Falownik do pompy głębinowej - jak działa i jak dobrać odpowiedni model?

Falownik do pompy głębinowej pozwala płynnie zmieniać prędkość obrotową silnika, a wraz z nią wydajność pompy i ciśnienie w instalacji. Takie rozwiązanie spotyka się zarówno w domowych instalacjach wodnych, jak i w bardziej rozbudowanych układach przemysłowych. Szczególnie dobrze sprawdza się tam, gdzie zużycie wody mocno zmienia się w ciągu dnia. Prawidłowo dobrany falownik może ograniczyć częste załączanie pompy, zmniejszyć uderzenia hydrauliczne i pomagać w utrzymaniu stałego ciśnienia. Nie oznacza to jednak, że każdy falownik będzie pasował do każdej pompy. Znaczenie mają parametry silnika, sposób jego chłodzenia, charakterystyka pompy, a nawet długość przewodu prowadzącego do studni.

Czym jest falownik do pompy głębinowej?

Falownik, czyli przemiennik częstotliwości, jest urządzeniem elektronicznym służącym do regulacji prędkości obrotowej silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości zasilania. W przypadku pompy głębinowej oznacza to możliwość zmiany jej wydajności i wysokości podnoszenia bez konieczności ciągłego włączania i wyłączania silnika.

W prostym układzie hydroforowym pompa po uruchomieniu pracuje z pełną prędkością, aż ciśnienie osiągnie wartość ustawioną na wyłączniku. Później zatrzymuje się i czeka na kolejny spadek ciśnienia. Falownik zmienia ten sposób pracy. Gdy pobór wody jest mały, pompa może pracować wolniej. Kiedy zapotrzebowanie rośnie, jej obroty są zwiększane.

Trzeba przy tym rozróżnić falownik od samego regulatora ciśnienia. Przemiennik steruje silnikiem, natomiast informację o aktualnym ciśnieniu otrzymuje najczęściej z przetwornika zamontowanego w instalacji. Dopiero połączenie tych elementów umożliwia automatyczne utrzymywanie ustawionej wartości.

Jak działa falownik z pompą głębinową?

Najłatwiej wyobrazić sobie taki układ na prostym przykładzie. Jeżeli w domu zostanie otwarty jeden kran, zapotrzebowanie na wodę jest niewielkie i pompa nie musi pracować z pełną wydajnością. Gdy jednocześnie uruchomiony zostanie prysznic i podlewanie ogrodu, ciśnienie zacznie spadać. Falownik wykryje tę zmianę i zwiększy prędkość silnika.

Przetwornik ciśnienia
Mierzy ciśnienie w instalacji i przekazuje jego aktualną wartość do falownika. W układach z regulacją PID wartość zmierzona jest cały czas porównywana z wartością zadaną.

Falownik
Na podstawie otrzymanego sygnału zwiększa lub zmniejsza częstotliwość zasilania silnika. W ten sposób reguluje jego prędkość obrotową.

Silnik pompy
Reaguje na zmianę częstotliwości, zwiększając lub zmniejszając prędkość. Razem z obrotami zmieniają się również parametry pracy części hydraulicznej pompy.

Pompa głębinowa
Dostarcza do instalacji ilość wody odpowiadającą aktualnemu zapotrzebowaniu, oczywiście w granicach swoich możliwości.

Powstaje w ten sposób zamknięta pętla regulacji. Pobór wody zmienia ciśnienie, przetwornik przekazuje informację do falownika, a ten koryguje obroty pompy. Wszystko odbywa się automatycznie.

Stałe ciśnienie w instalacji dzięki falownikowi

To właśnie możliwość utrzymywania bardziej stabilnego ciśnienia jest jednym z najczęstszych powodów montowania falownika przy pompie głębinowej. W instalacji ze zwykłym wyłącznikiem ciśnieniowym różnica pomiędzy ciśnieniem załączenia i wyłączenia jest naturalną cechą układu. Można ją czasami wyraźnie odczuć podczas korzystania z prysznica albo jednoczesnego pobierania wody w kilku miejscach.

Przy sterowaniu falownikiem reakcja jest płynniejsza. Spadek ciśnienia powoduje zwiększenie obrotów pompy, a zmniejszenie poboru wody pozwala je ponownie ograniczyć.

Dlatego przy projektowaniu takiego układu trzeba patrzeć szerzej niż tylko na sam przemiennik. Liczą się parametry pompy, poziom lustra wody, różnica wysokości, długość i średnica przewodów oraz wymagany przepływ.

Jak dobrać falownik do pompy głębinowej?

Najprostszy błąd to dobranie falownika wyłącznie według mocy silnika podanej w kW. Moc oczywiście ma znaczenie, ale równie ważny jest prąd znamionowy silnika. To właśnie on mówi wiele o rzeczywistym obciążeniu, z którym będzie musiał poradzić sobie przemiennik.

