Опубликовано автором - - Ноябрь 8, 2013

Высокий пусковой ток – проблема для систем с ограничением по максимальной мощности. Автомат может выбивать, система бесперебойного питания уйти в режим перегрузки. Как быть?

Удачным решением станет использование устройства плавного пуска (УПП). Например, мы имеем однофазный погружной насос мощностью 1кВт, расположенный в скважине на глубине 50 метров. Для старта его двигателя потребуется 4-6-ти кратный пусковой ток, т.е. система должна выдержать кратковременную мощность около 5кВт. Скажем, инвертор, расчитанный на 3кВт просто не сможет осуществить запуск. Момент старта также будет сопровождаться резким повышением давления, который фактически означает гидроудар по системе водопровода.

В линию, питающую насос вставим УПП. Устройство в течение заданного времени (обычно до 20сек.) плавно поднимет напряжение, что позволит насосу с ускорением раскрутить крыльчатку, без рывка. В итоге мы приравняли пусковой ток к номиналу,т.е. он составил величину 1кВт и существенно продлили жизнь погружному насосу (срок службы увеличивается где-то в 2 раза, учитывая стоимость насоса, решение о применении УПП, даже в отсутствии системы резервирования энергии становится очевидным):

Представим схему подключения , которое может использоваться как с однофазным, так и с трехфазным оборудованием:

Существую ли ограничения для использования устройства плавного пуска? Да, таковые есть и о них следует знать:
1) УПП нельзя использовать с холодильниками. Высокий пусковой ток необходим для срыва в движение клапанов компрессора
2) Аналогично для кондиционеров и прочего оборудования

Если у вас остались вопросы – рад буду ответить в комментариях!

Читайте также:

• Можно ли экономить на электричестве при помощи…
• Генератор с автозапуском (АВР) и ИБП: убираем…

Устройства защиты насоса с плавным пуском

Электронные блоки управления и защиты насосов

Безыскровые реле давления воды

Реле давления для полива

Реле контроля уровня

Реле защиты по давлению

Стабилизаторы давления воды

Устройство плавного пуска электроинструмента (УПП-И)

Погружные насосы с плавным пуском и защитой от сухого хода

Фитинги и комплектующие

Есть множество причин для включения бытовых насосов через устройство плавного пуска.

Обычно погружной или поверхностный насос подключают через электромеханическое или электронное реле, блок автоматики или магнитный пускатель. Во всех перечисленных случаях сетевое напряжение подаётся на насос путем замыкания контактов, то есть через прямое подключение. Это означает, что на обмотки статора электродвигателя мы подаём полное сетевое напряжение, а ротор в это время ещё не вращается. Это приводит к появлению мгновенного мощного вращательного момента на роторе электродвигателя насоса.

Такая схема подключения характеризуется следующими явлениями при запуске насоса:

Скачки тока через статор (соответственно, и через подводящие провода), так как ротор короткозамкнутый.
В упрощённом понимании мы имеем короткое замыкание на вторичной обмотке трансформатора. По нашему опыту, в зависимости от насоса, производителя и нагрузки на валу, импульсный пусковой ток может превышать рабочий ток от 4 до 8, а на отдельных экземплярах и до 12 раз.

Резкое появление вращающего момента на валу.
Это оказывает негативное воздействие на пусковую и рабочую обмотки статора, подшипники, керамические и резиновые уплотнители, существенно увеличивая их износ и уменьшая ресурс службы.

Появление резкого вращающего момента на валу приводит к резкому повороту корпуса скважинного насоса относительно трубопроводной системы.
Мы неоднократно бывали свидетелями того, как из-за этого скважинный насос отсоединялся от трубопроводов и падал в скважину. В случае насосной станции на базе поверхностного насоса, установленного на платформу гидроаккумулятора, это приводит к разбалтыванию крепёжных гаек и разрушению сварных точек и швов гидроаккумулятора. Также при прямом включении насоса сокращается срок службы водопроводной и запорной арматуры, особенно в местах их соединения.

Принято считать, что гидроаккумулятор убирает гидроудары в системе водоснабжения.
Это действительно так, но гидроудары исчезают в трубопроводах только начиная от места подключения гидроаккумулятора. В промежутке между насосом и гидроаккумулятором при прямом подключении насоса гидроудар остаётся. В итоге на промежутке от насоса до гидроаккумулятора мы имеем все последствия гидроудара на все части насоса и на трубопроводную систему.

В системах фильтрации воды гидроудары, возникающие при прямом подключении насоса, значительно сокращают срок службы фильтрующих элементов.

Если локальная электросеть слабая , то о запуске насоса мощностью более 1кВт при прямом подключении узнают и Ваши соседи по резкому спаду напряжения в сети в момент включения насоса.
Если локальная сеть КРАЙНЕ СЛАБА , и Ваш сосед тоже получает удовольствие от жизни, подключив к сети все доступные электрические приборы, то скважинный насос, погружённый на большую глубину, может и не запуститься. Такой скачок напряжения может вывести из строя электронные приборы, подключённые в сеть. Известны случаи, когда при запуске насоса выходил из строя напичканный электроникой дорогостоящий холодильник.

