Aplicación de variador H100 en Sistemas de Presión Constante Ing. Mario Villalta Gerente de automatización – Industrial Systems www.insysacorp.com

Contenido Introducción a los variadores de frecuencia Instrumentación en un sistema de presión constante Ventajas y desventajas de la aplicación Parametrización de control PID y funciones avanzadas Sistemas de bomba multilider www.insysacorp.com

Instrumentación en un sistema de presión constante Dimensionamiento e instrumentación industrial aplicada a sistemas de presión constante Esquema básico Variables de medición Rangos de operación Integración de la instrumentación con los variadores de frecuencia Ajustes de señales eléctricas Conexionado de transductores y señales análogas Interpretación de señales en el variadores de frecuencia www.insysacorp.com

Esquemas básico www.insysacorp.com

Variables de medición Seleccione un transmisor adecuado a su proceso y a su tipo de conexión: Transmisores NPT ½” (muy común) Transmisores para brida (instrumentación más especializada) Depende del sistema donde se aplique el sistema de presión constante, deben tomar en cuenta el transductor correcto. Las entradas más comunes por defecto en los variadores son: Entrada analógica: Voltaje Corriente Por comunicación modbus (expandible a otras comunicaciones con tarjetas adicionales) Por pulsos www.insysacorp.com

Rangos de operación Elija su transmisor de acuerdo al rango de operación de su proceso, trate de dejar entre un 70 ̴ 80% la presión referencia (la referencia set point en el sistema de presión constrante). www.insysacorp.com

Rangos de operación Las señales más utilizadas para sistemas de presión constante son: Por voltaje: Rango -12 ̴ 12 VDC (por lo general) Linealidad ajustada por defecto 0 ̴ 10 VDC (lo más común en el mercado) Posibilidad de ajustar la linealidad Por corriente: Rango 0 ̴ 24 mA (por lo general) Linealidad ajustada por defecto 4 ̴ 20 mA (lo más común en el mercado) Posibilidad de ajustad la linealidad www.insysacorp.com

Ajuste de rangos: Voltaje www.insysacorp.com

Ajuste de rangos: Corriente www.insysacorp.com

Rangos de operación - Ejercicio Utilice Demo kit: Presione mode para acceder a los parámetros Navegue a la derecha hasta encontrar el grupo IN Baje hasta el parámetro 53 www.insysacorp.com

Conexionado electrico de transmisores: Voltaje www.insysacorp.com

Conexionado electrico de transmisores: Corriente www.insysacorp.com

Interpretación de las señales Como las señales de los transmisores son de tipo eléctrico, tiene que realizar una relación de tipo lineal con el rango de presión. www.insysacorp.com

Interpretación de las señales El rango de trabajo del variador esta sujeta al rango de trabajo del transmisor que estará midiendo la presión en el sistema. El H100 tiene la posibilidad de trabajar con la unidad requerida directamente. Por ejemplo. Transmisor de presión 0 ̴ 200 PSI con salida 4 ̴ 20mA Variador entiende que el 4 mA = 0 PSI o 0% (si no trae opción para unidad) Variador entiende que el 20mA = 200 PSI o 100% (si no trae opción para unidad) Tener cuidado al asignar la consigna en caso no tenga opción de unidad. www.insysacorp.com

Interpretación de las señales - Ejercicio Utilice equipo: Busque parámetro PID-50 www.insysacorp.com

Ventajas y desventajas de la aplicación Ventajas en ahorro energético Sistema convencional versus sistema variador Patrón cuadrático en control V/F Información de ahorro energético en el variador Factor de potencia Desventajas en calidad de energía Armónicos Onda reflejada www.insysacorp.com

Sistemas convencionales vs sistema con variador Un ahorro de 20% a 42%. Según SFS (Siemens Financial Service) un dato conservador de ahorro energético a nivel mundial con variadores es de 25% (World news: Noviembre 2012 – Drivers and controls) Sistemas convencionales/antiguos: Por estrangulación / damper Por sistemas de recirculación Damper Control Flow Power Energy save Inverter Control Q P Q-P Curve www.insysacorp.com Motor & Pump Flow Drive Feedback Reference Controller Valve or Damper

Patrón cuadrático en control V/F La mayoría de variadores por defecto de fábrica son controlados por modo de control Voltaje / Frecuencia, este modo de control es el más común dentro de industria y se utilizan otros modos de control únicamente para aplicaciones más especificas. Debe elegir el patrón cuadrático para aplicaciones de par variables si quiere obtener un optimo ahorro de energía, ya que si usted elige el patrón lineal, el ahorro será mucho menor. www.insysacorp.com

