Vedenkäsittelylaitosten muuntajat: mitoitus pumppujen käynnistysten, taajuusmuuttajien ylätaajuuksien ja syövyttävän ilman varalta

Miksi vedenkäsittelyasema rasittaa muuntajaa niin paljon

Viime vuonna tarjouspyynnön esittäneen vedenkäsittelyaseman ilmanpuhallimet toimivat moitteettaan yhdeksän kuukautta, minkä jälkeen ne alkoivat samanaikaisesti kytkäytyä pois päältä joka päivä iltapäivällä. Ilmanpuhallimet eivät olleet ongelman syy. Myöskään taajuusmuuttaja ei ollut ongelma. vedenkäsittelyaseman muuntaja oli tilattu aseman käytössä olevasta kuormasta — 1 250 kVA:n pumppujen ja ilmanpuhaltimien — ilman huomiota taajuusmuuttajien aiheuttamille takaisin virtaaville harmonisille virroille ja ilman huomiota kolmen 250 hevosvoiman moottorin yhtaikaiseen käynnistykseen samalla väylällä.

Veden- ja jätevesiasemat ovat maailman suurimmassa määrin virheherkimmät paikat sijoittaa muuntaja. Kuorma vaihtelee, se on induktiomootorikäyttöinen, ja sen puolet on muuttuvan taajuuden säädössä; lisäksi ilmasto on kostea, kloorattu tai täynnä rikkivetyä. Jos jokin näistä kolmesta tekijästä on väärin, vika ilmenee esimerkiksi turhasta kytkentäkatkaisusta, liian kuumasta käämityksestä tai ruostuneesta koteloista, joka ei läpäise tarkastusta toisena vuonna.

 

Kuorman ominaisuudet, jotka määrittävät kVA-luokituksen

Kolme käyttöolosuhteen ominaisuutta vaikuttavat eri tavoin tekniseen eritelmään.

• Kuormaprofiili on kaksihuippuinen. Käsittelyasema ei ole tehdas, jossa pyörii vakio-prosessikuorma. Se käyttää peruskuormaa yöllä, saavuttaa huippukuorman päivällä ja käynnistää uudelleen pumput sadeveden jälkeen, kun tulo vähintään kaksinkertaistuu. Vuotuisen keskiarvon perusteella mitatut muuntajat ovat ylikuormitettuja keskiarvon yläpuolella suurella osalla vuodesta.
• Melkein kaikki on moottori. Pumput, ilmanpumput, sekoittimet, lietteenpoistimet ja sauvaruudut. Moottorit ottavat lukitun roottorin virran käynnistyessään, ja muuntaja havaitsee tähän liittyvän jännitepudotuksen – mikä tehtaassa ilmenee pehmeänä käynnistysänä, kontaktorin räristelynä tai PLC:n uudelleenkäynnistysänä.
• Puolet kuormasta on epälineaarista. Ilmanvaihtopumput, ensisijaiset pumput ja kemikaalien annostelu toimivat taajuusmuuttajilla. Kun vedenpuhdistuslaitos, joka on suunniteltu vakionopeuskäytölle, muunnetaan taajuusmuuttajakäyttöiseksi – mikä kattaa suurimman osan meidän tarjoamista päivitystyöistä – muuntajan koko säilyy ennallaan, mutta harmoninen virta kasvaa.

Lisää klooria, kosteutta ja rikkivetyä laitteistohuoneeseen, ja yleiskäyttöinen muuntaja ei enää ole ilmeinen ratkaisu. Seuraavassa esitetään ne asiat, jotka tarkistamme ennen kuin määritämme kVA-luvun vesi- tai jätevesiprojektille, ja nämä koskevat sekä pad-asetettu muuntokas ulkokäyttöistä että MCC-huoneessa käytettävää kuivamuuntajayksikköä.

