Colaboracin en los procesos

a mayora de las bombas se siguen arrancando con mtodos de arranque electromecnicos convencionales, tales como arranque directo en lnea y estrelladelta, y ello significa que el riesgo de golpe de ariete siempre est presente. Hoy da se dispone de diversas soluciones mecnicas, como vlvulas hidrulicas y tanques de presin para evitar dicho efecto. Aunque bien conocidas, estas soluciones son costosas, requieren un mantenimiento importante y, en el caso de los tanques de presin, necesitan mucho espacio. El golpe de ariete en un sistema de abastecimiento de agua reduce de forma considerable la vida til de las tuberas, vlvulas y juntas, provocando interrupciones del servicio no deseadas y unos altos costes de mantenimiento. El uso de arrancadores suaves Cuadro 1 reduce por lo general la magnitud de los efectos del golpe de ariete, aunque no los pueden evitar en todas las circunstancias. Los arrancadores suaves se usan normalmente para arrancar y detener motores en casi todas las aplicaciones de motores en corriente alterna [1] porque contribuyen a minimizar el desgaste y las averas mecnicas. ABB, por ejemplo, ha desarrollado arrancadores suaves que pueden controlar motores y bombas de hasta 1.000 kW, y ms del 40 % de los arrancadores suaves de ABB se utilizan para arrancar y parar motores de corriente alterna en aplicaciones de bombeo. Adems de sus aplicaciones en sistemas de bombeo, los arrancadores suaves se pueden encontrar en algunas otras aplicaciones, desde impulsores de proa en barcos hasta compresores en estaciones de llenado de gas natural o mquinas fabricantes de nieve, as como en aplicaciones industriales ms comunes, como ventiladores, compresores y cintas transportadoras. Sin embargo, el diseo anterior, con sus incrementos lineales de tensin para arrancar el motor, no es el ms adecuado y es necesario mejorarlo si se pretende eliminar completamente el golpe de ariete.En busca de una solucin inteligente

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Una parada suaveLos arrancadores suaves de ABB estn equipados ahora con un nuevo algoritmo de control de par para evitar el golpe de ariete en tuberas de agua.Jesper Kristensson, Sren Kling Si el motor de una bomba se para bruscamente, la brusca variacin de caudal de agua que se produce provocar ondas de presin y golpe de ariete en vlvulas y tuberas. El golpe de ariete est presente a menudo en sistemas de bombeo con tuberas de gran longitud y en sistemas con presin hidrosttica alta y, con el tiempo, provocar desgastes y averas en los equipos. La utilizacin de arrancadores suaves reduce por lo general los efectos del golpe de ariete al producir una deceleracin suave del motor. Ahora, gracias a una excelente colaboracin con ITT Flygt, ABB ha desarrollado su prototipo de arrancadores suaves proyectando una solucin innovadora que elimina completamente el golpe de ariete controlando el par ptimo del motor en funcin del tiempo.Revista ABB 3/2007

En los arrancadores suaves convencionales, la tensin suministrada al motor se incrementa linealmente durante la fase de arranque (lo que significa que31

Una parada suave

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la intensidad de arranque es baja), o se disminuye durante la fase de parada. Para la mayora de motores, de esta forma se consigue una buena aceleracin y deceleracin del motor. Aunque el golpe de ariete no es un problema durante la fase de arranque, la situacin es bastante diferente durante la fase de parada. En un sistema de abastecimiento y distribucin de agua, con muchas vlvulas y los motores correspondientes, el efecto de cerrar unaCuadro 1

de dichas vlvulas depende de la configuracin del sistema. La dinmica del sistema puede variar de un arranque y parada a otro, dado que el caudal de agua o el nmero de bombas que estn funcionando en el sistema pueden variar. Por ello, aunque la modificacin de la configuracin de los parmetros pueda evitar en un caso determinado el golpe de ariete, esto no significa que suceda lo mismo con otros parmetros del sistema. Una solucin ms adecuada es tener en cuenta la dinmica del sistema hidrulico cuando se utilizan tiristores en el arrancador suave para controlar la entrada de tensin al motor 1 . Si se dispone de ms mediciones dentro del arrancador suave, es posible controlar mejor el caudal de agua. Al mismo tiempo, es posible determinar en qu medida la tensin de entrada al motor afecta al caudal de agua. Controlando la tensin se puede controlar el par, que a su vez controla la velocidad del motor y, en consecuencia, el caudal de agua 2 . Distintas mediciones permitirn establecer un algoritmo de bucle para controlar el par, cuya funcin es controlar la deceleracin del agua en las tuberas para evitar el golpe de ariete cuando se paran las bombas. ste es un ejemplo tpico de tecnologa de bucles de control, pero con la necesidad aadida de que la misma solucin debe poderse aplicar para todo tipo de bombas y para toda configuracin de tuberas, as como para todos los motores entre 15 y 1.000 kW. Un2