Чем чаще включается насос, тем меньше его ресурс службы.
Частые запуски через прямое подключение приводят к выходу из строя пластмассовых муфт скважинных насосов, соединяющих электродвигатель с насосной частью.

Мы с Вами прошлись по проблемам, которые возникают при запуске насоса без устройства плавного пуска (УПП) .

Необходимо отметить, что и при выключении насоса без УПП с прямой схемой подключенияесть негативные моменты:

При выключении насоса также происходит гидроудар в системе, но теперь уже по причине резкого снижения вращающего момента на валу насоса, что равносильно созданию мгновенного разряжения.

Резкое снижение вращающего момента на валу насоса также приводит к повороту корпуса насоса, но в противоположную сторону.
Вспомним о трубопроводах и резьбовых соединениях насоса.

В обычных бытовых насосах электродвигатели являются асинхронными и имеют явно выраженный индуктивный характер.
Если мы резко прерываем подачу тока через индуктивную нагрузку, то происходит резкий скачок напряжения на этой нагрузке по причине непрерывности тока. Да, мы размыкаем контакт, и всё высокое напряжение должно остаться на стороне насоса. Но при любом механическом размыкании контакта присутствует так называемый «дребезг контактов», и импульсы высокого напряжения попадают в сеть, а значит попадают и в приборы, подключенные в это время к сети.

Таким образом, при прямом подключении насоса происходит повышенный износ механических и электрических частей насоса (как при запуске, так и при отключении). Также страдают приборы, включенную в эту же сеть, и уменьшается ресурс работы систем фильтрации и водопроводной арматуры.

Использование устройства плавного пуска («Акваконтроль УПП-2,2С») позволяет сгладить большинство описанных выше недостатков. В устройстве УПП-2,2С реализована специально рассчитанная кривая нарастания напряжения на насосе, позволяющая с одной стороны гарантированно запустить насос в самых неблагоприятных условиях эксплуатации, а с другой стороны плавно увеличить частоту вращения вала. Также в этот прибор встроена защита от низкого и высокого напряжения сети, чтобы оградить насос от экстремальных режимов работы и включения.

В УПП-2,2С используется фазное симисторное управление. В момент пуска на насос подается часть сетевого напряжения, которое создает вращающий момент, достаточный для гарантированного запуска насоса. По мере раскрутки ротора плавно увеличивается напряжение на насосе до момента полной подачи напряжения. После этого включается реле и отключается симистор. В итоге, при использовании УПП-2,2С насос подключён к сети через контакты реле, то есть так же, как и при прямом подключении. Но в течение 3,2 секунд (это время плавного пуска) напряжение на насос подаётся через симистор, что обеспечивает «мягкий пуск», без искр на контактах реле.

При таком запуске максимальный пусковой ток превышает рабочий не более чем в 2,0-2,5 раза вместо 5-8 раз. Используя УПП-2,2С , мы в 2,5-3 раза уменьшаем пусковые нагрузки на насос и во столько же раз продлеваем жизнь насосу, обеспечиваем более комфортную работу приборов, подключённых к электрической сети. УПП-2,2С можно назвать устройством с ресурсосберегающей технологией.

Устройство плавного пуска ABB PSR-25-600

Всем привет! Сегодня будет статья, в которой показан реальный пример использования устройства плавного пуска (мягкого пускателя) на практике. Плавный пуск электродвигателя установлен мною на реальном устройстве, приводятся фото и схемы.

Что это за устройство, я ранее подробно рассказывал . Напоминаю, что мягкий пускатель и устройство плавного пуска суть одно и то же устройство. Названия эти берутся от английского Soft Starter. В статье я буду называть этот блок и так, и эдак, привыкайте). Информации по устройствам плавного пуска в интернете достаточно, рекомендую также почитать .

Моё мнение по пуску асинхронных двигателей, подтвержденное многолетними наблюдениями и практикой. При мощности двигателя более 4 кВт стоит подумать, чтобы обеспечить плавный разгон двигателя. Это нужно при тяжелой, инерционной нагрузке, которая как раз и подключается на вал такого двигателя. Если двигатель используется с редуктором, то ситуация полегче.

Простейший и самый дешевый вариант плавного пуска – вариант с включением двигателя через схему “Звезда-Треугольник”. Более “плавные” и гибкие варианты – устройство плавного пуска и преобразователь частоты (в народе – “частотник”). Есть ещё древний способ, который уже почти не применяется – .

Кстати, верный признак того, что двигатель питается через частотник – хорошо слышимый писк с частотой около 8 кГц, особенно на низких оборотах.

Я уже использовал устройство плавного пуска от Schneider Electric, был такой положительный опыт в моей деятельности. Тогда нужно было плавно включать/выключать длинный круговой конвейер с заготовками (двигатель 2,2 кВт с редуктором). Жаль, что фотоаппарата тогда не было под рукой. Но в этот раз всё рассмотрим очень детально!

Зачем понадобился плавный пуск двигателя

Итак, проблема - на котельной есть насосы подпитки котла водой. Всего два насоса, и включаются они по команде от системы слежения за уровнем воды в котле. Одновременно может работать только один насос, выбор насоса осуществляет оператор котельной путем переключения водяных кранов и электрических переключателей.

