Применение преобразователя частоты и регулятора напряжения в системах загородного водоснабжения

Обновлено: 18.05.2024

На условия нашего проживания в крупных городах отрицательно влияют производимые шум, суета, неблагоприятная экологическая обстановка, транспортные проблемы и ряд других негативных факторов. Идеальное решение - это частный дом в экологически чистом районе недалеко от мегаполиса, снабженный всеми благами цивилизации.

Одна из составляющих комфортного проживания за городом (на даче, в частном доме, коттедже) - надежное круглогодичное водоснабжение. В качестве источника воды, при отсутствии в загородном поселке централизованного водоснабжения, используются колодцы или индивидуальные скважины. Для водоснабжения из колодцев применяются в основном поверхностные насосные станции с насосами с самовсасывающей способностью. Однако максимальная глубина всасывания не превышает, как правило, 7 м, что ограничивает их применение только на источниках малой глубины. Наибольшее распространение получили автономные системы водоснабжения из скважины [1], обеспечивающие более высокую надежность и качество водоснабжения.

Традиционно указанная система состоит из скважины, обсадной трубы, внутри которой установлен погружной насос, заглубленного кессона, внутрь которого выходит оголовок скважины, трубопровода, соединенного с гидроаккумулятором и внутридомовой водопроводной сетью, реле давления и пульта управления. Система автоматически управляет работой насоса, включая его при падении давления в гидроаккумуляторе и выключая при его увеличении, поддерживая давление в системе водоснабжения в пределах 0,2…0,4 МПа.

Недостатками такой системы являются:

нестабильный напор воды;
резкое повышение давления воды в системе (гидроудары), приводящие к преждевременному выходу из строя скважинного насоса и сантехнического оборудования и появлению протечек;
скачки напряжения в электросети при каждом включении/выключении насоса;
необходимость установки большого по объему гидроаккумулятора.

Для улучшения условий работы электродвигателей и насосов в современных системах такого типа устанавливаются устройства плавного пуска, что устраняет резкие скачки напряжения в электросети и гидроудары, но не исключает главный недостаток такой системы - нестабильный напор воды.

Для устранения указанных недостатков и обеспечения комфортных условий для потребителей воды разработаны и применяются насосные системы с частотным регулированием [2, 3]. Отличие таких систем от релейных заключается в применении вместо реле давления преобразователей частоты, обеспечивающих плавный пуск и регулирование скорости вращения электродвигателя в широких пределах по сигналу обратной связи, поступающему от датчика давления.

Основные преимущества системы с частотным регулированием:

Стабильный напор воды в кранах, в душе, поливочных системах.
Плавный пуск и остановка насоса в несколько раз увеличивает его ресурс.
Исключаются перегрузки электрической сети, механические удары в насосе.
Отсутствуют гидроудары (резкое превышение давления в системе).

Давление воды в такой системе водоснабжения регулируется при помощи преобразователя частоты. Система работает следующим образом. Давление от датчика поступает в преобразователь частоты, где сравнивается с заданным значением. При наличии рассогласования преобразователь частоты запускает электромотор насоса, увеличивая частоту вращения до тех пор, пока давление в системе не станет равно заданному. При изменении расхода потребления воды преобразователь изменяет частоту вращения, поддерживая постоянным заданное давление. Чем больше расход, тем больше частота вращения и наоборот.

В настоящее время для обеспечения автономного водоснабжения индивидуальных домов выпускается большое количество насосов и насосных систем с частотным регулированием давления. Среди них следует отметить «Водомет» компании «ДЖИЛЕКС» (Россия), «UNIPUMP ECO-SIRIO» концерна ITALTECNIKA (Италия), «Wilo-Comfort-Vario COR-1 MVIE» (Германия), серию насосов «Grundfos SQ» со шкафами управления «Grundfos CU 301». По стоимости указанные производители предлагают достаточно широкий выбор систем - от класса «эконом» до класса «профессионал», цена которых варьируется от 700 до 1500 ЕВРО. Насосные системы поставляются комплексно, главным образом, на этапе строительства нового дома. Вместе с тем большинство действующих систем еще не исчерпали свой ресурс и для повышения уровня комфортности и надежности могут быть легко дооснащены без привлечения значительных затрат частотными преобразователями.

Одним из наиболее эффективных решений задачи обеспечения комфортного водоснабжения загородного дома является применение преобразователей частоты ERMANGIZER, разработанных и выпускаемых ООО КБ «АГАВА» (г.Екатеринбург).

Рис. 1. Система водоснабжения ERMANGIZER с погружным насосом
и частотным регулированием

Комплект оборудования ERMANGIZER (рис. 1), включающий в себя также преобразователь давления с токовым выходным сигналом 4-20 мА (совмещенный с манометром или с отдельным манометром), обеспечивает:

стабильный напор воды в кранах, душе, поливочных системах;
плавный пуск и остановку насоса, его защиту от сухого хода, что в несколько раз увеличивает его ресурс и исключает перегрузку электрической сети, механические удары в электродвигателе и насосе и гидроудары в системе;
возможность уменьшения емкости гидроаккумулятора до 5-8 л, вследствие чего исключаются неприятные запахи и загрязнение воды из-за ее застоя;
система сигнализирует о протечках в системе водоснабжения (функция «стоп протечка»);
гарантированный запуск холодного насоса (функция «смарт старт»);
экономию электроэнергии за счет работы насоса на пониженных частотах и наличия режима «Stand By».

