Частотно-каскадное управление электродвигателями на насосных станциях

Насосную станцию можно представить в виде двух труб: на входной трубе имеется давление P1, на выходной требуется обеспечить P2. Чем больше P2 или чем меньше P1, тем мощнее должен быть насос. Часто разброс величин P1 и P2 бывает непостоянным, а также непостоянными могут оказаться требования к расходу качаемой субстанции. Для целей экономии энергии, что немаловажно в настоящее время, применяют каскадный способ управления насосами.

Управление двумя насосами

Старое решение состояло в том, что насосы выбирали с запасом и никак ими не управляли. Затем появились каскадные (параллельные) схемы, причем на практике запускать их было не так просто. Систему приходилось снабжать вентилями, чтобы избегать ударов, которые могли разрушить гидравлическую арматуру при пуске дополнительных насосов.

Появление устройства плавного пуска частично решило проблему, мощность стало возможно регулировать ступенчато.

С частотным преобразователем оказалось возможно полностью решить проблему. Теперь не требуется никаких вентилей и сложных инструкций о порядке работы с ними. Сокращается персонал, а также достигается большая экономия энергии. Ниже показано каскадное управление двумя насосами с поддержанием давления, использующее два двигателя (насоса).

При запуске частотный преобразователь регулирует сначала двигатель одного насоса, допустим, это М1, пытаясь достичь заданного давления. Давление отслеживает датчик с токовой петлей P. Если производительности первого насоса не хватает, то выходной сигнал ПИД-регулятора переключает выходные реле. Каждая пара магнитных пускателей (контакторов) работает поочередно. Пускатель, питающий двигатель первого насоса от преобразователя, отключается, затем немедленно подключается пускатель, питающий двигатель от сети. Первый насос переходит на питание от сети и работает на полную мощность.

В то же время, включается пускатель, питающий второй насос от преобразователя частоты. Сам преобразователь частоты начинает отрабатывать пуск двигателя: выполняется плавная раскрутка и вход в режим регулирования.

Фактически мы имеем дело с хорошо известным принципом сложения мощностей. Допустим, что вся шкала условно это 100%. Каждый насос может обеспечить только 50%. Если требуется мощность в 75% то выполнится все, описанное выше.

Другие возможности

Рассмотренная выше схема может легко быть распространена на три, четыре и более насосов, при помощи логического контроллера. Возможны разные конфигурации управления.

Помимо рассмотренного каскадного управления могут быть схемы с переключением насосов. Это помогает уменьшить износ оборудования. На первый взгляд это неочевидно: простаивающее оборудование не изнашивается механически, но определенно, также портится (коррозия, растрескивание изоляции от холода и т.п.). Схема с переключением насосов легко позволяет вводить аварийный резерв, причем безотказно, чего не скажешь о схемах с длительно простаивающим резервным оборудованием.

Каскадно-частотное управление асинхронными двигателями на насосных станциях – это наиболее совершенное техническое решение, найденное в настоящее время. Схема управления насосами с ПЧ существенно упрощает гидравлические схемы, так как исчезают всевозможные вентили и байпасы. Если посмотреть на водокачку двух-трех десятилетней давности то она была похожа на подводную лодку первой половины XX века, из-за всевозможной арматуры. Современные насосные станции выглядят почти пустыми, но возложенные на них задачи решают куда более эффективно.

Схема подключения ПЧ для каскадного управления двумя насосами с поддержанием давления

Схема 4 — Каскадное управление двумя насосами с поддержанием давления

В данном режиме частотный преобразователь регулирует обороты одного насоса с целью поддержания давления. В случае нехватки производительности одного насоса ПЧ подключает основной насос напрямую от сети и начинает регулировать обороты дополнительного насоса.

Настройка VFD-СP в системах поддержания давления (каскадный режим с двумя насосами с ПИД-регулированием). Для датчика давления с выходным сигналом 4…20ма и диапазоном измерения 0…10 бар.

	Условные обозначения Преобразователь частоты VFD-CP Датчик давления аналоговый CER-1 Манометр технический TM Контактор AC3 Аварийная кнопка «Грибок»

Список применяемого оборудования

Обозначение на схеме	Маркировка	Описание	Количество
	VFD-xxxCP43A-21	Преобразователь частоты для насосов и вентиляторов СP2000	1
	EMC-R6AA	Плата расширения релейных выходов для VFD-С/СP (6 э/м реле)	1
	CER-1 xxx-G-X106-4-A	Датчик давления аналоговый, выход 4…20 мА, М20×1,5 наружная резьба, точность 0,5 %, питание 7…32 V DC, корпус AISI 316, IP65	1
	ТМ510Р.00 (0…х Кгс/см²) ТМ610Р.00 (0…х Кгс/см²)	Манометры технические показывающие	1
	LSDxxxxx	Контактор AC3 (4…90 кВт) согласно номиналу ПЧ	4
	LSZ0D122	Блок вспомогательных контактов 2НО+2НЗ	4
	B200E-E	Аварийная кнопка с желт. «STOP» «Грибок» d=40 мм с фиксацией и возвратом поворотом (1НЗ)	1

Настройка частотного преобразователя

Подключить датчик давления в соответствии со схемой приведенной в паспорте на ПЧ.

1. 00 — 02 = 9 – сброс настроек по умолчанию для 50 Гц
2. 00 — 20 = 0 – источник задания уставки – цифровой пульт
3. 00 — 21 = 0 – пуск/стоп с цифрового пульта
   00 — 21 = 1 – если необходимо подключать кнопки ко входным терминалам (пуск/стоп с внешних терминалов)
4. 00 — 25 = 0162HEX – 16 – означает отображение единиц давления в барах, 2 – кол-во знаков после запятой
5. 00 — 26 = 10.00 – задание и обратная связь находятся в диапазоне 0…10,00 бар
6. 01 — 12 = … – требуемое время разгона в секундах
7. 01 — 13 = … – требуемое время замедления в секундах
8. 02 — 35 = 1 – автозапуск привода при подаче питания или после команды СБРОС,
   если на дискретном входе присутствует команда ПУСК (НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ ПРИ НЕСТАБИЛЬНОМ ПИТАНИИ. )
9. 03 — 00 = 0 – аналоговый вход AVI1 (нет функции)
10. 03 — 01 = 5 – сигнал обратной связи ПИД-регулятора (сигнал на входе ACI)
11. 03 — 02 = 0 – аналоговый вход AVI2 (нет функции)
12. 08 — 00 = 1 – отрицательная обратная связь со входа ACI
13. 12 — 00 = 2 – каскадное управление с переменным мастером
14. 12 — 01 = 2 – количество подключаемых двигателей
15. 12 — 03 = 3.0 – временная задержка подключения следующего двигателя в секундах
16. 12 — 04 = 3.0 – временная задержка перед выключением двигателя в секундах
17. 12 — 05 = 10.0 – временная задержка перед переключением двигателя на прямое питание от сети, в секундах
18. 12 — 06 = 50.00 – выходная частота при которой произойдет переключение в каскадном режиме, в Гц
19. 12 — 08 = 25.00 – выходная частота ПЧ, при которой один из дополнительных двигателей будет выключен, в Гц

Описание реализации режимов управления каскадом двигателей (PFC/SPFC) на базе частотного преобразователя ABB ACS580

Введение

Одной из многих областей применения преобразователей частоты ABB серии ACS580 являются системы водоснабжения и вентиляции. Для управления группой (каскадом) насосов/вентиляторов часто в преобразователях частоты используют специальные режимы управления.

В преобразователе частоты ACS580 предусмотрены следующие режимы управления каскадом двигателей насосов или вентиляторов:

Стандартное управление PFC (Pump Fan Control);

Плавное управление SPFC (Smooth Pump Fan Control).

Под каскадом насосов (или вентиляторов) понимается система, состоящая из нескольких параллельно включенных в магистраль насосов (вентиляторов), в которой необходимо регулировать значение расхода или давления для жидкостей (газов) в широких пределах (см. рис.1.)

Здесь и далее будет рассматриваться управление каскадом водяных насосов.

Рис.1. Общий вид каскада из 3-х водяных насосов.

Режимы управления каскадом насосов

На базе преобразователя частоты ABB серии ACS580 возможно реализовать 2 режима управления каскадом насосов:

• Режим PFC – В данном режиме частотный преобразователь регулирует давление в магистрали при помощи одного (например, первого) насоса в каскаде.

В случае необходимости дополнительного повышения/понижения давления в магистрали, преобразователь частоты подает/снимает сигналы через встроенные релейные выходы на включение/выключение дополнительных насосов в каскаде напрямую от питающей сети (используются соответствующие контакторы). В данном режиме наблюдается скачок давления при подключении или отключении дополнительных насосов.

• Режим SPFC – В данном режиме частотный преобразователь регулирует давление в магистрали, последовательно управляя каждым насосом в каскаде по определенному алгоритму. Режим SPFC является разновидностью режима PFC. Однако, в режиме SPFC скачки давления в магистрали сводятся к минимуму.

Главным различием между логикой режимов PFC и SPFC является способ включения дополнительных насосов. В режиме SPFC, когда выполняются критерии запуска дополнительного насоса, преобразователь частоты подключает управляемый двигатель насоса к сети питания в режиме автоподхвата, т. е. когда насос еще не завершил остановку выбегом. Затем преобразователь частоты подключается к следующему насосу, который требуется запустить, и начинает регулировать его скорость. При этом насос, которым преобразователь управлял ранее, теперь подключен непосредственно к питающей сети посредством контактора. Остальные (дополнительные) насосы запускаются точно так же. Порядок остановки насосов в этом режиме такой же, как и в режиме PFC.

В режиме SPFC происходит автоматическая ротация насосов по различным настраиваемым условиям. Более подробно алгоритм работы насосов и их ротация в данном режиме будет описан ниже.

Включение режима управления каскадом насосов

Для включения режима управления каскадом насосов в преобразователе частоты ACS580 необходимо выполнить следующие шаги по настройке параметров.

Рис.2. Общий вид панели управления ACS580 в меню «Макрос управления».

Таблица 1. Включение режима управления каскадом насосов в преобразователе частоты ACS580

1) При помощи навигационных клавиш на панели управления преобразователем частоты необходимо в меню «[Меню] – Основные настройки – Макрос» и выбираем макрос PFC (см. рис.2.1.).

2) В меню «[Меню] – Основные настройки – Управление насосами и вентиляторами – Режим PFC» необходимо выбрать один из двух режимов: PFC или SPFC.

Настройка режима SPFC

Настройки режимов PFC и SPFC аналогичны друг другу. В данном разделе, в качестве примера, детально рассматривается настройка режима SPFC.

В меню «Настройка PFC I/O» необходимо настроить базовые параметры режима (см. рис.3.1.).

В первую очередь, необходимо выбрать количество двигателей в каскаде. Под количеством двигателей понимается количество насосов, которыми нужно управлять в каскаде. Максимальное количество двигателей (т.е. количество управляемых насосов) можно установить равным 4, однако для такого количества двигателей дополнительно необходимо дополнительно установить плату расширения релейных выходов CMOD-01 (опция к заказу +L501) либо CHDI-01 (опция к заказу +L512). В стандартной поставке преобразователь частоты ACS580 позволяет управлять тремя насосами.

Рис.3.1. Меню «Настройка PFC I/O».

Пункт меню «Добавить двигатель привода» (см. рис.3.1.) используется только режиме PFC для включения в ротацию насоса, к которому подключен преобразователь частоты. При настройке режима SPFC данный пункт оставляем без изменений, поскольку ротация всех насосов в каскаде происходит автоматически.

Пункт меню «Задержка контактора» (см. рис.3.1.) позволяет выбрать время задержки переключения контакторов насосов, необходимое для корректной работы схемы при больших мощностях электродвигателей насосов. Значение задержки контактора подбирается индивидуально, рекомендуется использовать не менее 0,5с.

В меню «Настройка RO» необходимо настроить релейные выходы, которые будут управлять контакторами насосов. Для каскада, состоящего из трех насосов, в пунктах меню «Источник управления PFC2» и «Источник управления PFC3» необходимо выбрать соответствующие номера релейных выходов RO2, RO3 (см. рис.3.2.)

Рис.3.2. Меню «Настройка RO».

При эксплуатации насосных установок периодически возникает необходимость в техническом обслуживании. Для данных целей в настройках режимов PFC/SPFC преобразователя частоты ACS580 присутствует возможность блокировки работы определенного насоса в каскаде. Функция блокировки определенного насоса настраивается в меню «Настройка блокировок».

Источником разрешающего сигнала для первого (PFC1), второго (PFC2) и третьего (PFC3) насосов выбираются сигналы дискретных входов частотного преобразователя DI4, DI5, DI6 соответственно (см. рис.3.3.).

Рис.3.3. Меню «Настройка блокировок».

После осуществления настроек режима SPFC необходимо в обязательном порядке проверить конфигурацию входов/выходов в меню «Проверка конфигурации I/O» (рис.3.4.)

