技術ソリューションの分析: ソフトスターター、可変周波数ドライブ、または遠心ポンプ用の並列制御回路。 ポンプのソフトスタートが必要なのはなぜですか? 井戸ポンプのスムーズな始動
デバイス ソフトスタート - 非同期電気モーターで使用される電気装置。これにより、始動時にモーターのパラメーター (電流、電圧など) を安全な制限内に保つことができます。 これを使用すると、始動電流が減少し、モーターの過熱の可能性が減少し、機械的ドライブのジャークがなくなり、最終的に電気モーターの耐用年数が長くなります。
目的
電気モーターの始動、動作、停止のプロセスを制御します。 非同期電動機の主な問題は次のとおりです。
- エンジントルクと負荷トルクを一致させることが不可能、
- 高い 始動電流.
始動中、トルクは一瞬で 150 ～ 200% に達することが多く、駆動運動チェーンの故障につながる可能性があります。 この場合、始動電流が定格電流の 6 ～ 8 倍になる可能性があり、電力の安定性に問題が発生します。 ソフトスターターは、エンジンの加速と減速をよりゆっくりと行うことで、これらの問題を回避します。 これにより、始動電流を低減し、エンジンの始動および停止時のドライブの機械部分のジャークやパイプやバルブの油圧ショックを回避できます。
ソフトスターターの動作原理
非同期電気モーターの主な問題は、電気モーターによって発生するトルクがそれに加えられる電圧の 2 乗に比例することです。そのため、モーターの始動時と停止時にローターに急激な振動が発生し、その結果、大きな振動が発生します。誘導電流。
ソフトスターターは、機械式または電気式、または両方の組み合わせのいずれかです。
機械装置はエンジン速度の急激な上昇を直接妨げ、トルクを制限します。 ブレーキパッド、流体カップリング、磁気ロック、ショットカウンターウェイトなどです。
データ 電気機器電気モーターをスムーズに起動して定格速度まで加速するために、電流または電圧を最初の低下レベル (基準電圧) から最大値まで徐々に増加させることができます。 このようなソフトスターターは通常、振幅制御方式を使用するため、アイドルモードまたは軽負荷モードでの機器の始動に対応します。 より新しい世代のソフトスターター (EnergySaver デバイスなど) は位相制御方式を使用しているため、「定格対定格」の厳しい始動モードを特徴とする電気ドライブを始動できます。 このようなソフトスターターを使用すると、より頻繁に始動でき、省エネおよび力率補正モードが組み込まれています。
ソフトスターターの選択
非同期モーターがオンになると、ローターに短絡電流が短時間発生します。その電流の強さは、速度が上昇した後、消費されたモーターに対応する公称値まで減少します。 電気機械力。 この現象は、加速の瞬間にシャフトのトルクが急激に増加するという事実によってさらに悪化します。 その結果、保護装置が作動する可能性があります サーキットブレーカー、それらが取り付けられていない場合は、同じ回線に接続されている他の電気機器の故障が考えられます。 そして、いずれにせよ、事故が起こらなかったとしても、電気モーターを始動するとき、エネルギー消費の増加が注目されます。 この現象を補償または完全に排除するには、ソフトスターター (SFD) が使用されます。
ソフトスタートはどのように実装されますか?
電動モーターをスムーズに起動し、突入電流を防ぐには、次の 2 つの方法が使用されます。
- ローター巻線の電流を制限します。 これを行うために、星型構成で接続された 3 つのコイルで構成されます。 それらの自由端は、シャフトのシャンクに取り付けられたスリップ リング (コレクター) につながっています。 レオスタットはコレクタに接続されており、その抵抗は起動時に最大になります。 減少すると、ローター電流が増加し、モーターが回転します。 このような機械は巻線回転子モーターと呼ばれます。 クレーン装置やトロリーバス、路面電車の牽引用電動機として使用されています。
- ステータに供給される電圧と電流を減らします。 次に、これは次を使用して実装されます。
a) 単巻変圧器または加減抵抗器。
b) サイリスタまたはトライアックに基づく主要な回路。
これは電気機器の構造の基礎となる重要な回路であり、通常はソフトスターターまたはソフトスターターと呼ばれます。 周波数変換器を使用すると電気モーターをスムーズに始動することもできますが、始動電流を制限することなく、トルクの急激な増加を補償するだけであることに注意してください。
キー回路の動作原理は、正弦波がゼロを通過した瞬間にサイリスタが一定時間ロック解除されるという事実に基づいています。 通常、電圧が上昇する位相のその部分で発生します。 それほど頻繁ではありません - 落ちたとき。 その結果、ソフトスターターの出力に脈動電圧が記録されますが、その形状は正弦波にほぼ似ているだけです。 この曲線の振幅は、サイリスタのロックが解除される時間間隔が増加するにつれて増加します。