Jeżeli celem jest automatyczne utrzymywanie ciśnienia, warto również sprawdzić, czy falownik ma wejście do współpracy z przetwornikiem ciśnienia i odpowiedni regulator. W praktycznych układach pompowych bardzo często wykorzystuje się w tym celu regulację PID.

Pompa jednofazowa czy trójfazowa - czy ma to znaczenie?

Ma i to duże. Typowy falownik jest przeznaczony przede wszystkim do sterowania silnikiem trójfazowym. Nawet jeśli sam przemiennik jest zasilany z jednej fazy, na jego wyjściu może pojawiać się napięcie trójfazowe przeznaczone do zasilania odpowiedniego silnika.

Inaczej wygląda sytuacja ze zwykłą pompą jednofazową wyposażoną w kondensator rozruchowy lub roboczy. Nie należy jej automatycznie podłączać do dowolnego falownika. Konstrukcja silnika i układu kondensatorowego może nie być przystosowana do takiego sposobu regulacji.

Jeżeli instalacja od początku ma pracować ze zmienną prędkością, wygodnym rozwiązaniem jest pompa z odpowiednim silnikiem trójfazowym. Dostępne są także specjalne sterowniki przeznaczone do wybranych pomp jednofazowych, ale w takim przypadku trzeba trzymać się zaleceń producenta.

Jeszcze inaczej wygląda sterowanie silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi. Tutaj konieczny może być falownik obsługujący właśnie taki typ silnika i odpowiedni algorytm sterowania.

Minimalna częstotliwość pracy pompy głębinowej

Możliwość ustawienia bardzo niskiej częstotliwości na falowniku nie oznacza jeszcze, że pompa może przy niej bezpiecznie pracować. To dość istotna różnica.

Silnik pompy głębinowej jest chłodzony wodą przepływającą wokół jego obudowy. Kiedy obroty są mocno ograniczone, spada również wydajność pompy, a tym samym przepływ chłodzący silnik może być mniejszy. W skrajnym przypadku pogarsza to odprowadzanie ciepła.

Dochodzi do tego sama część hydrauliczna pompy. Zbyt dalekie zejście z prędkością może oznaczać pracę poza zakresem, dla którego urządzenie zostało zaprojektowane.

Nie istnieje więc jedna uniwersalna wartość minimalnej częstotliwości dla wszystkich pomp głębinowych. Trzeba sprawdzić dokumentację konkretnego silnika i pompy.

Długi przewód między falownikiem a pompą

W przypadku pompy głębinowej falownik najczęściej znajduje się na powierzchni, natomiast silnik pracuje kilkanaście, kilkadziesiąt, a czasem znacznie więcej metrów niżej. Długość przewodu nie jest tu szczegółem, który można pominąć.

Napięcie na wyjściu falownika nie ma takiego przebiegu jak napięcie bezpośrednio z sieci. Tranzystory mocy bardzo szybko przełączają napięcie, a przy długim przewodzie zaczynają mieć znaczenie jego parametry elektryczne. Na zaciskach silnika mogą wtedy pojawiać się większe wartości szczytowe napięcia.

W zależności od długości przewodu, rodzaju falownika i silnika może być potrzebny filtr dU/dt, filtr sinusoidalny lub inne rozwiązanie ograniczające niekorzystne zjawiska na wyjściu przemiennika.

Warto więc sprawdzić w dokumentacji, jaką maksymalną długość przewodu silnikowego dopuszcza producent i od jakiej odległości zaleca dodatkowe elementy filtrujące. Przy pompie umieszczonej głęboko w studni może mieć to realny wpływ na trwałość izolacji uzwojeń.

Jakie zabezpieczenia powinien mieć układ?

W instalacji pompowej falownik może robić znacznie więcej niż tylko zmieniać obroty. W zależności od modelu potrafi również kontrolować podstawowe parametry pracy i reagować na sytuacje, które mogłyby skończyć się awarią.

Ochrona przed przeciążeniem
Falownik kontroluje prąd silnika. Jeżeli ustawione wartości zostaną przekroczone przez określony czas, może zatrzymać napęd i zgłosić błąd.

Ochrona przed suchobiegiem
Pompa pracująca bez odpowiedniej ilości wody może ulec uszkodzeniu. Suchobieg można wykrywać za pomocą osobnych czujników albo, w niektórych sterownikach, pośrednio na podstawie zmian parametrów pracy silnika.

Kontrola ciśnienia
Układ może reagować zarówno na nadmierny wzrost ciśnienia, jak i na sytuację, w której mimo pracy pompy wymagane ciśnienie nie zostaje osiągnięte.

