V soukromém domě a na pozemku se zásobování vodou obvykle provádí instalací studny. Pro běžné zásobování vodou však samotná studna přirozeně nestačí. Aby vše správně fungovalo a voda byla nepřetržitě přiváděna do všech prvků systému, je nutné připojit automatiku, která bude hlídat objem vody v zásobníku a případně čerpadlo zapínat a vypínat. Po dlouhou dobu byl běžným zařízením pro tento úkol tlakový spínač. Ten je však dnes nahrazován modernějším a technologičtějším zařízením s mikroprocesorovým řízením – frekvenčním měničem.
Takzvaný frekvenční generátor má mnoho funkcí a také možnost jej flexibilně nakonfigurovat na požadované provozní podmínky. Regulátory frekvence jsou určeny k řízení chodu motoru, konkrétně jeho otáček a točivého momentu. Takové vlastnosti vám umožňují plynule startovat a zastavovat motor, stejně jako udržovat otáčky v požadovaném rozsahu nebo je rychle měnit.
Maximální výkon motoru je vyžadován pouze při nejintenzivnějším provozu systému. Ve všech ostatních případech není potřeba z pumpy ždímat maximum. Tento požadavek je zohledněn v systémech s automatickými relé, nicméně toto zařízení má i některé nevýhody. Tlakový spínač není schopen ovlivňovat otáčky motoru čerpadla, takže pokud je potřeba čerpat vodu, náhle okamžitě zapne zařízení na maximální výkon. To často vede k vodním rázům a přetížení v napájecím systému. Taková dodatečná zatížení negativně ovlivňují systém zásobování vodou, v důsledku čehož se rychle opotřebovává a selhává. Frekvenční měnič může tento problém vyřešit, protože zahájí práci hladce a také ji plynule zastaví úpravou otáček motoru.
Princip činnosti frekvenčního měniče
Vezmeme-li pro srovnání klasický vodovodní systém pracující bez měniče, pak funguje převážně na principu škrcení. V takových konstrukcích motor neustále pracuje na maximální výkon a tlak je řízen pomocí uzavíracích ventilů. Ovládání se provádí ručně nebo pomocí tlakového spínače. Tato metoda je neúčinná a způsobuje rychlé opotřebení zařízení.
Tlakový spínač v zásadě zajišťuje efektivní provoz, není však schopen regulovat otáčky motoru, a proto je čerpadlo na signál okamžitě zapnuto na maximální výkon, což negativně ovlivňuje kvalitu provedení. Frekvenční měnič je dalším krokem v problému regulace provozu čerpacího zařízení, opatrnější a inteligentnější způsob řízení zásobování vodou.
Operační algoritmus převodníku je jednoduchý. Jakmile senzory detekují, že hladina kapaliny v nádrži dosáhla nízkého prahu, je z ní odeslán signál do převodníku. Řídicí zařízení plynule spouští motor čerpadla, aby se zabránilo vodním rázům v potrubí a přetížení v elektrické síti. Dobu zvýšení výkonu čerpadla lze nastavit nezávisle.
Senzory v čerpadle neustále poskytují převodníku informace o tom, jak čerpadlo zrychluje. Jakmile jsou dosaženy požadované ukazatele, systém přestane zvyšovat rychlost a výkon a jednoduše udržuje aktuální stav. Pokud bude hladina vody nadále klesat nebo naopak začne stoupat, konvertor upraví proces čerpání a ovlivní výkon čerpadla. Frekvenční spínač má také doplňkovou funkci: chrání zařízení v případě náhlých výkyvů proudu v elektrické síti.
Proč používat frekvenční měnič?
Jednou z výhod frekvenčního měniče je, že jej lze použít na jakémkoli čerpacím zařízení. Hrají zvláštní roli při provozu systémů zásobování teplou a studenou vodou a vytápění. Po instalaci tohoto zařízení je výsledek cítit okamžitě, protože systémy začnou pracovat zcela autonomně. Současně je kdykoli zachována vysoce kvalitní dodávka vody. Zajímavé je, že na objemu a měřítku systému vůbec nezáleží, protože frekvenční měnič je schopen efektivně pracovat jak na velkých průmyslových stanicích, tak na mini čerpacích stanicích pro jeden dům. Proces regulace provozu čerpadla pomocí měniče má řadu výhod:
- Snížené náklady na energii. Úspory mohou dosáhnout 40 %;
- Možnost ochrany zařízení před „suchým chodem“;
- Žádné změny teploty při dodávce teplé vody;
- Žádný zvýšený tlak v potrubí;
- Zvýšení životnosti potrubí, jakož i čerpacího zařízení;
- Nízká hladina hluku;
- Schopnost zjednodušit design odstraněním nepotřebných prvků z něj, například hydraulického akumulátoru nebo jiných komponent.
