Analyse de solutions techniques : démarreurs progressifs, variateur de fréquence ou circuit de commande en parallèle pour pompes centrifuges. Pourquoi avez-vous besoin d'un démarrage progressif de la pompe ? Démarrage en douceur de la pompe de puits
Appareil démarrage progressif - un dispositif électrique utilisé dans les moteurs électriques asynchrones, qui permet de maintenir les paramètres du moteur (courant, tension, etc.) dans des limites de sécurité lors du démarrage. Son utilisation réduit les courants de démarrage, réduit le risque de surchauffe du moteur, élimine les à-coups dans les entraînements mécaniques, ce qui augmente finalement la durée de vie du moteur électrique.
But
Contrôle du processus de démarrage, de fonctionnement et d'arrêt des moteurs électriques. Les principaux problèmes des moteurs électriques asynchrones sont :
- impossibilité d'adapter le couple moteur au couple résistant,
- haut courant de démarrage.
Lors du démarrage, le couple atteint souvent 150-200 % en une fraction de seconde, ce qui peut entraîner une défaillance de la chaîne cinématique d'entraînement. Dans ce cas, le courant de démarrage peut être 6 à 8 fois supérieur au courant nominal, provoquant des problèmes de stabilité de l'alimentation. Les démarreurs progressifs évitent ces problèmes en faisant accélérer et décélérer le moteur plus lentement. Cela permet de réduire les courants de démarrage et d'éviter les à-coups dans la partie mécanique de l'entraînement ou les chocs hydrauliques dans les canalisations et les vannes lors du démarrage et de l'arrêt des moteurs.
Principe de fonctionnement du démarreur progressif
Le principal problème des moteurs électriques asynchrones est que le couple développé par le moteur électrique est proportionnel au carré de la tension qui lui est appliquée, ce qui crée des secousses brusques du rotor lors du démarrage et de l'arrêt du moteur, ce qui, à son tour, provoque un grand courant induit.
Les démarreurs progressifs peuvent être mécaniques ou électriques, ou une combinaison des deux.
Les dispositifs mécaniques neutralisent directement une forte augmentation du régime moteur, limitant ainsi le couple. Il peut s'agir de plaquettes de frein, de raccords hydrauliques, de verrous magnétiques, de contrepoids à grenaille, etc.
Données appareils électriques vous permettent d'augmenter progressivement le courant ou la tension depuis un niveau initial réduit (tension de référence) jusqu'à un maximum afin de démarrer et d'accélérer en douceur le moteur électrique jusqu'à sa vitesse nominale. De tels démarreurs progressifs utilisent généralement des méthodes de contrôle d'amplitude et permettent donc de démarrer des équipements en mode ralenti ou légèrement chargé. Les générations plus modernes de démarreurs progressifs (par exemple, les dispositifs EnergySaver) utilisent des méthodes de contrôle de phase et sont donc capables de démarrer des entraînements électriques caractérisés par des modes de démarrage sévères « nominal à nominal ». De tels démarreurs progressifs permettent de démarrer plus souvent et disposent d'un mode intégré d'économie d'énergie et de correction du facteur de puissance.
Sélection d'un démarreur progressif
Lorsqu'un moteur asynchrone est allumé, un courant de court-circuit apparaît pendant une courte période dans son rotor, dont l'intensité, après avoir pris de la vitesse, diminue jusqu'à la valeur nominale correspondant à la consommation consommée. machine électrique pouvoir. Ce phénomène est aggravé par le fait qu'au moment de l'accélération le couple sur l'arbre augmente brusquement. En conséquence, des dispositifs de protection peuvent se déclencher disjoncteurs, et s'ils ne sont pas installés, alors la panne d'autres appareils électriques connectés à la même ligne. Et dans tous les cas, même si aucun accident ne se produit, lors du démarrage des moteurs électriques, on observe une augmentation de la consommation d'énergie. Pour compenser ou éliminer complètement ce phénomène, des démarreurs progressifs (SFD) sont utilisés.
Comment mettre en œuvre un démarrage progressif ?
Pour démarrer en douceur le moteur électrique et éviter un courant d'appel, deux méthodes sont utilisées :
- Limitez le courant dans l'enroulement du rotor. Pour ce faire, il est constitué de trois bobines connectées en étoile. Leurs extrémités libres mènent à des bagues collectrices (collecteurs) montées sur la tige de l'arbre. Un rhéostat est connecté au collecteur dont la résistance est maximale au moment du démarrage. À mesure qu'il diminue, le courant du rotor augmente et le moteur tourne. De telles machines sont appelées moteurs à rotor bobiné. Ils sont utilisés dans les équipements de grue et comme moteurs électriques de traction pour les trolleybus et les tramways.
- Réduisez la tension et le courant fournis au stator. À son tour, ceci est implémenté en utilisant :
a) autotransformateur ou rhéostat ;
b) des circuits clés à base de thyristors ou de triacs.
Ce sont les circuits clés qui constituent la base de la construction des appareils électriques, généralement appelés démarreurs progressifs ou démarreurs progressifs. A noter que les convertisseurs de fréquence permettent également de démarrer un moteur électrique en douceur, mais ils ne compensent qu'une forte augmentation du couple sans limiter le courant de démarrage.
Le principe de fonctionnement du circuit à clé repose sur le fait que les thyristors sont déverrouillés pendant un certain temps au moment où la sinusoïde passe à zéro. Habituellement dans cette partie de la phase où la tension augmente. Moins souvent - quand ça tombe. En conséquence, une tension pulsée est enregistrée à la sortie du démarreur progressif, dont la forme n'est qu'approximativement similaire à une sinusoïde. L'amplitude de cette courbe augmente à mesure que l'intervalle de temps pendant lequel le thyristor est déverrouillé augmente.
