Transformatoare pentru stații de tratare a apei: dimensionare pentru pornirea pompelor, armonici VFD și aer coroziv

De ce o stație de tratare a apei pune presiune pe un transformator

Suflantele de aerare dintr-o astfel de stație, pentru care am oferit un preț anul trecut, au funcționat corect timp de nouă luni, apoi au început să declanșeze în fiecare zi, la ora prânzului, același întrerupător automat. Suflantele nu erau problema. Nici variatoarele de viteză. transformatorul stației de tratare a apei fusese comandat pe baza sarcinii reale în funcțiune a stației — 1.250 kVA pentru pompe și suflante — fără a lua în considerare curenții armonici pe care variatoarele i-ar injecta înapoi în el și fără a lua în considerare repornirea simultană a trei motoare de câte 250 CP pe aceeași bară colectoare.

Stațiile de tratare a apei și de epurare a apelor uzate sunt printre cele mai puțin tolerante locuri din lume pentru instalarea unui transformator. Sarcina este ciclică, antrenată de motoare asincrone, jumătate dintre ele fiind comandate prin variatoare de frecvență, iar aerul este umed, clorurat sau saturat cu sulfura de hidrogen. Dacă greșiți în oricare dintre aceste trei aspecte, defectul se manifestă prin declanșări nedorite ale întrerupătoarelor automate, supraîncălzirea unei înfășurări sau corodarea carcasei, ceea ce duce la nerespectarea standardelor la inspecția din al doilea an.

 

Caracteristicile sarcinii care determină puterea nominală în kVA

Trei caracteristici ale sarcinii determină specificația, iar acestea acționează în direcții diferite.

• Profilul sarcinii este bimodal. O stație de epurare nu este o fabrică care funcționează cu o sarcină proces constantă. Aceasta funcționează cu o sarcină de bază în timpul nopții, apoi atinge vârful în timpul zilei, după care repornește pompele după un eveniment de vreme ploioasă, când debitul de intrare se dublează. Transformatorii dimensionați pe baza mediei anuale vor fi încărcați mult peste medie pentru o mare parte a anului.
• Aproape totul este un motor. Pompe, suflante, amestecătoare, raclete pentru nămol, site cu bare. Motoarele absorb curent de blocare la pornire, iar transformatorul percepe căderea de tensiune asociată — ceea ce instalația experimentează ca o pornire lentă, un ticăit al contactorului sau o repornire a PLC-ului.
• Jumătate din sarcină este neliniară. Suflantele de aerare, pompele principale și dozatoarele chimice funcționează toate cu variatoare de frecvență. Când o stație de tratare proiectată pentru funcționare la viteză constantă este transformată într-o stație cu comandă VFD — ceea ce reprezintă majoritatea lucrărilor de modernizare pe care le ofertăm — transformatorul își păstrează dimensiunea, în timp ce curentul armonic crește.

Adăugați clor, umiditate și sulfură de hidrogen în sala echipamentelor și un transformator de uz general nu mai este soluția evidentă. Mai jos enumerăm ceea ce verificăm înainte de a stabili o valoare kVA pentru un proiect de apă sau apă uzată, indiferent dacă unitatea este transformator montat pe bază în aer liber sau un transformator uscat în sala MCC.

 

Dimensionarea pentru pornirea pompelor: Regula de șase până la șapte ori

Pornirea motorului determină valoarea kVA mult mai frecvent decât sarcina continuă. Un motor de inducție cu rotor în scurtcircuit absoarbe aproximativ de șase până la șapte ori curentul său nominal în timpul blocării rotorului , iar singurul lucru dintre acea curentă și tensiunea instalației este impedanța transformatorului și rețeaua amonte. Instalația simte rezultatul direct: lumina scade, motoarele se opresc din cauza tensiunii reduse, iar secvența de repornire este blocată.

Regula de lucru în practica nord-americană este dimensionarea astfel încât scăderea de tensiune în timpul pornirii celui mai mare motor să nu depășească 10 până la 15 procente la bornele motorului. Această valoare este o convenție de proiectare repetată în ghidurile firmelor de consultanță și ale operatorilor de rețea, nu o cerință unică standardizată, iar acesta este numărul pe care îl cerem în cererea de ofertă (RFQ). Furnizați-ne programul motoarelor — puterea în cai putere, litera cod, litera design NEMA, metoda de pornire — iar impedanța transformatorului rezultă din limita de scădere a tensiunii, nu dintr-o pagină de catalog.