 

Pumpun käynnistysten mitoitus: 6–7-kertainen sääntö

Moottorin käynnistys määrittää kVA-arvon useammin kuin jatkuvakuorma. Lyhytmitoitettu induktiomootorin roottori vetää noin kuusi–seitsemän kertaa nimellisvirransa, kun roottori on lukittu , ja ainoa asia, joka on tuon virran ja tehtaan jännitteen välissä, on muuntajan impedanssi ja ylemmän verkon impedanssi. Tehtaan laitteet kokevat tuloksen suoraan: valot himmenevät, taajuusmuuttajat katkaisevat toimintansa alajännitteen vuoksi ja uudelleenkäynnistysjärjestelmä lukitsee toiminnan.

Työohjeena pohjoisamerikkalaisessa käytännössä on mitoittaa niin, että suurimman moottorin käynnistyksessä tapahtuva jännitteen lasku ei ylitä 10–15 prosenttia moottorin liitäntäpisteissä. Tämä arvo on suunnittelukäytäntö, jota toistetaan sekä suunnittelutoimistojen että sähköverkkoyhtiöiden ohjeissa eikä se ole yksittäinen standardivaatimus; se on myös luku, jonka pyydämme tarjouspyynnössämme. Anna meille moottoriluettelo – teho (hevosvoimat), koodikirjain, NEMA-suunnittelukirjain ja käynnistystapa – ja muuntajan impedanssi johdetaan jännitteen laskun rajasta eikä katalogisivulta.

Kaksi käytännöllistä seikkaa määrittävät, vastaako transienttianalyysi sitä tehdasta, jonka todella rakennat.

• Käynnistystapa muuttaa vastausta. Suora käynnistys 300 hp:n tuulettimelle voi sulkea pois standardin 5,75 %:n impedanssiyksikön pienessä tehtaassa; pehmeä käynnistin tai virtarajoitettu moottorinohjain mahdollistaa usein saman muuntajan hyväksymisen. Käynnistystapa on ilmoitettava muuntajan teknisessä tiedotuslomakkeessa, ei ainoastaan moottoriluettelossa.
• Generaattori kuuluu laskelmaan. Kun varageneraattori ottaa tehtaan kuorman pois verkkovirrasta, tehonlähteen tehollinen impedanssi nousee voimakkaasti, ja tuuletin, joka käynnistyy siististi verkkovirrasta, saattaa pysäyttää generaattorin. Tehtaissa, jotka täytyy pitää kokonaan toiminnassa katkon aikana, molemmat laitteet on mitoitettava samalle käynnistystapaukselle.

Jos teidän tehtaan suunnittelu on kesken ja moottoriluettelo on vielä tarkistettavana, lähetä meille nykyinen tehomäärittelylista ja pahin samanaikaisen käynnistyksen yhdistelmä. Insinöörimme tekevät jännitepudotustarkistuksen kahdelle tai kolmelle sopivalle kVA-asteikolle, jotta muuntaja voidaan tilata samoilla oletuksilla kuin transienttianalyysinne.

 

Tasasuuntaajakuormat ja tasasuuntaajien harmoniset komponentit: mistä ylimääräinen lämpö johtuu

Kuusipulssinen tasasuuntaaja ottaa virtaa lyhyinä pulssina eikä siniaallon muodossa, ja tämä virta sisältää harmonisia komponentteja, joihin muuntajaa ei ole mitoitettu. Niiden aiheuttamat häviöt eivät ole verrannollisia perusvirralle, jota ne korvaavat. Harmonisten komponenttien hajaantunut magneettikenttä lämmittää käämiä, ytimen kiinnikkeitä, säiliön seiniä ja nollajohtoa, ja jos muuntaja on jo kuormitettu 80 % nimelliskuormastaan, seuraus ilmenee ensin korotettuna öljyn yläosan lämpötilana ja sitten lämpösuojauksena.

On kolme tapaa määritellä ratkaisu tähän ongelmaan, mutta ne eivät ole yhtä hyviä.

