič ELHART EMD-MINI – 022 S (2,2 kW, 11 A, 220 V)

Díky frekvenčnímu měniči je možné připojit motory s „nestandardním“ napájením do průmyslové sítě 220 nebo 380V. V tomto případě jde především o to, aby jmenovité napájecí napětí motoru nepřesahovalo napájení měniče a jmenovitá frekvence je udržována měničem.

Například stroj na stříhání ovcí MSU-200 je napájen střídavým napětím 36V s frekvencí 200Hz. Pro práci s takovým strojem je v nastavení frekvenčního měniče nastaveno jmenovité napájecí napětí motoru na 36V a jmenovitá frekvence motoru na 200Hz.

I přes výkon elektromotoru 115W je provozní proud cca 3A. Kromě jmenovitého proudu motoru je nutné vzít v úvahu amplitudu, frekvenci a dobu trvání možných přetížení. V okamžicích přetížení může proud uvedeného stroje dosáhnout až 7A.

Frekvenční měnič ELHART EMD-MINI odolá přetížení 150 % jmenovitého proudu po dobu 60 sekund; EMD-PUMP – 120 % po dobu 60 sekund.

Proto musí být jmenovitý proud měniče minimálně 7 ÷ 150 % = 4,7A. Pro připojení k síti 220V zvolte frekvenční měnič ELHART EMD-MINI – 007S (0,75 kW, 5A, 220V). Pro připojení k síti 380V zvolte měnič ELHART EMD-MINI – 022T (2,2 kW, 5A, 380V).

Vezměte prosím na vědomí: s malou proudovou rezervou v tomto příkladu je výkon měniče 6krát a 20krát větší než výkon odpovídajícího motoru!

2.3 Volba mezi režimy vektorového a voltfrekvenčního řízení

Podle způsobu řízení lze frekvenční měniče rozdělit na voltfrekvenční a vektorové. Podívejme se na provozní vlastnosti těchto režimů.

Volt-frekvenční (nebo skalární) režim řízení měniče

• Udržuje konstantní hodnotu magnetického pole statoru na dané frekvenci (poměr napájecího napětí k frekvenci je konstantní). To znamená, že při různých otáčkách zůstane jmenovitý moment na hřídeli motoru nezměněn. Existují vlastnosti provozu na nízkých frekvencích. Podrobnosti jsou popsány v části “Možný rozsah nastavení otáček motoru pomocí invertoru“;
• Rychlost otáčení motoru závisí na použitém zatížení: když se zatížení zvyšuje, motor se zpomaluje, když se snižuje, zrychluje. Při konstantním zatížení se rychlost otáčení nemění;
• Umožňuje provozovat více motorů současně (pro provoz více motorů musí být pro každý motor zajištěna dodatečná proudová ochrana).

Režim vektorového řízení měniče:

• udržuje konstantní rychlost otáčení při měnícím se zatížení (díky automatickému nastavení výstupního napětí);
• pracuje stabilněji při nízkých frekvencích (kompenzací poklesu napětí ve vinutí motoru).

Vlastnosti vektorového režimu:

• je možné měnit rychlost otáčení při konstantní zátěži v rozmezí 2Hz (kvůli hledání optimálního napětí). To je normální a nejedná se o závadu;
• Může pracovat pouze s jedním motorem (nepodporuje vícemotorový režim);
• funguje správně, pokud jsou správně zadány údaje o pasu motoru a jeho autotest úspěšně prošel.

Jak voltfrekvenční, tak vektorové režimy řízení, za přítomnosti vestavěného PID regulátoru, jsou schopny přesně udržovat procesní parametr na základě zpětnovazebního senzoru (rychlost, tlak, vlhkost, teplota a další).

Zpravidla pro většinu aplikací postačuje použití napěťově-frekvenčního režimu. Mezi takové aplikace patří čerpadla, ventilátory, dopravníky, dřevoobráběcí stroje, vřetena vysokorychlostních fréz, jednoduché řezačky, lisy, balicí stroje, plničky, dávkovače, kompresory a další zařízení.