Două aspecte practice determină dacă studiul tranzitoriu corespunde instalației pe care o construiți efectiv.

• Metoda de pornire modifică răspunsul. Pornirea directă a unui ventilator de 300 CP poate elimina utilizarea unui transformator standard cu impedanță de 5,75 % într-o instalație mică; un pornitor moale sau un variator de viteză cu limitare a curentului permit adesea ca același transformator să fie utilizat. Metoda de pornire trebuie specificată în fișa tehnică a transformatorului, nu doar în lista motoarelor.
• Generatorul face parte din calcul. Când un generator de rezervă asigură alimentarea instalației în cazul pierderii sursei de rețea, impedanța efectivă a sursei crește brusc, iar un ventilator care pornește fără probleme de pe rețea poate bloca generatorul. Instalațiile care trebuie să funcționeze la capacitate maximă în timpul unei întreruperi trebuie să dimensioneze ambele echipamente (transformatorul și generatorul) pentru aceeași situație de pornire.

Dacă instalația dumneavoastră este încă în fază de proiectare și lista motoarelor este în continuare revizuită, trimiteți-ne lista actuală a puterilor în cai putere și combinația cea mai defavorabilă de porniri simultane. Inginerii noștri vor efectua o verificare a căderii de tensiune pentru cele două sau trei trepte de kVA potrivite, astfel încât transformatorul să fie comandat pe baza acelorași ipoteze ca și studiul dumneavoastră privind regimurile tranzitorii.

 

Sarcini cu variatoare de frecvență și armonicii variatoarelor de frecvență: Sursa suplimentară de căldură

Un variator de frecvență cu șase impulsuri absoarbe curentul în impulsuri scurte, nu sub formă de undă sinusoidală, iar acest curent conține componente armonice pentru care transformatorul nu a fost dimensionat. Pierderile pe care le generează nu sunt proporționale cu curentul fundamental pe care îl înlocuiesc. Fluxul dispersat provenit din conținutul armonic încălzește înfășurările, clemele miezului, pereții rezervorului și conductorul neutru; pe un transformator deja încărcat la 80 % din puterea nominală, rezultatul se manifestă mai întâi prin creșterea temperaturii uleiului de la partea superioară, apoi prin declanșarea termică.

Există trei modalități de a specifica o soluție, dar acestea nu sunt la fel de eficiente.

• Reducerea capacității unui transformator standard. Metoda simplistă: mărirea dimensiunii cu 15–25 % față de sarcina variatorului și acceptarea pierderilor suplimentare în gol pe întreaga durată de funcționare a instalației. Funcționează și este adesea cea mai ieftină soluție inițială.
• Specificarea unui transformator calificat pentru armonici. Un design de tip K sau pentru sarcină de antrenare folosește un miez și o înfășurare concepute pentru a suporta pierderile suplimentare prin curenți parazitari și pierderi dispersate, cu un conductor neutru dimensionat pentru armonicile triplu (triplen), acolo unde există sarcini monofazate. Solicitați în scris baza de încărcare, deoarece o clasificare K menționată fără specificarea factorului K și a profilului de sarcină este doar o etichetă, nu un design.
• Corectați armonicile în amonte. Reactoarele de linie, filtrele pasive sau un filtru activ reduc cantitatea de armonici care ajung la transformator, reprezentând soluția potrivită atunci când planta trebuie să raporteze distorsiunea la punctul comun de cuplare. Standardul IEEE Std 519-2022 este referința pe care o va aplica furnizorul dumneavoastră de energie, iar limita practică impusă de majoritatea furnizorilor nord-americani este cea de 5% distorsiune totală de tensiune stabilită de standard pentru sistemele până la 69 kV.

Indiferent de varianta aleasă, valoarea distorsiunii trebuie inclusă în specificații. O Armonici VFD clauza care specifică «respectarea standardului IEEE 519» și nimic altceva lasă furnizorul transformatorului să ghicească dacă acesta va achiziționa cupru suplimentar sau dacă veți achiziționa un filtru.

 

Aerul coroziv: H2S, clorul și decizia privind carcasă

Camera echipamentelor dintr-o stație de epurare a apelor uzate este un mediu ostil, iar caracterul său ostil este ușor de subestimat. Clădirile de la capul stației, puțurile umede și zonele de digestie conțin sulfura de hidrogen, care atacă cuprul, argintul și lipitura din cablurile de comandă chiar și la concentrații pe care nimeni nu le poate mirosi. Camerele de clorurare și cele în care se folosesc hipocloriți adaugă o a doua cale de coroziune. Adăugându-se și umiditatea aproape saturată, mecanismul de deteriorare nu este legat de degradarea unui strat protector — ci de pierderea conexiunilor, după doi sau trei ani.

