Különböző indítási módok a Tsurumi szivattyúknál

A szivattyúk villanymotorjainak indításakor többféle módszer közül választhatunk. A megfelelő indítási mód kiválasztása különösen fontos a nagyobb teljesítményű Tsurumi szivattyúk esetében, mert befolyásolja az elektromos hálózat terhelését és a berendezés élettartamát. Az alábbiakban áttekintjük a közvetlen (DOL) indítást, a csillag-delta indítást, a lágyindítót, valamint a frekvenciaváltós (VFD) indítást – kitérve arra is, melyik mikor előnyös, és konkrét példákat hozva a Tsurumi KTZ és C sorozatú szivattyúin keresztül.

Direkt (DOL) indítás – egyszerű, de nagy áramfelvétel

Direkt indításnál (DOL – Direct On Line) a motor kapocsfeszültségét közvetlenül, teljes hálózati feszültséggel kapcsoljuk rá a motorra. Ez a legegyszerűbb és legolcsóbb indítási mód, általában kisebb, közepes motoroknál alkalmazzák. Előnye, hogy a motor azonnal megkapja a maximális feszültséget, így az indítónyomatéka is nagy lesz (akár a névleges nyomaték 150–300%-a), ami segíthet a szivattyút terhelés alatt is elindítani. Ugyanakkor a DOL indítás nagy indítási áramot eredményez: a bekapcsolási áram elérheti a motor névleges áramának 600–800%-át. Ez a hirtelen áramlökés megterhelheti az elektromos hálózatot és feszültségesést okozhat, ezért a szolgáltatók gyakran korlátozzák a DOL indítással indítható motorok méretét (például Dániában 60 A feletti zárlati áramú motoroknál tiltott a közvetlen indítás).

Tsurumi szivattyúk DOL - direkt indítással: A Tsurumi kisebb és közepes teljesítményű szennyvízszivattyúit– jellemzően ~7,5 kW alatt – rendszerint közvetlenül indítják a hálózatról, ha a hálózat terhelhetősége megengedi. A zagyszivattyúk esetében a 30kW alatti modellek készülnek direkt indítással. Például a KTZ sorozat 15 és 22 kW-os modelljei (KTZ415, KTZ615, KTZ422, KTZ622) gyárilag direkt indítású kivitelűek. Ennél nagyobb teljesítménynél azonban a közvetlen indítás már problémás lehet a jelentős áramlökés miatt. A KTZ sorozat új, 22 kW-os csúcsmodelljeit (KTZ422, KTZ622) ugyan még el lehet indítani közvetlenül is, de a Tsurumi már javasolja a lányindító vagy a frekvenciaváltó alkalmazását, ami jelzi, hogy ekkora motort teljes feszültségről indítani csak megfelelően erős hálózat esetén tanácsos.

Csillag-delta indítás – csökkentett áramfelvétel, mérsékelt nyomaték

A csillag-delta indítás célja az indítási áram korlátozása a motor kapcsain megjelenő feszültség ideiglenes csökkentésével. Háromfázisú motor esetén indításkor a motor tekercseit csillag (Y) kapcsolásba kötik, majd miután a motor felpörgött, átkapcsolják delta (Δ) kapcsolásba a teljesítmény leadásához. Ennek a módszernek az előnye, hogy kb. a harmadára csökkenti a kezdőáramot a közvetlen indításhoz képest. Például egy csillag-delta indítású motor indítási árama tipikusan a névleges áram 200–250% körülire esik vissza, szemben a 600–800%-os DOL értékkel. Ez jelentősen kíméli az elektromos hálózatot és kisebb feszültségesést okoz. További előny, hogy mérsékli a mechanikai lökést is: a szivattyúcsőben a vízoszlop nagy gyorsulása helyett valamelyest lassabban indul a folyadék áramlása, így kisebb ütés éri a szerelvényeket (például a visszacsapó szelepet).

A csillag-delta indítás hátránya, hogy az indítási szakaszban a csökkentett feszültség miatt a motor nyomatéka is csak kb. 1/3-ad része a közvetlen indítással elérhetőnek. Ez azt jelenti, hogy a szivattyú akkor indítható sikeresen csillag kapcsolásban, ha a terhelése nem túl nagy – különben előfordulhat, hogy a motor nem éri el a fordulatszámot az átkapcsolási időpontig. Ha a csillag–delta átkapcsolást túl korán hajtják végre, vagy a szivattyú terhelése magas, az átkapcsolás pillanatában jelentős áramlökés léphet fel (majdnem a DOL indítási áram nagyságával megegyező csúcsot okozva). Ezenkívül a csillag-delta indító kapcsolószekrény bonyolultabb (három mágneskapcsolót és időrelét igényel), és karbantartás-igényesebb lehet a több elektromos alkatrész miatt.

