Varvtalsreglering av pumpar
Pumpprestanda och Affinitetslagarna
För rotordynamiska pumpar, centrifugalpumpar propellerpumpar, gäller de så kallade affinitetslagarna för prestanda vid varvtalen n1 och n2:
Ekv 8.9
Ekv 8.10
Ekv 8.11
Ekvation 8.11 för effekten, gäller enbart för pumpens axeleffekt Pp.
För förträngningspumpar gäller ekvation 8.9. För dem bestäms H och P av systemets tryckhöjd dvs av systemkurvan.
För hela pumpaggregatets effektbehov måste hänsyn tagas till olika verkningsgrader – figur 8.19.
Figur 8.19 Pump med drivmaskineri
För driveffekten P gäller således
Ekv. 8.12
Då varvtalsreglering tillämpas krävs någon form av varvtalsomvandlare för att skapa det önskade pumpvarvtalet. En sådan omvandlare förosakar som regel icke försumbara effektförluster – tr < 1
Verkningsgrader vid olika metoder för varvtalsreglering av pumpar
Tillämpas affinitetslagarna för en centrifugalpump fås sålunda att vid en nedreglering av pumpvarvtalet till hälften minskar volymflödet till hälften, uppfordringshöjden till fjärdedelen och effektbehovet på pumpaxeln till en åttondedel. Vid nedreglering till 20 % av max varvtalet går på samma sätt pumpaxeleffekten ned till 0,8 % av effekten vid max varvtalet dvs svårigheter föreligger att i drift mättekniskt verifiera affinitetslagarna.
Sett mot pumpeffektens snabba förändring med pumpvarvtalet blir metoden och verkningsgraden för att förändra pumpvarvtalet av mycket liten betydelse. Praktiskt medför detta att många drivanordningar och transmissioner, som i sig själva uppvisar dåliga transmissionsverkningsgrader, ger utomordenligt goda resultet för pumpar.
De metoder, som står till buds, kan indelas i tre huvudgrupper: A, B, C
Grupp A omfattar sådana anordningar, som har jämförelsevis hög verkningsgrad över ett stort vartalsområde. Dessa anordningar är till sin princip ”nästan förlustfria” med ”konstant” verkningsgrad över hela varvtalsområdet. Till denna grupp hör
- mekanisk variator
- likströmsmotor med tyristorlikriktare
- släpringad asynkronmotor medströmriktarkaskad
- asynkronmotor med frekvensomriktare
- synkronmotor med frekvensomriktare
- kommutatormotor
I praktiken kommer emellertid verkningsgraden att avta med minskande varvtal på grund av att vissa förluster ej reduceras lika snabbt som nyttoeffekten. Sådana förluster kan utgöras av friktionsförluster, effektbehov för kylfläkt etc.
Grupp B karakteriseras av att transmissionen till sin konstruktion har en verkningsgrad, som avtar direkt proportionellt mot utgående varvtalet. Hit hör sådana transmissioner som arbetar med lika stora vridande moment på in- och utgående axlar, exempelvis hydrodynamiska kopplingar. Även eftersläpningsstyrda asynkronmotorer, primärspännings- eller motståndsreglerade, tillhör denna grupp.
- hydrodynamisk slirkoppling
- hydrofriktionsslirkoppling
- motståndsreglerad, släpringad asynkronmotor
- primärspänningsreglerad asynkronmotor
- virvelströmskoppling
Grupp C utgörs av hydrostatiska transmissioner – hydraulmotor + hydraulpump – med endera pump eller motor med variabelt deplacement. På grund av förluster från friktion och inre läckage har dessa lägre toppverkningsgrad vid fullvarv än övriga alternativ. Det inre läckaget ökar med tiden pga oundvikligt slitage.
- Hydrostatisk transmission
Ungefärliga transmissionsverkningsgrader tr för grupperna A, B och C har sammanställts i figur 8.20
Figur 8.20 Ungefärliga transmissionsverkningsgrader för Grupp A-B-C.
Omräkning av pumpkurvor till olika varvtal
För ett givet pumpfall dvs en given systemkurva enl figur 8.21 kan minsta nödvändiga varvtal = nmin bestämmas ur följande samband
Ekv 8.13
Figur 8.21 Samband för minsta nödvändiga varvtal nmin.
En aktuell pumpkurva med Q-K och Q-P diagram omräknas från t ex ett max varvtal till några andra varvtal genom att 4-5 punkter på max kurvorna en efter en omräknas till andra varvtal med hjälp av affinitetslagarna och transmissionsverkningsgrader för den aktuella varvtalsomvandlaren. Ett exempel på sådana omräknade pumpprestanda finns i figur 8.22.
Vid pumpning utan statisk uppfordringshöjd, ingen nivåskillnad, t ex vid cirkulationspumpning eller genom en rörledning under en sjö fås en systemkurva enl den streckade kurvan visad i figur 8.22. Genom att överföra systemkurvans skärningspunkter med de olika pumpkurvorna i Q-H diagrammet till effektdiagrammet erhålles den prickade kurvan. Som synes erhålls vid ett Qmedel utgörande hälften av Qmax en minskning av effektbehovet från 30 kW till 8 kW eller med 22 kW motsvarande 73 % minskning. På samma sätt bestäms effektbehovet för varje typ av systemkurva.
Figur 8.22 Exempel på prestandakurvor för en varvtalsreglerad pump. Effektbehovet avser en pump med hydrodynamisk slirkoppling. Varvtalet är uttrykt relativt fullvarv vid en konstantvarvig pump = n* = 1. Genom hydraulkopplingens slirning även vid fullast blir n* max = 0,97, vilket ger något lägre pumpkurvor än för motsvarande konstantvarviga pump.
Reglersystem, styrning
För hela reglerförloppet vid en varvtalsreglerad pump fås ett principiellt blockschema enligt figur 8.23. Reglersystemet kan vara totalt eller vanligare ett underordnat system till det totala. En linearitet mellan signaler och önskad pumpfunktion är ytterligt viktig för att en stabil och fungerande reglering skall fås. Förhållandet är särskilt accentuerat inom VA-området, där mycket stora flödesvariationer är vanliga. Inom detta område finns flera icke fungerande installationer av varvtalsreglering pga att reglerfunktions betydelse dessvärre ej har beaktats.
Figur 8.23 Blockschema för varvtalsreglerad pump
I många fall är det nödvändigt att mäta extra storheter t.ex. pumpvarvtal n eller flöde Q och återkoppla dem i reglersystemet, prickade signaler i figur 8.23 för att stabilitet skall nås. Det dynamiska samspelet mellan en varvtalsreglerad pump, behållare eller pumpsump och rörledning kan även vara en orsak till instabilitet. Att bygga upp en anläggning av olika komponenter – svarta lådor – utan att göra en reglerteknisk stabilitetsanalys kan vara mycket riskfyllt. Vid köp av paketlösningar bör man av samma orsak försöka få en funktionsgaranti baserad på det aktuella fallet, som då måste beskrivas beträffande t ex process, rörledningens karakteristiska parametrar, storlekar på pumpar, behållare, magasin samt driftsförhållanden.