Analisi di soluzioni tecniche: soft starter, azionamento a frequenza variabile o circuito di controllo parallelo per pompe centrifughe. Perché è necessario un avvio graduale della pompa? Avvio regolare della pompa del pozzo
Dispositivo inizio morbido - un dispositivo elettrico utilizzato nei motori elettrici asincroni, che consente di mantenere entro limiti di sicurezza i parametri del motore (corrente, tensione, ecc.) durante l'avviamento. Il suo utilizzo riduce le correnti di avviamento, riduce la probabilità di surriscaldamento del motore, elimina gli strappi negli azionamenti meccanici, il che alla fine aumenta la durata del motore elettrico.
Scopo
Controllo del processo di avviamento, funzionamento e arresto dei motori elettrici. I principali problemi dei motori elettrici asincroni sono:
- impossibilità di abbinare la coppia del motore con la coppia di carico,
- alto corrente di avviamento.
Durante l'avvio, la coppia raggiunge spesso il 150-200% in una frazione di secondo, il che può portare al guasto della catena cinematica di trasmissione. In questo caso la corrente di avviamento può essere 6-8 volte superiore alla corrente nominale, causando problemi di stabilità della potenza. Gli avviatori statici evitano questi problemi facendo accelerare e decelerare il motore più lentamente. Ciò consente di ridurre le correnti di avviamento ed evitare strappi nella parte meccanica dell'azionamento o shock idraulici nei tubi e nelle valvole durante l'avvio e l'arresto dei motori.
Principio di funzionamento dell'avviatore statico
Il problema principale con i motori elettrici asincroni è che la coppia sviluppata dal motore elettrico è proporzionale al quadrato della tensione applicata ad esso, il che crea bruschi sobbalzi del rotore all'avvio e all'arresto del motore, il che, a sua volta, provoca un grande corrente indotta.
Gli avviatori statici possono essere meccanici o elettrici o una combinazione di entrambi.
I dispositivi meccanici contrastano direttamente un forte aumento della velocità del motore, limitando la coppia. Possono essere pastiglie dei freni, giunti idraulici, serrature magnetiche, contrappesi a scatto, ecc.
Dati dispositivi elettrici consentono di aumentare gradualmente la corrente o la tensione da un livello iniziale ridotto (tensione di riferimento) a un massimo per avviare e accelerare senza problemi il motore elettrico fino alla velocità nominale. Tali avviatori statici utilizzano solitamente metodi di controllo dell'ampiezza e quindi riescono a far fronte all'avviamento delle apparecchiature in modalità inattiva o con carico leggero. Le generazioni più moderne di avviatori statici (ad esempio i dispositivi EnergySaver) utilizzano metodi di controllo di fase e sono quindi in grado di avviare azionamenti elettrici caratterizzati da modalità di avviamento severe "da nominale a nominale". Tali avviatori statici consentono di avviarsi più spesso e dispongono di una modalità integrata di risparmio energetico e correzione del fattore di potenza.
Selezione di un avviatore statico
Quando si accende un motore asincrono, nel suo rotore appare per un breve periodo una corrente di cortocircuito, la cui forza, dopo aver guadagnato velocità, diminuisce al valore nominale corrispondente al consumo macchina elettrica energia. Questo fenomeno è aggravato dal fatto che al momento dell'accelerazione la coppia sull'albero aumenta bruscamente. Di conseguenza potrebbero attivarsi i dispositivi di protezione interruttori automatici e, se non installati, il guasto degli altri dispositivi elettrici collegati alla stessa linea. E in ogni caso, anche se non si verifica un incidente, all'avvio dei motori elettrici si nota un aumento del consumo di energia. Per compensare o eliminare completamente questo fenomeno vengono utilizzati soft starter (SFD).
Come viene implementato un avvio graduale?
Per avviare il motore elettrico senza problemi e prevenire una corrente di spunto, vengono utilizzati due metodi:
- Limitare la corrente nell'avvolgimento del rotore. Per fare ciò, è composto da tre bobine collegate a stella. Le loro estremità libere conducono ad anelli collettori (collettori) montati sul gambo dell'albero. Al collettore è collegato un reostato, la cui resistenza è massima al momento dell'avvio. Man mano che diminuisce, la corrente del rotore aumenta e il motore gira. Tali macchine sono chiamate motori a rotore avvolto. Sono utilizzati nelle attrezzature delle gru e come motori elettrici di trazione per filobus e tram.
- Ridurre la tensione e la corrente fornite allo statore. A sua volta, questo viene implementato utilizzando:
a) autotrasformatore o reostato;
b) circuiti a chiave basati su tiristori o triac.
Sono i circuiti chiave che costituiscono la base per la costruzione di dispositivi elettrici, che di solito vengono chiamati soft starter o soft starter. Tieni presente che i convertitori di frequenza consentono anche di avviare dolcemente un motore elettrico, ma compensano solo un forte aumento della coppia senza limitare la corrente di avviamento.
Il principio di funzionamento del circuito a chiave si basa sul fatto che i tiristori vengono sbloccati per un certo tempo nel momento in cui la sinusoide passa per lo zero. Di solito in quella parte della fase in cui la tensione aumenta. Meno spesso - quando cade. Di conseguenza, all'uscita dell'avviatore statico viene registrata una tensione pulsante, la cui forma è solo approssimativamente simile a una sinusoide. L'ampiezza di questa curva aumenta all'aumentare dell'intervallo di tempo durante il quale il tiristore è sbloccato.
Criteri di selezione del softstarter
In ordine decrescente di importanza, i criteri di selezione del dispositivo sono disposti nella seguente sequenza:
- Energia.
- Numero di fasi controllate.
- Feedback.
- Funzionalità.
- Metodo di controllo.
- Funzionalità aggiuntive.
Energia
Il parametro principale dell'avviatore statico è il valore I nom: la forza attuale per la quale sono progettati i tiristori. Deve essere più volte maggior valore la corrente che passa attraverso l'avvolgimento del motore, che ha raggiunto la velocità nominale. La frequenza dipende dalla gravità del lancio. Se si tratta di macchine leggere per il taglio dei metalli, ventilatori, pompe, la corrente di avviamento è tre volte superiore alla corrente nominale. L'avviamento difficile è tipico degli azionamenti con un momento di inerzia significativo. Si tratta ad esempio di trasportatori verticali, segherie e presse. La corrente è cinque volte superiore alla corrente nominale. Particolarmente difficoltoso è poi l'avviamento che accompagna il funzionamento di pompe a pistoni, centrifughe, seghe a nastro... Allora il numero I del softstarter dovrebbe essere 8-10 volte più grande.
La gravità del lancio influisce anche sul tempo necessario per il completamento. Può durare dai dieci ai quaranta secondi. Durante questo periodo, i tiristori diventano molto caldi poiché dissipano parte dell'energia elettrica. Per ripeterli, hanno bisogno di raffreddarsi, e questo richiede lo stesso tempo del ciclo di lavoro. Pertanto, se il processo tecnologico richiede accensioni e spegnimenti frequenti, scegliere un avviatore statico per l'avviamento pesante. Anche se il tuo dispositivo non è caricato e aumenta facilmente la velocità.
Numero di fasi
È possibile controllare una, due o tre fasi. Nel primo caso il dispositivo attenua l'aumento della coppia di spunto in misura maggiore rispetto alla corrente. Quelli più comunemente usati sono gli avviatori bifase. E per i casi di avviamento pesante e particolarmente difficile: trifase.
Feedback
SCP può funzionare secondo un determinato programma: aumentare la tensione al valore nominale entro un tempo specificato. Questa è la soluzione più semplice e comune. Disponibilità feedback rende il processo di gestione più flessibile. I suoi parametri sono il confronto tra tensione e coppia o lo sfasamento tra le correnti del rotore e dello statore.
Funzionalità
Possibilità di lavorare sull'accelerazione o sulla frenata. La presenza di un contattore aggiuntivo, che bypassa il circuito della chiave e gli consente di raffreddarsi, elimina anche l'asimmetria di fase dovuta a una violazione della forma sinusoidale, che porta al surriscaldamento degli avvolgimenti.
Metodo di controllo
Può essere analogico, ruotando i potenziometri sul pannello, e digitale, utilizzando un microcontrollore digitale.
Funzionalità aggiuntive
Tutti i tipi di protezione, modalità di risparmio energetico, possibilità di avviamento con uno scatto, funzionano a velocità ridotta (regolazione della pseudofrequenza).
Un soft starter correttamente selezionato raddoppia la vita utile dei motori elettrici, salvafino al 30 per cento elettricità.
Perché hai bisogno di un soft starter?
Sempre più spesso, quando si avviano gli azionamenti elettrici di pompe e ventilatori, viene utilizzato un dispositivo di avviamento graduale (soft starter). A cosa è collegato questo? Nel nostro articolo cercheremo di evidenziare questo problema.
I motori a induzione sono in uso da oltre cento anni e durante questo periodo è cambiato relativamente poco nel loro funzionamento. L'avvio di questi dispositivi e i problemi ad esso associati sono ben noti ai loro proprietari. Le correnti di spunto causano abbassamenti di tensione e sovraccarichi del cablaggio, con conseguenti:
alcune apparecchiature elettriche potrebbero spegnersi spontaneamente;
possibile guasto dell'apparecchiatura, ecc.
Un softstarter installato, acquistato e collegato tempestivamente consente di evitare inutili sprechi di denaro e grattacapi.
Cosa sta iniziando la corrente
Basato sul principio di funzionamento motori asincroni risiede il fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Accumulo inverso forza elettromotrice(e.m. s), che viene creato applicando una modifica campo magnetico durante l'avviamento del motore, provoca processi transitori nell'impianto elettrico. Questo transitorio può influenzare il sistema di alimentazione e altre apparecchiature ad esso collegate.
Durante l'avvio, il motore elettrico accelera alla massima velocità. La durata dei transitori iniziali dipende dalla progettazione dell'unità e dalle caratteristiche del carico. La coppia di avviamento dovrebbe essere la massima e le correnti di avviamento dovrebbero essere le minori. Queste ultime comportano conseguenze dannose per l'unità stessa, per il sistema di alimentazione e per le apparecchiature ad essa collegate.
Durante il periodo iniziale, la corrente di spunto può raggiungere da cinque a otto volte la corrente a pieno carico. Quando si avvia il motore elettrico, i cavi sono costretti a passare più attuale che durante il periodo di stato stazionario. Anche la caduta di tensione nel sistema sarà molto maggiore all'avvio che durante il funzionamento stabile - ciò diventa particolarmente evidente quando si avvia un'unità potente o gran numero motori elettrici contemporaneamente.
Metodi di protezione del motore
Con la diffusione dell’uso dei motori elettrici, superare i problemi di avviamento è diventata una sfida. Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi metodi per risolvere questi problemi, ciascuno con i propri vantaggi e limiti.
Recentemente sono stati compiuti progressi significativi nell'uso dell'elettronica nel controllo della potenza dei motori. Gli avviatori statici vengono sempre più utilizzati per l'avvio di azionamenti elettrici di pompe e ventilatori. Il fatto è che il dispositivo ha una serie di funzionalità.
Una caratteristica dell'avviatore è che fornisce uniformemente tensione agli avvolgimenti del motore da zero al valore nominale, consentendo al motore di accelerare dolcemente fino alla massima velocità. La coppia meccanica sviluppata da un motore elettrico è proporzionale al quadrato della tensione ad esso applicata.
Durante il processo di avvio, l'avviatore statico aumenta gradualmente la tensione fornita e il motore elettrico accelera senza raggiungere la velocità di rotazione nominale grande momento e picchi di corrente.
Tipi di soft starter
Oggi, per l'avvio regolare delle apparecchiature, vengono utilizzati tre tipi di soft starter: con una, due e tutte le fasi controllate.
Il primo tipo viene utilizzato per motore monofase per fornire una protezione affidabile contro sovraccarico, surriscaldamento e ridurre l'influenza delle interferenze elettromagnetiche.
Nel secondo tipo di circuito di norma oltre alla scheda di controllo a semiconduttore è presente anche un contattore di bypass. Una volta che il motore ha raggiunto la velocità nominale, il contattore di bypass viene attivato e fornisce tensione continua al motore.
La tipologia trifase è la soluzione più ottimale e tecnicamente avanzata. Fornisce la limitazione della corrente e dell'intensità del campo magnetico senza squilibri di fase.
Perché hai bisogno di un soft starter?
A causa del loro prezzo relativamente basso, la popolarità degli avviatori statici sta guadagnando slancio nel moderno mercato industriale e industriale. elettrodomestici. Un soft starter per un motore elettrico asincrono è necessario per prolungarne la durata. Il grande vantaggio di un softstarter è che l'avviamento avviene con un'accelerazione dolce, senza strappi.
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Tutti sanno quanto sia bello avere un pozzo in casa. È comodo ed efficace purché non si rompa nulla. E i problemi prima o poi si faranno sentire, e secondo la legge della meschinità, nel momento più inopportuno. Rinunciare al pozzo e scavare un pozzo non è un'opzione. È meglio prevenire possibili incidenti e proteggersi in anticipo.
Quale opzione di approvvigionamento idrico è la migliore per una casa privata?
L'acqua dal pozzo viene sollevata da uno speciale pompa per pozzi profondi. A seconda della progettazione della rete idrica, viene pompata in un serbatoio speciale: un accumulatore idraulico o fornita direttamente alla rete idrica.
Un sistema con serbatoio è più adatto per una casa privata. Ad esempio, per una famiglia di 3-4 persone, in media, sono sufficienti 70 litri al giorno. Per tale approvvigionamento idrico avrete bisogno di: un accumulatore idraulico da 50 litri per il volume appropriato, un pressostato e una pompa con una velocità di pompaggio di 1 m3/h. Tutti insieme costeranno $ 100.
Ma per un hotel con 12 camere, questa opzione non è redditizia, perché avrai bisogno di un serbatoio delle dimensioni di un'intera stanza. Un accumulatore idraulico da 500 litri costerà $ 400 e occuperà molto spazio utilizzabile. È più economico ed efficiente acquistare un convertitore di frequenza per $ 150-200.
Alimentazione idrica con convertitore di frequenza
Il convertitore di frequenza regola la velocità del motore elettrico in base alla pressione nella rete idrica. Funziona così principio:
- SU tubo dell'acquaè installato un pressostato collegato al convertitore di frequenza;
- Il sistema è collegato alla rete e il convertitore di frequenza modifica dolcemente le caratteristiche della corrente della pompa;
- Per questo motivo lui gradualmente raggiunge la velocità nominale;
- Durante il riempimento, la pressione nei tubi aumenta e il relè invia un segnale al convertitore di frequenza, che riduce la velocità di pompaggio.
Quali sono i vantaggi di un sistema del genere?
Facilità d'uso
Ad esempio, quando un visitatore fa la doccia in una camera d'albergo, la pressione nella rete idrica diminuisce e la pompa funziona più velocemente. Quando il rubinetto è aperto, il motore elettrico funziona a bassa velocità per impedire all'acqua di fuoriuscire dai tubi. Quindi, se sviti il rubinetto, inizierà immediatamente a scorrere alla pressione richiesta.
Sicurezza elettrica
Quando è acceso, ciascun motore elettrico consuma 3-4 volte più elettricità: si verifica una corrente di avviamento. In questo momento il carico di rete è rispettivamente pari al 300-400% del carico nominale. Il picco dura una frazione di secondo finché il motore elettrico non raggiunge la velocità normale. Perché è pericoloso?
Torniamo al nostro hotel. Per evitare che le interruzioni di corrente lascino i visitatori senza i benefici della civiltà, qualsiasi proprietario responsabile installerà un generatore. Supponiamo che la potenza della fonte di backup sia di 20 kW, di cui 10 kW andranno immediatamente all'illuminazione, ai condizionatori d'aria, alle prese dei laptop, ecc.
La potenza della pompa è di 5 kW, ma poiché la sua corrente di avviamento è 3 nominale, all'avvio impiegherà tutti i 15 kW. Il generatore può fornire solo 10 kW, ma questo non sarà sufficiente per il motore elettrico. Un tale carico distruggerà il generatore e, di conseguenza, l'hotel rimarrà senza luce e acqua.
Convertitore di frequenza rimuove la corrente di avviamento. Se nell'esempio precedente fosse presente un generatore di frequenza, il carico sul generatore non supererebbe i 15 kW e funzionerebbe in modalità sicura.
Lunga durata della pompa
La corrente di spunto danneggia non solo la rete, ma anche il motore elettrico. Ogni volta che viene acceso, funziona in modalità anomala e sopporta brevemente un carico per il quale non è progettato. Avviamenti e arresti improvvisi aumentano l'usura del motore elettrico. Il convertitore di frequenza effettua un arresto graduale raddoppia la durata.
Cosa succede se non proteggi la tua fornitura d’acqua?
Affinché l'approvvigionamento idrico della tua casa sia ininterrotto ed efficiente, ha comunque bisogno di protezione. Indubbiamente, la pompa elemento principale nel sistema, ma non importa quanto sia costoso e di alta qualità, nulla può salvarlo da un cortocircuito.
Gli incidenti non accadono solo sott'acqua, ma anche nei cavi sommergibili e persino nella rete domestica. È difficile prevedere cosa si romperà per primo. Per evitare di giocare alla lotteria, è meglio proteggersi da tutto in una volta.
Esistono molte ragioni per accendere le pompe domestiche tramite un avviatore statico.
Tipicamente, una pompa sommergibile o di superficie è collegata tramite un relè elettromeccanico o elettronico, un'unità di automazione o un avviatore magnetico. Insomma casi elencati la tensione di rete viene fornita alla pompa chiudendo i contatti, cioè tramite un collegamento diretto. Ciò significa che forniamo la piena tensione di rete agli avvolgimenti dello statore del motore elettrico e in questo momento il rotore non sta ancora ruotando. Ciò porta alla comparsa di una coppia potente istantanea sul rotore del motore della pompa.
Questo schema di collegamento è caratterizzato dai seguenti fenomeni all'avvio della pompa:
La corrente aumenta attraverso lo statore (e, di conseguenza, attraverso i cavi di alimentazione), poiché il rotore è in cortocircuito.
In una comprensione semplificata, abbiamo un cortocircuito sull'avvolgimento secondario del trasformatore. Secondo la nostra esperienza, a seconda della pompa, del produttore e del carico dell'albero, la corrente di avviamento a impulsi può superare la corrente operativa da 4 a 8 volte e in alcuni casi fino a 12 volte.
Un'improvvisa comparsa di coppia sull'albero.
Ciò ha un impatto negativo sull'avviamento e sul funzionamento degli avvolgimenti dello statore, dei cuscinetti, delle guarnizioni in ceramica e gomma, aumentandone significativamente l'usura e riducendone la durata.
La comparsa di una forte coppia sull'albero porta ad una brusca rotazione dell'alloggiamento della pompa del pozzo rispetto al sistema di tubazioni.
Abbiamo più volte assistito a come, a causa di ciò, la pompa del pozzo sia stata scollegata dalle condutture e sia caduta nel pozzo. Nel caso di una stazione di pompaggio basata su una pompa di superficie installata su una piattaforma con accumulatore idraulico, ciò porta all'allentamento dei dadi di fissaggio e alla distruzione dei punti saldati e delle giunture dell'accumulatore idraulico. Inoltre, quando la pompa viene accesa direttamente, la durata della fornitura d'acqua e valvole di intercettazione, soprattutto alle loro giunzioni.
È generalmente accettato che un accumulatore idraulico elimini il colpo d'ariete nel sistema di approvvigionamento idrico.
Questo è vero, ma i colpi d'ariete scompaiono nelle tubazioni solo a partire dal punto in cui è collegato l'accumulatore idraulico. Nello spazio tra la pompa e l'accumulatore idraulico, quando la pompa è collegata direttamente, rimane lo shock idraulico. Di conseguenza, nell'intervallo dalla pompa all'accumulatore abbiamo tutte le conseguenze del colpo d'ariete su tutte le parti della pompa e sul sistema di tubazioni.
Nei sistemi di filtrazione dell'acqua, il colpo d'ariete che si verifica quando la pompa è collegata direttamente riduce notevolmente la durata degli elementi filtranti.
Se la rete elettrica locale Debole, allora i tuoi vicini sapranno anche che una pompa con una potenza superiore a 1 kW è in funzione quando collegata direttamente da un forte calo di tensione nella rete nel momento in cui la pompa viene accesa.
Se rete locale ESTREMAMENTE DEBOLE e anche il tuo vicino si gode la vita collegando tutto ciò che è disponibile elettrodomestici, la pompa del pozzo immersa a grande profondità potrebbe non avviarsi. Un tale aumento di tensione può danneggiare i dispositivi elettronici collegati alla rete. Sono noti casi in cui, all'avvio della pompa, un costoso frigorifero pieno di elettronica si è guastato.
Quanto più spesso la pompa viene accesa, tanto minore sarà la sua durata.
Gli avviamenti frequenti tramite collegamento diretto portano al guasto dei giunti in plastica bene pompe collegamento del motore elettrico alla parte pompa.
Abbiamo esaminato i problemi che sorgono quando si avvia una pompa senza dispositivi di avviamento graduale (SPD) .
Va notato che anche quando si spegne la pompa senza SCP Ci sono alcuni aspetti negativi con uno schema di collegamento diretto:
Quando la pompa viene spenta, nel sistema si verifica anche un colpo d'ariete, ma ora è dovuto a una forte diminuzione della coppia sull'albero della pompa, che equivale alla creazione di un vuoto istantaneo.
Una forte diminuzione della coppia sull'albero della pompa porta anche alla rotazione del corpo della pompa, ma nella direzione opposta.
Pensiamo alle tubazioni e ai collegamenti filettati della pompa.
Nelle pompe domestiche convenzionali, i motori elettrici sono asincroni e hanno una natura induttiva pronunciata.
Se interrompiamo bruscamente il flusso di corrente carico induttivo, si verifica un brusco salto di tensione su questo carico a causa della continuità della corrente. Sì, apriamo il contatto e tutta l'alta tensione dovrebbe rimanere sul lato della pompa. Ma con qualsiasi apertura meccanica del contatto si verifica il cosiddetto “rimbalzo del contatto” e gli impulsi ad alta tensione entrano nella rete, e quindi entrano anche nei dispositivi collegati alla rete in quel momento.
Pertanto, quando la pompa è collegata direttamente, aumenta l'usura della parte meccanica e parti elettriche pompa (sia durante l'avvio che durante lo spegnimento). Ne soffrono anche i dispositivi inclusi nella stessa rete e la durata dei sistemi di filtraggio e dei raccordi idraulici si riduce.
Utilizzo dispositivi di avvio graduale (“Aquacontrol UPP-2.2S”) consente di appianare la maggior parte delle carenze sopra descritte. Nel dispositivo UPP-2.2SÈ stata implementata una curva di aumento della tensione appositamente calcolata sulla pompa, che consente, da un lato, di avviare in modo affidabile la pompa nelle condizioni operative più sfavorevoli e, dall'altro, di aumentare gradualmente la velocità di rotazione dell'albero. Questo dispositivo è inoltre dotato di protezione integrata contro la bassa e l'alta tensione di rete per proteggere la pompa da condizioni di funzionamento e accensione estreme.
IN UPP-2.2S viene utilizzato il controllo del triac di fase. Al momento dell'avviamento, una parte viene fornita alla pompa tensione di rete, che crea una coppia sufficiente a garantire l'avvio della pompa. Mentre il rotore gira, la tensione sulla pompa aumenta gradualmente fino a quando non viene applicata completamente. Successivamente, il relè si accende e il triac si spegne. Di conseguenza, quando si utilizza UPP-2.2S la pompa è collegata alla rete tramite contatti relè, ovvero come con una connessione diretta. Ma per 3,2 secondi (questo è il tempo di avvio graduale), la tensione viene fornita alla pompa tramite un triac, che garantisce un "avvio graduale", senza scintille ai contatti del relè.
Con un tale avvio, la corrente di avviamento massima supera la corrente operativa di non più di 2,0-2,5 volte invece di 5-8 volte. Utilizzando UPP-2.2S, riduciamo il carico iniziale sulla pompa di 2,5-3 volte e allunghiamo la vita della pompa della stessa quantità, fornendo più lavoro confortevole dispositivi collegati alla rete elettrica. UPP-2.2S può essere definito un dispositivo con tecnologia di risparmio di risorse.
Ambito di applicazione e funzioni
Per avviare e arrestare le pompe domestiche, l'avviatore statico EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S 220 V è ampiamente utilizzato. Il dispositivo viene utilizzato per le elettropompe a vibrazione e centrifughe. Inoltre, il dispositivo si è dimostrato efficace nel lavorare con motori elettrici asincroni e a commutatore. Può anche controllare dispositivi di illuminazione e riscaldamento, a condizione che non venga superata la potenza massima specificata nelle istruzioni.
La funzione principale dell'UPP-2.2S è eliminare gli shock idraulici e meccanici che possono verificarsi durante l'avvio della pompa. Il dispositivo previene inoltre i guasti della pompa derivanti da sbalzi di tensione.
Principio di funzionamento
EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S è controllato tramite un cavo di segnale. Gli sviluppatori hanno dotato il dispositivo di protezione contro la bassa e l'alta tensione. Se la tensione supera 252 V, la pompa si spegnerà automaticamente. Dopo che la tensione si è stabilizzata a 245 V, la pompa si riaccende. Quando viene raggiunta la soglia di pressione inferiore di 160 V, anche la pompa verrà spenta. Non appena la tensione supera i 160 V, la pompa si avvia automaticamente. La durata del soft start dipende dal tipo di pompa: vibrazione – 2 sec; centrifuga – 3-7 sec.
Requisiti operativi
Il dispositivo EXTRA Aquacontrol deve essere installato in un locale chiuso dove non è presente la climatizzazione artificiale. Il produttore vieta di applicare tensione al cavo del segnale. UPP-2.2S non può essere utilizzato per controllare il funzionamento di una stazione di pompaggio senza accumulatore idraulico. Ricordare che accendere e spegnere la pompa per un periodo inferiore a 60 secondi danneggerà il dispositivo.
È severamente vietato utilizzare l'apparecchio con l'involucro danneggiato o con il coperchio rimosso. Non è possibile riparare o smontare da soli l'UPP-2.2S. Se vengono seguite tutte le regole stabilite nelle istruzioni, la durata di servizio di EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S è di 5 anni. L'alloggiamento del dispositivo deve essere ispezionato annualmente per individuare eventuali danni.
Come ottenere un risparmio energetico ottimale nei sistemi idraulici con pompe centrifughe? Questa domanda oggi si pone sempre più tra specialisti e manager aziendali. Quali dispositivi possono quindi ridurre il periodo di ammortamento e aumentare l'efficienza energetica: soft starter, azionamenti a frequenza variabile o l'uso del controllo di pompe in parallelo? Gli autori dell'articolo offrono un'analisi accurata di varie soluzioni tecniche, illustrate con esempi di implementazione in produzione, diagrammi e tabelle.
ABB LLC, Mosca
Garantire l’efficienza energetica è uno dei compiti più urgenti e allo stesso tempo complessi del momento attuale. La riduzione dei costi di consumo energetico è uno dei metodi per aumentare la redditività della produzione e il funzionamento efficiente delle linee di produzione. Analisi generale imprese in un’ampia varietà di applicazioni mostra che i costi associati all’acquisto di attrezzature e i tempi di fermo della produzione dovuti alla manutenzione e alla messa in servizio di nuove attrezzature possono essere parzialmente compensati dal risparmio nel consumo energetico.
Le tecnologie ad alta efficienza energetica sono una delle priorità di ABB. Il massimo metodi moderni e gli sviluppi volti a garantire il funzionamento più efficiente si sono fatti strada nelle moderne apparecchiature ABB: convertitori di frequenza e avviatori statici*, ampiamente utilizzati per controllare i meccanismi di azionamento unità di pompaggio e può ridurre significativamente il consumo di energia negli impianti di trattamento delle acque e delle acque reflue.
Il metodo meccanico spesso utilizzato per controllare il flusso della pompa, o metodo di strozzamento, è estremamente inefficace in termini di risparmio energetico. Ciò solleva la domanda: quale delle due soluzioni tecniche è il metodo più economico per ridurre il consumo energetico: azionamenti a frequenza variabile o controllo ciclico (Fig. 1)? Essenzialmente, le caratteristiche dell'impianto idraulico in cui viene utilizzata la pompa centrifuga sono il fattore determinante nella scelta di un metodo di controllo rispetto ad un altro.
Riso. 1. Controllo del flusso del sistema tramite strozzatura, controllo ciclico e di frequenza
Nel campo della lavorazione acque reflue L'accensione/spegnimento delle pompe centrifughe viene solitamente eseguita sotto il controllo di un sistema di controllo del processo. L'acqua residua (ovvero l'acqua proveniente da edifici residenziali o commerciali) viene solitamente raccolta in fosse settiche o serbatoi per le acque reflue fino a quando non viene pompata negli impianti di trattamento delle acque comunali. Tenendo conto di una certa frequenza, l'uso di soft starter riduce significativamente il rischio di intasamento della pompa a causa dei rifiuti contenuti nell'acqua.
Il controllo ciclico rappresenta un'alternativa interessante agli azionamenti a frequenza variabile, nonostante la perdita di flessibilità nel controllo del flusso. In altre parole, il soft starter è considerato una tecnologia idonea e competitiva per proteggere il motore a induzione da sovraccarichi elettrici, shock meccanici e vibrazioni durante l'avviamento, nonché dai colpi d'ariete nel sistema di tubazioni che si verificano quando la pompa si ferma. Inoltre il motore elettrico viene fatto funzionare nel suo punto di funzionamento ottimale e spento per il resto del tempo.
Le sezioni seguenti forniscono un'analisi del risparmio energetico e del ROI delle soluzioni di controllo a frequenza variabile e di controllo ciclico per due pompe centrifughe (90 kW e 350 kW).
Tipico sistema di pompaggio
Quando si progetta un sistema di pompaggio, la condizione principale è garantire la portata Qop richiesta [m3/h]. In un sistema ideale la pompa scelta ha una caratteristica Qbep [m3/h] che corrisponde alla caratteristica Qop [m3/h]. In pratica, di solito viene scelta una pompa più grande (Fig. 2). Di conseguenza, la pompa funziona con un'efficienza idraulica ridotta nella maggior parte della gamma di prestazioni. Quanto sopra è illustrato in Fig. 3 per due pompe centrifughe Aurora con potenza nominale di 90 kW e 350 kW.
Tabella 1. Caratteristiche comparative dei parametri di due pompe
Riso. 2. Scelta di una pompa per un impianto industriale
Riso. 3. Riduzione dell'efficienza idraulica nelle pompe da 90 kW e 350 kW a causa di modifiche dei parametri dei componenti del sistema del 15%
Per analizzare le possibilità di risparmio energetico di queste pompe, sono stati considerati tre diversi sistemi idraulici: con predominanza della pressione per vincere l'attrito, cioè il rapporto (?) tra la pressione statica Hst [m] e l'altezza idraulica massima Hmax [ m] è del 5%; con predominanza della pressione statica (? è del 50%); con pressione combinata (? è 25%) (Fig. 4).
Riso. 4. Sistemi idraulici selezionati per analizzare il potenziale risparmio energetico
Caratteristiche prestazionali del convertitore di frequenza, dell'avviatore statico e del motore
I convertitori di frequenza hanno alta efficienza(ηconv), che naturalmente diminuisce al diminuire della potenza di uscita rispetto a valore nominale. Quando l'avviatore statico funziona a regime, cioè quando il bypass è attivato, l'efficienza degli avviatori statici è quasi del 100%. Va notato che l'efficienza degli avviatori statici diminuisce notevolmente con un aumento del numero di avviamenti all'ora e una riduzione degli intervalli di tempo di funzionamento, a causa delle ulteriori perdite Joule durante l'avvio e l'arresto del motore elettrico, nonché il funzionamento di tiristori (Fig. 5).
Riso. 5. Variazione dell'efficienza elettrica (%) dell'avviatore statico e del convertitore di frequenza con carico di pompaggio
Gli standard più severi recentemente adottati (classi IE) garantiscono una maggiore efficienza del motore elettrico - quando funziona sotto carico (Fig. 6 e 7). L'efficienza del motore elettrico (strettamente dipendente dalla classe) è influenzata dall'utilizzo di un convertitore di frequenza o di un soft starter: l'efficienza diminuisce quando alimentato da un inverter in uscita ad alta velocità a causa della presenza di distorsioni armoniche nella corrente e tensione, ma non cambia quando alimentato da un soft starter dopo la fine dell'accelerazione transitoria del processo dovuta alla forma d'onda sinusoidale della tensione all'uscita del dispositivo.
Riso. 6. L'influenza della classe di efficienza energetica di un motore elettrico sull'efficienza della pompa
Riso. 7. Modifica dell'efficienza di un motore elettrico con carico idraulico
L'effetto della modifica delle caratteristiche dei componenti del sistema, della classe di efficienza energetica del motore elettrico e delle perdite armoniche in un sistema reale è riportato nella Tabella. 2.
Tabella 2. Impatto di dimensioni maggiori del sistema, classe del motore e perdite armoniche
per consumo elettrico (Pn =90 kW – frequenza di commutazione 4 kHz)
Risparmio energetico
I risparmi energetici ottenuti utilizzando la frequenza e il controllo ciclico nei sistemi di pompaggio da 90 kW e 350 kW sono mostrati in Fig. 8 e 9. Nei sistemi con predominanza della pressione per vincere l'attrito (? = 5%), il controllo della frequenza consente un maggiore risparmio energetico su quasi tutto il campo di funzionamento (dal 7 al 98%) per entrambi i sistemi di pompaggio. Nel caso di una pompa da 90 kW e in un impianto con prevalenza statica predominante (? = 50%), il controllo ciclico è una soluzione tecnica migliore rispetto all'utilizzo di un convertitore di frequenza per tutti i punti di funzionamento. Il convertitore di frequenza garantisce un risparmio energetico leggermente superiore per una pompa da 350 kW, ma solo nell'intervallo compreso tra il 75 e il 92% della capacità della pompa. Considerando un sistema idraulico combinato (? = 25%), il controllo VFD consente un risparmio energetico maggiore solo per le pompe con capacità superiori al 28% (per un sistema da 90 kW) e al 24% (per un sistema da 350 kW). Infatti, il risparmio energetico più elevato utilizzando il controllo della frequenza si osserva nell'intervallo di capacità della pompa compreso tra il 15 e il 20%.
Riso. 8.
per pompa 90 kW
Riso. 9. Risparmio energetico [%] con frequenza e controllo ciclico
per pompa 350 kW
A differenza dei convertitori di frequenza, che presentano perdite sui componenti a semiconduttore durante il funzionamento nominale, gli avviatori statici, in questo caso, funzionano tramite un contattore di bypass, quindi i tiristori non sono coinvolti (Fig. 10). E quindi non ci sono ulteriori perdite di calore. Le caratteristiche operative e di sistema per le quali è preferibile scegliere l'uno o l'altro metodo di controllo per regolare le prestazioni della pompa sono mostrate in Fig. 11**.
Riso. 10. Efficienza ottimale per una pompa da 90 kW quando bypassata tramite un avviatore statico
a carichi elevati (90-100% della capacità di progetto)
Riso. 11. Il punto di riferimento in cui i risparmi quando si utilizza il controllo ciclico diventano più elevati è
piuttosto che utilizzare una soluzione di azionamento a frequenza variabile
Ritorno sull'investimento
Uno dei fattori più importanti per i clienti è il calcolo del ritorno sull'investimento, che include costi aggiuntivi dovuti ai tempi di inattività delle apparecchiature durante l'installazione e la messa in servizio del soft starter.
Il costo di un convertitore di frequenza è tre volte superiore al costo di un soft starter per pompe con una potenza nominale fino a 25 kW e cinque volte per pompe da 350 kW. L'investimento iniziale totale per la regolazione della frequenza o il controllo ciclico viene calcolato come la somma del costo del convertitore di frequenza o dell'avviatore statico più la percentuale dei costi di fermo dell'apparecchiatura rispetto ai costi sostenuti durante l'intero ciclo vitale funzionamento della linea di produzione.
Per convertitori di frequenza e soft starter, questa quota è del 7,5%.
Il costo dei singoli componenti può variare per diversi motivi. Innanzitutto va notato che i convertitori di frequenza a bassa tensione vengono utilizzati più spesso nel funzionamento continuo del motore elettrico, piuttosto che nella modalità start/stop, e forniscono un controllo più accurato. Tuttavia, i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) utilizzati nei convertitori di frequenza richiedono una certa manutenzione regime di temperatura e raffreddamento, il che li rende elementi piuttosto costosi e di conseguenza aumenta il costo dei convertitori di frequenza rispetto agli avviatori statici della stessa potenza nominale. Negli avviatori statici, gli elementi di potenza a semiconduttore - tiristori - funzionano solo nelle modalità di avvio e arresto con un tempo medio di ciascuna modalità di circa 15 secondi. Vale la pena notare che i tiristori economici e affidabili non richiedono un raffreddamento forzato costante.
Il periodo di ammortamento per i convertitori di frequenza e il controllo del flusso ciclico è mostrato in Fig. 12 e 13 per motori elettrici da 90 kW e 350 kW per tre sistemi idraulici: ? = 5%, 25% e 50%.
Riso. 12. Periodo di ammortamento per soluzioni con controllo di frequenza e ciclico (soft starter)
per pompa 90 kW
Riso. 13. Periodo di ammortamento per soluzioni con controllo di frequenza e ciclico (soft starter)
per pompa 350 kW
Soluzioni di controllo delle pompe parallele
In molti sistemi idraulici, è possibile ottenere un risparmio energetico ottimale con un buon ritorno sull'investimento utilizzando un sistema di controllo della pompa in parallelo*** che utilizza sia azionamenti a velocità variabile che avviatori statici.
Riso. 14. Soluzione per un impianto con quattro pompe in parallelo
(sistema idraulico con predominanza della pressione per vincere l'attrito)
Tabella 3. Schema di controllo per un sistema con quattro pompe in parallelo
Negli impianti idraulici con prevalenza della pressione per vincere l'attrito (? = 5%) e con quattro pompe in parallelo - ciascuna con potenza nominale di 350 kW (2500 m3/h) - è ottimale l'utilizzo di due convertitori di frequenza e due soft antipasti (Fig. 14). Nello schema che fornisce la migliore soluzione in termini di ammortamento e flessibilità di controllo, due pompe, 1 e 2, sono controllate da avviatori statici, e le pompe 3 e 4 sono controllate da convertitori di frequenza (vedere Tabella 3). Le pompe con avviatori statici funzionano alle massime prestazioni. Aumentando la velocità di rotazione delle pompe controllate da convertitori di frequenza alla velocità nominale, è possibile garantire le massime prestazioni del sistema. In un sistema idraulico misto (sistema idraulico a pressione statica/attrito dominante) (? = 25%), il progetto che fornisce la soluzione ottimale in termini di ritorno sull'investimento e flessibilità di controllo è costituito da tre pompe, le prime due delle quali sono soft starter controllati e la terza pompa - un convertitore di frequenza (vedere Fig. 15 e Tabella 5).
Riso. 15. Soluzione per un impianto con tre pompe in parallelo
(impianto idraulico a pressione statica/pressione predominante per vincere gli attriti)
Tabella 4. Diagramma di controllo del flusso per un sistema con tre pompe in parallelo
(impianto idraulico combinato)
Per entrambi i sistemi, l'investimento iniziale per l'acquisto di soft starter e convertitori di frequenza si trasforma in profitto economico in meno di 1,5 anni, a condizione che la portata regolata sia inferiore all'80% della prestazione totale (Fig. 16).
Tabella 5. Opzioni
Riso. 16. Periodo di ammortamento stimato per due installazioni,
con controllo parallelo di pompe da convertitori di frequenza e soft starter
La migliore soluzione?
È stata effettuata un'analisi dell'efficacia dei sistemi di controllo della frequenza e del flusso ciclico per due pompe centrifughe (90 kW e 350 kW) con motori fino a 1000 V. I risultati ottenuti indicano che il controllo tramite controllo di frequenza è la migliore soluzione nei sistemi idraulici con una predominanza di pressione per vincere le perdite per attrito (trasporto di liquido senza dislivello nel caso di utilizzo pompe di circolazione). Nei sistemi in cui predomina la pressione statica, si consiglia di utilizzare il controllo ciclico. I convertitori di frequenza dovrebbero essere evitati in sistemi con pompa e caratteristiche di carico piatte a causa del rischio di instabilità e guasti.
I dispositivi ad avviamento graduale sono la soluzione tecnica più promettente per gli impianti di trattamento delle acque e di smaltimento delle acque reflue, in cui è necessario accendere/spegnere la pompa per pompare il liquido fuori dai collettori e successivamente spostare le acque reflue negli impianti di trattamento. Gli avviatori statici sono altamente affidabili e dispongono di funzioni integrate per eliminare il colpo d'ariete sia all'avvio che all'arresto del sistema. Tuttavia, è possibile ottenere il massimo risparmio energetico e tempi minimi di ammortamento per un'ampia gamma di sistemi idraulici utilizzando circuiti di controllo della pompa parallela che utilizzano una combinazione di convertitori di frequenza e avviatori statici. Basandosi sul know-how nell'automazione e su un'ampia gamma di apparecchiature di automazione a bassa tensione, ABB offre altre soluzioni per un uso efficiente dell'energia in un'ampia gamma di applicazioni.
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* Gli avviatori statici regolano il livello di tensione fornito al motore elettrico, garantendo così inizio regolare e fermare la guida.
** Quando si converte il risparmio energetico in percentuale (per velocità fissa e limitazione) in efficienza economica Si presuppone che la pompa funzioni 8760 ore all'anno (330 x 24) al costo di $ 0,065 per kWh di elettricità.
*** Per un controllo ottimale del flusso, i circuiti paralleli azionano una pompa fino al raggiungimento del flusso massimo, dopodiché il carico idraulico viene diviso tra due pompe che funzionano simultaneamente. Al raggiungimento del secondo set point si attivano tre pompe e così via.
Letteratura
1. ITT Industries (2007). Il posto di ITT nel ciclo dell'acqua: tutto tranne i tubi.
2. Aurora Pump (Pentair Pump Group) giugno 1994, Stati Uniti.
3.IEC 60034-31:2009. Macchine elettriche rotanti. Parte 31: Guida per la selezione e l'applicazione di motori ad alta efficienza energetica, comprese le applicazioni a velocità variabile.
4. Brunner, C.U. (4–5 febbraio 2009). Classi di efficienza: Motori e sistemi elettrici. Evento sugli standard di prestazione energetica dei motori, Sydney (Australia). www.motorsystems.org.
5. Dipartimento dell'Energia (DOE). Agenzia internazionale per l'energia (VIA) (giugno 2009). Prezzo medio al dettaglio dell'elettricità ai clienti finali.
6. Sagarduy, J. (gennaio 2010). Valutazione economica dei metodi di avviamento a tensione ridotta. SECRC/PT-RM10/017.
7. Istituto Idraulico (agosto 2008). Pompe e sistemi, comprensione dei fondamenti dei sistemi di pompaggio per l'efficienza energetica. Calcolo del costo di proprietà.
8. ITT Flygt (2006). Pompa di circolazione con motore veterinario per il sistema di riscaldamento nell'area commerciale.
9. Vogelesang, H. (aprile 2009). Efficienza energetica. Due approcci al controllo della capacità. Rivista mondiale delle pompe.