ソフトスターターの選択基準
重要度の降順に、デバイスの選択基準は次の順序で並べられています。
- 力。
- 制御されるフェーズの数。
- フィードバック。
- 機能性。
- 制御方法。
- 追加機能。
力
ソフトスターターの主なパラメーターは値 I nom です。これはサイリスターが設計される電流の強さです。 何回かあるはず より大きな価値定格速度に達したモーターの巻線に流れる電流。 頻度は発射の重大度によって異なります。 軽い金属切断機、ファン、ポンプの場合、始動電流は定格電流の 3 倍になります。 慣性モーメントが大きいドライブでは、始動が困難になるのが一般的です。 たとえば、垂直コンベヤ、製材所、プレス機などです。 電流は定格電流の5倍です。 また、ピストンポンプや遠心分離機などの作動に伴う始動は特に困難です。 バンドソー...その場合、ソフトスターターの I 番号は 8 ～ 10 倍大きくなるはずです。
起動の重大度も、完了までにかかる時間に影響します。 それは 10 ～ 40 秒続くことがあります。 この間、サイリスタは電力の一部を消費するため非常に熱くなります。 繰り返しになりますが、冷却する必要があり、これには作業サイクルと同じ時間がかかります。 したがって、技術的なプロセスで頻繁にオン/オフを切り替える必要がある場合は、強力な始動のためにソフトスターターを選択してください。 デバイスに負荷がかかっていなくても、簡単に速度が上がります。
フェーズ数
1 つ、2 つ、または 3 つの位相を制御できます。 最初のケースでは、装置は電流よりも始動トルクの増加を大幅に緩和します。 最も一般的に使用されるのは二相スターターです。 そして、重くて特に困難な始動の場合は、三相です。
フィードバック
SCP指定されたプログラムに従って動作することができます - 指定された時間内に電圧を公称値まで増加させます。 これは最も単純で最も一般的な解決策です。 可用性 フィードバック管理プロセスがより柔軟になります。 そのパラメータは、電圧とトルクの比較、またはローターとステーターの電流間の位相シフトです。
機能性
アクセルやブレーキを操作する能力。 追加の接触器の存在により、重要な回路をバイパスして冷却できるようになり、巻線の過熱につながる正弦波形状の違反による位相の非対称性も排除されます。
制御方法
パネル上のポテンショメータを回転させることでアナログ的に行うことも、デジタル マイクロコントローラーを使用してデジタル的に行うこともできます。
追加機能
あらゆる種類の保護、省エネモード、急に始動する機能、減速した速度で動作する機能（擬似周波数調整）。
ソフトスターターを正しく選択すると、電気モーターの耐用年数が 2 倍になります。 節約します最大30パーセント電気。
なぜソフトスターターが必要なのでしょうか?
ポンプやファンの電気駆動を始動する際に、ソフトスタート装置 (ソフトスターター) が使用されることが増えています。 これは何と関係があるのでしょうか？ 私たちの記事では、この問題に焦点を当てていきたいと思います。
誘導モーターは 100 年以上使用されてきましたが、その間、その機能はほとんど変わっていません。 これらのデバイスの起動とそれに関連する問題は、その所有者にはよく知られています。 突入電流は電圧低下や配線の過負荷を引き起こし、次のような結果をもたらします。
一部の電気機器は自然に電源が切れる場合があります。
機器の故障などの可能性があります。
ソフトスターターをタイムリーにインストール、購入、接続することで、不必要なお金の無駄や頭痛の種を避けることができます。
始動電流とは
動作原理に基づいて 非同期モーター電磁誘導という現象が存在します。 逆ビルドアップ 起電力(e.m. s)、変更を適用することによって作成されます。 磁場エンジン始動中に、電気システムに過渡的なプロセスが発生します。 この過渡現象は、電力システムおよびそれに接続されている他の機器に影響を与える可能性があります。
始動中、電気モーターは最高速度まで加速します。 初期過渡現象の継続時間は、ユニットの設計と負荷の特性によって異なります。 始動トルクは最大であり、始動電流は最小である必要があります。 後者は、ユニット自体、電源システム、それに接続されている機器に悪影響を及ぼします。
初期期間では、突入電流は全負荷電流の 5 ～ 8 倍に達する可能性があります。 電気モーターを始動すると、ケーブルが強制的に通過します。 より最新の定常状態のときよりも。 システムの電圧降下も、安定動作時よりも起動時の方がはるかに大きくなります。これは、強力なユニットや電源を起動するときに特に顕著になります。 多数の同時に電気モーターも作動します。