Vektorový režim se obvykle používá při práci se zvedacími a přepravními mechanismy, drtiči, vrtacími zařízeními a jinými břemeny, kde je vyžadován vysoký kroutící moment v nízkofrekvenčním rozsahu a při spouštění a není jasná závislost zatěžovacího momentu na rychlosti otáčení.

2.4 Podporované způsoby řízení frekvenčního měniče

Vzhledem k tomu, že frekvenční měnič je obvykle instalován v rozvaděči, je pro přístup k vestavěnému panelu nutné pokaždé otevřít dveře rozvaděče (pokud pracujete v prašném průmyslu – mouka, prach, cement – časté otevírání dveří je nepřijatelný). Kromě toho je často měnič instalován vedle motoru a konzola operátora je umístěna na straně.

Pomocí dálkového ovládacího panelu EMD-Mini – RCP (není součástí dodávky) můžete realizovat dálkové ovládání frekvenčního měniče EMD-Mini na vzdálenost až 2 metrů. Dálkové ovládání má úplně stejné funkce a schopnosti jako ovládací panel na samotném frekvenčním měniči.

U frekvenčních měničů ELHART řady EMD-PUMP je vestavěný dálkový ovladač odnímatelný a lze jej vyjmout pomocí přiloženého dvoumetrového kabelu.

K dálkovému ovládání spouštění a vypínání motoru pomocí tlačítek a spínačů jsou vyžadovány diskrétní vstupy.

Přítomnost analogového vstupu umožňuje na dálku plynule nastavit rychlost pomocí potenciometru nebo analogového signálu 0V/10. 4 mA. Spolu s vestavěným PID regulátorem umožňuje analogový vstup nepřetržitě udržovat hodnotu procesního parametru (tlak, průtok, teplota atd.)

Dostupnost rozhraní RS-485 nebo RS-232 umožňuje připojení k vyšší úrovni systému řízení procesů.

Programový režim umožňuje měnit rychlost a směr otáčení podle předem určeného programu.

2.5 Výběr frekvenčního měniče pro čerpadlo

Zvláštní pozornost je třeba věnovat frekvenčním měničům řady čerpadel. To, co je odlišuje od ostatních měničů, je vlastní algoritmus pro práci s několika motory. Totiž: střídavé motory a kaskádový režim. Režim střídání se používá k zajištění rovnoměrného opotřebení motorů. Kaskádový režim se používá, když je nutné ovládat několik čerpadel pomocí jednoho frekvenčního regulátoru. Zvláštností kaskádového režimu je, že frekvenční měnič s nízkým výkonem je schopen regulovat produktivitu nebo tlak v širokém rozsahu, včetně minimálního požadovaného počtu čerpadel. Frekvenční měniče ELHART EMD-PUMP mohou ovládat skupinu 2 až 7 čerpadel. Je možné pracovat s čerpadly různých výkonů, v tomto případě je výkon invertoru určen nejvýkonnějším čerpadlem.

2.6 Doplňkové vybavení

V některých případech může být při použití frekvenčního měniče nutné nainstalovat další zařízení:

• Brzdný odpor je nutný k rozptýlení energie dodávané do měniče z motoru, který pracuje v režimu generátoru. Brzdný odpor slouží k zajištění rychlého zastavení nebo zpomalení motoru (zejména u zátěží s velkou setrvačností), při práci se zvedacími a přepravními mechanismy (jeřáby, výtahy, šikmé dopravníky, výtahy), aplikacích s vysokou setrvačností (odsavače kouře, atd.). odstředivky, válečkové stoly, tažné mechanismy, transportní vozíky) v aplikacích, kde je důležitá přesnost polohování.
• Motorová tlumivka se instaluje, když je vzdálenost mezi motorem a měničem větší než 30 m; chrání motor před pulzními proudy, snižuje rušení, omezuje amplitudu zkratového proudu, snižuje rychlost nárůstu zkratového proudu a v důsledku toho zlepšuje ochranu měniče před zkratem.
• Síťová tlumivka je připojena na vstup měniče a je obousměrnou vyrovnávací sítí mezi napájecí sítí a frekvenčním měničem. Chrání před špičkami napětí v síti. Instalace síťové tlumivky se doporučuje v případě nestabilních parametrů sítě (zvlnění, poklesy napětí), kdy fázová nesymetrie je větší než 3 %, pokud je výkon zdroje (distribučního transformátoru) větší než 500 kVA a překračuje výkon převodníku šestkrát nebo vícekrát, nebo pokud je délka kabelu mezi zdrojem napájení a IF menší než 10m. Použití síťových tlumivek výrazně zvyšuje životnost a spolehlivost frekvenčních měničů.

3. Rozsah regulace otáček motoru při použití frekvenčního měniče

3.1 Použití měniče ke snížení otáček motoru

Pro provoz při nízkých frekvencích (pod 10-15 Hz) je třeba věnovat zvláštní pozornost chlazení motoru a točivému momentu hřídele.

Elektromotor uzavřeného typu s chlazením ventilátorem (TEFC) má chlazení pouze díky vestavěnému ventilátoru. Výkon chladicího ventilátoru klesá úměrně s otáčkami motoru. Při snížení otáček motoru klesá účinnost chlazení, což vede k přehřívání motoru a možné poruše.

Existuje několik možností chlazení elektromotoru při provozu na nízkých frekvencích:

• snížit dobu nepřetržitého provozu motoru při nízké frekvenci
• organizovat dodatečné chlazení;
• snížit zatížení hřídele motoru;
• nainstalujte redukční převodovku, která zvýší otáčky motoru;
• použijte větší motor.

Metoda volt-frekvenčního řízení umožňuje udržovat konstantní točivý moment na hřídeli motoru při různých rychlostech. Při provozu na nízkých frekvencích (pod 5-10 Hz) bude krouticí moment na hřídeli záviset na vlastnostech konkrétního motoru (aktivní odpor vinutí). Pro udržení točivého momentu při frekvencích pod 5-10 Hz může být nutné upravit křivku minimálního napětí u/f. Zvýšení hodnoty napětí způsobí zvýšení rozběhového momentu, ale také povede ke zvýšení odběru proudu a úměrně s nárůstem protékajícího proudu se zvýší zahřívání. Doporučený rozsah řízení frekvence pro řízení napětí a frekvence: 5-50 Hz. Frekvenční měnič ELHART EMD-MINI podporuje nastavení frekvence od 0,5 do 999,9 Hz.

Metoda vektorového řízení je schopna přesněji udržovat točivý moment při nízkých frekvencích (zejména při měnícím se zatížení). Rozsah možného nastavení je širší než u volt-frekvenčního režimu a závisí na konkrétním modelu (firmě, sérii) střídače. Pro vektorové řízení se doporučuje použít frekvenční měniče řady Delta Electronics VFD-E a VFD-C.

Pro zvýšení rozběhového momentu se doporučuje použít frekvenční měnič vyššího výkonu (protože měnič může dodávat motoru pouze jedenapůlnásobek proudu (jmenovitý proud × přetížitelnost měniče).

3.2 Použití měniče ke zvýšení otáček motoru

Ke zvýšení otáček motoru nad jmenovité otáčky lze použít frekvenční měnič. Je důležité vzít v úvahu, že když se frekvence zvýší nad jmenovitou, moment (Т) klesá úměrně druhé mocnině poměru napětí/frekvence. Na frekvenci f = 70 Hz točivý moment na hřídeli se sníží 2krát T = 0,5 × T_nom; na frekvenci f = 100 Hz moment se zmenší 4krát T = 0,25 × T_nom. V důsledku toho se zvyšuje riziko přetížení motoru. Kromě toho se zvyšuje zatížení ložisek.