• Vähennä standardiyksikön tehoa. Tylppä työkalu: valitse muuntaja 15–25 prosenttia suuremmaksi kuin ajokuorman vaatima ja hyväksy lisäkuormittamaton tappio koko laitoksen käyttöiän ajan. Se toimii, ja se on usein halvin vaihtoehto alussa.
• Määrittele harmoniikoita kestävä laite. K-luokan tai moottorikäyttöön tarkoitettu suunnittelu käyttää ydintä ja käämiä, jotka kestävät lisävirtahäviöitä ja hajahäviöitä sekä nollajohtoa, jonka poikkipinta-ala on mitoitettu kolminkertaisille harmonisille taajuuksille, kun kyseessä ovat yksivaiheiset kuormat. Pyydä kuormituspohja kirjallisesti, sillä K-luokitus ilman ilmoitettua K-kerrointa ja kuormaprofiilia on vain merkintä, ei suunnittelua.
• Korjaa harmoniset häiriöt virtalähteen puolella. Verkkosuojakela, passiiviset suodattimet tai aktiivinen suodatin vähentävät sitä, mikä saavuttaa muuntajan, ja ne ovat oikea ratkaisu silloin, kun laitoksen on raportoitava vääristymä yhteisen liitoskohdan tasolla. IEEE Std 519-2022 on viite, jota sähköverkkoyhtiö käyttää, ja käytännössä useimmat pohjoisamerikkalaiset sähköverkkoyhtiöt vaativat 5 %:n kokonaissähköjännitteen vääristymärajan, jonka standardi asettaa järjestelmille, joiden jännite on enintään 69 kV.

Valitsepa mikä tahansa reitti, vääristymäluvun tulee olla määritelmässä. A VFD-harmoniset taajuudet lauseke, jossa sanotaan ”noudatettava IEEE 519” ja ei muuta, jättää muuntajan toimittajan arvailemaan, ostetaanko lisäkuparia vai suodatin.

 

Syövyttävä ilmapiiri: H2S, kloori ja koteloituksen valinta

Jätevedenpuhdistamon laitteistohuone on vihamielinen ympäristö, ja se on vihamielinen tavalla, jota on helppoa aliarvioida. Pääpumpun rakennukset, kosteat kuopat ja hajottimet sisältävät rikkivetyä, joka hyökkää kuparia, hopeaa ja ohjausjohtojen liitoslankojen tinasulatetta vastaan jopa sellaisissa pitoisuuksissa, joita kukaan ei voi haistaa. Klooraus- ja hypokloriittihuoneet lisäävät toisen syövyttävän polun. Lisää lähes kyllästynyt kosteus, ja mekanismi ei ole pinnoitteen epäonnistuminen – se on liitoksen epäonnistuminen kahden tai kolmen vuoden kuluttua.

Kolme määrittelypäätöstä kantavat suurimman osan riskistä.

• Kotelointiluokka. Käsittelyalueille jätevesiympäristössä kunnallisissa sähkösuunnittelun ohjeissa määritellään työskentelyyn vähimmäisvaatimuksena NEMA 4X -kotelo — korrosiota kestävä, ei ainoastaan vesitiukka — eikä NEMA 3R -koteloa, jota tavallisesti käytetään ulkokäyttöön tarkoitetussa jakelumuuntajassa. Tämä tarkoittaa ruostumatonta terästä tai asianmukaisesti pinnoitettua koteloa, tiivistettyjä ovikansia ja korrosiota kestäviä kiinnitysosia, ei maalattua levytä.
• Pintakäsittelyjärjestelmä. Rannikko- ja kemikaali-altistus määritellään yleensä ISO 12944 -korrosioluokkana eikä maalin värinä, jossa C5-M on viite luokalle, joka vaatii korkeaa korrosionkestävyyttä merikäyttöön. Kun rakennamme tuotteita tähän luokkaan, pintakäsittelyn dokumentoidaan suorittamalla suolapirskaustesti pinnoitteen paksuudelle, ja valmis pinnanhoito-ohjelma sisällytetään tilaukseen eikä se ole tehdasasetus.
• Nestemäisen säilytyksen ja pääsyn varmistaminen. Öljyllä jäähdytetyissä muuntajayksiköissä öljyn säilytysjärjestelmä ja säiliön tiukkuus määrittävät, siirtyykö kosteutta sisään viiden vuoden aikana, ja näytteenottoventtiilin sijainti määrittää, voiko huoltotieimi ottaa näytteen ilman, että koteloa avataan. Kysy, missä venttiili on; jos vastaus on »sisällä, oven takana«, odota, ettei näytettä koskaan oteta.