モーターの保護方法
電気モーターの使用が普及するにつれて、モーターを始動する際の問題を克服することが課題になっています。 長年にわたり、これらの問題を解決するためにいくつかの方法が開発されてきましたが、それぞれに独自の利点と制限があります。
最近、モーターの電力制御におけるエレクトロニクスの使用が大幅に進歩しました。 ポンプやファンの電気駆動を始動する際に、ソフトスターターが使用されることが増えています。 重要なのは、このデバイスには多くの機能があるということです。
スターターの特別な機能は、ゼロから定格値までモーター巻線に電圧をスムーズに供給し、モーターが最高速度までスムーズに加速できるようにすることです。 電気モーターによって発生する機械的トルクは、それに加えられる電圧の二乗に比例します。
始動プロセス中、ソフトスターターは供給電圧を徐々に増加させ、電気モーターは定格回転速度まで加速します。 大きな瞬間そしてピーク電流が急増します。
ソフトスターターの種類
現在、機器のスムーズな起動のために、1 段階、2 段階、および全段階制御の 3 種類のソフトスターターが使用されています。
最初のタイプは次の目的で使用されます。 単相モーター過負荷、過熱に対する信頼性の高い保護を提供し、電磁干渉の影響を軽減します。
一般に、2 番目のタイプの回路には、半導体制御基板に加えてバイパス コンタクタが含まれます。 モーターが定格速度に達すると、バイパス コンタクターが作動し、モーターに直流電圧を供給します。
三相タイプは最も最適で技術的に先進的なソリューションです。 位相の不均衡を生じることなく、電流と磁界の強さを制限します。
なぜソフトスターターが必要なのでしょうか?
比較的低価格であるため、ソフトスターターの人気は現代の産業および産業市場で勢いを増しています。 家庭用電化製品。 非同期電気モーターの耐用年数を延ばすには、ソフトスターターが必要です。 ソフトスターターの大きな利点は、始動がぎくしゃくすることなくスムーズな加速で行われることです。
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家に井戸があることがいかにすばらしいかは誰もが知っています。 何も壊れない限り、これは便利で効果的です。 そして、問題は遅かれ早かれ、卑劣の法則に従って、最も不適切な瞬間にそれを感じさせるでしょう。 井戸をあきらめて井戸を掘るという選択肢はありません。 起こり得る事故を事前に防ぎ、自分の身を守ることが大切です。
個人宅に最適な給水オプションはどれですか?
井戸からの水は特殊な機械で汲み上げられます。 深井戸ポンプ。 給水の設計に応じて、水は特別な貯水池（水力アキュムレータ）にポンプで送られるか、給水に直接供給されます。
タンクを備えたシステムは、個人の家に適しています。 たとえば、3〜4人の家族の場合、平均して1日あたり70リットルで十分です。 このような給水には、適切な容量の50リットルの水圧アキュムレーター、圧力スイッチ、およびポンピング速度1 m3 / hのポンプが必要です。 全部合わせると100ドルかかります。
しかし、12 部屋あるホテルの場合、部屋全体の大きさのタンクが必要になるため、このオプションは採算が合わなくなります。 500 リットルの油圧アキュムレーターの価格は 400 ドルで、使用可能なスペースが多く必要になります。 周波数変換器を 150 ～ 200 ドルで購入するほうが安くて効率的です。
周波数変換器を備えた給水
周波数変換器は、水道内の圧力に応じて電気モーターの速度を調整します。 このように動作します 原理:
- の上 水道管圧力スイッチが周波数変換器に接続されて設置されます。
- システムはネットワークに接続されており、周波数変換器がポンプ電流の特性を滑らかに変更します。
- このせいで彼は 徐々に公称速度に達する。
- 充填時にはパイプ内の圧力が上昇し、リレーが周波数変換器に信号を送信し、ポンプ速度が低下します。
このようなシステムにはどのような利点があるのでしょうか?
ユーザーフレンドリーさ
たとえば、訪問者がホテルの部屋でシャワーを浴びると、給水内の圧力が低下し、ポンプの動作が速くなります。 蛇口をオンにすると、電気モーターが低速で回転し、パイプからの水の流出を防ぎます。 したがって、蛇口を緩めると、すぐに必要な圧力で水が流れ始めます。
電気セキュリティ
オンになると、各電気モーターは 3 ～ 4 倍の電力を消費し、始動電流が発生します。 現時点では、ネットワーク負荷はそれぞれ公称負荷の 300 ～ 400% です。 ピークは、電気モーターが通常の速度に達するまで、ほんの一瞬続きます。 なぜこれが危険なのでしょうか?