Система ERMANGIZER отличается простотой монтажа и относительно низкой стоимостью.

Рис. 2. Система ERMANGIZER PLUS

Логическим развитием системы ERMANGIZER стал комплект оборудования ERMANGIZER PLUS (рис. 2), который, кроме обеспечения энергоэффективного и комфортного водоснабжения, позволяет решить задачи по управлению теплоснабжением в загородном доме, а при необходимости, также повысить качество потребляемой электроэнергии или подключить источник резервного электропитания.

Система ERMANGIZER PLUS обеспечивает:

управление скважинным насосом;
управление отопительным оборудованием;
управление резервным электропитанием.

Преимущества системы при водоснабжении описаны выше. При теплоснабжении загородного дома она также дает возможность:

дистанционного управления режимами работы отопительного оборудования по каналу сотовой связи;
автоматического контроля состояния отопительного оборудования загородного дома и оповещения его владельца с использованием систем мобильной связи, при помощи СМС.
В части электроснабжения система ERMANGIZER PLUS позволяет в автоматическом режиме:
приводить параметры напряжения питания к норме, исключая выход из строя установленного электрооборудования;
подключать устройства резервного электропитания при перебоях сетевого энергоснабжения.

Рис. 3. Функциональная схема системы ERMANGIZER PLUS

Функциональная схема системы ERMANGIZER PLUS представлена на рис. 3.

В состав комплекта оборудования системы ERMANGIZER PLUS входят:

Как работает система ERMANGIZER PLUS?

Комфортное теплоснабжение дома обеспечивается контроллером со встроенным GSM модемом, который поддерживает температуру в доме на уровне, задаваемом дистанционно с помощью SMS. При этом контроллер сравнивает текущую температуру с заданной и, при необходимости, регулирует режимы работы котла.

Параметры электропитания поддерживаются на требуемом уровне при помощи стабилизатора напряжения. При этом, в случае пропадания напряжения сети, контроллер автоматически запускает в работу источник резервного питания и по GSM связи информирует об этом пользователя. В качестве резервного источника, по желанию заказчика, могут применяться: инвертор с батареей аккумуляторов, газовый, бензиновый или дизельный генераторы.

В соответствии с концепцией разработчиков, получившей название "Автоматизации инфраструктуры загородного дома", система ERMANGIZER PLUS представляет собой разумную альтернативу избыточному и дорогостоящему "Умному дому" [4]. В соответствии с данной идеей загородный дом должен быть оснащен системой, в достаточной мере обеспечивающей его жизнедеятельность и комфортность проживания в нем. Основной принцип такой концепции: "Ничего лишнего, только самое необходимое!"

В статье рассказывается о достоинствах системы водоснабжения, построенной на основе применения частотного преобразователя ERMANGIZER, который был создан КБ «АГАВА» для дачных домов, ферм, ангаров и небольших промышленных предприятий.

Кто не мечтает иметь свой дом на природе? Наверное, многим бы хотелось жить с чувством собственной земли, стен, покоя и тишины. Это, конечно, заманчиво, однако хорошо бы получить всю эту благодать, но только без необходимости таскать ведрами воду из колодца или стирать руками белье. Частный домик на берегу лесного озера, но снабженный всеми благами цивилизации, облегчающими жизнь, - вот чего по большей части хотят люди. И в сегодняшней России это желание вовсе не является несбыточной мечтой. Строительство коттеджей и особняков в наших пригородах идет быстрыми темпами. Повсюду вырастают красивые, крепкие, добротные домики, радующие глаз приятным обликом и сердце - ощущением достатка. И каждый хозяин нового жилища старается оборудовать его водопроводом, канализацией, отоплением и подключением к сети Интернет. А фермеры? Ведь для того чтобы выращивать овощи в теплицах или разводить скот, тоже требуется отопление, свет и водоснабжение.

В городе за всю систему коммунальных услуг отвечают городские службы. Но за городом хозяину дома приходится многое обустраивать самому, в том числе и систему водоснабжения. Пробурив скважину, подключив насос, поставив гидроаккумулятор, хозяин сам контролирует работу водопроводной системы, прекрасно зная все ее слабые места.

Например, вода в гидроаккумуляторе имеет обыкновение застаиваться, приобретая затхлый запах. Другая неприятность - «скачет» напор. Если ты один поливаешь грядки, вода из шланга льется хорошо, но стоит кому-нибудь открыть другой кран, подключенный к той же системе водоснабжения, как напор падает, вода начинает сочиться хилой струйкой, даже может почти исчезнуть. При этом насос быстро изнашивается, и электричества он потребляет много.

В этой статье рассматривается применение преобразователя частоты и регулятора напряжения для решения задачи управления системой загородного водоснабжения. Статья является продолжением статьи «Регулятор напряжения для плавного регулирования мощности на нагрузке», в которой описано что такое «регулятор напряжения», рассмотрена конструкция, приведены схемы подключения.