Насосы приводятся в действие обычными асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели 7,5 кВт через обычные контакторы (). А поскольку мощность большая, то пуск очень жесткий. Каждый раз при пуске возникает ощутимый гидроудар. Портятся и сами двигатели, и насосы, и гидросистема. Иногда такое ощущение, что трубы и краны сейчас разлетятся вдребезги.

Подписывайтесь! Будет интересно.

Кроме того, когда котёл остывший, и в него резко подается горячая вода (более 95 °С), то происходят неприятные явления, напоминающие взрывообразное бурление. Бывает и наоборот, воду с температурой 100 °С можно холодной – когда в котле находится сухой пар с температурой почти 200 °С. В этом случае тоже происходят вредные гидроудары.

Всего на котельной два идентичных котла, но во втором установлены частотники на насосы. Котлы (точнее, парогенераторы) вырабатывают пар с температурой более 115 °С и давлением до 14 кгс/см2.

Жаль, что конструкцией котла в электросхеме не предусмотрено было плавное включение двигателей насоса. Хотя котлы итальянские, на этом было решено сэкономить…

Повторюсь, что для плавного включения асинхронных двигателей мы имеем на выбор такие варианты:

• система плавного пуска (мягкий пуск)
• частотный преобразователь (инвертор)

В данном случае необходимо было выбрать тот вариант, при котором бы было минимальное вмешательство в рабочую схему управления котлом.

Дело в том, что любые изменения в работе котла должны быть обязательно согласованы с производителем котла (либо сертифицированной организацией) и с надзорной организацией. Поэтому изменения должны быть внесены незаметно и без лишнего шума. Хотя, в систему безопасности я не вмешиваюсь, поэтому тут не так строго.

Мои постоянные читатели знают, что теперь, после , я имею полное право выполнять работы по КИПиА в котельной.

Выбор устройства плавного пуска

Для начала посмотрим на шильдик двигателя:

Мощность двигателя – 7,5 кВт, обмотки соединены в схему “треугольник”, номинальный потребляемый при этом ток – 14,7А.

Вот как выглядела система пуска (“жёсткая”):

Напоминаю, что у нас два двигателя, и запускаются они контакторами 07КМ1 и 07КМ2. Контакторы снабжены блоками дополнительных контактов – для индикации и контроля включения.

В качестве альтернативы было выбрано устройство плавного пуска ABB PSR-25-600. Его максимальный ток – 25 Ампер, так что запас у нас хороший. Особенно, если учесть, что работать придётся в тяжелых условиях – количество пусков/стопов, высокая температура. Фото – в начале статьи.

Вот наклейка на софтстартере с параметрами:

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Soft Starter ABB PSR-25-600 – параметры

• FLA – Full Load Amps – значение силы тока при полной нагрузке – почти 25А,
• Uc – рабочее напряжение,
• Us – напряжение цепи управления.

Установка УПП

Примерил для начала:

По высоте подходит один в один, по ширине тоже, только длина чуть больше, но место есть.

Теперь вопрос по цепям управления. Контакторы в исходной схеме включались напряжением 24 VAC, а наши АББ управляются напряжением минимум 100 VAC. Налицо необходимость промежуточного реле либо изменения напряжения питания цепи управления.

Однако, на официальном сайте ABB я нашёл схему, где показано, что это устройство способно работать и при 24 VAC. Попытал счастья – не получилось, не запускается…

Что же, ставим промежуточное реле, которое приводит напряжение к нужному уровню:

Вот с другого ракурса:

Вот и всё. Промежуточные реле обозвал 07КМ11 и 07КМ21. Кстати, они также нужны и для дополнительных цепей. Через них включаются индикаторы, и сухие контакты для внешнего устройства (пока не используются, в старой схеме – оранжевые провода).

Когда хотел управление использовать напрямую, без реле (24 VAC), планировал индикаторы включения пустить через контакты Com – Run, которые теперь остались неиспользованные.

Схемы плавного пуска

Вот исходная схема.

А вот как нехитро я изменил схему:

По настройкам – коротко. Тут три регулировки – время разгона, время замедления, и начальное напряжение.

Можно было бы использовать одно устройство плавного пуска, и контакторы выбора двигателя (переключать одно устройство на два двигателя). Но это усложнит и сильно изменит схему, и понизит надежность. Что для такого стратегического объекта, как котельная, очень важно.

Осциллограммы напряжения

Орешек знанья твёрд, но всё же
мы не привыкли отступать!
Нам расколоть его поможет
киножурнал «Хочу всё знать!»

Собрать схему отверткой всякий может. А для тех, кто хочет увидеть напряжение и понять, какие реальные процессы происходят, без осциллографа не обойтись. Публикую осциллограммы на выходе 2Т1 устройства плавного пуска.

Не правда ли, логическая нестыковка – двигатель выключен, а напряжение на нём есть?! Это особенность некоторых устройств мягкого пуска. Неприятная и опасная. Да, на двигателе есть напряжение 220В, даже когда он стоит.