Jako každý produkt má i převodník své nevýhody:
- Náklady na zařízení jsou ve srovnání s jinými podobnými zařízeními poměrně vysoké;
- Pro instalaci a připojení musíte zavolat odborníka.
Počáteční náklady v procesu používání zařízení jsou rychle kompenzovány díky úsporám elektřiny, takže obecně je instalace frekvenčního generátoru nejen efektivní, ale také zisková.
Kde se používá frekvenční měnič?
Nejčastěji jsou frekvenční měniče součástí následujících systémů:
- Čerpací jednotky určené k organizaci zásobování pitnou a užitkovou vodou. Použití frekvenčních měničů poskytuje vysoce kvalitní a optimální způsob zavlažování a zásobování vodou. Převodníky se používají v průmyslu a každodenním životě. Pro domácí použití vytváří mnoho výrobců jednofázová zařízení;
- Cirkulační čerpací zařízení pro systémy vytápění a chlazení. U těchto provedení měnič reguluje přívod chladicí kapaliny nejen z hlediska průtoku, ale také z hlediska tlaku a teploty. Zajišťují také odvod a dodávku tepelné energie s minimálními náklady na elektřinu;
- Čerpadla používaná v systémech určených k hašení požárů. V tomto případě provozovatelé frekvence udržují výkon čerpadla na požadované úrovni a spouštějí zařízení, když je zjištěn požár;
- Zařízení používaná v jiných oblastech. Zařízení se například aktivně používají v dávkovacích čerpadlech v chemickém průmyslu.
Frekvenční měniče tak posouvají procesy zásobování vodou a vytápění, stejně jako všechny procesy spojené s provozem čerpadel, na novou úroveň účinnosti. Pomocí tohoto jednoduchého zařízení můžete automatizovat a optimalizovat dodávku vody a dalších tekutin a zároveň výrazně snížit náklady na elektřinu.
Automatizace vodovodních systémů snižuje náklady na provoz čerpacích zařízení a vodovodní sítě, optimalizuje spotřebu vody a umožňuje zmenšit objem akumulačních nádrží. Přívod vody je regulován tlakem a hladinou. Topné systémy také využívají okruh se zpětnou vazbou na teplotu chladicí kapaliny nebo vzduchu v místnosti.
Automatizační reléové obvody
Před příchodem frekvenčních měničů se jako řídicí zařízení používaly reléové jednotky.
Nejjednodušší schéma řízení úrovně je založeno na magnetickém startéru a plovákovém relé. Jak se hladina zvyšuje, kontakty relé se uzavřou a cívka magnetického startéru se nabudí. Elektromotor čerpací jednotky se spustí. Při poklesu hladiny kapaliny relé otevře řídicí obvod magnetického spouštěče.
Toto schéma poskytuje ruční a automatickou aktivaci čerpadel, způsob kaskádového řízení, indikaci provozních režimů a zastavení čerpacích jednotek, když čerpaná kapalina zmizí.
Hlavní čerpací jednotka pracuje v normálním režimu. Při poklesu tlaku při špičkách spotřeby vody nebo při zastavení hlavního čerpadla se aktivuje tlakový spínač, který s časovým zpožděním zapne záložní čerpadlo. V případě potřeby lze zapínání a vypínání čerpadel provádět ručně. Obvody pro ovládání relé jsou relativně jednoduché a levné, mají však následující nevýhody:
- Dodatečné zatížení elektrické sítě. Elektromotory se spouštějí při plném síťovém napětí. Proud se několikrát zvyšuje.
- Neschopnost plynule měnit výkon. Tlak v síti se reguluje zapnutím záložního čerpadla. Skoková změna tlaku nemusí vždy splňovat podmínky procesu.
- Nutnost pravidelných oprav a údržby. Obvody tohoto typu obsahují velké množství elektrických zařízení a automatizačních prvků. Při častém spínání se kontakty a mechanické části zařízení rychle stávají nepoužitelnými.
- Vysoké zatížení potrubí. Při přímém spouštění čerpadel se prudce zvyšuje pravděpodobnost vodního rázu. Při jejich výskytu dochází k poškození uzavíracích a regulačních ventilů, potrubí a dalších prvků vodovodního systému.
Pro omezení startovacích proudů a hladké zrychlení elektromotorů se softstartéry často instalují do reléových obvodů. Tato zařízení však neposkytují plynulé změny posuvu. K tomu jsou na potrubí instalovány regulační ventily, což vede k tlakovým ztrátám a snižuje celkovou účinnost. systémy zásobování vodou.
Funkce řídicích systémů čerpacích zařízení na bázi frekvenčních měničů
Pro automatizaci provozu čerpacích stanic se stále častěji používají obvody na bázi frekvenčních měničů. Řízení frekvence nemá nevýhody reléových obvodů. Automatizované obvody s frekvenčním měničem poskytují:
- Ochrana hnacích motorů před zkratem, ztrátou fáze, přehřátím, přetížením, napěťovými rázy.
- Zastavení čerpacích jednotek z důvodu „provozu nasucho“, poškození průtokové části atd.
- Hladká změna výkonu při poklesu nebo zvýšení tlaku. Frekvenční měnič může také pracovat v režimu řízení dodávky na základě několika parametrů vodovodního nebo topného systému.
- Alarm poruchy. V případě poruchy nebo abnormálního provozního stavu prvků vodovodního systému se na obrazovce zobrazí chybové hlášení. Mnoho modelů frekvenčních generátorů zajišťuje signalizaci alarmu prostřednictvím „suchých kontaktů“ a odesílání zpráv prostřednictvím podporovaných kabelových a bezdrátových komunikačních protokolů do vzdálených řídicích center.
Frekvenční měniče se používají jak k automatizaci jednoduchých autonomních vodovodních systémů, tak výkonných stanic s velkým počtem čerpadel.
Příklad činnosti obvodů na bázi frekvenčního měniče
Schéma řízení oběhových čerpacích jednotek na bázi frekvenčních měničů s tlakovou a teplotní zpětnou vazbou umožňuje úsporu až 30 % tepelné energie.
Při zvýšení teploty chladicí kapaliny nebo poklesu tlaku v síti je signál z analogového snímače teploty odeslán do frekvenčního měniče, který plynule zvyšuje frekvenci napětí v napájecím obvodu elektromotoru. Zvyšuje se rychlost otáčení rotoru a zvyšuje se výkon čerpadla. V případě potřeby se zapne záložní čerpadlo. Po dosažení nastavené teploty se průtok čerpadla vrátí na naprogramovanou hodnotu. Okruh také zajišťuje střídavý provoz čerpacích jednotek, zastavování motorů v případě nehod, zapnutí záložního čerpadla při nouzovém zastavení hlavního, zákaz spuštění vadného čerpadla do odstranění poruchy a také indikaci provozních režimů .
Pro zvýšení ekonomického efektu v topných systémech se používají frekvenční měniče s funkcí AOE nebo automatická optimalizace spotřeby energie. Elektromotor přitom udržuje spotřebu energie v souladu s požadovaným výkonem čerpací jednotky. Frekvenční měniče s touto funkcí vyrábí Danfoss, světoznámý výrobce elektrických zařízení a automatizačních prvků.
Princip činnosti nejjednoduššího regulačního obvodu s tlakovou zpětnou vazbou
Frekvenční měniče se také používají pro malé vodovodní, topné a teplovodní systémy. Plynulá regulace tlaku a výkonu čerpadla zajišťuje konstantní tlak v síti, žádné změny teploty teplé vody při otevírání a zavírání dalších kohoutků a udržování mikroklimatu v místnosti.
Při spouštění čerpadla přes frekvenční měnič je do elektromotoru přiváděno nízkofrekvenční napětí, které se zvyšuje podle naprogramovaných hodnot. To zajišťuje hladké zvýšení tlaku v systému a snižuje pravděpodobnost vodních rázů.