Engineer ve společnosti KIP-Service LLC
Rybchinsky M.Yu.

K pohonu čerpadel se široce používají jedno- nebo třífázové elektromotory na střídavý proud. Přes všechny své výhody mají tyto elektrické stroje jednu vážnou nevýhodu, kterou je obtížná regulace otáček a točivého momentu na hřídeli.

Hlavní charakteristiky čerpacích jednotek jsou průtok a tlak. Tyto parametry jsou regulovány pomocí uzavíracích a regulačních ventilů a zahrnutím dalších čerpadel do schématu kaskádového řízení.

Princip regulace je založen na závislosti otáček rotoru elektrického stroje na frekvenci napájecího napětí. Frekvenční měnič pro čerpadlo mění frekvenci napájecího napětí na elektrický pohon čerpacích jednotek.

Většina frekvenčních měničů pro čerpadla je založena na obvodu s dvojitou konverzí. Střídavé napětí v síti je usměrněno, vyhlazeno LC filtry, následně přivedeno do střídače, kde je opět přeměněno na střídavé napětí jiné frekvence. Frekvence je nastavena pulzně šířkovým modulátorem, jehož signály střídavě odemykají a zamykají klávesy na výkonových tranzistorech měniče.

Frekvenční měniče mají diskrétní a analogové výstupy pro připojení tlakových, teplotních čidel, průtokoměrů, dálkových ovladačů a monitorovacích zařízení, alarmů a tak dále. Zpracování dat probíhá v mikroprocesorové řídicí jednotce. Obvod řízení frekvence generuje signály pro změnu produktivity, zapínání nebo vypínání čerpacích jednotek podle daného programu a změnu technologických parametrů ve vodovodním řádu.

Například nejjednodušší schéma regulace výkonu čerpadel s tlakovou zpětnou vazbou ve vodovodní síti funguje takto:

Když tlak klesne, frekvenční regulátor generuje signál pro zapnutí čerpacích jednotek. Spouštění probíhá v plynulém režimu, který zabraňuje vodním rázům. S rostoucím tlakem je signál ze snímače posílán do frekvenčního měniče, který plynule mění rychlost otáčení hnacího motoru a snižuje výkon čerpadel. Takové schéma může zahrnovat další čerpací jednotky při špičkových hodnotách spotřeby vody.

Série VF-51 – univerzální a kompaktní frekvenční měnič pro čerpadlo. Přetížení – 150%, výkon – od 0,4 do 22 kW. Vhodné pro použití s ​​čerpadly, ventilátory, stroji a dopravníky.

Jak vybrat frekvenční měnič pro čerpadlo

Mnoho výrobců čerpacích zařízení dodává čerpadla již vybavená frekvenčními měniči. V datových listech čerpadel bez regulátorů jsou obvykle uvedeny konkrétní modely měničů kompatibilních s elektromotory jednotek. Při absenci těchto informací však při modernizaci a rekonstrukci čerpacích stanic se starými motory vyvstává otázka výběru frekvenčních generátorů. Regulátor je vybrán na základě následujících vlastností:

• Typ elektromotoru. Počet fází frekvenčního měniče pro čerpadlo musí odpovídat typu elektromotoru. Při použití třífázového elektromotoru v jednofázové síti vám instalace regulátoru frekvence umožňuje vyřešit problém se spuštěním elektrického stroje bez externího kondenzátoru.
• Elektrické charakteristiky. Napětí a proud odebírané motorem čerpadla musí odpovídat stejným parametrům frekvenčního měniče. Výkon měniče by měl být o 15-30% větší než hnací výkon čerpací jednotky. Při výběru na základě těchto parametrů mějte na paměti, že čerpací jednotky stejného výkonu mohou mít různé jmenovité proudy.
• Rozsah řízení frekvence. Tento parametr určuje rychlost otáčení elektromotoru a tím i výkon čerpadla. Chcete-li provést informovanou volbu, musíte znát vlastnosti vodovodní sítě a další parametry. U oběhových čerpadel chladicích a otopných soustav obvykle postačuje frekvence frekvence 200–350 Hz, u čerpadel do vrtů a hlubinných vrtů – od 200 do 600 Hz.
• Počet analogových a digitálních vstupů a výstupů. Počet konektorů frekvenčního měniče musí odpovídat počtu snímačů, výstražných zařízení a dalších připojených zařízení. V případě upgradu systému je lepší pořídit k čerpadlu frekvenční měnič s velkým počtem řídicích vstupů.
• Podle podporovaných komunikačních protokolů. Pro správnou výměnu dat s automatizovanými řídicími zařízeními nebo dálkové ovládání parametrů je nutný frekvenční měnič, který podporuje protokol používaný v ATS (CAN, LAN nebo jiné).
• Dostupnost dálkového ovládání. Pro čerpací stanice a jednotky umístěné na těžko dostupných místech je vhodné zvolit frekvenční měnič s dálkovým ovládacím panelem.

Varování! Při rekonstrukcích čerpacích stanic je často nutné naprogramovat frekvenční měniče pro motory, které jsou dlouhodobě v provozu. Pro takové elektrické stroje je vhodné zakoupit měniče s automatickou adaptací, protože skutečné vlastnosti těchto elektromotorů se mohou lišit od údajů v pasu.

Výhody použití frekvenčního měniče pro čerpadla

Vybavení elektromotorů čerpacích jednotek frekvenčními měniči zajišťuje:

• Hladký start a zastavení čerpadel, což snižuje pravděpodobnost vodních rázů v systému.
• Zjednodušení automatického řízení se zpětnou vazbou na tlak, tlak a další parametry sítě. Analogové výstupy průtokoměrů a tlakoměrů lze připojit přímo k frekvenčnímu měniči.
• Ochrana čerpacích jednotek před přetížením „během nasucho“. Vypínání elektromotorů při přehřátí vinutí, ztrátě jedné nebo více fází, přepětí a jiných nehodách.
• Zvýšení životnosti vodovodní sítě přesným udržováním požadovaného tlaku a snížením zatížení potrubí.
• Snížení hluku při provozu čerpacích jednotek.
• Možnost integrace do víceúrovňových automatizačních a telemechanických řídicích systémů.

Oblasti použití frekvenčních pohonů čerpacích zařízení

Regulátory frekvence jsou dodávány s:

• Čerpací agregáty pro zásobování pitnou a užitkovou vodou. Kompletní sada frekvenčních měničů zajišťuje optimální zavlažování a zásobování vodou. PE se používají v průmyslových i domácích sítích. Pro čerpadla pro domácnost vyrábí mnoho výrobců jednofázové měniče.
• Oběhová čerpadla pro chladicí a topné systémy. Frekvenční měniče v těchto systémech regulují dodávku chladiva teplotou, tlakem, průtokem a zajišťují odvod nebo dodávku tepla s minimální spotřebou energie.
• Čerpadla pro hasicí systémy. Frekvenční měniče podporují požadovaný výkon síťových čerpadel a zajišťují spuštění hlavních jednotek v případě požáru.
• Čerpadla používaná v jiných oblastech. Pohon CV je široce používán v dávkovacích čerpadlech v chemickém průmyslu a dalších oborech.

Hlavní předností frekvenčně řízených pohonů čerpacích agregátů je snížení energetické náročnosti o 35 % a více, optimalizace parametrů vodovodních systémů, úspora vody a tepla.

Nevýhody použití frekvenčního měniče pro čerpadlo obvykle zahrnují jejich vysokou cenu. Díky značným úsporám zdrojů a lepšímu zásobování vodou se frekvenční měniče rychle zaplatí. Jejich realizace poskytuje dobrý ekonomický a technický efekt.