Ulkoasennus pad-asetettu muuntokas ratkaisee tilaongelman, mutta ei korroosio-ongelmaa. Pohjalevyyn asennettu yksikkö nostoasemalla sijaitsee samassa kloroidussa, kosteassa ilmassa kuin pumput, joita se syöttää, joten kotelon pinnanlaatu ja tiivisteen laatu ovat tärkeämpiä kuin sijainti.

 

Varmuusvaraus ja varavoima: Konfiguraatiokysymys

Käsittelylaitoksia vaaditaan yleensä jatkamaan käsittelyä myös sähkökatkon aikana, ja tämä vaatimus koskettaa yhtä paljon muuntajajärjestelyä kuin generaattoria.

Yleinen konfiguraatio on pää–liitos–pää-kaksipäinen järjestelmä normaalisti avoimella liitoksella: kaksi muuntajaa, kaksi kytkinlaitetta ja yksi liitoskytkin. Kumpikin muuntaja kantaa omat puolet tehtaasta, ja liitoskytkin mahdollistaa joko muuntajan ottamaan kantaa välttämättömistä kuormista, jos toinen muuntaja on pois käytöstä. Kompromissi on impedanssi. Rinnakkainen tai liitoksen suljettu toimintatapa vaatii sovitetun impedanssin ja sovitetut tappiasemat, muuten kaksi yksikköä eivät jakaisi kuormaa niin kuin yksilinjakaavio olettaa. Siksi pyydämme impedanssialuetta ennen tarjouksen antamista parille, ei sen jälkeen.

Kun yksi muuntaja syöttää tehdasta, varatilanne näyttää yleensä tältä: generaattori palvelusyhteyden kohdalla, siirtokytkin ja päätös siitä, mitkä kuormat saavat käynnistyä automaattisesti. Tuulittimet ja moottorikäyttöiset laitteet ovat ongelma. Suuret moottorikäyttöiset laitteet, joilla on pitkä kiihdytysaika, rasittavat generaattoria vähemmän kuin suora verkkokäynnistys, ja muuntaja, joka on määritelty alhaisella impedanssilla verkko-olosuhteisiin, voi pahentaa generaattoritilannetta. Molemmat tilanteet on tarkistettava saman moottoriluetteloon perustuen.

 

Mitä sisällyttää spesifikaatioon

Spesifikaation kohdat, jotka määrittävät, täyttääkö toimitettu yksikkö suunnittelun tarkoituksen:

Tehokkuuskohta	Mitä ilmoitetaan	Mitä kysyä
Moottoriluettelo	Lukkiutuneen roottorin kVA-arvo, koodikirjain, NEMA-suunnittelukirjain ja käynnistystapa	Pyydä jännitepudotusrajan määrittelyä: 10–15 % on työskentelykäytäntö Pohjois-Amerikassa
Samanaikaiset käynnistykset	Pahin tapausyhdistelmä, jota tehdas todellisuudessa käyttää	Kosteassa säässä tapahtuva uudelleenkäynnistys – kolme tuulitinta ja lietteenpumppu edellyttävät eri muuntajaa kuin yksittäinen pumppu kerrallaan
Moottorikäyttöinen kuorma	Kokonaisteho VFD-moottoreissa hevosvoimina ja tiedot siitä, onko suodatin tai reaktori toimitettu	Ilmoita vääristymätavoite yhteisessä liitospisteessä; viitestandardina käytetään IEEE Std 519-2022 -standardia, jota sähköverkkoyhtiösi käyttää
Impedanssikaista	Prosenttimäinen impedanssi ja sen toleranssi, jotka on otettu transienttianalyysistä	Tarvitaan käynnistystapaukseen ja kaksipäiseen järjestelyyn kuuluvassa kuorman jakautumisessa
Kotelo ja pinnankäsittely	NEMA 4X prosessialueille; ISO 12944 -korroosioluokka	Nimeä luokka (esim. C5-M korkeakorroosioinen merikäyttöön tarkoitettu luokka) eikä kuvaile maalin väriä
Varajärjestelmä	Pää-yhdistä-pää, generaattorilla varustettu tai yksipäinen	Generaattorikuoren asettama impedanssivaatimus eroaa verkko-olosuhteiden vaatimuksesta
Testausalue	Tavalliset kokeet jokaiselle yksikölle; tyyppikokeet suunnittelulle; osittaispurkauskokeet kuivatyypille	Kysy, mitä testistandardia käytetään ja sisältääkö se listausviranomaisen valvonnan