Critères de sélection du démarreur progressif
Par ordre décroissant d'importance, les critères de sélection des appareils sont classés dans l'ordre suivant :
- Pouvoir.
- Nombre de phases contrôlées.
- Retour.
- Fonctionnalité.
- Méthode de contrôle.
- Fonctionnalités supplémentaires.
Pouvoir
Le paramètre principal du démarreur progressif est la valeur I nom - l'intensité du courant pour laquelle les thyristors sont conçus. ça doit être plusieurs fois plus grande valeur le courant traversant le bobinage du moteur, qui a atteint sa vitesse nominale. La fréquence dépend de la gravité du lancement. S'il est léger - machines à couper les métaux, ventilateurs, pompes, le courant de démarrage est trois fois supérieur au courant nominal. Le démarrage difficile est typique des entraînements avec un moment d'inertie important. Il s'agit par exemple de convoyeurs verticaux, de scieries et de presses. Le courant est cinq fois supérieur au courant nominal. Il existe également un démarrage particulièrement difficile qui accompagne le fonctionnement des pompes à piston, des centrifugeuses, scies à ruban... Ensuite, le numéro I du démarreur progressif devrait être 8 à 10 fois plus grand.
La gravité du lancement affecte également le temps nécessaire à son exécution. Cela peut durer de dix à quarante secondes. Pendant ce temps, les thyristors deviennent très chauds car ils dissipent une partie de la puissance électrique. Pour répéter, ils doivent refroidir, ce qui prend le même temps que le cycle de travail. Par conséquent, si le processus technologique nécessite des mises sous et hors tension fréquentes, choisissez un démarreur progressif pour les démarrages lourds. Même si votre appareil n'est pas chargé et prend facilement de la vitesse.
Nombre de phases
Une, deux ou trois phases peuvent être contrôlées. Dans le premier cas, le dispositif atténue davantage l'augmentation du couple de démarrage que celle du courant. Les démarreurs biphasés sont les plus couramment utilisés. Et pour les cas de démarrages lourds et particulièrement difficiles - triphasé.
Retour
SCP peut fonctionner selon un programme donné - augmenter la tension jusqu'à la valeur nominale dans un délai spécifié. C'est la solution la plus simple et la plus courante. Disponibilité retour rend le processus de gestion plus flexible. Les paramètres sont la comparaison de la tension et du couple ou le déphasage entre les courants du rotor et du stator.
Fonctionnalité
Capacité à travailler l'accélération ou le freinage. La présence d'un contacteur supplémentaire, qui contourne le circuit de clé et lui permet de refroidir, et élimine également l'asymétrie de phase due à une violation de la forme sinusoïdale, ce qui entraîne une surchauffe des enroulements.
Méthode de contrôle
Il peut être analogique, en faisant tourner des potentiomètres sur le panneau, et numérique, à l'aide d'un microcontrôleur numérique.
Fonctionnalités supplémentaires
Tous types de protections, mode économie d'énergie, possibilité de démarrage par à-coup, travail à vitesse réduite (régulation pseudo-fréquence).
Un démarreur progressif correctement sélectionné double la durée de vie des moteurs électriques, enregistrejusqu'à 30 pour centélectricité.
Pourquoi avez-vous besoin d'un démarreur progressif ?
De plus en plus, lors du démarrage des entraînements électriques de pompes et de ventilateurs, un dispositif de démarrage progressif (démarreur progressif) est utilisé. A quoi est-ce lié ? Dans notre article, nous essaierons de mettre en évidence ce problème.
Les moteurs à induction sont utilisés depuis plus de cent ans et, au cours de cette période, leur fonctionnement a relativement peu changé. Le démarrage de ces appareils et les problèmes qui y sont associés sont bien connus de leurs propriétaires. Les courants d'appel entraînent des chutes de tension et des surcharges de câblage, entraînant :
certains équipements électriques peuvent s'éteindre spontanément ;
panne possible de l'équipement, etc.
Un démarreur progressif installé, acheté et connecté en temps opportun vous permet d'éviter un gaspillage d'argent inutile et des maux de tête.
Quel est le courant de démarrage
Basé sur le principe de fonctionnement moteurs asynchrones réside le phénomène d’induction électromagnétique. Accumulation inversée force électromotrice(e.m. s), qui est créé en appliquant un changement champ magnétique lors du démarrage du moteur, cela entraîne des processus transitoires dans le système électrique. Ce transitoire peut affecter le système électrique et les autres équipements qui y sont connectés.
Au démarrage, le moteur électrique accélère à plein régime. La durée des transitoires initiaux dépend de la conception de l'unité et des caractéristiques de la charge. Le couple de démarrage doit être le plus élevé et les courants de démarrage doivent être les plus faibles. Ces dernières entraînent des conséquences néfastes pour l'unité elle-même, le système d'alimentation électrique et les équipements qui y sont connectés.
Pendant la période initiale, le courant d'appel peut atteindre cinq à huit fois le courant à pleine charge. Lors du démarrage du moteur électrique, les câbles sont obligés de passer par plus actuel que pendant la période d’état stationnaire. La chute de tension dans le système sera également beaucoup plus importante au démarrage qu'en fonctionnement stable - cela devient particulièrement évident lors du démarrage d'une unité puissante ou grand nombre moteurs électriques en même temps.
Méthodes de protection du moteur
À mesure que l’utilisation des moteurs électriques s’est répandue, surmonter les problèmes de démarrage est devenu un défi. Au fil des années, plusieurs méthodes ont été développées pour résoudre ces problèmes, chacune présentant ses propres avantages et limites.
Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés dans l’utilisation de l’électronique dans le contrôle de puissance des moteurs. De plus en plus, des démarreurs progressifs sont utilisés lors du démarrage des entraînements électriques de pompes et de ventilateurs. Le fait est que l'appareil possède un certain nombre de fonctionnalités.
Une particularité du démarreur est qu'il fournit en douceur une tension aux enroulements du moteur de zéro à la valeur nominale, permettant au moteur d'accélérer en douceur jusqu'à la vitesse maximale. Le couple mécanique développé par un moteur électrique est proportionnel au carré de la tension qui lui est appliquée.
Pendant le processus de démarrage, le démarreur progressif augmente progressivement la tension fournie et le moteur électrique accélère jusqu'à la vitesse de rotation nominale sans grand moment et les pointes de courant.
Types de démarreurs progressifs
Aujourd'hui, pour le démarrage en douceur des équipements, trois types de démarreurs progressifs sont utilisés : à une, deux et toutes phases contrôlées.
Le premier type est utilisé pour moteur monophasé pour fournir une protection fiable contre les surcharges, la surchauffe et réduire l'influence des interférences électromagnétiques.
En règle générale, le deuxième type de circuit comprend un contacteur de dérivation en plus de la carte de commande à semi-conducteur. Une fois que le moteur a atteint la vitesse nominale, le contacteur de dérivation est activé et fournit une tension continue au moteur.
Le type triphasé est la solution la plus optimale et la plus avancée techniquement. Il permet de limiter l'intensité du courant et du champ magnétique sans déséquilibres de phase.
Pourquoi avez-vous besoin d'un démarreur progressif ?
En raison de leur prix relativement bas, la popularité des démarreurs progressifs gagne du terrain sur le marché industriel et industriel moderne. appareils électroménagers. Un démarreur progressif pour un moteur électrique asynchrone est nécessaire pour prolonger sa durée de vie. Le gros avantage d'un démarreur progressif est que le démarrage s'effectue avec une accélération douce, sans à-coups.
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Tout le monde sait à quel point c’est cool d’avoir un puits à la maison. C'est pratique et efficace tant que rien ne casse. Et les problèmes se feront tôt ou tard sentir, et selon la loi de la méchanceté, au moment le plus inopportun. Abandonner le puits et creuser un puits n’est pas une option. Il est préférable de prévenir d'éventuels accidents et de s'en protéger à l'avance.
Quelle option d’approvisionnement en eau est la meilleure pour une maison privée ?
L'eau du puits est soulevée par un système spécial pompe de puits profond. Selon la conception de l'approvisionnement en eau, elle est pompée dans un réservoir spécial - un accumulateur hydraulique ou fournie directement à l'approvisionnement en eau.
Un système avec réservoir est plus adapté à une maison privée. Par exemple, pour une famille de 3 à 4 personnes, 70 litres par jour en moyenne suffisent. Pour une telle alimentation en eau, vous aurez besoin : d'un accumulateur hydraulique de 50 litres pour le volume approprié, d'un pressostat et d'une pompe avec une vitesse de pompage de 1 m3/h. Le tout coûtera 100 $.
Mais, pour un hôtel de 12 chambres, cette option n'est pas rentable, car vous aurez besoin d'un réservoir de la taille d'une pièce entière. Un accumulateur hydraulique de 500 litres coûtera 400 $ et occupera beaucoup d'espace utilisable. Il est moins cher et plus efficace d'acheter un convertisseur de fréquence pour 150 à 200 $.
Alimentation en eau avec convertisseur de fréquence
Le convertisseur de fréquence régule la vitesse du moteur électrique en fonction de la pression de l'alimentation en eau. Ça marche comme ça principe:
- Sur conduite d'eau un pressostat est installé connecté au convertisseur de fréquence ;
- Le système est connecté au réseau et le convertisseur de fréquence modifie en douceur les caractéristiques du courant de la pompe ;
- Pour cette raison, il progressivement atteint la vitesse nominale ;
- Lors du remplissage, la pression dans les canalisations augmente et le relais envoie un signal au convertisseur de fréquence, ce qui réduit la vitesse de pompage.
Quels sont les avantages d’un tel système ?
Convivialité
Par exemple, lorsqu’un visiteur prend une douche dans une chambre d’hôtel, la pression dans l’alimentation en eau chute et la pompe tourne plus vite. Lorsque le robinet est ouvert, le moteur électrique tourne à faible vitesse pour empêcher l'eau de s'écouler des tuyaux. Ainsi, si vous dévissez le robinet, il commencera instantanément à couler sous la pression requise.
Sécurité électrique
Lorsqu'il est allumé, chaque moteur électrique consomme 3 à 4 fois plus d'électricité - un courant de démarrage se produit. À l'heure actuelle, la charge du réseau représente respectivement 300 à 400 % de la charge nominale. Le pic dure une fraction de seconde jusqu'à ce que le moteur électrique atteigne sa vitesse normale. Pourquoi est-ce dangereux ?
Retournons à notre hôtel. Pour éviter que les pannes de courant ne privent les visiteurs des avantages de la civilisation, tout propriétaire responsable installera un générateur. Supposons que la puissance de la source de secours soit de 20 kW, dont 10 kW seront immédiatement destinés à l'éclairage, aux climatiseurs, aux prises avec ordinateurs portables, etc.
La puissance de la pompe est de 5 kW, mais comme son courant de démarrage est de 3, elle aura besoin au démarrage des 15 kW. Le générateur ne peut fournir que 10 kW, mais cela ne suffira pas pour le moteur électrique. Une telle charge détruira le générateur et, par conséquent, l'hôtel restera sans lumière ni eau.
Convertisseur de fréquence supprime le courant de démarrage. Si dans l'exemple précédent il y avait un générateur de fréquence, la charge sur le générateur ne dépasserait pas 15 kW et il fonctionnerait en mode sans échec.
Longue durée de vie de la pompe
Le courant d'appel endommage non seulement le réseau, mais également le moteur électrique. A chaque mise sous tension, il fonctionne en mode anormal et résiste brièvement à une charge pour laquelle il n'est pas conçu. Les démarrages et arrêts brusques augmentent l’usure du moteur électrique. Le variateur de fréquence effectue un arrêt en douceur double la durée de vie.
Que se passe-t-il si vous ne protégez pas votre approvisionnement en eau ?
Pour que l’approvisionnement en eau de votre maison soit ininterrompu et efficace, celle-ci doit encore être protégée. Sans aucun doute, la pompe élément principal dans le système, mais peu importe son prix et sa qualité, rien ne peut le sauver d'un court-circuit.
Les accidents se produisent non seulement sous l’eau, mais aussi dans les câbles submersibles et même dans le réseau domestique. Il est difficile de prédire ce qui cassera en premier. Pour éviter de jouer à la loterie, mieux vaut se protéger de tout à la fois.
Il existe de nombreuses raisons de mettre en marche les pompes domestiques via un démarreur progressif.
Généralement, une pompe submersible ou de surface est connectée via un relais électromécanique ou électronique, une unité d'automatisation ou un démarreur magnétique. En tout cas répertoriés la tension secteur est fournie à la pompe en fermant les contacts, c'est-à-dire via une connexion directe. Cela signifie que nous fournissons la pleine tension secteur aux enroulements du stator du moteur électrique et que le rotor ne tourne pas encore à ce moment-là. Ceci conduit à l'apparition d'un couple puissant instantané sur le rotor du moteur de la pompe.
Ce schéma de raccordement se caractérise par les phénomènes suivants lors du démarrage de la pompe :
Le courant monte à travers le stator (et, par conséquent, à travers les fils d'alimentation), car le rotor est en court-circuit.
Dans une compréhension simplifiée, nous avons un court-circuit sur l'enroulement secondaire du transformateur. D'après notre expérience, en fonction de la pompe, du fabricant et de la charge sur l'arbre, le courant de démarrage par impulsion peut dépasser le courant de fonctionnement de 4 à 8 fois, et dans certains cas jusqu'à 12 fois.
Apparition soudaine de couple sur l'arbre.
Cela a un impact négatif sur les enroulements du stator de démarrage et de fonctionnement, les roulements, les joints en céramique et en caoutchouc, augmentant considérablement leur usure et réduisant leur durée de vie.
L'apparition d'un couple brusque sur l'arbre entraîne une rotation brusque du corps de la pompe du puits par rapport au système de canalisation.
Nous avons vu à plusieurs reprises comment, à cause de cela, une pompe de puits s'est déconnectée des pipelines et est tombée dans le puits. Dans le cas d'une station de pompage basée sur une pompe de surface installée sur une plateforme d'accumulateur hydraulique, cela entraîne un desserrage des écrous de fixation et une destruction des points de soudure et des joints de l'accumulateur hydraulique. De plus, lorsque la pompe est allumée directement, la durée de vie de l'alimentation en eau et vannes d'arrêt, notamment à leurs intersections.
Il est généralement admis qu'un accumulateur hydraulique élimine les coups de bélier dans le système d'alimentation en eau.
C'est vrai, mais les coups de bélier ne disparaissent dans les canalisations qu'à partir du point de raccordement de l'accumulateur hydraulique. Dans l'espace entre la pompe et l'accumulateur hydraulique, lorsque la pompe est directement connectée, le choc hydraulique subsiste. En conséquence, entre la pompe et l'accumulateur, nous subissons toutes les conséquences d'un coup de bélier sur toutes les parties de la pompe et sur le système de canalisations.
Dans les systèmes de filtration d'eau, les coups de bélier qui se produisent lorsque la pompe est directement connectée réduisent considérablement la durée de vie des éléments filtrants.
Si le réseau électrique local faible, alors vos voisins sauront également qu'une pompe d'une puissance supérieure à 1 kW fonctionne lorsqu'elle est directement connectée par une forte chute de tension dans le réseau au moment où la pompe est allumée.
Si réseau local EXTRÊMEMENT FAIBLE, et votre voisin profite également de la vie en connectant tous les appareils disponibles appareils électriques, alors une pompe de puits immergée à une grande profondeur peut ne pas démarrer. Une telle surtension peut endommager les appareils électroniques connectés au réseau. Il existe des cas connus où, au démarrage de la pompe, un réfrigérateur coûteux rempli d'électronique est tombé en panne.
Plus la pompe est allumée souvent, plus sa durée de vie est courte.
Des démarrages fréquents via une connexion directe entraînent une défaillance des raccords en plastique pompes de puits connecter le moteur électrique à la partie pompe.
Nous avons passé en revue les problèmes qui surviennent lors du démarrage d'une pompe sans dispositifs de démarrage progressif (SPD) .
Il convient de noter que même en éteignant la pompe sans SCP Il y a quelques aspects négatifs avec un schéma de connexion directe :
Lorsque la pompe est arrêtée, un coup de bélier se produit également dans le système, mais maintenant en raison d'une forte diminution du couple sur l'arbre de la pompe, ce qui équivaut à la création d'un vide instantané.
Une forte diminution du couple sur l'arbre de la pompe entraîne également une rotation du corps de pompe, mais dans le sens opposé.
Pensons aux canalisations et aux raccords filetés de la pompe.
Dans les pompes domestiques conventionnelles, les moteurs électriques sont asynchrones et ont un caractère inductif prononcé.
Si nous interrompons brusquement le flux de courant à travers charge inductive, alors il y a un brusque saut de tension aux bornes de cette charge en raison de la continuité du courant. Oui, on ouvre le contact et toute la haute tension doit rester du côté de la pompe. Mais avec toute ouverture mécanique du contact, ce que l'on appelle le « rebond de contact » est présent, et des impulsions haute tension pénètrent dans le réseau, et donc pénètrent également dans les appareils connectés au réseau à ce moment-là.
Ainsi, lorsque la pompe est directement connectée, il y a une usure accrue des composants mécaniques et pièces électriques pompe (tant au démarrage qu'à l'arrêt). Les appareils inclus dans le même réseau en souffrent également et la durée de vie des systèmes de filtration et des raccords de plomberie est réduite.
Usage dispositifs de démarrage progressif («Aquacontrol UPP-2.2S») vous permet de combler la plupart des lacunes décrites ci-dessus. Dans l'appareil UPP-2.2S Une courbe d'augmentation de tension spécialement calculée sur la pompe a été mise en œuvre, qui permet, d'une part, de démarrer la pompe de manière fiable dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables, et d'autre part, d'augmenter en douceur la vitesse de rotation de l'arbre. Cet appareil dispose également d'une protection intégrée contre le secteur basse et haute tension pour protéger la pompe des conditions extrêmes de fonctionnement et de mise en marche.
DANS UPP-2.2S le contrôle du triac de phase est utilisé. Au moment du démarrage, une pièce est fournie à la pompe tension secteur, ce qui crée un couple suffisant pour assurer le démarrage de la pompe. À mesure que le rotor tourne, la tension sur la pompe augmente progressivement jusqu'à ce qu'elle soit complètement appliquée. Après cela, le relais s'allume et le triac s'éteint. En conséquence, lors de l'utilisation UPP-2.2S la pompe est connectée au réseau via des contacts de relais, c'est-à-dire comme avec une connexion directe. Mais pendant 3,2 secondes (c'est le temps de démarrage progressif), la tension est fournie à la pompe via un triac, qui assure un « démarrage progressif », sans étincelles au niveau des contacts du relais.
Avec un tel démarrage, le courant de démarrage maximum ne dépasse pas le courant de fonctionnement de 2,0 à 2,5 fois au lieu de 5 à 8 fois. En utilisant UPP-2.2S, nous réduisons la charge de démarrage sur la pompe de 2,5 à 3 fois et prolongeons la durée de vie de la pompe du même montant, offrant plus travail confortable appareils connectés au réseau électrique. UPP-2.2S peut être appelé un appareil doté d’une technologie économe en ressources.
Champ d'application et fonctions
Pour démarrer et arrêter les pompes domestiques, le démarreur progressif EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S 220 V est largement utilisé. L'appareil est utilisé pour les pompes électriques vibrantes et centrifuges. De plus, l'appareil a fait ses preuves en travaillant avec des moteurs électriques asynchrones et à collecteur. Il peut également contrôler les appareils d'éclairage et de chauffage, à condition de ne pas dépasser la puissance maximale spécifiée dans la notice.
La fonction principale de l'UPP-2.2S est d'éliminer les chocs hydrauliques et mécaniques pouvant survenir lors du démarrage de la pompe. Le dispositif évite également les pannes de pompe résultant de surtensions.
Principe de fonctionnement
EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S est contrôlé via un câble de signal. Les développeurs ont équipé l'appareil d'une protection contre les basses et hautes tensions. Si la tension dépasse 252 V, la pompe s'éteindra automatiquement. Une fois la tension stabilisée à 245 V, la pompe se remet en marche. Lorsque le seuil de pression inférieur de 160 V est atteint, la pompe sera également arrêtée. Dès que la tension dépasse 160 V, la pompe démarre automatiquement. La durée du démarrage progressif dépend du type de pompe : vibration – 2 secondes ; centrifuge – 3-7 sec.
Exigences de fonctionnement
L'appareil EXTRA Aquacontrol doit être installé dans un local fermé où il n'y a pas de climatisation artificielle. Le fabricant interdit d'appliquer une tension au câble de signal. L'UPP-2.2S ne peut pas être utilisé pour contrôler le fonctionnement d'une station de pompage sans accumulateur hydraulique. N'oubliez pas qu'allumer et éteindre la pompe avec une période inférieure à 60 secondes endommagera l'appareil.
Il est strictement interdit de faire fonctionner l'appareil si le boîtier est endommagé ou si le couvercle est retiré. Vous ne pouvez pas réparer ou démonter l'UPP-2.2S vous-même. Si toutes les règles énoncées dans les instructions sont respectées, la durée de vie d'EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S est de 5 ans. Le boîtier de l'appareil doit être inspecté chaque année pour déceler tout dommage au boîtier.
Comment réaliser des économies d’énergie optimales dans les systèmes hydrauliques avec pompes centrifuges ? Cette question se pose aujourd’hui de plus en plus parmi les spécialistes et les chefs d’entreprise. Alors, quels dispositifs peuvent raccourcir la période d'amortissement et augmenter l'efficacité énergétique : démarreurs progressifs, entraînements à fréquence variable ou utilisation d'une commande de pompe en parallèle ? Les auteurs de l'article proposent une analyse minutieuse de diverses solutions techniques, illustrée d'exemples de mise en œuvre en production, de schémas et de tableaux.
ABB LLC, Moscou
Assurer l’efficacité énergétique est actuellement l’une des tâches les plus urgentes et en même temps les plus complexes. La réduction des coûts de consommation d'énergie est l'une des méthodes permettant d'augmenter la rentabilité de la production et le fonctionnement efficace des lignes de production. Analyse générale entreprises dans une grande variété d'applications montre que les coûts associés à l'achat d'équipements et aux arrêts de production dus à la maintenance et à la mise en service de nouveaux équipements peuvent être partiellement compensés par des économies de consommation d'énergie.
Les technologies économes en énergie sont l'une des priorités d'ABB. Le plus méthodes modernes et les développements visant à garantir le fonctionnement le plus efficace ont trouvé leur place dans les équipements ABB modernes : convertisseurs de fréquence et démarreurs progressifs*, largement utilisés pour contrôler les mécanismes d'entraînement. unités de pompage et peut réduire considérablement la consommation d’énergie dans les installations de traitement de l’eau et des eaux usées.
La méthode mécanique souvent utilisée pour contrôler le débit de la pompe, ou méthode d'étranglement, est extrêmement inefficace en termes d'économies d'énergie. Cela soulève la question : laquelle des deux solutions techniques est la méthode la plus économique pour réduire la consommation d'énergie : variateur de fréquence ou commande cyclique (Fig. 1) ? Essentiellement, les caractéristiques du système hydraulique dans lequel la pompe centrifuge est utilisée sont le facteur déterminant dans le choix d'une méthode de contrôle plutôt qu'une autre.
Riz. 1. Régulation du débit du système grâce à l'étranglement, au contrôle cyclique et à la fréquence
Dans le domaine du traitement eaux usées La mise en marche/arrêt des pompes centrifuges s'effectue généralement sous le contrôle d'un système de contrôle de processus. L'eau résiduelle (c'est-à-dire l'eau provenant de bâtiments résidentiels ou commerciaux) est généralement recueillie dans des fosses septiques ou des réservoirs d'eaux usées jusqu'à ce qu'elle soit pompée vers les usines municipales de traitement des eaux. Compte tenu d'une certaine fréquence, l'utilisation de démarreurs progressifs réduit considérablement le risque de colmatage des pompes avec les déchets contenus dans l'eau.
Le contrôle cyclique est une alternative intéressante aux variateurs de fréquence, malgré la perte de flexibilité dans le contrôle de débit. En d’autres termes, le démarreur progressif est considéré comme une technologie adaptée et compétitive pour protéger le moteur à induction des surcharges électriques, des chocs mécaniques et des vibrations lors du démarrage, ainsi que des coups de bélier dans le système de tuyauterie qui se produisent lorsque la pompe s’arrête. De plus, le moteur électrique fonctionne à son point de fonctionnement optimal et est éteint le reste du temps.
Les sections suivantes fournissent une analyse des économies d'énergie et du retour sur investissement des solutions de contrôle à fréquence variable et de contrôle cyclique pour deux pompes centrifuges (90 kW et 350 kW).
Système de pompage typique
Lors de la conception d'un système de pompage, la condition principale est de garantir le débit requis Qop [m3/h]. Dans un système idéal, la pompe sélectionnée a une caractéristique Qbep [m3/h] qui correspond à la caractéristique Qop [m3/h]. En pratique, une pompe plus grande est généralement sélectionnée (Fig. 2). En conséquence, la pompe fonctionne avec une efficacité hydraulique réduite sur la majeure partie de la plage de performances. Ce qui précède est illustré sur la Fig. 3 pour deux pompes centrifuges Aurora d'une puissance nominale de 90 kW et 350 kW.
Tableau 1. Caractéristiques comparatives des paramètres de deux pompes
Riz. 2. Choisir une pompe pour une installation industrielle
Riz. 3. Réduction de l'efficacité hydraulique des pompes de 90 kW et 350 kW en raison de modifications des paramètres des composants du système de 15 %
Pour analyser les possibilités d'économie d'énergie dans ces pompes, trois systèmes hydrauliques différents ont été considérés : avec une prédominance de pression pour vaincre le frottement, c'est-à-dire le rapport (?) de la pression statique Hst [m] à la hauteur hydraulique maximale Hmax [ m] est de 5 % ; avec une prédominance de pression statique (? est de 50 %) ; avec pression combinée (? est de 25%) (Fig. 4).
Riz. 4. Systèmes hydrauliques sélectionnés pour analyser les économies d’énergie potentielles
Caractéristiques de performance du variateur de fréquence, du démarreur progressif et du moteur
Les convertisseurs de fréquence ont haute efficacité(ηconv), qui diminue naturellement lorsque la puissance de sortie diminue par rapport à valeur nominale. Lorsque le démarreur progressif fonctionne en régime permanent, c'est-à-dire lorsque le by-pass est activé, l'efficacité des démarreurs progressifs est presque de 100 %. Il convient de noter que l'efficacité des démarreurs progressifs diminue sensiblement avec une augmentation du nombre de démarrages par heure et une réduction des intervalles de temps de fonctionnement, ce qui est dû aux pertes Joules supplémentaires lors du démarrage et de l'arrêt du moteur électrique, ainsi que du fonctionnement de thyristors (Fig. 5).
Riz. 5. Modification du rendement électrique (%) du démarreur progressif et du convertisseur de fréquence avec charge de pompage
Les normes plus strictes récemment adoptées (classes IE) garantissent une efficacité accrue du moteur électrique - lorsqu'il fonctionne sous charge (Fig. 6 et 7). Le rendement du moteur électrique (dépendant strictement de la classe) est affecté par l'utilisation d'un convertisseur de fréquence ou d'un démarreur progressif : le rendement diminue lorsqu'il est alimenté par un inverseur de sortie à grande vitesse en raison de la présence de distorsions harmoniques du courant et tension, mais ne change pas lorsqu'il est alimenté par un démarreur progressif après la fin de l'accélération transitoire du processus en raison de la forme d'onde de tension sinusoïdale à la sortie de l'appareil.
Riz. 6. L'influence de la classe d'efficacité énergétique d'un moteur électrique sur l'efficacité de la pompe
Riz. 7. Changer l'efficacité d'un moteur électrique avec une charge hydraulique
L'effet de la modification des caractéristiques des composants du système, de la classe d'efficacité énergétique du moteur électrique et des pertes harmoniques dans un système réel est indiqué dans le tableau. 2.
Tableau 2. Impact d'une plus grande taille de système, d'une classe de moteur et de pertes harmoniques
pour la consommation électrique (Pn =90 kW – fréquence de découpage 4 kHz)
Économie d'énergie
Les économies d'énergie réalisées grâce à l'utilisation du contrôle de fréquence et du contrôle cyclique dans les systèmes de pompage de 90 kW et 350 kW sont illustrées dans la Fig. 8 et 9. Dans les systèmes avec une prédominance de pression pour vaincre la friction (? = 5 %), le contrôle de fréquence permet des économies d'énergie plus élevées sur presque toute la plage de fonctionnement (de 7 à 98 %) pour les deux systèmes de pompage. Dans le cas d'une pompe de 90 kW et dans un système avec une hauteur statique prédominante (? = 50%), la commande cyclique est une meilleure solution technique par rapport à l'utilisation d'un variateur de fréquence pour tous les points de fonctionnement. Le convertisseur de fréquence permet des économies d'énergie légèrement supérieures pour une pompe de 350 kW, mais seulement dans la plage de 75 à 92 % de la capacité de la pompe. Lorsqu'on considère un système hydraulique combiné (? = 25 %), le contrôle VFD permet uniquement des économies d'énergie plus élevées pour les pompes avec des capacités supérieures à 28 % (pour un système de 90 kW) et 24 % (pour un système de 350 kW). En fait, les économies d'énergie les plus élevées grâce au contrôle de fréquence sont observées dans la plage de capacité de la pompe de 15 à 20 %.
Riz. 8.
pour pompe 90 kW
Riz. 9.Économies d'énergie [%] avec contrôle de fréquence et cyclique
pour pompe 350 kW
Contrairement aux convertisseurs de fréquence, qui présentent des pertes sur les composants semi-conducteurs pendant le fonctionnement nominal, les démarreurs progressifs fonctionnent dans ce cas via un contacteur de dérivation, de sorte que les thyristors ne sont pas impliqués (Fig. 10). Il n’y a donc aucune perte de chaleur supplémentaire. Les caractéristiques opérationnelles et du système pour lesquelles il est préférable de choisir l'une ou l'autre méthode de contrôle pour réguler les performances de la pompe sont présentées dans la Fig. 11**.
Riz. 10. Efficacité optimale pour une pompe de 90 kW lorsqu'elle est contournée via un démarreur progressif
à des charges élevées (90 à 100 % de la capacité nominale)
Riz. 11. Le point de référence auquel les économies lors de l'utilisation de la régulation cyclique deviennent plus élevées est
que d'utiliser une solution de variateur de fréquence
Retour sur investissement
L'un des facteurs les plus importants pour les clients est le calcul du retour sur investissement, qui inclut les coûts supplémentaires dus aux temps d'arrêt de l'équipement lors de l'installation et de la mise en service du démarreur progressif.
Le coût d'un convertisseur de fréquence est trois fois plus élevé que le coût d'un démarreur progressif pour les pompes d'une puissance nominale allant jusqu'à 25 kW et pour les pompes de 350 kW - cinq fois. L'investissement initial total pour la régulation de fréquence ou le contrôle cyclique est calculé comme la somme du coût du variateur de fréquence ou du démarreur progressif plus le pourcentage des coûts d'arrêt de l'équipement par rapport aux coûts dépensés tout au long du processus. cycle de vie fonctionnement de la chaîne de production.
Pour convertisseurs de fréquence et démarreurs progressifs, cette part est de 7,5 %.
Le coût des composants individuels peut varier pour plusieurs raisons. Tout d'abord, il convient de noter que les convertisseurs de fréquence basse tension sont plus souvent utilisés en fonctionnement continu du moteur électrique qu'en mode démarrage/arrêt, et offrent un contrôle plus précis. Cependant, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) utilisés dans les convertisseurs de fréquence nécessitent de maintenir un certain régime de température et le refroidissement, ce qui en fait des éléments assez coûteux et augmente par conséquent le coût des convertisseurs de fréquence par rapport aux démarreurs progressifs de même puissance nominale. Dans les démarreurs progressifs, les éléments de puissance à semi-conducteurs - les thyristors - fonctionnent uniquement en modes démarrage et arrêt avec une durée moyenne de chaque mode d'environ 15 secondes. Il convient de noter que les thyristors peu coûteux et fiables ne nécessitent pas de refroidissement forcé constant.
La période de récupération des convertisseurs de fréquence et du contrôle de débit cyclique est illustrée à la Fig. 12 et 13 pour les moteurs électriques 90 kW et 350 kW pour trois systèmes hydrauliques : ? = 5%, 25% et 50%.
Riz. 12. Délai d'amortissement pour les solutions avec contrôle de fréquence et cyclique (démarreur progressif)
pour pompe 90 kW
Riz. 13. Délai d'amortissement pour les solutions avec contrôle de fréquence et cyclique (démarreur progressif)
pour pompe 350 kW
Solutions de contrôle de pompes parallèles
Dans de nombreux systèmes hydrauliques, des économies d'énergie optimales avec un bon retour sur investissement peuvent être obtenues en utilisant un système de commande de pompe parallèle*** qui utilise à la fois des entraînements à vitesse variable et des démarreurs progressifs.
Riz. 14. Solution pour un système avec quatre pompes parallèles
(système hydraulique avec une prédominance de pression pour vaincre les frottements)
Tableau 3. Schéma de contrôle pour un système avec quatre pompes parallèles
Dans les systèmes hydrauliques avec une prédominance de pression pour vaincre la friction (? = 5%) et avec quatre pompes parallèles - chaque pompe ayant une puissance nominale de 350 kW (2500 m3/h) - il est optimal d'utiliser deux convertisseurs de fréquence et deux soft démarreurs (Fig. 14). Dans une conception offrant la meilleure solution en termes de rentabilité et de flexibilité de contrôle, deux pompes, 1 et 2, sont contrôlées par des démarreurs progressifs, et les pompes 3 et 4 sont contrôlées par des convertisseurs de fréquence (voir Tableau 3). Les pompes avec démarreurs progressifs fonctionnent à des performances maximales. En augmentant la vitesse de rotation des pompes contrôlées par des convertisseurs de fréquence jusqu'à la vitesse nominale, des performances maximales du système peuvent être garanties. Dans un système hydraulique mixte (système hydraulique à pression statique/friction dominante) (? = 25 %), la conception qui offre la solution optimale en termes de retour sur investissement et de flexibilité de contrôle est constituée de trois pompes, dont les deux premières sont des démarreurs progressifs contrôlés. , et la troisième pompe - un convertisseur de fréquence (voir Fig. 15 et Tableau 5).
Riz. 15. Solution pour un système avec trois pompes parallèles
(système hydraulique avec pression statique/pression prédominante pour vaincre les frottements)
Tableau 4. Schéma de contrôle de débit pour un système avec trois pompes parallèles
(système hydraulique combiné)
Pour les deux systèmes, l'investissement initial dans l'achat de démarreurs progressifs et de convertisseurs de fréquence se transforme en bénéfice économique en moins d'un an et demi, à condition que le débit régulé soit inférieur à 80 % de la performance totale (Fig. 16).
Tableau 5. Possibilités
Riz. 16. Période de récupération estimée pour deux installations,
avec contrôle parallèle des pompes à partir de convertisseurs de fréquence et de démarreurs progressifs
La meilleure solution ?
Une analyse de l'efficacité des systèmes de contrôle de fréquence et de débit cyclique a été réalisée pour deux pompes centrifuges (90 kW et 350 kW) avec des moteurs jusqu'à 1000 V. Les résultats obtenus indiquent que le contrôle par contrôle de fréquence est la meilleure solution dans les systèmes hydrauliques avec une prédominance de pression pour pallier les pertes par frottement (transport de liquide sans dénivelé dans le cas d'utilisation pompes de circulation). Dans les systèmes où la pression statique prédomine, il est recommandé d'utiliser une commande cyclique. Les convertisseurs de fréquence doivent être évités dans les systèmes présentant des caractéristiques de pompe et de charge plates en raison du risque d'instabilité et de panne.
Les dispositifs de démarrage progressif constituent la solution technique la plus prometteuse pour les usines de traitement de l'eau et d'évacuation des eaux usées, dans lesquelles il est nécessaire d'allumer/éteindre la pompe pour pomper le liquide hors des collecteurs et ensuite déplacer les eaux usées vers les installations de traitement. Les démarreurs progressifs sont très fiables et disposent de fonctions intégrées pour éliminer les coups de bélier lors du démarrage et de l'arrêt du système. Cependant, des économies d'énergie maximales et des périodes d'amortissement minimales pour une large gamme de systèmes hydrauliques peuvent être obtenues en utilisant des circuits de commande de pompes parallèles qui utilisent une combinaison de convertisseurs de fréquence et de démarreurs progressifs. S'appuyant sur son savoir-faire en matière d'automatisation et sur une large gamme d'équipements d'automatisation basse tension, ABB propose d'autres solutions pour une utilisation efficace de l'énergie dans un large éventail d'applications.
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* Les démarreurs progressifs régulent le niveau de tension fourni au moteur électrique, assurant ainsi démarrage en douceur et arrêtez-vous.
** Lors de la conversion des économies d'énergie en pourcentage (pour vitesse fixe et limitation) en efficacité économique la pompe est supposée fonctionner 8 760 heures par an (330 x 24) au coût de 0,065 $ par kWh d'électricité.
*** Pour un contrôle optimal du débit, des circuits parallèles font fonctionner une pompe jusqu'à ce que le débit maximum soit atteint, après quoi la charge hydraulique est répartie entre deux pompes fonctionnant simultanément. Lorsque le deuxième point de consigne est atteint, trois pompes sont activées, et ainsi de suite.
Littérature
1. ITT Industries (2007). La place d'ITT dans le cycle de l'eau : tout sauf les tuyaux.
2. Aurora Pump (Pentair Pump Group), juin 1994, États-Unis.
3. CEI 60034-31:2009. Machines électriques tournantes. Partie 31 : Guide pour la sélection et l'application de moteurs économes en énergie, y compris les applications à vitesse variable.
4. Brunner, CU (4-5 février 2009). Classes d'efficacité : Moteurs et systèmes électriques. Événement sur les normes de performance énergétique des moteurs, Sydney (Australie). www.motorsystems.org.
5. Département de l'Énergie (DOE). Agence internationale de l'énergie (EIA) (juin 2009). Prix de détail moyen de l'électricité facturé aux clients finals.
6. Sagarduy, J. (janvier 2010). Évaluation économique des méthodes de démarrage à tension réduite. SECRC/PT-RM10/017.
7. Institut hydraulique (août 2008). Pompes et systèmes, Comprendre les principes fondamentaux des systèmes de pompes pour l'efficacité énergétique. Calcul du coût de possession.
8. ITT Flygt (2006). Pompe de circulation avec moteur vétérinaire pour système de chauffage et de production.
9. Vogelesang, H. (avril 2009). Efficacité énergétique. Deux approches du contrôle de capacité. Magazine des pompes du monde.