Дело в том, что управление происходит только по двум фазам, а третья (L3 – T3) подключена к двигателю напрямую. А так как тока нет, то на всех выходах устройства действует напряжение фазы L3, которое проходит через обмотки двигателя. Та же ерунда бывает и в трехфазных твердотельных реле, .

Будьте осторожны! При обслуживании двигателя, подключенного к устройству мягкого пуска, отключайте вводные автоматы, и проверяйте отсутствие напряжения!

Поскольку нагрузка индуктивная, то синусоида не только режется на куски, но и сильно искажается.

Помеха прёт, и это надо учитывать – возможны сбои в работе контроллеров и другой слаботочки. Чтобы это влияние уменьшить, надо разносить и экранировать цепи, устанавливать дроссели на входе, и др.

Фото сделано да пару секунд до того, как включился внутренний контактор (байпас), который подал полное напряжение на двигатель.

Фото корпуса

Ещё небольшой бонус – несколько фото внешнего вида устройства плавного пуска ABB PSR-25-600.

ABB PSR-25-600 – вид снизу

Опция – разъем и крепления для подключения вентилятора охлаждения, в случае больших нагрузок

ABB PSR-25-600 – входные силовые клеммы и клеммы питания и управления.

Пока всё, вопросы и критика в комментариях по плавному пуску электродвигателей приветствуются!

С майскими праздниками!

Кому хочется напрягаться, тратить свои деньги и время на переоборудование устройств и механизмов, которые и так прекрасно работают? Как показывает практика – многим. Хоть и не каждый в жизни сталкивается с промышленным оборудованием, оснащённым мощными электродвигателями, но, постоянно встречается пусть с не столь прожорливыми и мощными, электромоторами в быту. Ну а лифтом, наверняка, пользовался каждый.

Электродвигатели и нагрузки - проблема?

Дело в том, что фактически любые электродвигатели, в момент пуска или остановки ротора, испытывают огромные нагрузки. Чем мощнее двигатель и оборудование, приводимое им в движение, тем грандиозней затраты на его запуск.

Наверное, самая значительная нагрузка, приходящаяся на двигатель в момент пуска, это многократное, хоть и кратковременное, превышение номинального рабочего тока агрегата. Уже через несколько секунд работы, когда электромотор выйдет на свои штатные обороты, ток, потребляемый им, тоже вернётся к нормальному уровню. Для обеспечения необходимого электроснабжения приходиться наращивать мощность электрооборудования и токопроводящих магистралей , что приводит к их подорожанию.

При запуске мощного электродвигателя, из-за его большого потребления, происходит «просадка» напряжения питания, которая может привести к сбоям или выходу из строя оборудования, запитанного с ним от одной линии. Ко всему прочему, снижается срок службы аппаратуры электроснабжения.

При возникновении нештатных ситуаций, повлёкших перегорание двигателя или его сильный перегрев, свойства трансформаторной стали могут измениться настолько, что после ремонта двигатель потеряет до тридцати процентов мощности. При таких обстоятельствах, к дальнейшей эксплуатации он уже непригоден и требует замены, что тоже недешево.

Для чего нужен плавный пуск?

Казалось бы, все правильно, да и оборудование на это рассчитано. Вот только всегда есть «но». В нашем случае их несколько:

• в момент запуска электродвигателя, ток питания может превышать номинальный в четыре с половиной-пять раз, что приводит к значительному нагреву обмоток, а это не очень хорошо;
• старт двигателя прямым включением приводит к рывкам, которые в первую очередь влияют на плотность тех же обмоток, увеличивая трение проводников во время работы, ускоряет разрушение их изоляции и, со временем, может привести к межвитковому замыканию;
• вышеупомянутые рывки и вибрация передаются на весь приводимый в движение агрегат. Это уже совсем нездорово, потому что может привести к повреждению его движущихся элементов : систем зубчатых передач, приводных ремней, конвейерных лент или просто представьте себя едущим в дёргающемся лифте. В случае насосов и вентиляторов - это риск деформации и разрушения турбин и лопастей;
• не стоит также забывать об изделиях, возможно находящихся на производственной линии. Они могут упасть, рассыпаться или разбиться из-за такого рывка;
• ну, и наверно, последний из моментов, заслуживающих внимание - стоимость эксплуатации такого оборудования. Речь идёт не только о дорогостоящих ремонтах, связанных с частыми критическими нагрузками, но и об ощутимом количестве не эффективно израсходованной электроэнергии.

Казалось бы, все вышеперечисленные сложности эксплуатации присущи лишь мощному и громоздкому промышленному оборудованию, однако, это не так. Все это может стать головной болью любого среднестатистического обывателя. В первую очередь это касается электроинструмента.

Специфика применения таких агрегатов, как электролобзики, дрели, болгарки и им подобных, предполагают многократные циклы запуска и остановки, в течение относительно небольшого промежутка времени. Такой режим эксплуатации, в той же мере, влияет на их долговечность и энергопотребление, как и у их промышленных собратьев. При всем этом не стоит забывать, что системы плавного запуска не могут регулировать рабочие обороты мотора или реверсировать их направление. Также невозможно увеличить пусковой момент или снизить ток ниже, чем требуется для начала вращения ротора электродвигателя.

