Частотный преобразователь для насоса

• Оборудование
•  > 
• Насосное оборудование
•  > 
• Частотные преобразователи

Автоматическое управление насоса частотным преобразователем по контролю давления.

Вам не нравятся цены на энергоносители? Вы думаете, как снизить тарифы на воду в коммунальном секторе водоснабжения? Вам нужно купить частотный преобразователь для насоса? Тогда Вам сюда! Здесь мы рассмотрим преимущества и особенности регулирования мощности насоса с помощью частотного преобразователя.

Типичная для коммунального сектора задача управления насосной станцией состоит в поддержании в системе водоснабжения заданного значения давления жидкости в пределах широкого диапазона изменяющихся во времени расходов. Изначально, расчет и подбор насоса ведется на основе анализа максимального (пикового) расхода, часто - с учетом  запаса мощности. При этом, суточный график потребления воды в коммунальной системе водоснабжения может изменяться в широких пределах и колебаться в диапазоне от 10 до 100% от расчетного пика водопотребления. Наиболее  экономичный способ решения поставленной задачи - регулирование скорости насоса, а не гидравлического сопротивления системы. Изменение частоты напряжения электропитания  приводит к пропорциональному изменению скорости насоса, а с ней и к изменению мощности, напора и производительности в соответствии с законами подобия. Устройства для регулирования частоты получили общее название - частотные преобразователи (преобразователи частоты, инверторы, "частотники"). Частотные преобразователи могут быть специализированными, т.е. теми, которые направлено решают задачи сугубо в области регулирования насоса, или общепромышленными, применяемыми универсально во множестве разноплановых технологических задач, требующих регулирования электропривода. 

Какую же видимую пользу мы сможем получить от интегрирования частотных преобразователей в управление насосной системой? Не углубляясь в перечисление всех преимуществ частотного регулирования, отмечу главные достоинства - возможность автоматического изменения мощности, напора и производительности насоса, стабилизация давления на уровне заданного, плавный пуск и остановка насоса. Первое положение - прямой потенциал для экономии дорогостоящих энергоресурсов, объем которого зависит от ширины диапазона переменных нагрузок, продолжительности работы и тарифа на электроэнергию. Второе положение - недостижимый другими способами управления насосом уровень комфорта. Третье - потенциал повышения срока службы самого насоса, электродвигателя, трубопроводов, задвижек, другой арматуры за счет отсутствия гидравлических ударов, минимизации пусковых перегрузок насоса. 

На графике, в качестве практического примера, в реальном режиме времени, показано суточное колебание потребления воды в многоквартирном жилом доме от минимума к максимуму. В ночное время значение расхода минимально и понижается до 10 м³/час, утром и вечером расход достигает пиковых значений - 55 м³/час. Задача насосной станции с частотным регулированием состоит в повышении и поддержании на выходе постоянного напора жидкости 45 м.в.с. во всем диапазоне производительностей от 10 до 55 м³/ час. Положительный напор на входе в насосный агрегат колеблется в пределах 30-35 м.в.с. Насос, установленный на объекте - моноблочный центробежный Pedrollo F50/160А номинальной мощностью двигателя 7,5кВт, максимальной производительностью Qmax-66 м³/час и максимальным напором Нmax-40 м.в.с. 

Рисунок 1. График автоматического регулирования напора и расхода воды насосной станции повышения давления с помощью частотного преобразователя и системы слежения за давлением. 

Для решения задачи по автоматическому регулированию работы насоса нам потребовался частотный преобразователь и датчик давления. Выбираем  общепромышленный частотный преобразователь USRobotech USR-SDM-7R5P-4M (3х400В) мощностью 7,5 кВт, максимальным током 16А и широким набором программных функций. Следящей системой в частотном преобразователе выступает PID регулятор - узел, обеспечивающий обработку и связь между измеряемой физической величиной (давлением в трубопроводе) и числом оборотов двигателя. Для реализации работы следящей системы частотному преобразователю нам понадобится внешний датчик обратной связи - датчик давления. Выбрали для нашей задачи аналоговый датчик давления Danfoss MBS 1700 с выходным токовым сигналом 4-20мА, питанием DC 24В и диапазоном измеряемого давления 0-10 бар. Выполняем согласно инструкции по применению  все необходимые электрические и механические подсоединения насоса и частотного преобразователя, подключаем датчик давления в контролируемый трубопровод. Следуем указаниям инструкции по монтажу и программированию. Подключаем к питанию и аналоговому входу частотного преобразователя датчик давления MBS 1700. Для этого, подаем на клемму «+» датчика давления питание с клеммы источника внутреннего питания частотного преобразователя 24В, а клемму датчика давления «-» соединяем с клеммой аналогового токового входа AI2. Поскольку мы задействовали внутренний источник питания DC 24 В и аналоговый вход с разных, независимых между собой источников питания преобразователя частоты, терминалы СОМ и GND частотного преобразователя USRobotech USR-SDM-7R5P-4M  соединяем перемычкой. Получаем "токовую петлю". Выполняем общее программирование преобразователя частоты, конфигурируем используемый аналоговый вход AI2 на считывание внешней информации от датчика давления, выполняем все необходимые настройки PID регулятора – настраиваем характеристики датчика, устанавливаем заданную частоту (задание, рабочую точку), максимальную (50Гц) и минимальную частоту (25Гц), выполняем настройку пропорционального и интегрального  коэффициентов выходного сигнала.  Устанавливаем режим восстановления работы после отключения электропитания (задание "пуск" всегда присутствует), задействуем группу параметров, связанных с обрывом сигнала обратной связи для конфигурации косвенной защиты насоса от сухого хода, запускаем насос и тестируем все рабочие режимы. Ограничиваем длительность непрерывной работы  насоса на нижней частоте, реализуя механизм режима "сна" в условиях отсутствия потребления воды в системе.  

Работа следящей системы частотного преобразователя осуществляется PID регулятором- программно-аппаратным алгоритмом обработки и сравнения входного токового аналогового сигнала давления с внутренним заданным давлением. На вход PID регулятора подается сигнал задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика обратной связи - аналогового датчика давления. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется PID регулятором в сигнал задания частоты - приращение или уменьшение частоты так, что бы контролируемая физическая величина (в нашем случае давление в трубопроводе) оставалась максимально неизменной. Частотный преобразователь, изменяя частоту, стремится привести отклонение между заданной и реальной частотой к минимуму, обеспечивая тем самым поддержание постоянного давления на выходе насосной станции независимо от изменения расхода. Это означает, что если частоту менять не нужно, то выходной сигнал PID регулятора будет равен нулю.

Рисунок 2. Структура выходного сигнала PID регулятора

За точность и устойчивость поддержания насосной станцией заданного давления отвечают программируемые параметры PID регулятора. PID регулятор формирует выходной сигнал изменения частоты из суммы трех составляющих - пропорциональной (П), интегральной (И) и дифференциальной (Д). Параметры каждой составляющей PID регулятора программируются в настройках частотного преобразователя в соответствии с реальными физическими параметрами работы гидросистемы. Суть производимых настроек в получении максимально точной и стабильной реакции насосной системы на изменение внешних возмущений (на изменение давления).

Пропорциональный коэффициент показывает пропорцию между входным и выходным сигналом. Это основной регулятор, в котором задание скорости обработки всегда будет пропорционально ошибке. При использовании только пропорционального коэффициента в системе всегда будет присутствовать ошибка. Рост пропорциональной составляющей в структуре выходного сигнала PID регулятора увеличивает скорость обработки отклонений, одновременно снижая устойчивость сигнала и увеличивая колебания сигнала. 

За обеспечение точности при сохранении устойчивости в структуре PID регулятора отвечает интегральная составляющая - ее задача исключить ошибку обработки. Интегральная составляющая вычисляет действующее значение разницы между заданным и текущим значением давления за время интегрирования (интегральный коэффициент). Задача интегральной составляющей PID регулятора заключается в обнаружении перерегулирования или недорегулирования на каждом такте обработки входных параметров и выработки выходного сигнала коррекции. Интегральный коэффициент отвечает за сведение к нулю разницы между заданным и текущим давлением за определенное количество тактов. Рост интегральной составляющей увеличивает время интегрирования - время реакции системы на возмущающее воздействие, снижение автоколебательных процессов и увеличение стабильности системы. Снижение же интегрального коэффициента приводит к увеличению скорости реакции на возмущение и понижение устойчивости системы.

А что если скорость изменения давления слишком высока? Дифференциальная составляющая измеряет скорость изменения отклонения физической величины и позволяет учитывать это при коррекции выходной частоты. У дифференциальной составляющей тоже есть свое время дифференцирования (дифференциальный коэффициент). Увеличение дифференциального коэффициента сопровождается потерей скорости реакции на быстрое изменение физической величины, но обеспечивает устойчивость системы. 

В качестве примера подключения аналогового датчика давления и настройки системы слежения был выбран частотный преобразователь торговой марки USRobotech. Такой же алгоритм и логика действий характерны и для других частотных преобразователей производства Schneider Electric, Elim, Electroil Archimede, Danfoss или Hyundai.