Trei decizii privind specificațiile implică cea mai mare parte a riscului.

• Gradul de protecție al carcasei. Pentru zonele de proces dintr-un mediu cu ape uzate, valoarea minimă de lucru prevăzută în ghidurile municipale de proiectare electrică este o carcasă NEMA 4X — rezistentă la coroziune, nu doar etanșă la apă — în locul unei carcase NEMA 3R, pe care o utilizează în mod obișnuit un transformator de distribuție exterior. Aceasta înseamnă o carcasă din oțel inoxidabil sau corect acoperită, cu uși echipate cu garnituri și cu elemente de fixare rezistente la coroziune, nu o carcasă din tablă vopsită.
• Sistem de acoperire. Expunerea la mediul marin și la substanțe chimice este de obicei specificată ca o categorie de coroziune ISO 12944, nu ca o culoare de vopsea, iar C5-M reprezintă referința pentru servicii de înaltă coroziune, de tip marin. Atunci când construim pentru această clasă, acoperirea este documentată printr-un test de pulverizare cu soluție salină aplicat stratului de acoperire, iar programul de finisare face parte din comandă, nu este o setare implicită a fabricii.
• Conservarea în stare lichidă și accesul. La unitățile imersate în ulei, sistemul de conservare a uleiului și etanșeitatea rezervorului determină dacă umiditatea pătrunde în decurs de cinci ani, iar amplasarea robinetului de eșantionare determină dacă echipa de întreținere poate preleva un eșantion fără a deschide carcasă. Întrebați unde este robinetul; dacă răspunsul este «în interior, în spatele ușii», așteptați-vă ca eșantionul să nu fie niciodată prelevat.

Amplasarea în aer liber pentru o transformator montat pe bază rezolvă problema spațiului, dar nu și cea a coroziunii. O unitate montată pe o platformă la o stație de ridicare este expusă aceluiași aer umed și clorurat ca și pompele pe care le alimentează, astfel încât calitatea finisajului carcasei și a garniturilor este mai importantă decât locația.

 

Redundanță și alimentare de rezervă: întrebarea privind configurația

Instalațiile de tratare sunt, de obicei, obligate să continue tratarea și în timpul unei întreruperi ale alimentării cu energie electrică, iar această cerință se aplică în aceeași măsură aranjamentului transformatorului ca și generatorului.

Configurația obișnuită este o dispunere cu două capete principale și legătură principală, cu întrerupătorul de legătură normal deschis: doi transformatori, două tablouri de comandă și un întrerupător de legătură. Fiecare transformator preia jumătate din sarcina instalației, iar legătura permite ca oricare dintre transformatori să preia sarcinile esențiale în cazul în care celălalt este scos din funcțiune. Compromisul constă în impedanță. Funcționarea în paralel sau cu legătura închisă necesită impedanțe identice și poziții identice ale prizelor de reglaj; în caz contrar, cele două unități nu vor împărți sarcina așa cum presupune schema monofililară. De aceea, solicităm banda de impedanță înainte de a oferi o ofertă pentru un cuplu de transformatori, nu după.

Atunci când o singură transformator alimentează instalația, cazul de rezervă are de obicei următoarea configurație: un generator la intrarea în serviciu, un comutator de transfer și o decizie privind sarcinile care pot fi repornite automat. Ventilatoarele și motoarele electrice reprezintă problema. Motoarele electrice mari cu rampă lungă pun mai puțină presiune asupra generatorului decât repornirea directă pe rețea, iar un transformator specificat cu impedanță scăzută pentru cazul alimentării din rețeaua publică poate agrava situația în cazul generatorului. Ambele cazuri trebuie verificate în raport cu același program de motoare.