Рис.3.4. Вид меню «Проверка конфигурации I/O».

Для цифрового входа «DI1» в пункте «Используется для» необходимо установить «DI1 пуск/останов 2», это связанно с программными особенностями.

Для цифрового входа «DI2» в пункте «Используется для» выбираем «Разрешение работы». Далее выбираем пункт «Добавить для использования», где выбираем значение «Переключиться на пост управления 2» (см. рис.3.5).

Рис.3.5. Конфигурация входов DI2 в меню «Проверка конфигурации I/O».

Для цифрового входа «DI3» в пункте «Используется для» выбираем «Не используется».

Рис.3.6. Вид меню «Проверка конфигурации I/O».

Для цифровых входов «DI4», «DI5», «DI6» в пункте «Используется для» проверяем значения «Источник блокировки PFC1», «Источник блокировки PFC2», «Источник блокировки PFC3» соответственно (см.рис.3.6)

Рис.3.7. Проверка конфигурации релейных выходов в меню «Проверка конфигурации I/O».

Для релейных выходов «RO1», «RO2», «RO3» в пункте «Источник» должны быть выбраны «PFC1», «PFC2», «PFC3» соответственно (см. рис.3.7).

Принципиальная электрическая схема подключения каскада насосов для работы в режиме SPFC, приведена на рис. 3.7 и рис. 3.8.

Рис.3.7. Принципиальная электрическая схема для режима SPFC подключения питания 3-х двигателей (насосов).

Рис.3.8. Принципиальная электрическая схема цепей управления для режима SPFC для 3-х двигателей (насосов).

Пример работы режима SPFC

Включение необходимых насосов для работы в каскаде осуществляется включением переключателей SA1, SA2, SA3 в положение «Автомат» (см. рис.3.5).

Разрешение работы преобразователя частоты осуществляется посредством подачи сигнала на вход DI2, а запуск осуществляется подачей сигнала на вход DI1 (конфигурация сигналов на входы преобразователя частоты предварительно настраиваются в меню «Проверка конфигурации I/O»).

Далее, для примера, рассматривается случай, когда для получения необходимого давления в магистрали требуется включать все 3 электродвигателя (насоса).

На начальном этапе программы преобразователь частоты ACS580 активирует реле RO1, подключая электродвигатель М1 через контактор КМ1 к преобразователю (см. схемы подключения на рис.3.7, 3,8). После набора номинальной скорости электродвигателем М1 привод ACS580 временно размыкает реле RO1 и контактор КМ1 отключает электродвигатель М1 от преобразователя частоты.

Через заданную выдержку времени преобразователь частоты ACS580 активирует реле RO2, подключаясь к двигателю М2 через контактор КМ3.

Далее преобразователь частоты снова активирует реле RO1, подключая разогнанный электродвигатель М1 напрямую к сети через контактор КМ2.

В результате электродвигатель (насос) М1 работает с номинальной скоростью с питанием напрямую от сети, а регулировка давления осуществляется электродвигателем (насосом) М2.

Если скорость электродвигателя М2 оказывается недостаточной, и необходимо еще больше поднять давление в магистрали, преобразователь частоты ACS580 отключается от регулировки электродвигателя М2, подключается к управлению электродвигателем М3 и включает электродвигатель М2 напрямую к сети.

Диаграмма работы в описанном примере представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Диаграмма работы насосов (релейных выходов ПЧ и контакторов электродвигателей) в режиме SPFC.

В случае необходимости понизить давление в магистрали преобразователь частоты сначала снижает скорость вращения электродвигателя М3, при достижении заданной минимальной скорости отключает реле RO2 и электродвигатель М2 отключается от сети (посредством контактора КМ4). В то же время преобразователь частоты поднимает обороты электродвигателя М3, чтобы компенсировать снижение давления в магистрали при отключении электродвигателя М2.

При дальнейшем снижении оборотов электродвигателя М3 преобразователь частоты размыкает реле RO1, отключая от сети электродвигатель М1, а для регулировки давления остается подключенным к преобразователю только электродвигатель М3.

Далее при необходимости увеличения давления в магистрали переключение будет происходить в последовательности «М3 → М1 → М2», тем самым обеспечивая постоянную автоматическую ротацию электродвигателей.

Ниже приведена таблица измененных параметров преобразователя частоты серии ACS580 для режима SPFC.