Patrón cuadrático Patrón cuadrático vs patrón lineal www.insysacorp.com

Información de ahorro de energía El factor de potencia depende de lo que ve el sistema en el variador. www.insysacorp.com

Armónicos Generada por todas aquellas cargas no lineales (equipos electrónicos como variadores, balastros electrónicos, computadoras, etc.) Genera contaminación en la red y puede dañar equipos sensibles como PLC, drives, computadoras, etc.) Aumentan las perdidas en cable por efecto Joule (I^2*R) Puede dañar bancos de capacitores sin darse cuenta en sistemas de monitoreo manual de factor de potencia www.insysacorp.com

Armónicos Puede llegar a des configurar equipos de instrumentación, electrónicos, PLC, por errores en ciclos de paso por cero. Los drives general su mayor distorsión en la 5ta y 7ma armónica www.insysacorp.com

Armónicos www.insysacorp.com

Armónicos www.insysacorp.com

Armónicos Los armónicos generados dentro de la planta son reinyectados a la red y esto puedo generar problemas a los vecinos. Actualmente para el caso de El Salvador es penado por la ley sobrepasar lo limites de: 20% de THD en corriente 5% en THD en voltaje La pena después de un periodo de gracia de 90 días para solucionar el problema sin haber tomado acción es: el 30% del promedio de las últimas 3 facturas de energía Debido a las corrientes armónicas en muchas casas se dañan computadoras, TVs y equipos de sonido, etc. www.insysacorp.com

Onda reflejada Es el fenómeno en la electricidad que se da cuando cambia de un medio a otro de la señal rápidamente conmutada de los sistemas electrónicos del drive (transistores de potencia IGBTs), en el caso de un sistema de variador y motor tenemos que: VARIADOR – CABLE – MOTOR www.insysacorp.com

Onda reflejada La onda generada por un variador de frecuencia común y corriente (6 pulsos) tiene una gran repercusión sobre este fenómeno por su forma control PWM de la señal. El variador de 6 pulsos es el más contaminante tanto para el motor como para la red eléctrica, existen de 12, 18 y 24 pulsos pero son mucho más complicados en su instalación y mucho más caros. (LS solo cuenta con variadores de 6 pulsos) www.insysacorp.com

Onda reflejada El aislamiento eléctrico para motores de propósito general deben seguir la norma NEMA MG1 – parte 30, por lo general estos no sobrepasan un aislamiento de 1000 voltios para periodos de subida de 2us. El aislamiento para motores para uso con variadores tiene un aislamiento entre vuelta y vuelta o entre fase y fase de 1600 voltios para un tiempo no menor de 0.1us, esto según la normativa NEMA MG1 – parte 31. www.insysacorp.com

Onda reflejada www.insysacorp.com

Onda reflejada 2 metros vs 30 metros www.insysacorp.com

Parametrización de control PID y funciones avanzadas Parametrización del PID Parámetros P, I y D. Funciones de ahorro de energía Sleep and wake up Ahorro de energía por carga Función multimotores y alternación de bombas auxiliares Funciones para llenado de tubería Pre PID + Soft Fill Funciones de tubería rota www.insysacorp.com

Parámetros PID Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos: 1. Un sensor, que determine la presión del sistema. 2. Un controlador, que genere la señal que gobierna la bomba. 3. La bomba que modifique al sistema de manera controlada. www.insysacorp.com

Parámetros PID: Conceptos Variable de Proceso PV: Es la variable medida que se desea estabilizar (controlar), Un ejemplo de variable de proceso es la presión, la cual se mide mediante algún sensor y su transductor adecuado que entreguen una señal de 4 a 20 mA proporcional a la presión. Set Point SP: Es el valor deseado de la variable de proceso, es el valor al cual el control se debe encargar de mantener la PV. Por ejemplo en una tubería la presión actual es 15 psi y el controlador esta programado de modo de llevar la presión a 20 psi. Tenemos: PV=15 y SP=20. www.insysacorp.com

Parámetros PID: Conceptos Error: Se define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el set point SP, E = SP - PV En el ejemplo anterior E = (SP - PV) = (20psi – 15psi) = 5 psi. Recuerde que el error será positivo cuando la presión sea menor que el set point, PV < SP . www.insysacorp.com

Parámetros PID: Control P En el algoritmo de control proporcional, la salida del controlador es proporcional a la señal de error, que es la diferencia entre el punto objetivo que se desea y la variable de proceso. En otras palabras, la salida de un controlador proporcional es el producto de la multiplicación de la señal de error y la ganancia proporcional. www.insysacorp.com