Видео: Плавный пуск, регулировка и защита колектор. двигателя

Варианты систем плавного пуска электродвигателей

Система «звезда-треугольник»

Одна из наиболее широко применяемых систем запуска промышленных асинхронных двигателей. Основным её преимуществом является простота. Двигатель запускается при коммутации обмоток системы «звезда», после чего, при наборе штатных оборотов, автоматически переключается на коммутацию «треугольник». Такой вариант старта позволяет добиться тока почти на треть ниже , чем при прямом запуске электромотора.

Однако, этот способ не подойдёт для механизмов с небольшой инерцией вращения. К таким, к примеру, относятся вентиляторы и небольшие насосы, из-за малых размеров и массы их турбин. В момент перехода с конфигурации «звезда» на «треугольник», они резко снизят обороты или вовсе остановятся. В результате после переключения, электродвигатель по сути, запускается заново. То есть в конечном счёте вы не добьётесь не только экономии ресурса двигателя, но и, вероятнее всего, получите перерасход электроэнергии.

Видео: Подключение трёхфазного асинхронного электродвигателя звездой или треугольником

Электронная система плавного пуска электродвигателя

Плавный пуск двигателя может быть произведён с помощью симисторов, включённых в цепи управления. Существует три схемы такого включения: однофазные, двухфазные и трехфазные. Каждая из них отличается своими функциональными возможностями и конечной стоимостью соответственно.

С помощью таких схем, обычно, удаётся снизить пусковой ток до двух–трёх номинальных. Кроме этого, удаётся снизить существенный нагрев, присущий вышеупомянутой системе «звезда-треугольник», что способствует увеличению срока службы электродвигателей. Благодаря тому, что управление запуска двигателя происходит за счёт снижения напряжения, разгон ротора осуществляется плавно, а не скачкообразно, как у других схем.

В целом, на системы плавного пуска двигателя возлагаются несколько ключевых задач:

• основная – понижение пускового тока до трёх–четырёх номинальных;
• снижение напряжения питания двигателя, при наличии соответствующих мощностей и проводки;
• улучшение параметров пуска и торможения;
• аварийная защита сети от перегрузок по току.

Однофазная схема пуска

Данная схема предназначена для запуска электродвигателей мощностью не более одиннадцати киловатт. Применяют такой вариант в том случае, если требуется смягчить удар при запуске, а торможение, плавный пуск и понижение пускового тока не имеют значения. В первую очередь из-за невозможности организации последних, в такой схеме. Но по причине удешевления производства полупроводников, в том числе и симисторов, они сняты с производства и редко встречаются;

Двухфазная схема пуска

Такая схема предназначена для регулирования и пуска двигателей мощностью до двухсот пятидесяти ватт. Такие системы плавного пуска иногда комплектуют обходным контактором для удешевления прибора, однако, это не решает проблемы несимметричности питания фаз, что может привести к перегреву;

Трехфазная схема пуска

Эта схема является наиболее надёжной и универсальной системой плавного пуска электродвигателей. Максимальная мощность, управляемых таким устройством двигателей, ограничена исключительно максимальной температурной и электрической выносливостью применённых симисторов. Его универсальность позволяет реализовать массу функций , таких как: динамический тормоз, подхват обратного хода или балансировку ограничения магнитного поля и тока.

Важным элементом последней, из упомянутых схем, является обходной контактор, о котором говорилось раньше. Он позволяет обеспечить правильный тепловой режим системы плавного пуска электродвигателя , после выхода двигателя на штатные рабочие обороты, предотвращая его перегрев.

Существующие на сегодняшний день устройства плавного пуска электродвигателей, помимо приведённых выше свойств, рассчитаны на их совместную работу с различными контроллерами и системами автоматизации. Имеют возможность включения по команде оператора или глобальной системы управления. При таких обстоятельствах, в момент включения нагрузок, возможно появление помех, могущих привести к сбоям в работе автоматики, а следовательно, стоит озаботиться системами защиты. Использование схем плавного пуска, способно значительно уменьшить их влияние.

Плавный пуск своими руками

Большинство перечисленных выше систем фактически неприменимы в бытовых условиях. В первую очередь по той причине, что дома мы крайне редко используем трехфазные асинхронные двигатели. Зато коллекторных однофазных моторов - хоть отбавляй.

Существует немало схем устройства плавного запуска двигателей. Выбор конкретной зависит исключительно от вас, но в принципе, имея определённые знания радиотехники, умелые руки и желание, вполне можно собрать приличный самодельный пускатель , который продлит жизнь вашего электроинструмента и бытовой техники на долгие годы.

Как достичь оптимального энергосбережения в гидравлических системах с центробежными насосами? Этот вопрос сегодня все чаще возникает у специалистов и руководителей предприятий. Так какие же приборы способны сократить период окупаемости и повысить энергоэффективность – устройства плавного пуска, частотно-регулируемые приводы или использование параллельной схемы управления насосами? Авторы статьи предлагают тщательно проведенный анализ различных технических решений, иллюстрированный примерами внедрения на производстве, схемами и таблицами.

