Техническое задание
Представьте следующую ситуацию:
у вас имеется насосная станция повышения давления холодной воды (ХВС), оснащенная тремя насосами,
которыми управляет щит автоматики Wilo-ER 3.
Внезапно этот щит выходит из строя. Несмотря на наличие воды, напряжения и рабочих насосов, они почему-то не запускаются и не поднимают давление воды до заданных значений.
Теперь представьте, что вы - обычный электрик, а не электронщик, работающий в каком-нибудь отдаленном поселке или небольшом городе. Мастеров, которые могли бы починить этот щит, поблизости нет, а люди просят воду. Что делать?
Лучший, на мой взгляд, способ решения поставленной задачи - частотные преобразователи
Первая мысль, которая пришла мне в голову: а почему бы не заказать в магазине частотные преобразователи с установкой и наладкой? Преобразователей должно быть как минимум два. Если один насос не способен поддерживать заданное давление из-за большого водоразбора, второй насос будет включаться в работу, что позволит обеспечивать необходимое давление в системе. Кроме того, насосы смогут чередоваться в работе, что обеспечит более равномерное использование их ресурса.
Этот современный способ управления насосами позволит более четко и стабильно поддерживать заданное давление в системе.
Краткий принцип работы старой системы
Старая система допускала колебания выходного давления в определенных пределах: когда давление падало ниже допустимого, насосы запускались по очереди на 100% своей мощности и работали до тех пор, пока давление не поднималось до установленного значения, после чего отключались также по очереди.
Чтобы этот процесс происходил более плавно, в систему был установлен гидроаккумулятор.
Однако у этого устройства есть свои недостатки. Пока гидроаккумулятор новый, он может прослужить несколько лет - от 3 до 5 лет. Но если он выходит из строя, то ремонта хватает всего примерно на один год. При этом новый гидроаккумулятор хорошей емкости стоит немалых денег.
Главный минус решения задачи при помощи частотников
Решение задачи с использованием частотных преобразователей имеет свои недостатки. Хотя частотники позволяют более точно поддерживать давление в системе и устраняют необходимость в большом гидроаккумуляторе, в 2025 году мне озвучили цену на два таких устройства - 140 000 рублей. И это только стоимость самих частотников, без учета работ по монтажу и наладке! Соответственно, небольшой многоквартирный дом на 90 квартир не был готов к таким расходам и попросил восстановить работу насосной станции финансово более доступным способом.
Первые шаги по восстановлению работы насосной станции
Чтобы быстро и недорого восстановить работу насосной станции, в первую очередь я собрал схему управления одним насосом на основе обычного механического реле давления. Поскольку насосы в станции были трёхфазными, в схему я добавил контактор и тепловое реле. Насос забирал воду из накопительной ёмкости,
поэтому для защиты от сухого хода я использовал уже имеющийся поплавок. Чтобы не коммутировать напрямую через поплавок 230 В, я установил дополнительное реле уровня жидкости. Так была реализована простейшая временная схема.
Достоинства:
- Низкая стоимость и оперативность сборки (подача воды была восстановлена в течение часа);
- Высокая ремонтопригодность - диагностика и устранение поломок силами обычного электрика.
Недостатки:
- Необходимость гидроаккумулятора большой ёмкости;
- Поддержание давления с перепадом около 1 бар;
- Работа «на износ» только одного из трёх насосов.
Несмотря на успешное восстановление водоснабжения, возникла потребность в дальнейшем развитии системы. Жильцы обратились с просьбой о внедрении бюджетной и простой системы, способной задействовать все три насоса для равномерной выработки их ресурса. Кроме того, при пиковом водоразборе производительности одного насоса могло быть недостаточно для обеспечения стабильной подачи воды с заданным давлением.
Простейший вариант организации чередования включения насосов
Рассмотрим простейший способ организации чередования работы насосов. Это использование обычного механического таймера с розеткой и промежуточного реле с перекидным контактом, либо двух таймеров.
Два отдельных таймера подойдут, если насосы рассчитаны на 220 В и подключаются к обычным розеткам. Однако, для насосов на 380 В предпочтительнее использовать один таймер и промежуточное реле с перекидным контактом.
Суть метода заключается в настройке таймера (или таймеров) для переключения насосов через заданный интервал времени (например, каждый час или реже, вплоть до 12 часов). Во время работы одного насоса, второй находится в режиме ожидания, затем они меняются ролями.
Однако, я бы не рекомендовал устанавливать 12-часовой интервал чередования. Дело в том, что насос, работающий в ночное время, будет менее загружен и, следовательно, его ресурс будет расходоваться медленнее. Хотя можно настроить таймеры так, чтобы каждый насос работал часть дня и часть ночи, механические таймеры сбрасывают настройки при отключении электроэнергии. В результате, один насос может начать работать преимущественно днем, а другой – ночью.
Организация поочередного включения насосов
В итоге была разработана схема, позволяющая чередовать работу насосов таким образом, чтобы они включались попеременно. Я посчитал, что такой подход обеспечит наиболее равномерную выработку ресурса насосов. Для реализации этой схемы потребовались всего три промежуточных реле и две приставки с дополнительными контактами к контакторам.
Вот такая схема получилась:
Принцип работы:
Алгоритм поочередного включения насосов 1 и 2
ФАЗА 1. (Первое включение)
При первом срабатывании реле давления РД (после подачи питания на схему управления) все промежуточные реле находятся в отключенном состоянии. Соответственно, через нормально замкнутый перекидной контакт ПР1.1 промежуточного реле ПР1 включается контактор насоса 1 (КМ1).
