naar top
Menu
Logo Print
05/10/2018 - SAMMY SOETAERT

FORS BESPAREN DANKZIJ FREQUENTIESTURINGEN

pompsturing

Mechanische vs. elektronische frequentieregeling

Er was een tijd dat debieten enkel met een mechanische klep geregeld konden worden. Een energievretende methode, want de pomp draaide continu op vollast. Onder invloed van een groeiend milieubewustzijn werd er echter stilaan overgeschakeld naar variabele snelheidsregelingen, waardoor er minder energie verbruikt werd. Om hier optimaal van te profiteren, zijn er evenwel enkele aandachtspunten om rekening mee te houden.

AANPASSEN VAN DE FREQUENTIE

Frequentieregelaars zetten de sinusvormige voedingsspanning om in een door de gebruiker aangepaste spanning. Dat kan via twee principes: vectorcontrole of Pulse Width Modulation (PWM). De laatste methode komt het vaakst voor (ongeveer 90% van de gevallen), al is de vectorcontrole wel aan een inhaalrace bezig bij motortoepassingen waarbij een zeer hoge precisie vereist is. Bij de pure pomptoepassingen is de vectorcontrole echter minder aan de orde.

Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation
Bij PWM wordt de spanning afwisselend doorgelaten, waardoor het uiteindelijke resultaat een aangepaste spanning is

PWM zal de sinusvorm van de ingangsspanning niet verhogen of verlagen. In eerste instantie wordt de AC-spanning omgezet in een DC-spanning, die vervolgens door middel van hoogfrequente transistoren afwisselend doorgelaten dan wel tegenhouden wordt. Het eindresultaat is een gebruiksspanning die aangepast is aan de noden van de gebruiker. Omdat dit hoogfrequent schakelen enorm snel gebeurt, is er geen zichtbaar operationeel verschil merkbaar in de werking. In het hoofdstuk Aandachtspunten (op de volgende pagina) gaan we dieper in op enkele zaken waar u rekening mee moet houden bij het inzetten van een frequentieregelaar, en hoogfrequent schakelen is daar een aspect van.

AFFINITEITSWETTEN

De basis van het besparingspotentieel bij pompen is te vinden in de affiniteitswetten. Kort gezegd, omvatten deze wetten de volgende drie punten:

  • pompsnelheidVeranderingen in pompsnelheid resulteren in een lineaire verandering in debiet. Een vermindering van de snelheid met 50% resulteert in een reductie van het debiet met eveneens 50%.
  • drukDe druk op een bepaald punt zal dan weer exponentieel (tot de tweede macht) reageren op een snelheidsverandering. Als de snelheid vermindert met 50%, verlaagt de druk met 75%.
  • vermogenHet vermogen ten slotte zal met een factor tot de derde macht veranderen. Als de snelheid met 50% vermindert, verkleint het benodigde vermogen tot 12,5%. Maar dat geldt uiteraard in de andere richting.
     

Concreet betekent dit dus dat het benodigde vermogen heel snel toeneemt bij hoge snelheden. Als een pomp dus enkel op volle kracht draait als dit echt nodig is, zal er een aanzienlijke besparing optreden aan de onderkant van de curve. Er is veel minder vermogen nodig om op deellast te draaien. Maar doordat er minder debiet door kan, zal de motor ook minder verbruiken. Bij mechanische kleppen draait de motor quasi altijd op vollast of op vaste standen. Er is dus geen aanpassing aan de reële nood op dat moment, wat bij frequentiesturingen wel het geval is. De vraag blijft natuurlijk of de meerprijs van een VFD (Variable Frequency Drive) het besparingspotentieel niet tenietdoet, maar in het overgrote deel van de gevallen zal dit zeker niet het geval zijn. Over het algemeen spreekt men zelfs over een ROI van enkele maanden tot hooguit een drietal jaar. Dat geldt wel enkel voor pompen die meerdere uren per dag draaien, anders blijft de klassieke oplossing met een drukvat de beste oplossing qua sturing en verbruik.

 

WERKINGSPRINCIPE

Het is tegenwoordig ook mogelijk  om de pompkarakteristieken realtime te bekijken om zo een schat aan info over de prestaties te verkrijgen
Het is tegenwoordig ook mogelijk om de pompkarakteristieken realtime te bekijken om zo een schat aan info over de prestaties te verkrijgen

Energiebesparing door continue bijsturing

Het gebruik van een VFD leidt ertoe dat er via de elektronische sturing meer controle is op de pompsnelheid en dat enkel de juiste hoeveelheid energie ingezet wordt om het gewenste debiet te verkrijgen. Dat VFD's een enorm besparingspotentieel kunnen voorleggen, komt omdat ze een beroep doen op geavanceerde geprogrammeerde algoritmes, die voortdurend berekenen wat het ideale werkpunt is. Dat ideale punt behouden ze door 'active energy control', waarbij continu allerlei pompparameters worden doorgestuurd naar de VFD, die deze data dan gebruikt om zijn werkpunt optimaal te houden en instabiliteit te vermijden. Zodra het optimale punt bereikt is, zal enkel een verandering die door de gebruiker gedaan wordt, leiden tot een verandering in outputvoltage. In dat geval wordt er meteen weer op zoek gegaan naar het nieuwe optimale werkingspunt om weer de maximale efficiëntie te bereiken.