Łagodny rozruch i zatrzymanie
Silnik nie musi od razu przechodzić na pełne obroty. Kontrolowane rozpędzanie i hamowanie ogranicza gwałtowne zmiany momentu, a po stronie hydraulicznej może zmniejszyć ryzyko uderzeń ciśnienia.

Kontrola napięcia i prądu
Przemiennik może wykrywać część nieprawidłowości związanych z zasilaniem albo przeciążeniem silnika i zatrzymać układ zanim problem stanie się poważniejszy.

Czy falownik zmniejsza zużycie energii?

Może, ale nie w każdej instalacji efekt będzie taki sam. Najwięcej można zyskać wtedy, gdy pompa przez dużą część czasu nie musi pracować z pełną wydajnością.

Dla pomp odśrodkowych obowiązują tzw. prawa podobieństwa. W uproszczeniu przepływ zmienia się proporcjonalnie do prędkości obrotowej, wysokość podnoszenia w przybliżeniu do jej kwadratu, a zapotrzebowanie na moc do trzeciej potęgi prędkości. Zmniejszenie obrotów może więc wyraźnie ograniczyć pobór mocy.

Przy pompie głębinowej nie można jednak na tej podstawie od razu wyliczać prostych procentowych oszczędności. Pompa nadal musi pokonać różnicę wysokości pomiędzy lustrem wody a miejscem odbioru. Ta część wymaganej wysokości podnoszenia pozostaje niezależnie od obrotów.

Jeżeli układ przez większość czasu wymaga pracy blisko pełnej wydajności, oszczędność może być stosunkowo mała. Inaczej będzie w instalacji, w której zapotrzebowanie na wodę często i mocno się zmienia.

Zalety i wady falownika do pompy głębinowej

Falownik daje więcej możliwości niż klasyczny zestaw z wyłącznikiem ciśnieniowym, ale nie jest rozwiązaniem pozbawionym wad. W prostych instalacjach część tych możliwości może zwyczajnie nie być potrzebna.

Najważniejsze zalety

• bardziej stabilne ciśnienie w instalacji,
• płynna regulacja wydajności pompy,
• łagodniejszy rozruch i zatrzymywanie silnika,
• mniejsza liczba częstych załączeń i wyłączeń,
• możliwość ograniczenia zużycia energii przy zmiennym zapotrzebowaniu,
• łatwiejsza współpraca z czujnikami i automatyką,
• dodatkowe funkcje diagnostyczne i zabezpieczające.

Najważniejsze ograniczenia

• wyższy koszt wykonania instalacji,
• konieczność prawidłowego dopasowania falownika do silnika,
• ograniczenia minimalnej prędkości związane m.in. z chłodzeniem silnika,
• większa złożoność całego układu,
• możliwa potrzeba zastosowania filtrów przy długich przewodach,
• brak możliwości sterowania zwykłym falownikiem niektórymi rodzajami silników pomp.

Kiedy warto zastosować falownik do pompy głębinowej?

Najwięcej sensu ma tam, gdzie pobór wody jest zmienny. W domu może to być instalacja, w której raz działa tylko jeden kran, a chwilę później równocześnie pracuje prysznic, podlewanie ogrodu i inne punkty poboru.

Falowniki stosuje się także w systemach nawadniających, gospodarstwach, zakładach przemysłowych czy bardziej rozbudowanych instalacjach zaopatrzenia w wodę. Szczególnie przydają się tam, gdzie ważne jest utrzymanie określonego ciśnienia mimo dużych zmian przepływu.

Nie oznacza to, że warto montować je zawsze. Jeśli pompa pracuje rzadko, jej wydajność jest dobrze dobrana, a niewielkie wahania ciśnienia nie przeszkadzają użytkownikom, klasyczny zestaw hydroforowy może być prostszy i tańszy.

Przed zakupem warto więc zajrzeć do tabliczki znamionowej silnika i dokumentacji pompy. Potrzebne będą informacje o napięciu, prądzie, mocy, wymaganym przepływie, ciśnieniu i dopuszczalnym zakresie pracy. Przy pompie głębinowej dochodzi jeszcze długość przewodu oraz sposób chłodzenia silnika w studni. Instalację i konfigurację urządzeń pracujących przy napięciu sieciowym powinna wykonać osoba posiadająca odpowiednie kwalifikacje.

Falownik może wyraźnie poprawić pracę instalacji z pompą głębinową, ale jego największą zaletą nie zawsze będzie niższy rachunek za energię. Często ważniejsze okazują się stabilne ciśnienie, spokojniejsza praca pompy, mniejsza liczba rozruchów i możliwość lepszego kontrolowania całego układu. Dobry efekt pojawia się wtedy, gdy falownik, silnik, pompa i instalacja hydrauliczna zostały potraktowane jako jeden system, a nie jako kilka przypadkowo połączonych urządzeń.