 

Ce să includem în specificație

Elementele specifice care determină dacă unitatea livrată corespunde intenției de proiectare:

Articol de specificație	Ce trebuie menționat	Ce să întrebați
Programul de motoare	KVA la blocare, litera cod, litera design NEMA, metoda de pornire	Cereți limita de cădere de tensiune: 10–15% este convenția practică în domeniul nord-american
Porniri simultane	Combinația cea mai defavorabilă pe care instalația o va rula efectiv	Repornirea în condiții de vreme ploioasă — trei ventilatoare plus o pompă de nămol necesită un transformator diferit față de cazul în care se pornește câte o pompă pe rând
Sarcină motoare	Puterea totală în cai putere a convertizoarelor de frecvență și dacă este furnizat un filtru sau o reactanță	Indicați nivelul admis de distorsiune la punctul de cuplare comună; standardul IEEE Std 519-2022 este referința pe care o va folosi distribuitorul dumneavoastră
Bandă de impedanță	Procentul de impedanță și toleranța acestuia, preluat din studiul tranzitoriu	Necesar pentru cazul de pornire și, într-o configurație cu două capete, pentru împărțirea sarcinii
Carcasă și finisaj	NEMA 4X pentru zonele tehnologice; categorie de coroziune ISO 12944	Indicați categoria (de exemplu, C5-M pentru grad ridicat de rezistență la coroziune în mediu marin), nu descrieți o culoare de vopsea
Configurație de rezervă	Principal-legătură-principal, cu sprijin din generator sau cu un singur capăt	Cazul generatorului impune o cerință de impedanță diferită față de cazul rețelei
Scopul testului	Teste rutiniere pe fiecare unitate; teste de tip pe proiectare; descărcări parțiale pentru unitățile de tip uscat	Întrebați ce standard de testare este utilizat și dacă includerea unui organism de certificare aprobator în cadrul testelor este prevăzută

 

În ceea ce privește testarea, împărțirea merită menționată explicit. Testele rutiniere se efectuează pe fiecare unitate și urmează codul de testare corespunzător construcției: IEEE C57.12.90 pentru unitățile imersate în lichid din America de Nord și cerințele generale din IEC 60076-1 pentru proiectele IEC, iar unitățile de tip uscat urmează IEC 60076-11 . Testele de tip — ridicarea temperaturii, impulsul și rezistența la scurtcircuit — se referă la proiectare și trebuie să poată fi trasate până la unitatea furnizată. În cazul în care uzina se convertește la acționări, cereți în mod expres verificarea pierderilor armonice, deoarece aceasta este calculul care determină dacă unitatea funcționează la temperatură scăzută sau ridicată.

 

Cum construim pentru proiectele de apă și apă uzată

Ryan Electric produce transformatori începând cu anul 2007, într-o fabrică de 120.000 m² din Jiangsu, dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, precum și cu 37 de brevete; începând din 2023, operăm ca partener oficial în cadrul unei întreprinderi mixte cu Eaton. Unitățile sunt livrate cu certificate UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS și CE, conform cerințelor pieței destinație, ceea ce este esențial în lucrările municipale, unde inspectorul citește plăcuța indicatoare înainte ca orice echipament să fie pus sub tensiune. În cazul proiectelor incluse în liste, testele sunt supravegheate de agenția de listare, nu sunt validate intern — de exemplu, prin UL Solutions pentru listările nord-americane.

Diferența de inginerie în proiectele legate de apă este ceea ce solicităm înainte de a oferi o ofertă. Programul motoarelor, cu literele de cod, metoda de pornire, cazul pornirii simultane, puterea nominală a variatorului de viteză, dacă se furnizează sau nu un filtru, clasa de înveliș pentru zona de proces, categoria de coroziune și configurația de rezervă. Atunci când aceste informații sunt transmise împreună, transformator montat pe bază sau unitate de tip uscat care se întoarce este dimensionată în funcție de regimul de funcționare al centralei, nu în funcție de o valoare totală a puterii instalate exprimată în cai putere.

Trimiteți-ne programul motoarelor, condițiile de expunere la fața locului și cerințele privind carcasă pentru centrala sau stația de pompare, iar inginerii noștri vor efectua o verificare a dimensiunilor în raport cu regimul de pornire și încărcarea armonică, indicând sistemul de acoperire și domeniul de teste, linie cu linie. Răspuns tehnic în termen de 48 de ore.

Despre autor: Acest ghid a fost elaborat de echipa de inginerie și export a companiei Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., un producător de transformatoare înființat în 2007, partener oficial în joint-venture cu Eaton începând cu 2023 și furnizor de produse pentru transformatoare de tip uscat, cu ulei, montate pe platformă și de tip substație compactă destinate proiectelor din domeniul serviciilor publice, industrial, al centrelor de date și al infrastructurii. Echipa oferă sprijin pentru proiectele municipale și industriale de apă, de la analiza specificațiilor până la testarea în fabrică.