ホテルに戻りましょう。 停電により訪問者が文明の恩恵を受けられなくなるのを防ぐために、責任ある所有者は発電機を設置します。 バックアップ電源の電力が 20 kW で、そのうち 10 kW が照明、エアコン、ラップトップのコンセントなどにすぐに送られると仮定します。
ポンプ出力は 5 kW ですが、始動電流が定格 3 であるため、始動時には 15 kW がすべて消費されます。 発電機は 10 kW しか供給できませんが、これは電気モーターには十分ではありません。 そのような負荷は発電機を破壊し、その結果ホテルは残ります。 光も水もなければ.
周波数変換器 始動電流を除去します。 前の例で周波数発生器があった場合、発生器の負荷は 15 kW を超えず、安全モードで動作します。
長いポンプ寿命
突入電流はネットワークだけでなく電気モーターにも損害を与えます。 電源を入れるたびに異常モードで動作し、設計外の負荷に短時間耐えます。 突然の始動と停止は電気モーターの摩耗を増大させます。 周波数変換器は、よりスムーズに停止します。 耐用年数が2倍になります.
給水を守らなかったらどうなるでしょうか？
ご家庭の給水を中断せずに効率的に行うためには、やはり保護が必要です。 間違いなくポンプです 主な要素しかし、それがどれほど高価で高品質であっても、ショートを防ぐことはできません。
事故は水中だけでなく、水中ケーブルやホームネットワークでも発生します。 何が最初に壊れるかを予測するのは困難です。 宝くじに当たらないようにするには、すべてのことから一度に身を守るほうがよいでしょう。
ソフトスターターを通じて家庭用ポンプをオンにする理由はたくさんあります。
通常、水中ポンプまたは水上ポンプは、電気機械式リレーまたは電子リレー、自動化ユニット、または磁気スターターを介して接続されます。 全部で リストされたケース主電源電圧は、接点を閉じることによって、つまり直接接続を通じてポンプに供給されます。 これは、電気モーターの固定子巻線に完全な主電源電圧を供給しており、この時点では回転子はまだ回転していないことを意味します。 これにより、ポンプ モーターのローターに瞬間的な強力なトルクが発生します。
この接続図は、ポンプ起動時の次の現象を特徴としています。
ローターが短絡しているため、電流がステーターを通って (したがって、電源線を通って) 急増します。
単純化して理解すると、変圧器の二次巻線に短絡が発生します。 当社の経験では、ポンプ、メーカー、シャフト負荷に応じて、パルス始動電流は動作電流の 4 ～ 8 倍、場合によっては最大 12 倍を超えることがあります。
シャフトに突然トルクが発生します。
これは、始動および動作中の固定子巻線、ベアリング、セラミックおよびゴムシールに悪影響を及ぼし、摩耗が大幅に増加し、耐用年数が短くなります。
シャフトに鋭いトルクが現れると、パイプライン システムに対して井戸ポンプ ハウジングが急激に回転します。
このために井戸ポンプがパイプラインから外れて井戸に落ちてしまう様子を私たちは何度も目撃してきました。 液圧アキュムレータのプラットフォームに設置された水上ポンプをベースにしたポンプステーションの場合、これにより締結ナットの緩みや液圧アキュムレータの溶接点や継ぎ目の破壊が発生します。 また、ポンプを直接オンにすると、給水や給水の寿命が長くなります。 遮断弁、特にそれらの接合部で。
油圧アキュムレータは給水システムにおけるウォーターハンマーを排除するものであると一般に認められています。
これは事実ですが、パイプライン内でウォーターハンマーが消えるのは、油圧アキュムレーターが接続されている箇所からのみです。 ポンプと油圧アキュムレータの隙間には、ポンプを直結すると油圧ショックが残ります。 その結果、ポンプからアキュムレータまでの区間で、ポンプのすべての部分とパイプライン システムにウォーター ハンマーの影響が及ぶことになります。
水ろ過システムでは、ポンプ直結時にウォーターハンマーが発生し、フィルターエレメントの寿命が著しく低下します。
地域の電力網の場合 弱い, そうすれば、ポンプがオンになった瞬間にネットワーク内の電圧が急激に低下するため、直接接続されている場合、近所の人も1 kWを超える電力のポンプが動作していることを知ることになります。
ローカルネットワークの場合 非常に弱い、そしてあなたの隣人も、利用可能なすべてのものを接続することで人生を楽しんでいます 電化製品、その場合、深い深さまで水没した井戸ポンプは起動しない可能性があります。 このような電圧サージは、ネットワークに接続されている電子機器に損傷を与える可能性があります。 電子機器を詰め込んだ高価な冷蔵庫がポンプの始動時に故障したという事例が知られています。
ポンプをオンにする頻度が高くなるほど、ポンプの耐用年数は短くなります。
直接接続による頻繁な始動はプラスチックカップリングの故障につながります 井戸ポンプ電動モーターとポンプ部分を接続します。
ポンプを始動せずにポンプを始動する場合に発生する問題について検討しました。 ソフトスタートデバイス (SPD) .