 

Testauksessa kannattaa erottaa selkeästi tavalliset kokeet ja tyyppikokeet. Tavallisissa kokeissa testataan jokaista yksikköä ja noudatetaan rakenteen mukaista testikoodia: IEEE C57.12.90 nesteellä jäähdytetyille yksiköille Pohjois-Amerikassa sekä yleisiä vaatimuksia IEC 60076-1 iEC-hankkeissa, joissa kuivatyypin suunnittelut noudattavat IEC 60076-11 . Tyyppikokeet – lämpötilan nousu, iskujännite ja oikosulkukestävyys – liittyvät suunnitteluun ja niiden on oltava jäljitettävissä toimitettavaan yksikköön. Jos tehdas muuttaa käyttöä taajuusmuuttajien kanssa, pyydä harmonisten häviöiden tarkistus kirjallisesti, koska juuri tämä laskelma määrittää, pysyykö yksikkö viileänä vai kuumeneeko se.

 

Miten rakennamme vesi- ja jätevesihankkeita

Ryan Electric on valmistanut muuntajia vuodesta 2007 lähtien 120 000 neliömetrin tehtaassa Jiangsussa, jossa on yli 180 tuotanto- ja testauslaitetta sekä 37 patenttia, ja vuodesta 2023 lähtien olemme toimineet Eatonin virallisena yhteisyrityskumppanina. Yksiköt toimitetaan UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA-, CNAS- ja CE-todistuksin sen mukaan, mitä kohdemarkkina vaatii, mikä on tärkeää kunnallisissa hankkeissa, joissa tarkastaja lukee nimikilven ennen kuin mikään laite kytketään verkkoon. Kun hanke on luokiteltu, testit suoritetaan luokitteluviranomaisen valvonnassa eikä sisäisesti hyväksyttyinä – esimerkiksi UL Solutions pohjoisamerikkalaisiin luokitteluihin.

Tekninen ero vesisovelluksissa on se, mitä kysymme tarjousta antaessamme. Moottoriluettelo koodikirjaimineen, käynnistystapa, samanaikaisen käynnistyksen tapaus, moottorin teho, onko suodatin toimitettava, prosessialueen suojausluokitus, korroosioluokka ja varavirtakonfiguraatio. Kun nämä tiedot saadaan yhdessä, pad-asetettu muuntokas tai kuivatyypin laite, joka palautetaan, on mitoitettu tehtaan käyttöolosuhteisiin eikä kokonaissähkömoottoritehon perusteella.

Lähetä meille moottoriluettelo, sijaintipaikan alttius ja kotelointivaatimukset tehtaallenne tai nostoasemallenne, ja insinöörimme tekevät mitoituksen tarkistuksen käynnistys- ja harmonisen kuorman perusteella sekä luettelevat pinnoitussysteemin ja testausalueen rivi riviltä. Tekninen vastaus 48 tunnissa.

Tekijästä: Tämän oppaan ovat laatinut Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.:n insinööri- ja vientitiimi. Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. on muuntajavalmistaja, joka perustettiin vuonna 2007, Eatonin virallinen yhteisyrityskumppani vuodesta 2023 lähtien sekä kuivatyypin, öljyyn upotettujen, maakäyttöön tarkoitettujen ja tiukentuneiden sähköasemien tuotteiden toimittaja hyötyverkoille, teollisuudelle, tietokeskuksille ja infrastruktuuriprojekteille. Tiimi tukee kunnallisia ja teollisia vesiprojekteja teknisten vaatimusten tarkastuksesta tehdastestaukseen saakka.