ООО «АББ», г. Москва

Обеспечение энергоэффективности – одна из наиболее актуальных и в то же время сложных задач в настоящее время. Сокращение затрат на потребление электроэнергии – это один из методов повышения рентабельности производства и эффективной эксплуатации технологических линий. Общий анализ предприятий в самых различных областях применения показывает, что затраты, связанные с закупкой оборудования и простоем производства из-за обслуживания и ввода нового оборудования в эксплуатацию, могут быть частично компенсированы за счет экономии на потреблении электроэнергии.

Энергоэффективные технологии – одно из приоритетных направлений компании АББ. Самые современные методы и разработки для обеспечения наиболее эффективной эксплуатации нашли свое применение в современном оборудовании компании АББ – преобразователях частоты и устройствах плавного пуска*, которые широко применяются для управления приводными механизмами насосных установок и позволяют существенно сократить потребление электроэнергии на объектах водоподготовки и водоочистки.

Часто используемый механический способ управления подачей насоса, или метод дросселирования, является крайне неэффективным с точки зрения экономии электроэнергии. В связи с этим возникает вопрос: какое из двух технических решений является самым экономичным методом снижения потребления энергии – частотно-регулируемые приводы или циклическое управление (рис. 1)? По существу, характеристика гидравлической системы, в которой используется центробежный насос, является определяющим фактором при выборе одного или другого метода управления.

Рис. 1. Регулирование расхода в системе посредством дросселирования, циклического и частотного управления

В сфере обработки сточных вод включение/выключение центробежных насосов, как правило, выполняется под контролем системы управления технологическим процессом. Остаточная вода (то есть вода, поступающая из жилых или коммерческих зданий) обычно собирается в отстойниках или резервуарах для сточных вод до момента ее перекачки с помощью насосов на муниципальные водоочистные станции . С учетом некоторой периодичности, использование устройств плавного пуска значительно снижает риск засорения насосов отходами, содержащимися в воде.

Циклическое управление является интересной альтернативой частотно-регулируемому приводу, несмотря на утрату гибкости при регулировании расхода. Другими словами, устройство плавного пуска считается подходящей и конкурентоспособной технологией, защищающей асинхронный электродвигатель от электрических перегрузок, механических ударов и вибрации при пуске, а также от гидравлических ударов в трубопроводной системе, возникающих при останове насоса. Кроме того, электродвигатель эксплуатируется в оптимальной рабочей точке и выключается на остальное время.

В следующих разделах приводится анализ энергосбережения и окупаемости решений управления с частотным регулированием и циклического управления для двух центробежных насосов (90 кВт и 350 кВт).

Типовая насосная система

При разработке насосной системы основным условием является обеспечение требуемого расхода Qop [м3/ч]. В идеальной системе выбранный насос имеет характеристику Qbep [м3/ч], совпадающую с характеристикой Qop [м3/ч]. На практике обычно выбирается насос большего типоразмера (рис. 2). В результате чего насос работает со сниженным гидравлическим КПД в большей части диапазона производительности. Сказанное выше проиллюстрировано на рис. 3 для двух центробежных насосов Aurora с номинальной мощностью 90 кВт и 350 кВт.

Таблица 1. Сравнительная характеристика параметров двух насосов

Рис. 2. Выбор насоса для промышленной установки

Рис. 3. Уменьшение гидравлического КПД в насосах 90 кВт и 350 кВт вследствие изменения параметров компонентов системы на 15%

Для анализа возможностей по экономии электроэнергии в этих насосах рассматривались три различные гидравлические системы: с преобладанием напора на преодоление трения, то есть отношение (?) статического напора Hst [м] к максимальной гидравлической высоте Hmax [м] составляет 5 %; с преобладанием статического напора (? составляет 50 %); с комбинированным напором (? составляет 25 %) (рис. 4).

Рис. 4. Гидравлические системы, выбранные для анализа возможного энергосбережения

Рабочие характеристики преобразователя частоты, устройства плавного пуска и электродвигателя

Преобразователи частоты имеют высокий КПД (ηconv), который естественным образом уменьшается, когда происходит снижение выходной мощности по отношению к номинальному значению. При работе УПП в установившемся режиме, то есть при активации байпаса, КПД устройств плавного пуска составляет практически 100 %. Следует отметить, что КПД устройств плавного пуска заметно снижается с увеличением количества пусков в час и сокращением интервалов рабочего времени, что обусловлено дополнительными потерями Джоуля при пуске и останове электро­двигателя, а также работой тиристоров (рис. 5).

Рис. 5. Изменение электрического КПД (%) устройства плавного пуска и преобразователя частоты с насосной нагрузкой

Принятые недавно более строгие стандарты (классы IE) гарантируют повышенный КПД электродвигателя – при его работе под нагрузкой (рис. 6 и 7). На КПД электродвигателя (в строгой зависимости от класса) влияет использование либо преобразователя частоты, либо устройства плавного пуска: КПД снижается при питании от быстродействующего выходного инвертора ПЧ вследствие наличия гармонических искажений по току и напряжению, но не изменяется при питании от УПП после окончания переходного процесса разгона благодаря синусоидальной форме напряжения на выходе устройства.