escenario ideal sera una solucin que no requiera el ajuste de los parmetros. Con objeto de comprender mejor las distintas necesidades, ABB se puso en contacto con la compaa sueca ITT Flygt Cuadro 2 .Colaboracin con ITT Flygt

Arrancadores suaves

Un arrancador suave utiliza tiristores (SCR = rectificadores controlados de silicio) para controlar la tensin de entrada al motor durante el arranque y la parada. As se reduce la intensidad y el esfuerzo mecnico del motor en comparacin con el arranque a plena tensin o con otros mtodos electromecnicos de arranque. Sin la utilizacin de arrancadores suaves, es de esperar la aparicin de problemas elctricos, mecnicos y de operacin: las perturbaciones transitorias de tensin e intensidad pueden sobrecargar la red local de alimentacin y provocar variaciones de tensin que tengan como consecuencia oscilaciones de luces e interferencias con otros equipos elctricos. se pueden producir roturas de cintas, grietas en los acoplamientos, chirridos en los rodamientos y desgaste de los motores. tambin se pueden producir incrementos de presin en las tuberas, daos a los productos en las cintas transportadoras e incomodidades en la utilizacin de escaleras mecnicas.

ITT Flygt y ABB haban colaborado anteriormente en accionamientos de velocidad variable y otros equipos de arranque. La experiencia de ITT Flygt en sistemas de abastecimiento de agua, adems de sus sofisticadas herramientas de simulacin, convenci a ABB de que esta empresa era el socio ideal con el que se podra resolver el problema del golpe de ariete. Desde el punto de vista de ABB, el llegar a dominar las herramientas de simulacin proporcionaba un conocimiento muy valioso sobre la mejor manera de disminuir el par del motor y por consiguiente el caudal de agua enCuadro 2

ITT Flygt

ITT Flygt fue fundada en 1901. Su sede central est situada a las afueras de Estocolmo (Suecia), y es lder mundial en bombas sumergibles y agitadores. ITT Flygt participa en un amplio espectro de actividades dirigidas a colaborar con administraciones, municipios y compaas para mejorar el manejo de las redes de saneamiento, control de inundaciones, conservacin de energa, recuperacin de tierras y construccin de tneles. Sus productos se utilizan tambin en minera, procesos industriales, agricultura y acuicultura.

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Control del motor a partir del feedback proporcionado por un sistema de flujo de agua

Arrancadores suaves para controlar las bombas: una demostracin de los efectos positivos sobre la intensidad, el par y el caudal de agua cuando se usa el arrancador PST de ABB control de par

Arrancador suave PST (B) M

Control de par arrancador PST

I V T

Diagrama de arranque

Pentrada - Pperdida Pmotor Tmotor T ideal Carga Motor RPM

Diagrama Bucle de oculto compensacin

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Revista ABB 3/2007

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la bomba durante la fase de parada, con objeto de evitar el golpe de ariete. El que se produzca o no golpe de ariete depende de varios parmetros, que incluyen el sistema principal de tuberas y sus componentes, el tipo de tuberas utilizadas, la presin hidrosttica, la longitud y el caudal de agua. Tambin hay que tener en cuenta algunos otros parmetros, como el sistema interno de tuberas de la estacin de bombeo. El cierre brusco de las vlvulas de control es muy comn, dado que el comportamiento dinmico de las vlvulas es demasiado lento. En la fase de parada, el problema es mucho ms importante. El parmetro ms crtico durante esta fase es la variacin de la velocidad del agua. Esto,3