В качестве объекта автоматизации был выбран дом в загородном коттеджном поселке, подсоединенный к центральному водоснабжению. Основным недостатком центральной системы водоснабжения в поселке является непостоянство давления воды, в очень широком диапазоне 0.5-1.8 атм., что само собой недостаточно для того, чтобы комфортно принять душ или для полива всего приусадебного участка одновременно.

Заказчиком было предложено модернизировать текущую систему водоснабжения, сделать эффективную систему регулирования выходного давления в коттедже и автоматизировать систему полива приусадебного участка. В качестве задания были выдвинуты следующие условия:

уровень выходного давления в коттедже должен плавно регулироваться в диапазоне от 2.0 до 4.0 атм.;

давление воды должно быть стабильным и не должно зависеть от расхода воды в коттедже и от уровня входного давления;

должна быть предусмотрена защита от «сухого» хода насоса;

система полива должна автоматически обеспечивать водой до 6 разбрызгивателей, распределенных по территории участка;

система должна иметь возможность параметрирования и управления с переносного сенсорного пульта по радиоканалу;

должна быть предусмотрена возможность удаленного мониторинга и управления через интернет;

система должна обеспечивать энерго- и ресурсосбережение;

В общем, систему можно разделить на три части:

систему водоснабжения и стабилизации уровня выходного давления;

систему полива участка;

систему мониторинга и управления, в том числе и удаленного .

Система водоснабжения и стабилизации выходного давления изображена на рисунке 1. В ней применен центробежный насос (5), увеличивающий давление на выходе системы (Pтек) при необходимом расходе воды и изменяющемся значении входного давления (Pвх). Система также состоит из вентиля, подводящего воду (1), аналогового датчика входного (2) и выходного (6) давления, обратного клапана (3), распределительной арматуры (4), гидроаккумулятора (8) и преобразователя частоты (ПЧ) (7), который делает возможной работу двигателя насоса с разной частотой вращения.

Рис. 1. Водоснабжение и регулирование давления (для увеличения нажмите на рисунок)

Сигналы, приходящие с датчиков входного и выходного давления, заводятся прямо в ПЧ через модуль аналогового ввода. Программное обеспечение для регулирования давления прошито в ПЧ, в общем случае, может функционировать без дополнительных периферийных устройств. Однако, в нашем случае, все частные объекты объединены в единую сеть с радиоуправляемым пультом с сенсорной панелью, для улучшения эффективности и удобства управления всей системой.

Система полива изображена на рисунке 2. Она специально разработана для российских условий эксплуатации, максимально проста и удобна. Система состоит из летнего водопровода (3), проложенного вдоль всего участка. Через электромагнитные соленоидные клапаны (4) вода по гибким шлангам, поступает к обычным переносным системам полива. Всего в системе применено 6 электромагнитных клапанов и гибких подводок. Для «зимнего» отключения служат вентили подвода воды (1) и слива (2). Электромагнитные клапаны управляются многоканальным интеллектуальным регулятором напряжения (МИРН) (5) от сети переменного тока.

Программное обеспечение и алгоритмы полива зашиты, непосредственно в МИРН и могут работать автономно. Как и в предыдущем случае, все системы объединены в единую сеть с пультом. Для вычисления уровня влажности почвы в системе применен аналоговый датчик влажности (6). Он подключен к МИРН через модуль аналогового входа и необходим для правильного определения продолжительности и объема воды, необходимых для полива участка.

Рис. 2. Система полива (для увеличения нажмите на рисунок)

Общая схема системы мониторинга и управления изображена на рисунке 3. На рисунке представлены все устройства, внедренные в систему управления: преобразователь частоты (ПЧ) (1), многоканальный интеллектуальный регулятор напряжения (МИРН) (2), микроконтроллер управления (МКУ) (3) и пульт дистанционного управления (4). ПЧ, МИРН и МКУ объединены в CAN-сеть.

Рис. 3. Система мониторинга и управления (для увеличения нажмите на рисунок)

МКУ служит для управления и раздачи заданий контроллерам, отвечающим за водоснабжение (в ПЧ) и полив (в МИРН), а также для ввода-вывода необходимой информации на пульт управления через беспроводную сеть WI-FI. Пульт дистанционного управления работает через WEB-интерфейс с управлнием по сети интернет и может быть перенесен в любое место. В качестве пульта дистанционного управления был применен обычный сенсорный планшетный компьютер с интегрированным модулем WI-FI.

Особенно хочется отметить, что при реализации этой системы применены ресурсо- и энергосберегающие технологии. МКУ с модулем часов реального времени (ЧРВ) имеет режимы «дневной-ночной». Есть специальные режимы «нет хозяина» и «экономия воды».

Использование ПЧ для управления водным циркуляционным насосом позволило устранить броски тока при пуске двигателя и стабилизировать значение давления воды в загородном доме при разных показателях входных давлений и расходах воды. Данное решение позволило сэкономить 40% воды и 60% электроэнергии по сравнению с традиционным способом управления.

Читайте также: