Einzigartige, kostengünstige Lösung zur Reduzierung von Einschaltstössen und Schlageffekten durch Fluide in Rohrnetzen

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1 Einzigartige, kostengünstige Lösung zur Reduzierung von Einschaltstössen und Schlageffekten durch Fluide in Rohrnetzen SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS World Wide Web: Publikation DE, Februar Rockwell Automation. Alle Rechte vorbehalten.

2 1. Industrie-Überblick Einschaltstösse und Drucktransienten treten in Zentrifugalpumpensystemen auf, wenn eine beliebige, plötzliche Strömungsänderung eingeleitet wird. Diese Stösse können sich durch Starten oder Abstellen einer Pumpe, durch Öffnen oder Schliessen von Ventilen und durch eine Vielzahl anderer Ursachen in einem bestimmten System ergeben. Zur Reduzierung von Einschaltstössen gibt es eine Reihe von Verfahren, die jedoch tendenziell kostspielig und komplex sind. Das elektronische Starten und Abstellen des Pumpenmotors soll hier als kostengünstige Lösung untersucht werden, durch die Probleme mit Einschaltstössen und Schlageffekten reduziert werden. Aus den Ähnlichkeitsgesetzen für Pumpen kennen wir: Q2 N2 mit N = Pumpendrehzahl Q1 N1 Q = Durchfluss Wir können daher aus der prozentualen Änderung der Pumpendrehzahl direkt auf die prozentuale Änderung der Durchflussmenge der Pumpe schliessen. Zentrifugalpumpen sind im allgemeinen direkt an die Welle eines Elektromotors angeschlossen. Wird der Motor durch Anlegen der Netzspannung gestartet, so wird die Pumpe in sehr kurzer Zeit vom Stillstand auf volle Drehzahl gebracht. Hierbei stellen Zeitspannen von weniger als 1 /4 Sekunde keine Seltenheit dar. Dies bedeutet, dass ebenso der Pumpenausstoss in weniger als 1 /4 Sekunde von Null auf die volle Kapazität ansteigt. Bedingt durch die Tatsache, dass Fluide nur leicht kompressibel sind, führt diese, innerhalb so kurzer Zeit auftretende, starke Strömungsänderung zu Hochund Niedrigdruckstössen und Kavitation, weil das System einen Gleichgewichtszustand anstrebt. Diese Situation führt zu vielen unerwünschten Effekten. Druckstösse belasten die Wände der Rohrleitungen und verursachen hörbare Störgeräusche. Der Klang hört sich so an, als würde die Rohrleitung wiederholt von einem Hammerschlag getroffen. Dieses Geräusch ist auch verantwortlich für den Begriff Wasserschlag oder einfach nur Schlagen, mit dem dieses Phänomen bezeichnet wurde. Das erzeugte Geräusch ist jedoch harmlos im Vergleich zu dem physischen Schaden, den Druckstösse verursachen können. Extrem hohe Drucktransienten können eine Rohrleitung zum Platzen bringen, während extrem niedrige Transienten Rohrleitungen einknicken lassen können. Durch Kavitation entstehen Zonen hochgradig bewegter Flüssigkeiten und teilweise Vakuumerscheinungen, wodurch die Rohrleitung erodiert werden und die Flüssigkeit verdampfen kann. Diese Effekte beschädigen auch die Ventile und Armaturen. Alle diese Effekte sind unerwünscht. Nachdem das Schlagen durch schnelle Wechsel in der Strömung verursacht wird, kann das durch Starten und Abstellen der Pumpe verursachte Schlagen 3

3 durch Regeln des Beschleunigens und Abbremsens des Pumpenmotors minimiert werden. Zum besseren Verständnis im Hinblick auf die Beeinflussung des Fluidstroms während des Startens und Abbremsens eines Pumpenmotors ist eine Betrachtung der vielfältigen Methoden zum Starten und Bremsen notwendig. Bei den hier zu betrachtenden drei Methoden zum Starten und Abbremsen eines Pumpenmotors handelt es sich um: Direktstart (Schliessen eines Schaltschützes und Anlegen der vollen Netzspannung an den Motor) Anlauf mit elektronisch reduzierter Spannung Allen-Bradley SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte mit Pumpensteuerung Vor dem Vergleich der drei Anlaufbetriebsarten ist es erforderlich, die Beziehung zwischen dem Pumpensystem und dem Pumpenmotor aufzuzeigen. 2. Beziehung zwischen Pumpensystemen und Pumpenmotor Druck PUMPENK URVE SYSTEMKU RVE Natürlicher Betriebspunkt Statischer Umgebungsdruck Bild 1. Pumpenkurve und Systemkurve Durchfluss Bild 1 zeigt zwei unabhängige Kurven. Eine davon stellt die Pumpenkurve dar, die ausschliesslich eine Funktion der physikalischen Charakteristik der Pumpe darstellt. 4

4 Die andere Kurve stellt die Systemkurve dar, die von dem Durchmesser und der Länge und der Anzahl und der Anordnung der Rohrbögen der Rohrleitung sowie vielen anderen Faktoren abhängig ist. Der Schnittpunkt dieser beiden Kurven wird als natürlicher Betriebspunkt bezeichnet. Ein weiteres Ähnlichkeitsgesetz legt fest: P2 N2 2 mit N = Pumpendrehzahl P1 N1 P = Druck Damit können wir festhalten, dass sich die Änderung des Drucks proportional zum Quadrat der Drehzahl verhält. Für einen Pumpenmotor (Drehstromasynchronmotor), der eine veränderliche Drehmomentlast bewegt, wie beispielsweise bei einer Zentrifugalpumpe, gilt folgendes: M2 N2 2 mit N = Motordrehzahl M1 N1 M = Motordrehmoment Nachdem die Pumpe direkt an die Welle des Motors angeschlossen ist: ( ) ( ) ( ) N2 2 P2 M2 N1 P1 M1 Daher verhält sich die Änderung des Druckes direkt proportional zur Änderung des Motordrehmomentes. Die Motorcharakteristik wird mit Hilfe von Drehzahl/Drehmoment-Kennlinien beschrieben. Nachdem wir festgestellt haben, dass der Durchfluss sich proportional zur Drehzahl verhält, und dass der Druck sich proportional zum Drehmoment verhält, können wir sowohl die Sollkurve für das Pumpendrehmoment als auch die Kennlinie des Motordrehmomentes in den gleichen Graphen eintragen. 3. Direktstart Bild 2 auf Seite 4 zeigt die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik eines Pumpen-(Drehstromasynchron)-Motors, der mittels Direktstart (Direct On Line; DOL) anläuft und dem die Lastanforderungen einer Zentrifugalpumpe überlagert sind. Beachten Sie, dass die beiden Kurven sich bei 100% Drehzahl schneiden. Der Motor erfüllt die Vollastanforderungen des Pumpensystems. Die Auswahl von Motoren unter Berücksichtigung der Lastanforderungen der Pumpe erfolgt auf der Basis dieses Schnittpunktes der beiden Kurven. 5

5 Kippmoment Drehmoment/ Druck 180% Anzugsmoment Direktstart Übermässiges Beschleunigungsmoment verursacht Schlageffekte Übermässiges Beschleunigungsmoment 100% (Bemessungsmo ment) Pumpensystem Drehzahl 100% Bild 2. Pumpen-Drehzahl-Drehmomentkurve beim Direktstart. Unglücklicherweise übersteigt die Motordrehmomentleistung während der Anlaufzeit bei weitem den Bedarf der Pumpe. Das Anzugsmoment (Locker Rotor Torque; LRT) stellt das vom Motor erzeugte Drehmoment zu dem Zeitpunkt, wo im Stillstand (Drehzahl 0) die volle Spannung an den Motorkontakten angelegt ist. Das Anzugsmoment kann bis zu 180% des Drehmomentes betragen, das der Motor bei voller Drehzahl entwickelt. Das Kippmoment (Breakdown Torque; BT) stellt das höchste Drehmoment dar, das der Motor entwickeln kann. Das Kippmoment kann bis zu 250% des Bemessungsmomentes betragen. Die Differenz zwischen dem vom Motor entwickelten und dem von der Last geforderten Drehmoment wird als Beschleunigungsmoment bezeichnet. Das Beschleunigungsmoment stellt das Drehmoment dar, das den Motor dazu bringt, die angeschlossene Last in eine Rotation zu versetzen. Im Falle der Pumpe führt das, durch den Direktstart entwickelte überschüssige Beschleunigungsmoment dazu, dass die Pumpe sehr schnell auf Drehzahl gebracht wird, typischerweise in weniger als 1 /4 Sekunde. Als Folge dieser plötzlichen Änderung der Drehzahl (und damit des Durchflusses) ergeben sich Stösse und Schläge innerhalb des Rohrleitungssystems. 6

6 100% Durchfluss Zeit Bild 3. Durchfluss-Änderung beim Direktstart. Zur Betrachtung des Problems aus einer anderen Sicht ist in Bild 3 eine sehr starke Änderung des Durchflusses (Q1) innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne (T1) dargestellt. Diese Änderung tritt als Folge des in Bild 2 auf Seite 4 dargestellten, starken Beschleunigungsmomentes auf und führt während des Anlaufs des Pumpenmotors zu Schlageffekten im System. 4. Anlauf mit elektronisch reduzierter Spannung Wenn die Zeitspanne, in der die Durchflussrate von 0 auf 100% erhöht wird, ausgedehnt werden kann, so kann dadurch das Schlagen in der Leitung reduziert werden. Dies kann durch Reduzierung des vom Motor abgegebenen Beschleunigungsmomentes erreicht werden. Kleineres Beschleunigungsmoment bedeutet geringere Kraft zur Bewegung der Last und damit mehr Zeitbedarf für das Ändern der Pumpendrehzahl. Hierzu kann ein Starter für den Anlauf mit reduzierter Spannung eingesetzt werden, um die an den Motor angelegte Spannung innerhalb einer voreingestellten Zeit (einstellbar von 0 30 Sekunden) langsam von Null auf volle Spannung zu regeln. Die Formel für das Drehmoment eines Asynchronmotors ist: M U 2 mit M = Motordrehmoment U = Spannung 7

7 Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass das von dem Motor entwickelte Drehmoment dem Quadrat der Spannung folgend schwanken wird. Daher führt ein Reduzieren der Spannung um 50% dazu, dass das Drehmoment wie folgt reduziert wird: 0.5 x 0.5 = 0.25 bzw. 25% Fünfundzwanzig Prozent des Anfangsdrehmomentes sind damit verfügbar. Wenn das statische Drehmoment 180% betragen hatte, so ergeben sich: 180% x 0.25 = 45% Der neue Wert für das Anfangsdrehmoment beträgt damit 45% des Bemessungsmomentes. Direktstart Übermässiges Beschleunigungsmoment Elektronisch reduzierte Spannung 100% Bemessungsmoment Drehmoment Beschleunigungsmoment Pumpensystem Drehzahl 100% Bild 4. Pumpen-Drehzahl-Drehmomentkurve bei elektronisch reduzierter Spannung. Bild 4 zeigt den Vergleich der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristiken für den Direktstart und den Start mit elektronisch reduzierter Spannung eines Asynchronmotors. Beachten Sie, dass das Beschleunigungsmoment gegenüber der Methode des Direktstarts des Pumpenmotors erheblich reduziert werden konnte. Dies wird durch das elektronische Regelgerät erreicht, das den Anlauf mit niedriger Anfangsspannung startet und über eine einstellbare Zeitspanne bis auf die volle Spannung erhöht. Das auf den Motor aufgebrachte Drehmoment folgt ebenfalls dem Verlauf einer Rampe. Gegen Ende des Rampenverlaufes tritt jedoch wie in Bild 4 gezeigt ein überschüssiges Beschleunigungsmoment auf. Diese plötzliche Drehmomentänderung verursacht gegen Ende der Anlaufzeit einen entsprechenden Drehzahlschub (Durchfluss) und führt zu Schlageffekten. 8

8 100% Direktstart Elektronisch reduzierte Spannung Durchfluss Zeit Bild 5. Durchfluss-Änderung beim Start mit elektronisch reduzierter Spannung. Erneut kommen die natürlichen Eigenschaften von Flüssigkeiten ins Spiel. In Bild 5 wird für beide Methoden der Durchfluss (Drehzahl) nach der Zeit betrachtet. Beachten Sie hier, dass die Durchflüsse (Q1 und Q2) letztendlich gleich sind, dass aber die Zeiten variieren. T2 ist länger als T1, so dass im System kein plötzlicher Stoss aufgetreten ist. Wenn man jedoch Q3 und T3 betrachtet, so gibt es immer noch eine starke Änderung des Durchflusses (Q3) nach der Zeit (T3). Es entsteht immer noch ein überschüssiges Beschleunigungsmoment, während der Pumpenmotor sehr schnell auf 100% Drehzahl hochfährt. Dies stellt eine Folge des Kippmomentes dar, das auch dann vorhanden ist, wenn ein Starter für den Anlauf mit reduzierter Spannung eingesetzt wird. Dieser plötzliche Drehmomentanstieg des Pumpenmotors gegen Ende der Anlaufzeit führt zu einem Strömungsstoss. Dieser Drehmomentanstieg ist bedingt durch die Motorcharakteristik. Das Phänomen tritt auf, weil durch das Starten mit elektronisch reduzierter Spannung die Spannung ohne Rücksicht auf das Leistungsvermögen des Motors in einer Rampe hochgefahren wird. In Anwendungen mit Zentrifugalpumpen führt dies zu Schlageffekten. Wie beschrieben, verbessert der Anlauf mit elektronisch reduzierter Spannung die Anlaufmoment-Charakteristik des Pumpenmotors, dennoch kann das Stösse verursachende Kippmoment dadurch nicht geregelt werden. Genau dies stellt auch den Ansatzpunkt für die von Allen-Bradley entwickelte, innovative Zusatzfunktion zur Pumpensteuerung dar, durch die dieses Problem gelöst wird. 9

9 5. SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte mit Pumpensteuerung zum Starten von Pumpenmotoren Direktstart 100% Elektronisch reduzierte Spannung Pumpensteuerung Drehmoment Bemessungsmoment Pumpensystem Drehzahl 100% Bild 6. Pumpen-Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie beim Start mit dem SMC DIALOG PLUS mit Pumpensteuerung. In Bild 6 werden die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien für den Direktstart, für den Anlauf mit elektronisch reduzierter Spannung sowie den Anlauf mit der Zusatzfunktion Pumpensteuerung verglichen. Durch die Pumpensteuerung wird der, während des Direktstarts und dem Anlauf mit elektronisch reduzierter Spannung erzeugte Stoss stark reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass der im SMC PLUS bzw. SMC DIALOG PLUS Regelgerät integrierte Mikroprozessor zur Regelung der Drehmomentleistung des Motors eingesetzt wird. Da plötzlich auftretende Änderungen des Drehmomentes nicht auftreten, ergibt sich eine sanfte Beschleunigung des Motors, wodurch Stösse und Schlageffekte innerhalb des Systems minimiert werden. 10

10 In Bild 7 wird für die drei Anlaufbetriebsarten der Durchfluss dargestellt. 100% Direktstart Softstart Durchfluss Pumpensteuerung Bild 7. Durchfluss-Änderung beim Start mit der Pumpensteuerung. Zeit Die Pumpensteuerung reduziert plötzliche Änderungen des Durchflusses durch Regelung des Beschleunigungsmomentes des Pumpenmotors und durch Ausdehnung der Zeitspanne für das Erreichen eines 100%-igen Durchflusses, wodurch wiederum Schlageffekte minimiert werden. Genau dies stellt den gewünschten Effekt und auch das Schlüsselmerkmal der Pumpensteuerung dar: es gibt keine plötzliche eintretenden Änderungen des Drehmomentes. Genau dies ist zur Minimierung von Stössen erforderlich. Dadurch wird das Auftreten von Schlageffekten innerhalb des Pumpensystems reduziert. 11

11 6. SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte mit Pumpensteuerung zum Abbremsen von Pumpenmotoren Bisher haben wir nur die Anlaufbetriebsarten betrachtet. Das Abbremsen der Pumpe ist hinsichtlich der Reduzierung von Stössen und Schlageffekten ebenso kritisch wie das Starten. Im folgenden werden wir die Beispiele auf die Betrachtung der Drehzahl (Durchfluss) nach der Zeit begrenzen. Bitte beachten Sie Bild 8. Beim Direktstart wird der Pumpenmotor auslaufen, sobald ein Stoppbefehl erfolgt (s.a. Auslauf in Bild 8). Auslauf Softstop Abbremsen mittels Pumpensteuerung Stop Zeit (Sekunden) Direktstart / Auslaufen Elektronisch reduzierte Spannung / Softstop Pumpenstart / Pumpenstop Bild 8. Allen-Bradley Pumpensteuerung zum Abbremsen von Pumpenmotoren. Die Systemsteuerung wird die Schwungmassen des Motors schnell überwinden und die Pumpe wird zu einem rapiden Stoppen gebracht. Das in Bewegung befindliche Fluid, das ebenfalls ein Trägheitsmoment besitzt, muss ebenfalls zu einem vollständigen Halt gebracht werden. Dieser Vorgang verursacht Druckspitzen in den Rohrleitungen und an den Ventilen. Dieser Effekt ist auf Grund der im System entstehenden Schäden unerwünscht. Viele Hersteller schlagen als Lösung gegen Probleme mit Stössen und Schlageffekten einen Softstarter mit einem Softstop vor. Bei der Mehrzahl der Anwendungen kann ein Softstop plötzliche Änderungen beim Motordrehmoment nicht verhindern, wie dies für Pumpenanwendungen gefordert wird. Wird ein Softstop eingeleitet, so wird die Spannung innerhalb einer, vom Anwender gewählten Zeitspanne von der vollen Spannung auf null Volt heruntergefahren (s.a. Softstop in Bild 8 auf Seite 10). Wie bereits 12

12 vorher gezeigt, führt die Reduzierung der Spannung zu einer Reduzierung des Drehmomentes und die Pumpe beginnt, ihre Drehzahl zu verringern. Es wird jedoch sehr schnell ein Punkt erreicht, an dem der Lastmomentbedarf das vom Motor bereitgestellte Drehmoment übersteigt und der Motor schliesslich blockiert. Dieser Effekt wenn auch nicht ganz so extrem entspricht praktisch demjenigen beim schlagartigen Schliessen eines Ventils, wodurch wiederum Schlageffekte verursacht werden. Die SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte mit der Zusatzfunktion Pumpensteuerung regeln das Abbremsen des Pumpenmotors mittels einer, dem Verfahren zur Regelung der Beschleunigung ähnelnden Methode. Wird ein Bremsbefehl eingeleitet, so reduziert das Regelgerät die Motordrehzahl, um plötzliche Änderungen des Drehmomentes zu verhindern und dadurch Stosseffekte innerhalb des Systems zu minimieren. Die SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte setzen das Reduzieren des Drehmomentes des Pumpenmotors fort, wobei sich eine, wie in Bild 8 dargestellte Drehzahl-Charakteristik ergibt. Diese Kennlinienform für das Abbremsen von Pumpenmotoren führt zu minimierten Stoss- und Schlageffekten innerhalb des Systems, da hier keine plötzlichen Änderungen des Durchflusses auftreten. 7. SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS zum Starten und Abbremsen von Pumpenmotoren Elektronisch reduzierte Spannung Direktstart Softstop Auslauf Durchfluss Pumpensteuerung Pumpensteuerung Start Betrieb Stop Zeit (Sekunden) Bild 9. Allen-Bradley SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte mit Pumpensteuerung zum Starten und Abbremsen von Pumpenmotoren. Bild 9 stellt zusammenfassend den Durchfluss bei verschiedenen Start- und Stoppmethoden dar. Die Allen-Bradley SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS bieten für das Starten und Abbremsen von Zentrifugalpumpenmotoren die gewünschten Durchfluss- Charakteristiken. Es treten keine plötzlichen Spitzen oder Einbrüche beim Durchfluss auf, die zu Stössen und Schlageffekten im System führen. 13

13 Bei der Analyse zur Lösung eines Problems mit Schlageffekten, sollte zuerst der Einsatz einer elektrischen anstelle einer mechanischen Lösung in Betracht gezogen werden. Die Anschaffungskosten für die elektrische Lösung sind in der Regel niedriger als die Kosten für ein spezielles Steuerventil, und die Lösung ist weniger komplex. Zudem entfällt bei der elektrischen Variante die häufig erforderliche Systemabschaltung zur Wartung des Spezialventils. Für das Starten und Abbremsen von Zentrifugalpumpensystemen stellen SMC PLUS bzw. SMC DIALOG PLUS von Allen-Bradley die bevorzugte Lösung dar. 8. Leistungsmerkmale der Regelgeräte SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS von Allen-Bradley Die Regelgeräte SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS von Allen-Bradley werden nicht nur bei Pumpen sondern auch in anderen Anwendungen zur Regelung des Startens und des Stoppens von Drehstromasynchronmotoren eingesetzt. Während des Anlaufs minimieren die Softstarter SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS mechanische Schockeinwirkungen auf das System. Die Geräte können zudem zur Minimierung von Netzstörungen eingesetzt werden, die beim Direktstart von Asynchronmotoren im Versorgungsnetz auftreten. Die SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS Regelgeräte bieten mikroprozessorgesteuerten Anlauf für Standard-Dreiphasen- Kurzschlussläufermotoren. Die folgenden Anlaufbetriebsarten sind im Standardgerät verfügbar: Softstart mit Kickstart Start mit Strombegrenzung Direktstart Das Gerät SMC DIALOG PLUS bietet darüber hinaus weitere Leistungsmerkmale: Start mit umschaltbaren Rampen Motorschutz Messfunktionen SCANport Kommunikation 14

14 Die integrierte Energiespar-Funktion ermöglicht, falls der Motor über längere Zeit nur leicht belastet oder unbelastet läuft, Energie einzusparen. Zusatzfunktionen: Softstop Kriechdrehzahl Pumpensteuerung Intelligente Bremse Akku-Stop Kriechdrehzahl mit Bremse Die Softstarter SMC PLUS bzw. SMC DIALOG PLUS sind für Drehstrommotoren mit Bemessungsströmen von A, 200 bis 480 Volt bzw. 200 bis 600 Volt sowie 50 und 60Hz lieferbar. Neben der Anwendung mit Motoren können die Geräte auch zur Steuerung ohmscher Lasten eingesetzt werden. Für Mittelspannungsanwendungen sind die Softstarter SMC PLUS bzw. SMC DIALOG PLUS für Drehstrommotoren mit Bemessungsströmen von A, 2400 bis 4200 Volt sowie 50 und 60 Hz lieferbar. 15

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16 Einzigartige, kostengünstige Lösung zur Reduzierung von Einschaltstössen und Schlageffekten durch Fluide in Rohrnetzen SMC PLUS und SMC DIALOG PLUS World Wide Web: Publikation DE, Februar Rockwell Automation. Alle Rechte vorbehalten.