Parametros PID: Control I El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un período determinado www.insysacorp.com

Parametros PID: Control I www.insysacorp.com

Parametros PID: Control D Acción que pretende determinar el comportamiento de la variable de proceso de acuerdo a la pendiente de la derivada de la misma. Generalmente se programa el tiempo en que se toma la acción www.insysacorp.com

Parámetros PID - Ejercicio Utilice el demo kit: Revise todos los parámetros PID Revise los datos de Referencia (Set point), contrólelo desde la pantalla. Revise los datos de feedback (retroalimentación), contrólelo con la entrada de corriente. Limite los valores del control para trabajar en un rango de 30Hz a 55Hz Parametrice el control PI del variador con valores default Modifique control P y vea el resultado ¿Cuál es la conclusión? www.insysacorp.com

Funciones especiales: Sleep & Wake up Utilizada para ahorro de energía cuando el sistema esta en reposo y evita la necesidad de un presostato. Cuando la consigna es una vez alcanzada, la velocidad de la bomba baja. Programe una frecuencia a velocidad baja de la bomba y un tiempo de retardo para que el variador entre en modo stand-by. El variador inicia su control si la consigna cae un porcentaje determinado por el usuario. www.insysacorp.com

Funciones especiales: Sleep & Wake up www.insysacorp.com

Sleep & wake up - Ejercicio Utilice equipo: Busque los parámetros APP1 Parametrice frecuencia sleep = 40Hz Parametrice retardo sleep = 3 segs Wake up = 10 PSI menos que la consigna Delay wake up = 0 segs www.insysacorp.com

Función ahorro de energía Puede ser utilizada cuando la bomba esta sobredimensionada Modo de operación manual o automático: Modo manual define el porcentaje de ahorro de energía estáticamente. Se define en porcentaje la cantidad de reducción en el torque, el variador reduce su salida de voltaje en esta proporción, de esta manera la potencia de salida es menor. Modo automático busca el punto optimo donde la corriente no aumenta y reduce el voltaje de salida de acuerdo a un tiempo programado para que se estabilice. www.insysacorp.com

Función multimotores En los sistemas de presión constante, es común contar con bombas de refuerzo o bombas booster. Estas son utilizadas para elevar la cantidad de flujo en una tubería y de esa manera compensar la caída de presión en la misma. No todos los variadores tienen esta función, generalmente solo la tienen variadores dedicados para bombeo. El variador siempre controla un solo motor Los motores booster son controlador por señales digitales y arrancador de acuerdo a su capacidad como el cliente defina. www.insysacorp.com

Función multimotores www.insysacorp.com

Función multimotores La activación de las bombas booster es de manera gradual y suavizada. La bomba líder o master siempre queda controlada con el PID. Las bombas booster son por lo general bombas más pequeñas que la master. Para activar bombas booster: Se programa frecuencia superior y tiempo de retardo Para desactivar bombas booster Se programa frecuencia inferior y tiempo de retardo www.insysacorp.com

Función multimotores - Ejercicio Utilice demo kit: Busque parámetros AP1-40 y habilite la función en MMC Revise los siguientes parámetros Revise la cantidad de auxiliares Revise las frecuencias para arranque y paro de las auxiliares Revise los tiempos de retardo para arrancar y para parar auxiliares www.insysacorp.com

Alternación de bombas auxiliares En muchas industrias, edificios y residenciales, es común que no todas las bombas booster trabajen en un día normal de operación, por lo que para un desgaste uniforme entre las bombas se hace una alternación automática. Se programa tiempo de operación de las bombas auxiliares y al cumplirse y ser apagadas, en la próxima operación de encendido cambia el orden de encendido de las bombas auxiliares. www.insysacorp.com

Funciones llenado de tubería Pre PID es una función que hace trabajar el variador a una determinada frecuencia pre establecida por el programador la cual espera tener un feedback (una presión en tubería) ya conocida en un tiempo específico. Ejemplo: Frecuencia Pre-PID = 35Hz, en 5 segundo alcanza 40PSI. El programador puede colocar un máximo de 10 segundos para alcanzar los 40PSI a los 35Hz. Si no es alcanzado entonces reconoce que hay un problema en la tubería y despliega una alarma. www.insysacorp.com

Funciones llenado de tubería Soft fill es una función utilizada en conjunto con la función Pre-PID, que es utilizada para incrementar la consigna en forma de pasos que el programador considere viables para el sistema. Los pasos se van dando a medida se alcance cada paso y se cumpla un tiempo de retardo que el programador coloca. Esta función es muy utilizada en sistemas de edificios ya que la tubería puede acumular aire, lo que incrementos muy brusco en la velocidad de la bomba genera cavitación y ese aire puede llegar a la bomba lo que genera daños en la misma. www.insysacorp.com