Bijkomende voordelen

Naast de energiebesparing kunnen er nog andere voordelen bekomen worden bij het gebruik van frequentieregelaars. Zo is er geen onderbreking nodig in het systeem om een dure mechanische regelklep te plaatsen, want het debiet wordt aangepast door de pompsnelheid aan te passen. Ook de hieraan verbonden bijkomende buisverliezen vallen weg. Bij 50 Hz zullen de leidingsverliezen wel blijven, maar zullen ze wel kleiner worden naarmate het debiet zakt. Zo kan er in vele gevallen een kleiner gedimensioneerde pomp gebruikt worden, wat op zijn beurt leidt tot minder pompverliezen. Het geheel wordt hierdoor dus alweer een stuk economischer. Het gebruik van kleppen zorgt dan weer voor mechanische problemen want, omdat de pompsnelheid dezelfde blijft, ongeacht of de klep open of dicht is, stijgen de druk en de temperatuur in de installatie. Dat leidt tot problemen met afdichtingen en lagers. Dit type problemen is minder frequent bij installaties met frequentieregelaars. Andere voordelen zijn ook dat u zeer eenvoudig zaken als droogloopbeveiliging, veelvuldig starten en stoppen, soft start/stop ... kunt programmeren zonder extra instrumenten. De levensduur van de pomp stijgt hierdoor en er is geen risico op waterslag of andere ongemakken.

AANDACHTSPUNTEN

Toch is het niet allemaal rozengeur en maneschijn, want bij het gebruik van frequentiesturingen komen enkele specifieke zaken kijken die quasi altijd te maken hebben met het hoogfrequente schakelen dat hieraan eigen is.

EMC-conforme aansluiting van frequentieregelaars
EMC-conforme aansluiting van frequentieregelaars

Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC)

De normen rond EMC (elektromagnetische compatibiliteit) zijn duidelijk: een toestel mag zelf geen bron zijn van elektromagnetische interferentie, maar moet ook ongevoelig zijn voor storingen van buitenaf. Om aan de EMC-eisen te voldoen, wordt er voor een frequentieregelaar een filter geplaatst die deze ongewenste EMC-uitstraling eruit filtert. Wat echter vaak optreedt, is dat de aardlekschakelaar zich hier net ongewenst door zal uitschakelen, omdat deze de afleidstromen van de ontstoringscondensatoren als lekstroom ziet. Er gaat dus soms wel wat tijd en kunde op om de motorbeveiliging zo af te stellen dat dit onnodig uitvallen zich niet langer voordoet. Een voorbeeld hiervan zijn traagwerkende verliesstroomschakelaars, die de installatie pas uitschakelen na een zekere periode. Zo wordt voorkomen dat een plotse piek de installatie lamlegt.

Resonantie

Elke installatie heeft een resonantiefrequentie en elke pompsnelheid heeft een zekere aandrijffrequentie. Mechanische kleppen werken meestal op slechts één aandrijffrequentie, want de pomp werkt continu tegen dezelfde snelheid. De kans dat de beide frequenties hier samenvallen, zou wel heel erg toevallig zijn. Bij pompsturingen met VFD's is het frequentiegebied veel breder en zijn in theorie alle frequenties in de range mogelijk als aandrijffrequentie. De kans dat die dus ooit samenvalt met de resonantiefrequentie, is dus een stuk groter. Als dat het geval is, kunnen er trillingen optreden die schade kunnen berokkenen aan de installatie. Om dit probleem te voorkomen, kan men instellen dat de pomp bij deze frequentie hoger of lager zal draaien.

Lagerschade

Het snelle hoogfrequente schakelen van de frequentieregelaar wordt geregeld door IGBT's (Insulated-Gate Bipolar Transistors), een soort transistor die supersnel schakelt tussen de drie fasewikkelingen. Dit asymmetrisch schakelen kan een hoogfrequente wisselspanning induceren over de as van de motor over de lager aan de aandrijfzijde langs de motorbehuizing en zo via het lager aan de niet‑aandrijfzijde terug tot aan de as. Het resultaat is zonder uitzondering lagerschade. Dit fenomeen kan voorkomen worden door een combinatie van een correcte lagerisolatie, een juiste aarding van de bekabeling, maar vooral ook door een zogenaamde commonmodefilter te plaatsen. Bij grotere vermogens wordt dit type filter al standaard voorzien, bij kleinere vermogens zal dit probleem zich minder snel voordoen. 

 

VERGELIJKING TUSSEN OUD SYSTEEM EN FREQUENTIEGEREGELDE POMP

vergelijking tussen oud systeem en frequentiegeregelde pomp

In de bovenstaande schema's zien we een voorbeeld van de mogelijke besparing. In de figuur links is de oude situatie voorgesteld. Het benodigde vermogen is 50 kW. Hier werd er aanvankelijk gebruikgemaakt van een klepsturing om dit te verkrijgen. Om de klep te sluiten, is er 15 kW nodig. De buisverliezen bedragen ongeveer 10 kW. De pompverliezen klokken af op 15 kW. In totaal moet er dus 90 kW opgewekt worden om de 50 kW output te garanderen. Men opteerde in dit geval voor een licht overgedimensioneerde pomp met een vermogen van 100 kW.

Rechts is dezelfde installatie, maar dan uitgerust met een frequentiegeregelde pomp. De klepverliezen van 15 kW vallen dus al weg. Ook de buisverliezen zijn minder (8 kW), omdat er geen onderbreking meer is voor een klep. Omdat er door deze beide zaken al een besparing is van 18 kW ten opzicht van een klepsturing, kan er gekozen worden voor een pomp met een kleiner vermogen. Daardoor zijn op hun beurt weer de pompverliezen een stuk kleiner (10 kW tegenover 15 kW). Het uiteindelijke resultaat is dat er gekozen werd voor een kleiner gedimensioneerde pomp (75 kW) die bovendien energiezuiniger draait. Het totale jaarlijkse verbruik viel hierdoor terug naar 32,4% van het oorspronkelijke niveau.