Рис. 6. Влияние класса энергоэффективности электродвигателя на КПД насоса

Рис. 7. Изменение КПД электродвигателя с гидравлической нагрузкой

Влияние изменения характеристик компонентов системы, класса энергоэффективности электродвигателя и гармонических потерь в реальной системе приведено в табл. 2.

Таблица 2. Влияние большего типоразмера системы, класса электродвигателя и потерь от гармоник
на потребление электроэнергии (Pn =90 кВт – частота коммутации 4 кГц)

Экономия электроэнергии

Энергосбережение, достигнутое при использовании частотного и циклического управления в насосных системах 90 кВт и 350 кВт, показано на рис. 8 и 9. В системах с преобладанием напора на преодоление трения (? = 5 %) частотное управление обеспечивает более высокую экономию энергии практически во всем рабочем диапазоне (от 7 до 98 %) для обеих насосных систем. В случае насоса 90 кВт и в системе с преобладанием статического напора (? = 50 %) циклическое управление является лучшим техническим решением по сравнению с использованием частотного преобразователя для всех рабочих точек. Преобразователь частоты обеспечивает чуть более высокую экономию энергии для насоса мощностью 350 кВт, но только в диапазоне от 75 до 92 % производительности насоса. При рассмотрении комбинированной гидравлической системы (? = 25 %), управление посредством частотно-регулируемого привода позволяет получить более высокую экономию электроэнергии только для насосов с производительностью выше 28 % (для системы 90 кВт) и 24 % (для системы 350 кВт). В действительности, самая высокая экономия энергии при использовании частотного управления наблюдается в диапазоне производительности насоса от 15 до 20 %.

Рис. 8.
для насоса 90 кВт

Рис. 9. Экономия энергии [%] при частотном и циклическом управлении
для насоса 350 кВт

В отличие от преобразователей частоты, в которых присутствуют потери на полупроводниковых компонентах при номинальном режиме работы, устройства плавного пуска, в этом случае, работают через байпасный контактор, таким образом тиристоры не задействованы (рис. 10). И следовательно, нет дополнительных тепловых потерь. Эксплуатационные и системные характеристики, при которых предпочтителен выбор того или иного способа управления для регулирования производительности насоса, приведены на рис. 11**.

Рис. 10. Оптимальный КПД для насоса 90 кВт при байпасировании через устройство плавного пуска
при высоких нагрузках (90–100 % расчетной производительности)

Рис. 11. Контрольная точка, в которой экономия при использовании циклического управления становится выше,
чем при использовании решения с частотно-регулируемым приводом

Окупаемость инвестиций

Одним из важнейших факторов для заказчиков является расчет окупаемости инвестиций, в которые входят дополнительные расходы в связи с простоем оборудования во время монтажа и ввода в эксплуатацию устройства плавного пуска.

Стоимость преобразователя частоты в три раза выше стоимости устройства плавного пуска для насосов с номинальной мощностью до 25 кВт, а для насосов 350 кВт – в пять раз . Общие начальные инвестиции при частотном регулировании или циклическом управлении рассчитываются как сумма стоимости частотного преобразователя или устройства плавного пуска и плюс процентная доля расходов, связанных с простоем оборудования, по отношению к расходам, затраченным на протяжении всего жизненного цикла работы технологической линии .

Для частотных преобразователей и устройств плавного пуска эта доля составляет 7,5 %.

Стоимость индивидуальных компонентов может различаться по нескольким причинам. Прежде всего, следует отметить, что низковольтные частотные преобразователи чаще применяются при продолжительном режиме включения электродвигателя, а не в режиме пуска/останова, и обеспечивают более точное управление. Однако биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), применяемые в частотных преобразователях, требуют поддержания определенного температурного режима и охлаждения, что делает их достаточно дорогостоящими элементами и соответственно повышает стоимость частотных преобразователей по сравнению с устройствами плавного пуска такой же номинальной мощности. В устройствах плавного пуска полупроводниковые силовые элементы – тиристоры – отрабатывают только режимы пуска и останова со средним временем каждого режима около 15 секунд. Стоит отметить, что недорогие и надежные тиристоры не требуют постоянного принудительного охлаждения.

Период окупаемости для преобразователей частоты и циклического управления расходом показан на рис. 12 и 13 для электродвигателей 90 кВт и 350 кВт для трех гидравлических систем: ? = 5 %, 25 % и 50 %.

Рис. 12. Период окупаемости решений с частотным и циклическим управлением (устройство плавного пуска)
для насоса 90 кВт

Рис. 13. Период окупаемости для решений с частотным и циклическим управлением (устройство плавного пуска)
для насоса 350 кВт

Решения для параллельной схемы управления насосами

Во многих гидравлических системах оптимальную экономию электроэнергии с хорошей окупаемостью капиталовложений можно получить путем применения параллельной схемы управления насосами***, в которой используются как преобразователи частоты, так и устройства плавного пуска.