Funciones llenado de tubería www.insysacorp.com

Soft fill + prePID - Ejercicio Utilice equipo: Busque los parametros AP1-20 al 26 La referencia para el ejemplo debe ser 100 PSI Setee Frecuencia prePID = 30Hz por 5 segundos Setee el valor Soft fill value = 40 PSI Parametrice el paso del soft fill = 10 PSI Parametrice el tiempo soft fill = 5 segundos Corra la prueba, tenga cuidado de manipular el fbk de manera gradual ¿Cuál fue el resultado? www.insysacorp.com

Función tubería rota Cuando el variador trabaja un tiempo programado bajo una nivel de presión dado a su salida máxima entonces arroja la falla de tubería rota www.insysacorp.com

Sistemas de bomba multilider Modo main Exchange Depende del usuario la complejidad www.insysacorp.com

Consideraciones instalación Protecciones eléctricas Distancia de instalación del variador en el gabinete Distancia entre variador y bomba Grado de protección del variador y gabinete Velocidades mínimas y máximas Temperatura ambiente www.insysacorp.com

Protecciones eléctricas Debe tener en cuenta que el variador de frecuencia es un equipo electrónico y es susceptible a daños causados por mala calidad de la energía de suministro. Protecciones necesarias: Breaker: Protege la rama (cable de la acometida) y es utilizado para desconexión en caso de mantenimientos o deshabilitación de equipo. Fusibles: Uno por fase para protección contra corto circuitos, por lo general son fusibles de alta velocidad (fast acting), cada fabricante sugiere distintos modelos incluso marcas. www.insysacorp.com

Elementos eléctricos alternativos Hay algunos elementos eléctricos que deben ser considerados en la instalación de algunas aplicaciones: Contactor de entrada: Utilícelo si quiere proteger el variador por exceso de mala calidad de energía y actividad atmosférica intensa. Utilícelo también en aplicaciones donde controle 2 motores (uno a la vez) con el mismo driver. Reactores AC: se sugiere utilizarlos en variadores arriba de 30HP, estos disminuyen las armónicas en corriente. Utilícelo también para reducir cambios bruscos o en zona de mucha irregularidad en el servicio de energía eléctrica. www.insysacorp.com

Efecto del reactor AC en la entrada www.insysacorp.com

Consideraciones de distancia entre el variador y el motor Como ya se hablo antes la onda reflejada se presenta entre más distancia exista entre el variador y el motor, para ello necesita suprimir este efecto generado por la salida del variador. Las recomendaciones son las siguientes: Utilice reactores de carga cuando su instalación sea entre 15 a 50 metros. Utilice reactores con choke cuando su instalación sea entre 51 a 300 metros. Utilice filtros de onda senoidal cuando su instalación sea entre 301 metros y 5000 metros (aprox). www.insysacorp.com

Diferencias en salidas de acuerdo al filtro www.insysacorp.com

Grado de protección de variador y gabinete En el mercado puede encontrar distinta variedad de variadores con diferentes grados de protección, el grado más bajo común en el mercado es IP00 y el más alto es IP66. Los gabinetes dependiendo de su naturaleza si es metálico por lo general es un IP54/55 y un gabinete plastico es un IP66/67. Es importante que tome en cuenta el ambiente de instalación, ya que los variadores por ser equipos electrónicos tienen a danarse sus partes internas por corrosión, calor, polvo, etc. www.insysacorp.com

Velocidades mínimas y máximas de la aplicación Debido que las bombas en sistemas de presión constante no pueden trabajar con poca lubricación, necesitan mantener una velocidad mínima de un 50% de la velocidad, por lo general las bombas son de 3600 RPM (idealmente) por lo que su mitad son 1800 RPM. La velocidad máxima la define el cliente y puede estar atada a seguridad de la aplicación (evitar un excesivo incremento en la presión). Trate de no sobrepasar el valor de frecuencia de placa, ya que el torque disminuye de manera cuadrática despúes de su frecuencia nominal. www.insysacorp.com

Temperatura ambiente Recuerde instalar siempre ventilación forzada (si es posible) a los gabinetes que contienen variadores de frecuencia. El exceso de calor puede acortar la vida útil de los mismos. Instale los variadores de acuerdo a las recomendaciones de cada fabricante. Evite ambientes muy húmedos, estos dañan fácilmente las tarjetas electrónicas. La protección IP66 no protege contra condensación www.insysacorp.com

Gracias por su atención www.insysacorp.com