Запускается насос 1. При этом замыкается вспомогательный контакт КМ1.5 и размыкается вспомогательный контакт КМ1.6 контактора КМ1.
Через контакт КМ1.5 активируется промежуточное реле ПР2.
Замыкается контакт ПР2.1, обеспечивая самоподхват реле ПР2. Также замыкается контакт ПР2.2.
Разомкнутый контакт КМ1.6 блокирует включение реле ПР1.
ФАЗА 2. (Остановка насоса 1 и подготовка к запуску насоса 2)
После достижения заданного давления реле давления РД срабатывает, размыкая свои контакты. В результате отключается контактор КМ1, и насос 1 останавливается.
Размыкается контакт КМ1.5 и замыкается контакт КМ1.6, что инициирует включение реле ПР1.
Переключается перекидной контакт ПР1.1. Замыкается контакт ПР1.2, обеспечивая самоподхват реле ПР1.
Размыкается контакт ПР1.3, что приводит к отключению реле ПР2.
Контакты ПР2.1 и ПР2.2 размыкаются.
ФАЗА 3. (Запуск насоса 2)
При снижении давления в системе (вследствие водоразбора) реле давления РД срабатывает, замыкая свои контакты.
Поскольку реле ПР1 включено и его перекидной контакт ПР1.1 находится в другом положении, запускается контактор насоса 2 (КМ2).
Запускается насос 2. При этом замыкается вспомогательный контакт КМ2.5 (подключенный параллельно контакту ПР1.2) и вспомогательный контакт КМ2.6 контактора КМ2.
Активируется реле ПР3, и его контакт ПР3.1 размыкается. Реле ПР1 удерживается во включенном состоянии через контакт КМ2.5.
ФАЗА 4. (Остановка насоса 2 и сброс схемы)
После достижения заданного давления реле давления РД срабатывает, размыкая свои контакты. В результате отключается контактор КМ2, и насос 2 останавливается.
Размыкаются контакты КМ2.5 и КМ2.6. Реле ПР1 и ПР3 отключаются.
Замыкаются контакты ПР3.1 и ПР1.3. Размыкается контакт ПР1.2. Перекидной контакт ПР1.1 возвращается в исходное состояние.
Таким образом, схема возвращается в исходное состояние (аналогичное состоянию после подачи питания, когда все реле отключены). При следующем срабатывании реле давления РД цикл повторяется с Фазы 1.
Несмотря на возможные сомнения в реализуемости данной схемы, её работоспособность подтверждена на практике: она уже собрана, успешно протестирована и смонтирована на объекте.
Видеодемонстрация тестирования работоспособности схемы доступна по ссылке: https://dzen.ru/video/watch/68ebdc48745881321c16f0bc
Организация включения насоса 3
При включении насоса 1 или 2 (через соответствующие контакторы) замыкаются их вспомогательные контакты КМ1.4 или КМ2.4. Эти контакты подают питание на реле задержки включения RV-01.
На реле RV-01 устанавливается необходимое время задержки, которое может быть скорректировано в соответствии с условиями эксплуатации. В моем случае, методом проб и ошибок было установлено оптимальное время в 1,5 минуты.
Если в течение этого времени (1,5 минуты) работающий насос (1 или 2) не сможет поднять давление в системе до заданного уровня, это свидетельствует о значительном водоразборе, для удовлетворения которого производительности одного насоса недостаточно. По истечении установленной задержки (1,5 минуты) замыкается контакт RV-01.1, который активирует контактор КМ3, запуская насос 3.
При достижении заданного давления работающий контактор (КМ1 или КМ2) отключается. Это снимает питание с реле задержки RV-01. В результате его контакт RV-01.1 размыкается, что приводит к прекращению работы контактора КМ3 и, соответственно, насоса 3.
Если же водоразбор незначителен, и давление в системе достигает заданного уровня до истечения установленной задержки RV-01, то насос 3 не активируется.
Защита.
Защита электродвигателей насосов обеспечивается тепловыми реле. Их нормально замкнутые контакты включены в цепи управления соответствующими контакторами. При возникновении нештатных ситуаций, таких как перегрузка (например, вследствие заклинивания насоса) или обрыв фазы, тепловые реле сработают, размыкая свои контакты и отключая контактор защищаемого насоса.
В схеме управления также предусмотрены четыре автоматических выключателя (автомата):
- QF1 - вводной трехполюсный автоматический выключатель, предназначенный для полного обесточивания щита.
- QF2 - однополюсный автоматический выключатель, обеспечивающий защиту цепей управления.
- QF3 - однополюсный автоматический выключатель, позволяющий отключить функцию чередования насосов 1 и 2. В этом случае будет работать только насос 1.
- QF4 - однополюсный автоматический выключатель, предназначенный для отключения цепи управления насосом 3.
Что можно ещё добавить в эту схему
В целях дальнейшего совершенствования системы возможно включение таких элементов, как реле контроля фаз. Оно обеспечит более оперативное отключение насосов при потере фазы (по сравнению с тепловыми реле) и контроль правильности фазировки, что предотвратит обратное вращение и связанное с ним падение производительности.
Дополнительно, через нормально разомкнутые контакты тепловых реле может быть организована световая и/или звуковая сигнализация аварий.
Однако, исходя из первоначальной задачи по минимизации затрат, в текущей реализации применены только минимально необходимые защитные устройства.
Приложение: Перечень необходимых материалов для сборки щита
Важное примечание: Указанные в списке цены являются ориентировочными и могут существенно отличаться. Это зависит от региона приобретения, поставщика и актуальной рыночной ситуации на момент покупки.