Tsurumi szivattyúk csillag-delta indítással: A Tsurumi nagyobb teljesítményű szennyvíz- és zagyszivattyúi esetén gyakran alkalmaznak csillag-delta indítást az indítóáram korlátozására. A gyakorlatban ~11 kW (15 LE) felett szinte minden Tsurumi szennyvízszivattyú alkalmas csillag-delta indításra, illetve ezt javasolják alkalmazni. Például a C sorozatú nagy teljesítményű vágókéses szennyvízszivattyúk 11 kW-os és afölötti modelleknél már csillag-delta vagy lágyindítás szükséges a biztonságos üzemhez. A KTZ sorozatnál említett 22 kW-os modellekhez inkább lágyindítást vagy frekvenciaváltós vezérlést alkalmaznak, ha a helyszíni hálózat nem bírna el egy ekkora motor direkt indulását.

Lágyindító – elektronikus feszültségrámpa a kíméletes indításhoz

A lágyindító egy félvezetős elektronikus eszköz, amellyel a motor indítófeszültsége folyamatosan, szabályozottan növelhető. A lágyindítóban tipikusan tirisztoros (SCR) áramkörök fokozatosan engedik át a feszültséget a motor felé, így néhány másodperc alatt éri el a hálózati feszültséget. Ezzel megakadályozható a hatalmas induló áramcsúcs: a beáramló indítóáram korlátozott szintű, előre beállított maximumot ér el. Gyakorlati tapasztalatok szerint a lágyindítóval a motor indítási árama akár ~300–400% értékre korlátozható (a névleges áram százalékában), azaz hasonló vagy kisebb, mint a csillag-delta indításnál – de mindezt folyamatosan sima rámpával éri el, hirtelen ugrások nélkül. A csökkentett indítóáram nemcsak az elektromos hálózatot kíméli meg a túlterheléstől, hanem a motor és a szivattyú mechanikai igénybevételét is mérsékli. A lágyindítás során elkerülhetőek a nagy nyomatéklöketek: a motor forgórésze egyenletesebben gyorsul fel, ami csökkenti a kopást és növeli a berendezés élettartamát. Egy megfelelően beállított lágyindító tehát kíméli a motort és a szivattyút.

A lágyindítók további előnye, hogy jellemzően tartalmaznak állítható indítási és leállási időt (rámpa-időt), illetve áramkorlát funkciót. Ezáltal finomhangolható az indítás: például beállítható egy hosszabb felfutási idő a különösen érzékeny rendszerekhez, vagy épp egy limit, hogy az indítóáram ne haladjon meg egy adott amperértéket. Így a lágyindítóval indított Tsurumi szivattyú nem fogja leterhelni a hálózatot: gyengébb generátorral megtáplált szivattyútelepeken is bevált megoldás, mert elkerülhető vele a generátor lefulladása vagy a hálózati feszültség esése az induláskor. Továbbá több szivattyú egymás utáni indítását is biztonságosabbá teszi, mivel az egyes indítási áramlökések kiegyenlítettebbek. A Tsurumi európai műszaki csapata is azt javasolja, hogy amikor a közvetlen vagy csillag-delta indítás nem megfelelő a magas indítóáram miatt, érdemes lágyindítót alkalmazni, mert ezzel növelhető a rendszer terhelhetősége és elkerülhetők a nagy áramlökések az elektromos hálózaton – az indítás sokkal „lágyabb” lesz.

Fontos kiemelni, hogy a lágyindító csak az indítási (és esetleg megállítási) fázisra van hatással. Üzemi fordulatszámon a motor teljes feszültségen, névleges fordulaton fog járni – vagyis a lágyindító nem tudja a fordulatszámot változtatni, csupán az indulást teszi kíméletessé. Ez a legtöbb tisztán átemelő vagy vízszivattyúzási feladatra megfelelő is, hiszen a szivattyút általában a maximális teljesítményen kell üzemeltetni, vagy indítás után mechanikus szabályzó (pl. fojtószelep) határozza meg a szállítási mennyiséget. Költség szempontjából a lágyindító középkategóriát képvisel: drágább, mint egy egyszerű csillag-delta indítókapcsoló rendszer, viszont olcsóbb, kisebb helyigényű és egyszerűbb, mint egy teljes értékű frekvenciaváltó. Ipari tapasztalatok alapján a lágyindítók “általában költséghatékonyabbak, és egyszerűbben telepíthetők és karbantarthatók, mint a frekvenciaváltók”, amikor csak az indítás lágyítására van szükség. Éppen ezért ~15–20 kW teljesítményig, ha nincs igény üzemi fordulatszám-szabályozásra, sok esetben a lágyindító nyújtja a legjobb kompromisszumot az indítási áramkorlátozás és a beruházási költség között.