なお、ポンプを停止した場合でも、 SCP直接接続図にはいくつかのマイナス面があります。
ポンプがオフになると、システム内でウォーターハンマーも発生しますが、これはポンプシャフトのトルクが急激に減少するためであり、これは瞬間的な真空の生成と同じです。
ポンプ シャフトのトルクが急激に減少すると、ポンプ ハウジングが逆方向に回転します。
ポンプのパイプラインとネジ接続について考えてみましょう。
従来の家庭用ポンプでは、電気モーターは非同期であり、顕著な誘導性を持っています。
電流の流れを突然遮断すると、 誘導負荷の場合、電流の連続性により、この負荷の両端の電圧が急激に上昇します。 はい、接点を開くと、すべての高電圧がポンプ側に残るはずです。 しかし、接点が機械的に開くと、いわゆる「接点バウンス」が存在し、高電圧パルスがネットワークに入り、したがってその時点でネットワークに接続されているデバイスにも入ります。
したがって、ポンプが直接接続されている場合、機械部品の摩耗が増加します。 電気部品ポンプ（起動時と停止時の両方）。 同じネットワークに含まれるデバイスにも影響が生じ、濾過システムや配管付属品の耐用年数が短くなります。
使用法 ソフトスタート装置（「Aquacontrol UPP-2.2S」）これにより、上記の欠点のほとんどを解決できます。 デバイス内 UPP-2.2Sポンプには特別に計算された電圧上昇曲線が実装されており、これにより、一方では最も不利な動作条件でもポンプを確実に起動でき、他方ではシャフトの回転速度をスムーズに増加させることができます。 このデバイスには、ポンプを極端な動作条件やスイッチオンから保護するために、低電圧および高電圧主電源に対する保護機能も組み込まれています。
で UPP-2.2S位相トライアック制御を採用しています。 起動時にポンプに部品が供給されます 主電源電圧これにより、ポンプが確実に始動するのに十分なトルクが発生します。 ローターが回転すると、ポンプの電圧が徐々に増加し、電圧が完全に印加されます。 この後、リレーがオンし、トライアックがオフになります。 その結果、使用する際には、 UPP-2.2Sポンプはリレー接点を介してネットワークに接続されます。つまり、直接接続の場合と同じです。 ただし、3.2 秒間 (これはソフトスタート時間です)、トライアックを通じて電圧がポンプに供給され、リレー接点で火花が発生することなく「ソフトスタート」が保証されます。
このような起動では、最大起動電流は動作電流の 5 ～ 8 倍ではなく 2.0 ～ 2.5 倍を超えません。 使用する UPP-2.2S、ポンプの始動負荷を 2.5 ～ 3 倍削減し、ポンプの寿命を同量延長し、より多くの性能を提供します。 快適な仕事電気ネットワークに接続されたデバイス。 UPP-2.2S省資源技術を備えたデバイスと言えます。
適用範囲と機能
家庭用ポンプの始動と停止には、EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S 220 V ソフトスターターが広く使用されており、振動ポンプや遠心電動ポンプに使用されます。 さらに、このデバイスは、非同期および整流子の電気モーターで動作することが実証されています。 説明書に指定されている最大電力を超えない限り、照明や暖房装置を制御することもできます。
UPP-2.2S の主な機能は、ポンプの起動時に発生する可能性のある油圧および機械的ショックを排除することです。 このデバイスは、電力サージによるポンプの故障も防ぎます。
動作原理
EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S は信号ケーブル経由で制御されます。 開発者は、低電圧および高電圧に対する保護機能をデバイスに装備しました。 電圧が 252 V を超えると、ポンプは自動的にオフになります。 電圧が 245 V に安定すると、ポンプが再びオンになります。 160 V の下限圧力しきい値に達すると、ポンプもオフになります。 電圧が 160 V を超えるとすぐに、ポンプが自動的に起動します。 ソフトスタートの持続時間はポンプのタイプによって異なります。振動 – 2 秒。 遠心 – 3 ～ 7 秒
動作要件
EXTRA Aquacontrol デバイスは、人工気候制御のない密閉された部屋に設置する必要があります。 メーカーは信号ケーブルに電圧を印加することを禁止しています。 UPP-2.2S は、油圧アキュムレータなしではポンプ ステーションの動作を制御するために使用できません。 60 秒未満の間隔でポンプのオンとオフを切り替えると、デバイスが損傷する可能性があることに注意してください。
ハウジングが損傷している場合、またはカバーが外された状態でデバイスを操作することは固く禁じられています。 UPP-2.2S を自分で修理したり、分解したりすることはできません。 説明書に記載されているすべての規則に従った場合、EXTRA Aquacontrol UPP-2.2S の耐用年数は 5 年です。 デバイスのハウジングは、ハウジングに損傷がないか毎年検査する必要があります。
遠心ポンプを使用した油圧システムで最適なエネルギー節約を実現するにはどうすればよいですか? この疑問は今日、専門家や経営者の間でますます高まっています。 それでは、ソフトスターター、可変周波数ドライブ、並列ポンプ制御の使用など、投資回収期間を短縮し、エネルギー効率を向上させることができるデバイスはどれでしょうか? この記事の著者は、さまざまな技術的ソリューションについて慎重に分析し、実稼働環境での実装例、図、表を示しています。
ABB LLC、モスクワ
エネルギー効率の確保は、現時点で最も急務であると同時に複雑な課題の 1 つです。 エネルギー消費コストの削減は、生産の収益性を高め、生産ラインの効率的な運用を実現する方法の 1 つです。 一般的な分析さまざまな用途に携わる企業は、機器の購入に関連するコストや、新しい機器のメンテナンスや試運転に伴う生産のダウンタイムが、エネルギー消費の節約によって部分的に相殺できることを示しています。
エネルギー効率の高い技術は ABB の優先事項の 1 つです。 最も 現代の手法最も効率的な動作を保証するための開発は、最新の ABB 機器、つまり駆動機構の制御に広く使用されている周波数コンバーターやソフトスターター* に導入されています。 ポンプユニット水処理施設や廃水処理施設のエネルギー消費量を大幅に削減できます。
ポンプ流量を制御するためによく使用される機械的方法、つまり絞り方法は、エネルギー節約の観点からは非常に非効率的です。 このため、エネルギー消費を削減するための 2 つの技術ソリューションのうち、可変周波数ドライブとサイクリック制御のどちらが最も経済的でしょうか (図 1) という疑問が生じます。 基本的に、遠心ポンプが使用される油圧システムの特性が、一方の制御方法を選択する際の決定要因となります。
米。 1.スロットリング、周期制御および周波数制御によるシステム フローの調整
加工分野では 廃水遠心ポンプのオン/オフは、通常、プロセス制御システムの制御下で実行されます。 残留水 (つまり、住宅または商業ビルから出る水) は、通常、自治体の水処理施設にポンプで送られるまで、浄化槽または廃水タンクに収集されます。 ある程度の頻度を考慮すると、ソフトスターターを使用すると、水に含まれる廃棄物によってポンプが詰まるリスクが大幅に軽減されます。
サイクリック制御は、フロー制御の柔軟性が失われるにもかかわらず、可変周波数ドライブに代わる興味深い代替手段です。 つまり、ソフトスタータは、誘導電動機を電気的過負荷、始動時の機械的衝撃や振動、さらにはポンプ停止時に発生する配管系のウォーターハンマーから保護するのに適した競争力のある技術と考えられます。 さらに、電気モーターは最適な動作点で動作し、残りの時間はスイッチがオフになります。
次のセクションでは、2 つの遠心ポンプ (90 kW と 350 kW) の可変周波数制御および周期制御ソリューションのエネルギー節約と ROI の分析を示します。
一般的なポンプシステム
ポンプシステムを設計する際の主な条件は、必要な流量 Qop [m3/h] を確保することです。 理想的なシステムでは、選択されたポンプの特性 Qbep [m3/h] は特性 Qop [m3/h] と一致します。 実際には、通常はより大きなポンプが選択されます (図 2)。 その結果、ポンプはほとんどの性能範囲にわたって油圧効率が低下して動作します。 上記を図に示します。 定格出力 90 kW および 350 kW の 2 台の Aurora 遠心ポンプの場合は 3。
表1. 2 つのポンプのパラメータの比較特性
米。 2.産業設備用のポンプの選択
米。 3.システムコンポーネントパラメータの変更による 90 kW および 350 kW ポンプの油圧効率の 15% 低下
これらのポンプのエネルギー節約の可能性を分析するために、3 つの異なる油圧システムが検討されました。摩擦を克服するための圧力が優勢である、つまり、最大水力高さ Hmax に対する静圧 Hst [m] の比率 (?) m]は5%です。 静圧が優勢です (? は 50%)。 結合圧力（αは25％）での圧力変化（図4）。
米。 4.潜在的なエネルギー節約を分析するために選択された油圧システム
周波数コンバータ、ソフトスターター、モーターの性能特性
周波数変換器には、 高効率(ηconv)、出力電力が相対的に減少すると自然に減少します。 公称値。 ソフトスターターが定常状態で動作しているとき、つまりバイパスが作動しているとき、ソフトスターターの効率はほぼ 100% です。 ソフトスターターの効率は、1 時間あたりの始動回数が増加し、動作時間間隔が短くなるにつれて著しく低下することに注意してください。これは、電気モーターの始動時と停止時、および作動時の追加のジュール損失によるものです。サイリスタの数（図5）。
米。 5.ポンピング負荷によるソフトスターターと周波数変換器の電気効率 (%) の変化
最近採用されたより厳格な規格 (IE クラス) は、負荷下での動作時の電気モーターの効率の向上を保証します (図 6 および 7)。 電気モーターの効率 (厳密にはクラスに依存します) は、周波数コンバーターまたはソフトスターターの使用によって影響を受けます。高速出力インバーターによって駆動される場合、電流および電流に高調波歪みが存在するため、効率は低下します。電圧は変化しませんが、デバイス出力の正弦波電圧波形のおかげで、過渡プロセス加速の終了後にソフトスターターによって電力が供給された場合は変化しません。
米。 6. 電動モーターのエネルギー効率クラスがポンプの効率に及ぼす影響
米。 7.油圧負荷による電動モーターの効率の変化
実際のシステムにおけるシステムコンポーネントの特性、電気モーターのエネルギー効率クラス、および高調波損失を変更した場合の影響を表に示します。 2.
表 2.より大きなシステムサイズ、モータークラス、高調波損失の影響
電力消費量 (Pn =90 kW – スイッチング周波数 4 kHz)
省エネ
90 kW および 350 kW のポンプ システムで周波数および周期制御を使用して達成されたエネルギー節約を図に示します。 摩擦を克服するための圧力が優勢なシステム (? = 5%) では、周波数制御により、両方のポンプ システムのほぼ全動作範囲 (7 ～ 98%) にわたってより高いエネルギー節約が実現します。 90 kW ポンプの場合、静的揚程が支配的なシステム (? = 50%) では、すべての動作点に対して周波数変換器を使用するよりも周期制御の方が優れた技術的ソリューションとなります。 周波数変換器は、350 kW ポンプに対してわずかに高いエネルギー節約を提供しますが、その効果はポンプ容量の 75 ～ 92% の範囲に限られます。 複合油圧システム (? = 25%) を考慮する場合、VFD 制御では、28% (90 kW システムの場合) および 24% (350 kW システムの場合) を超える容量のポンプに対してのみ、より高いエネルギー節約が可能になります。 実際、周波数制御を使用した場合の最大のエネルギー節約は、15 ～ 20% のポンプ容量範囲で観察されます。
米。 8.
ポンプ90kW用
米。 9.周波数およびサイクリック制御によるエネルギー節約 [%]
ポンプ350kW用
通常動作中に半導体コンポーネントで損失が発生する周波数コンバータとは異なり、この場合のソフトスタータはバイパスコンタクタを通じて動作するため、サイリスタは関与しません（図10）。 したがって、追加の熱損失はありません。 ポンプの性能を調整するために 1 つまたは別の制御方法を選択することが好ましい動作特性とシステム特性を図に示します。 11**。
米。 10.ソフトスターターをバイパスした場合の 90 kW ポンプの最適効率
高負荷時 (設計容量の 90 ～ 100%)
米。 11.サイクリック制御使用時の節約効果が高くなる基準点は
可変周波数駆動ソリューションを使用するよりも
投資収益率
お客様にとって最も重要な要素の 1 つは、ソフトスターターの設置および試運転中の機器のダウンタイムによる追加コストを含む投資収益率を計算することです。
周波数変換器のコストは、定格出力が 25 kW までのポンプの場合はソフトスターターのコストの 3 倍、350 kW のポンプの場合は 5 倍になります。 周波数調整またはサイクリック制御に対する初期投資の総額は、周波数コンバータまたはソフトスターターのコストの合計と、システム全体で費やされるコストに対する機器のダウンタイムコストのパーセンテージを加えたものとして計算されます。 ライフサイクル生産ラインの稼働。
のために 周波数変換器ソフトスターターの場合、このシェアは 7.5% です。
個々のコンポーネントのコストは、いくつかの理由により異なる場合があります。 まず、低電圧周波数コンバータは、始動/停止モードではなく電気モーターの連続運転で使用されることが多く、より正確な制御を提供することに注意してください。 ただし、周波数変換器で使用される絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) は、一定の条件を維持する必要があります。 温度体制このため、非常に高価な要素となり、同じ定格電力のソフトスタータと比較して周波数変換器のコストが増加します。 ソフトスターターでは、半導体パワー素子 (サイリスター) は始動モードと停止モードでのみ動作し、各モードの平均時間は約 15 秒です。 安価で信頼性の高いサイリスタは、継続的な強制冷却を必要としないことに注目する価値があります。
周波数変換器と循環流量制御の回収期間を図に示します。 電気モーターの場合は 12 および 13、3 つの油圧システムの場合は 90 kW および 350 kW: ? = 5%、25%、50%。
米。 12.周波数およびサイクリック制御 (ソフトスターター) を使用したソリューションの回収期間
ポンプ90kW用
米。 13.周波数およびサイクリック制御 (ソフトスターター) を使用したソリューションの回収期間
ポンプ350kW用
並列ポンプ制御ソリューション