adems del nmero real de bombas en servicio, afectar a la disminucin de la demanda de cada bomba. Para tratar estas variaciones, ITT Flygt ya tiene en servicio una herramienta/mtodo de anlisis. Para casos difciles se utiliza esta herramienta, que puede llevar a cabo un anlisis transitorio del sistema, para disear configuraciones concretas de tuberas. Durante el proyecto proporcion a ABB una valiosa informacin sobre parmetros crticos de caudal de agua durante la parada de las bombas. A partir de una clara especificacin de ITT Flygt sobre cmo debe funcionar una solucin de control de par para evitar el golpe de ariete y aumentar la vida til y el tiempo de servicio de sus bombas, el equipo de investigadores de ABB se concentr en disear la solucin deseada. ITT Flygt demostr ser un excelente socio al adoptar un enfoque ms amplio de la cuestin de cmo el uso de arrancadores suaves puede aumentar la fiabilidad de las estaciones de bombeo, o de qu funciones inteligentes se necesitan en el dispositivo de arranque para facilitar la utilizacin de arrancadores suaves en aplicaciones de bombeo. La solucin diseada por ABB para eliminar el golpe de ariete se centra en controlar el par ptimo del motor en funcin del tiempo. Para determinar el par necesario es preciso efectuar mediciones y clculos avanzados. El par calculado se compara con una curva ideal de par tanto durante el arranque como durante la parada. Si el par es demasiado bajo se aumenta mediante los tiristores la tensin de entrada al motor. De la misma forma, cuando el par medido es demasiado alto, se disminuye la tensin de entrada. Durante las secuencias de arranque y parada, tanto las mediciones como el control se realizan en tiempo real, y son lo suficientemente rpidos y precisos para controlar el par para todas las bombas y motores posibles en todas las configuraciones de tuberas. Los prototipos disponibles se sometieron en primer lugar a las pruebas internas de ABB y a continuacin a pruebas en las instalaciones de investigacin de ITT Flygt en Estocolmo. Las pruebas de campo se realizaron en distintas esta-

ciones de bombeo en las que ITT Flygt ya estaba llevando a cabo pruebas sobre nuevos modelos y prototipos de bombas. Las pruebas en sistemas reales contribuyeron a validar tanto los resultados de las simulaciones como el algoritmo de control de par. Las estaciones de bombeo donde se realizaron las pruebas se utilizaron tambin para hacer demostraciones a los clientes finales, permitindoles as observar los efectos positivos del control de par al detener las bombas. La estrecha colaboracin entre ABB y ITT Flygt durante el perodo de diseo inicial permiti efectuar modificaciones en el algoritmo de control en una fase inicial, reduciendo as de forma significativa la fase de desarrollo del producto. Partiendo de esta provechosa colaboracin, ambas compaas van a efectuar demostraciones de un sistema conjunto de bombeo en distintas ferias para mostrar las ventajas de utilizar una bomba sumergible de ITT Flygt con un arrancador suave PST de ABB equipado con el nuevo algoritmo de control de par 3 .Hacia aplicaciones ms ambiciosas

Arrancador suave mejorado de ABB con control de par (add torque control symbol)

Los arrancadores suaves tienen que cubrir una amplia variedad de aplicaciones, desde compresores, ventiladores y cintas transportadoras hasta grandes bombas en oleoductos y gasoductos.

La seleccin de un cliente lder como socio en colaboracin para satisfacer las necesidades generales del mercado ha demostrado sus ventajas para ambas partes. Entre otras, el intercambio abierto de datos e ideas fundamentales de diseo no slo lograron una solucin innovadora para eliminar el golpe de ariete, tambin proporcion unos conocimientos de valor incalculable que se pueden utilizar para afrontar retos similares en otras aplicaciones en las que haya que reducir al mnimo la intensidad de arranque y los esfuerzos mecnicos en, por ejemplo, compresores, ventiladores, impulsores de proa o cintas transportadoras.

Jesper Kristensson Sren Kling ABB AB, Cewe-Control Vsters, Suecia jesper.kristensson@se.abb.com soren.kling@se.abb.com Referencias [1] Johansson, Helena M.; Kling, Sren; Funcionamiento suave desde el principio, Revista de ABB, nmero 3, 2004, pginas 2226.

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