S rostoucí spotřebou vody klesá tlak v systému. Signál z tlakového snímače je přiváděn do frekvenčního měniče, který zvyšuje frekvenci napájecího napětí elektromotoru. Výkon čerpadla se postupně zvyšuje, dokud tlak v systému nedosáhne nastavené hodnoty. S klesající spotřebou vody se snižuje frekvence napětí v napájecím okruhu a rychlost čerpací jednotky klesá.
Pomocí frekvenčních měničů je také možné realizovat kaskádový automatický řídicí systém pro dvě nebo více čerpadel. Taková schémata se používají v sítích s vysokým špičkovým zatížením, kde maximální výkon jednoho čerpadla nekompenzuje tlakové ztráty. V těchto případech zajišťuje frekvenční měnič hladký vstup přídavných jednotek a rovnoměrné rozložení zátěže mezi pracující čerpadla.
Výhody použití frekvenčních měničů v obvodech automatizace čerpadel
- Systémy zásobování vodou nevyžadují kompenzační nádrže k absorbování vodního rázu. Spouštění a vypínání čerpacích jednotek probíhá plynule, což eliminuje náhlé tlakové rázy. V systémech vytápění a autonomního zásobování vodou se stále doporučuje instalovat expanzní nádrže membránového typu. Toto zařízení vám umožní vyhnout se následkům vodních rázů a zvýšení tlaku při nehodách a tepelné roztažnosti chladicí kapaliny.
- Pohodlná teplota teplé vody a chladicí kapaliny v topném systému. Na rozdíl od reléových řídicích obvodů vám regulace frekvence umožňuje vyhnout se skokům v teplotě vody bez ohledu na její průtok.
- Ochrana armatur, potrubí, kotlů před vodním rázem. Při přímém spuštění elektromotoru se prudce změní průtok v potrubí. Dochází k hydraulickému šoku, který může poškodit hydraulickou automatiku, kotel a další prvky systému. Odstranění následků vodního rázu může stát stovky tisíc rublů.
- Ochrana elektromotoru čerpadla před nehodami a abnormálními provozními podmínkami. V případě nesymetrického zatížení, změn síťového napětí, zkratů nebo přehřátí vinutí frekvenční měnič provede nouzové zastavení elektromotoru.
- Možnost dálkového ovládání. Danfoss vyrábí frekvenční měniče, které podporují všechny běžné komunikační protokoly. Ovládání lze provádět ze vzdáleného PC pomocí aplikací nainstalovaných na chytrých telefonech nebo tabletech. Převodníky pro průmyslové vodovodní systémy lze zabudovat do víceúrovňových automatických převodových systémů.
- Možnost regulace tlaku a výkonu čerpacích jednotek podle jedné nebo více charakteristik. Frekvenční měniče lze naprogramovat tak, aby regulovaly průtok, tlak, teplotu, hladinu, tlak a také dva nebo více parametrů.
Výběr frekvenčního regulátoru pro čerpadla
Výběr frekvenčních měničů pro čerpací zařízení se provádí podle následujících kritérií:
- Typ hnacího motoru. Počet fází a typ elektromotoru musí odpovídat frekvenčním parametrům. K pohonu čerpacích agregátů se používají synchronní a asynchronní jedno- nebo třífázové elektrické stroje.
- Interval nastavitelných frekvencí. Každá hodnota frekvence napájecího napětí odpovídá určité rychlosti otáčení elektromotoru a výkonu čerpadla. Tato charakteristika frekvenčního měniče musí odpovídat parametrům vodovodní sítě.
- Proud, napětí a výkon. Jmenovité elektrické charakteristiky elektromotoru a frekvenčního měniče se musí shodovat. Doporučená výkonová rezerva pro soukromého vlastníka je 15-20%.
- Podle počtu analogových a reléových vstupů. V závislosti na počtu snímačů je nutné vybrat frekvenční měnič s příslušným počtem vstupů.
- Podle funkce. Frekvenční měnič může kombinovat funkce softstartéru, PID regulátoru a ochranných zařízení. Funkčnost zařízení se volí v souladu s požadavky na systém vytápění a zásobování vodou.
Použití frekvenčních měničů snižuje tlakové ztráty, optimalizuje spotřebu vody a elektřiny a také snižuje pravděpodobnost nehod. Jejich použití poskytuje významné ekonomické a technické výhody, zvláště patrné na příkladu velkých systémů zásobování teplem a vodou.
