В предыдущих двух статьях мы с Вами рассматривали способы регулирования насосных установок и экономию электроэнергии при различных способах регулирования. В нижеизложенном материале предлагаю с помощью характеристик насосов и систем водоснабжения разобраться, за счет чего именно экономится электроэнергия в насосах при использовании преобразователя частоты.

Характеристики насоса

Характеристики насосов

Напор, создаваемый насосом, и расход жидкости (подача) зависят друг от друга. Эта зависимость может быть отражена графически в виде характеристики насоса. Форма характеристики показывает зависимость напора и подачи жидкости - форм гидравлической энергии преобразованной из энергии электропривода с учетом КПД.

Характеристика насоса имеет форму падающей кривой. Работая при закрытом выходном клапане, насос создает максимальное давление (при нулевой подаче), жидкость имеет потенциальную энергию.

При постепенном открывании клапана, перекачиваемая жидкость приходит в движение. Потенциальная энергия напора преобразуется в кинетическую энергию подачи жидкости. Теоретически характеристика насоса пересекается с осью подачи. В точке пересечения с осью подачи (Q) жидкость обладает только кинетической энергией, то есть давление уже не создается. Однако, так как в системах водоснабжения всегда есть внутреннее сопротивление водопровода, характеристики насосов обрываются до того, как будет достигнута ось подачи.

Изменения в зависимости от скорости

Различная крутизна характеристик насоса
при изменении скорости вращения

Изменение скорости - эффективный способ изменить характеристики насоса, работающего в переменных режимах. Если изменяется скорость, то при постоянной геометрии рабочего колеса, одновременно меняется подача, давление и потребляемая мощность, согласно законам пропорции в соответствии со следующими формулами.

Подача Q, обеспечиваемая насосом, изменяется пропорционально изменению скорости.

Манометрическая высота H зависит от квадрата скорости.

Потребляемая мощность P пропорциональна скорости в кубе.

Эти зависимости верны при изменении скорости вращения в 2 раза.

Если подачи насоса не хватает и необходимо увеличить его скорость вращения необходимо учесть некоторые ограничения и проконсультироваться с производителем насоса:

• Увеличение мощности приводит к увеличению нагрузки на вал и подшипники насоса;
• Увеличивается давление на корпус насоса при увеличении напора;
• Меняется мощность всасывания насоса, и она не пропорциональна увеличению подачи.

Характеристика насосной системы

В каждой системе водоснабжения существует трение между стенками труб и перекачиваемой жидкостью, которое ведет к потере давления по всей длине. Потеря давления также зависит и от температуры и вязкости перекачиваемой жидкости, скорости потока, свойств арматуры и агрегатов, диаметра, длины и шероховатости стенок труб.

Потеря давления отображается на графике в виде характеристики системы в той же системе координат, что и для характеристик насоса.

Характеристика системы

Форма характеристики показывает следующие зависимости:

При изменении подачи, например, при открывании и закрывании вентилей расхода воды, изменяется также скорость потока и, тем самым, сопротивление.Так как оно пропорционально сечению потока, то меняется по квадратичному закону.
График характеристики системы имеет форму параболы. Зависимость подачи и напора может быть представлена в виде уравнения:

H1/H2 = (Q1/Q2)²

Вывод
Уменьшение подачи в трубопроводной сети в два раза, приводит к уменьшению напора в 4 раза. И наоборот, для увеличения подачи в два раза, необходимо повысить напор в четыре раза.

Рабочая точка

Точка, в которой пересекаются характеристики насоса и системы, является рабочей точкой системы и насоса. В этой точке мощность насоса равна и мощности потребляемой системой водоснабжения. Насос создает напор равный сопротивлению системы. От него зависит и подача, которая может быть обеспечена насосом.

На рисунке показано влияние изменения сопротивления системы водоснабжения на смещение рабочей точки, например, при уменьшении или увеличении расхода воды. Уменьшение расхода приводит к смещению характеристики системы влево-вверх. При постоянной скорости вращения электродвигателя насоса напор с системе неизбежно растет. Регулируя обороты насоса преобразователем частоты, мы можем обеспечить постоянное значение напора в системе. Датчик давления, установленный в систему после насоса, может информировать преобразователь частоты о реальном давлении в трубопроводе. А преобразователь в свою очередь будет регулировать обороты электродвигателя насоса автоматически в сторону уменьшения разницы между заданным и реальным давлением.

Данная система поддержания давления в трубопроводе может быть реализована несколькими способами. Можно использовать, например, преобразователи частоты Lenze серии ESMD и внешний ПИД-регулятор, на который будут подаваться сигнал задания давления и сигнал с датчика давления. Или можно обойтись одним преобразователем частоты с внутренним ПИД или ПИ регулятором. При этом если ПЧ имеет один аналоговый вход, то он используется для подключения датчика давления. Если же преобразователь имеет два аналоговых входа, то можно один использовать для датчика обратной связи по давлению, а второй как задание давления. Таким способом давление можно менять в оперативном режиме, например, вращая ручку потенциометра.

Работая на частотах ниже номинальной, насос преобдолевает меньшее сопротивление системы водоснабжения. Для электродвигателя создается меньшее сопротивление вращению. Соответственно преобразователь частоты ограничивает выходной ток на уровне требуемого для вращения насоса на заданной частоте. При этом существенно сокращаются эксплуатационные расходы.