Рис. 14. Решение для системы с четырьмя параллельными насосами
(гидравлическая система с преобладанием напора на преодоление трения)

Таблица 3. Схема управления в системе с четырьмя параллельными насосами

В гидравлических системах с преобладанием напора на преодоление трения (? = 5 %) и с четырьмя параллельными насосами – каждый насос с номинальной мощностью 350 кВт (2500 м куб./ч) – оптимально использовать два преобразователя частоты и два устройства плавного пуска (рис. 14). В схеме, обеспечивающей наилучшее решение по окупаемости и гибкости управления, два насоса, 1 и 2, управляются устройствами плавного пуска, а насосы 3 и 4 – преобразователями частоты (см. табл. 3). Насосы с устройством плавного пуска работают с максимальной производительностью. Увеличив частоту вращения насосов, управляемых преобразователями частоты, до номинальной можно обеспечить максимальную производительность системы. В смешанной гидравлической системе (гидравлическая система со статическим напором/с преобладанием напора для преодоления трения) (? = 25 %), схема, позволяющая получить оптимальное решение с точки зрения окупаемости инвестиций и гибкости управления, представляет собой три насоса, первые два из которых управляются устройствами плавного пуска, а третий насос – преобразователем частоты (см. рис. 15 и табл. 5).

Рис. 15. Решение для системы с тремя параллельными насосами
(гидравлическая система со статическим напором/с преобладанием напора на преодоление трения)

Таблица 4. Схема управления расходом в системе с тремя параллельными насосами
(комбинированная гидравлическая система)

Для обеих систем начальные инвестиции по закупке устройств плавного пуска и преобразователей частоты трансформируются в экономическую прибыль менее чем за 1,5 года при условии, что регулируемый расход составляет менее 80 % от общей производительности (рис. 16).

Таблица 5. Параметры

Рис. 16. Расчетный период окупаемости для двух установок,
с параллельным управлением насосов от преобразователей частоты и устройств плавного пуска

Лучшее решение?

Анализ эффективности систем частотного и циклического регулирования расхода был проведен для двух центробежных насосов (90 кВт и 350 кВт) с двигателями до 1000 В. Полученные результаты свидетельствуют о том, что управление посредством частотного регулирования является наилучшим решением в гидравлических системах с преобладанием напора на преодоление потерь на трение (транспортировка жидкости без разности высот в случае использования циркуляционных насосов). В системах с преобладанием статического напора рекомендуется использовать циклическое управление. Следует избегать применения преобразователей частоты в системах с пологими характеристиками насоса и нагрузки из-за риска нестабильности и поломки .

Устройства плавного пуска являются наиболее перспективным техническим решением для установок водоочистки и водоотведения, в которых необходимо осуществлять включение/выключение насоса для откачки жидкости из коллекторов и последующее перемещение сточных вод на очистные сооружения. Устройства плавного пуска отличаются высокой надежностью и имеют встроенные функции для устранения гидроударов как при пуске, так и при останове системы. Однако максимального энергосбережения и минимального периода окупаемости для широкого ряда гидравлических систем можно достичь путем применения параллельных схем управлением насосами, в которых используется комбинация пре­образователей частоты и устройств плавного пуска. Опираясь на ноу-хау в области автоматизации и широкий ассортимент низковольтного оборудования для автоматизации, компания АББ предлагает и другие решения для эффективного использования энергии в самых различных областях применения.

______________________________________
* Устройства плавного пуска регулируют уровень напряжения, подаваемого на электродвигатель, за счет чего обеспечивается плавный запуск и останов привода.

** При переводе экономии энергии в процентах (в отношении фиксированной скорости и дросселирования) в показатель экономической эффективности предполагается, что насос работает 8760 часов в год (330 x 24) при цене 0,065 долл. США за 1 кВт-ч электричества .

*** Для оптимального регулирования расхода в параллельных схемах работает один насос до тех пор, пока не будет достигнута максимальная производительность, после чего гидравлическая нагрузка разделяется на два одновременно работающих насоса . При достижении второй контрольной точки активируются три насоса и т.д.

Литература

1. ITT Industries (2007). ITT’s Place in the cycle of water: Everything but the pipes.
2. Aurora Pump (Pentair Pump Group) June 1994, United States.
3. IEC 60034-31:2009. Rotating electrical machines. Part 31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable speed applications.
4. Brunner, C. U. (4–5 February 2009). Efficiency classes: Electric motors and systems. Motor energy performance standards event, Sydney (Australia). www.motorsystems.org .
5. Department of Energy (DOE). Energy International Agency (EIA) (June 2009). Average retail price of electricity to ultimate customers.
6. Sagarduy, J. (January 2010). Economic evaluation of reduced voltage starting methods. SECRC/PT-RM10/017.
7. Hydraulic Institute (August 2008). Pumps & Systems, Understanding pump system fundamentals for energy efficiency. Calculating cost of ownership.
8. ITT Flygt (2006). Cirkulationspumpar med vеt motor för värmesystem i kommersiella byggnader.
9. Vogelesang, H. (April 2009). Energy efficiency. Two approaches to capacity control. World Pumps Magazine.