多くの油圧システムでは、可変速ドライブとソフトスターターの両方を使用する並列ポンプ制御システム*** を使用することで、優れた投資収益率を備えた最適なエネルギー節約を実現できます。
米。 14. 4 つの並列ポンプを備えたシステムのソリューション
(摩擦を克服するために圧力が優勢な油圧システム)
表3. 4 つの並列ポンプを備えたシステムの制御図
摩擦を克服するための圧力が優勢で (? = 5%)、4 つの並列ポンプ (各ポンプの定格出力が 350 kW (2500 m3/h) である) を備えた油圧システムでは、2 つの周波数変換器と 2 つのソフト コンバータを使用するのが最適です。スターター (図 14)。 回収と制御の柔軟性の点で最適なソリューションを提供するスキームでは、2 つのポンプ 1 と 2 がソフトスターターによって制御され、ポンプ 3 と 4 が周波数変換器によって制御されます (表 3 を参照)。 ソフトスターターを備えたポンプは最大のパフォーマンスで動作します。 周波数変換器によって制御されるポンプの回転速度を公称速度まで高めることにより、システムの最大性能を確保できます。 混合油圧システム (静圧/摩擦優位油圧システム) (? = 25%) では、投資収益率と制御の柔軟性の点で最適なソリューションを提供する設計は 3 つのポンプで、そのうちの最初の 2 つは制御されたソフトスターターです。 、および 3 番目のポンプ - 周波数変換器 (図 15 および表 5 を参照)。
米。 15. 3 つの並列ポンプを備えたシステムのソリューション
(摩擦に打ち勝つ静圧/優勢圧力を備えた油圧システム)
表4. 3 つの並列ポンプを備えたシステムの流量制御図
（複合油圧システム）
どちらのシステムでも、調整された流量が全体の性能の 80% 未満であれば、ソフトスターターと周波数変換器を購入するための初期投資は 1.5 年以内に経済的利益に変わります (図 16)。
表5.オプション
米。 16. 2 回のインストールの推定回収期間、
周波数変換器とソフトスターターからのポンプの並列制御を使用
最良の解決策?
周波数および循環流量制御システムの有効性の分析は、最大 1000 V のモーターを備えた 2 台の遠心ポンプ (90 kW および 350 kW) に対して実行されました。得られた結果は、周波数制御による制御が、次のような油圧システムにおける最適なソリューションであることを示しています。摩擦による損失を克服するための圧力の優位性（使用の場合は高低差のない液体の輸送） 循環ポンプ）。 静圧が支配的なシステムでは、サイクリック制御を使用することをお勧めします。 不安定性や故障の危険性があるため、フラットなポンプおよび負荷特性を持つシステムでは周波数変換器を使用しないでください。
ソフトスタート装置は、水処理および廃水処理プラントにとって最も有望な技術ソリューションです。このプラントでは、ポンプをオン/オフして液体をコレクターから汲み出し、その後廃水を処理施設に移動する必要があります。 ソフトスタータは信頼性が高く、起動時と停止時のウォーターハンマーを解消する機能を内蔵しています。 ただし、周波数変換器とソフトスターターを組み合わせた並列ポンプ制御回路を使用することで、幅広い油圧システムの最大限のエネルギー節約と最小限の投資回収期間を達成できます。 ABB は、自動化のノウハウと幅広い低電圧自動化機器に基づいて、幅広い用途でエネルギーを効率的に使用するためのその他のソリューションを提供しています。
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* ソフトスターターは電気モーターに供給される電圧レベルを調整し、 スムーズなスタートそして運転停止。
** エネルギー節約量をパーセンテージとして変換する場合 (固定速度およびスロットリングの場合) 経済性ポンプは年間 8,760 時間 (330 x 24) 稼働し、電気代は 1 kWh あたり 0.065 ドルと想定されています。
*** 最適な流量制御のため、並列回路は最大流量に達するまで 1 台のポンプを動作させ、その後、同時に動作する 2 台のポンプに油圧負荷を分割します。 2 番目の設定値に到達すると、3 つのポンプが作動し、以下同様に作動します。
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