Frekvenciaváltó (VFD) – rugalmas fordulatszám-szabályozás

A frekvenciaváltó, vagy más néven VFD (Variable Frequency Drive), a legösszetettebb és legrugalmasabb indítási és hajtási megoldás. A frekvenciaváltó teljesen elektronikus úton állítja elő a motor számára szükséges feszültséget és frekvenciát: először egyenirányítja a hálózati váltakozó feszültséget, majd egy inverter segítségével szabályozott frekvenciájú és effektív értékű feszültséget hoz létre. Így a motor fordulatszáma tetszőlegesen változtatható a frekvencia állításával (a forgógép szinkron fordulatszáma arányos a frekvenciával). Indításkor a VFD nulla frekvenciáról és feszültségről indul, és finoman növeli azt az előre beállított rámpa szerint, ezért a motor indítóárama alapesetben nem lépi túl a névleges áram 100–150%-át – azaz a VFD a legkíméletesebb indítást biztosítja, sőt teljesen megszünteti a direkt indításra jellemző áramlökést. Emellett leállításkor is lehetőséget ad a motor fékezésére vagy lassítására, ami szivattyúknál megakadályozhatja a vízütést és a csőhálózat hirtelen nyomásváltozásait.

A VFD legnagyobb előnye, hogy üzem közben is szabályozza a motor fordulatszámát, így a szivattyú teljesítményét a pillanatnyi igényekhez lehet igazítani. Szivattyús rendszerekben – különösen pl. több párhuzamos szivattyút használó átemelőknél vagy változó igényű technológiai folyamatoknál – gyakran nem szükséges mindig a maximális térfogatáram. A frekvenciaváltó segítségével ilyenkor energiát takaríthatunk meg: a szivattyú fordulatszámának kis mértékű csökkentése is jelentősen mérsékli a felvett teljesítményt a szivattyúk affinítási törvényei alapján. Például ha egy szivattyú fordulatszámát 50%-ra csökkentjük, annak teljesítményigénye elvileg csak kb. 1/8-ad része lesz az eredetinek. Gyakorlatban ez azt jelenti, hogy egy változó terhelésű rendszerben a VFD használatával a villamosenergia-fogyasztás drasztikusan csökkenthető, szemben a mechanikus fojtásos szabályozással, ahol a motor folyamatosan maximális teljesítménnyel futna. A frekvenciaváltós üzem továbbá csökkenti a karbantartási igényt is, mert a motor és a szivattyú nincs folyamatosan túlhajtva: optimális munkapontban járatható, elkerülve a túlterhelést és a kavitációt. Nem véletlen, hogy sok ipari alkalmazásban a VFD-t választják 10–15 LE (kb. 7,5–11 kW) felett, még ha csak az indítás „lágyítása” a cél, akkor is – hiszen a VFD alapvetően tartalmazza egy lágyindító összes előnyét, emellett pluszban lehetőséget ad a fordulatszám későbbi finomhangolására is. Ez tökéletesen illik a szivattyúkhoz is, hiszen a változó terhelésű szivattyúrendszereknél a fordulatszám csökkentése óriási energiamegtakarítást és hálózatkímélést eredményezhet.

Természetesen a frekvenciaváltó hátrányokkal is jár. Egyrészt drágább, mint a hagyományos indítók vagy a lágyindítók, viszont egy adott motorméret felett (jelenlegi piaci viszonyok között 20-30 kW esetén) már nem jelentős az árkülönbség a lágyindító és a VFD között.  A beruházás tervezésénél azonban a VFD által lehetővé tett energia-megtakarítás hosszú távon visszahozhatja a többletköltséget. Másrészt a VFD egy bonyolultabb berendezés: a telepítése szakértelmet igényel (paraméterezni kell a motor adataihoz és a szivattyú kívánt üzeméhez), valamint üzeme során harmonikus zavart vihet a hálózatra, amit sok esetben szűrni kell. Továbbá a VFD kimeneti frekvenciája miatt a motorban extra melegedés léphet fel alacsony fordulatszámnál és nagy frekvenciájú impulzusfeszültség hatására – ezt a Tsurumi motorok általában jól tolerálják, de bizonyos esetekben érdemes külön hűtésről vagy szinuszszűrőről gondoskodni. A karbantartási igény a VFD-nél szintén magasabb lehet (hűtőventilátor, kondenzátorok öregedése, stb.), míg egy lágyindító viszonylag kevés beavatkozást igényel. Összességében elmondható, hogy ha nincs szükség fordulatszám-szabályozásra és a teljes indítási nyomatékra, akkor 20-30 kW alatt általában a lágyindító gazdaságosabb és egyszerűbb megoldás. Ha viszont elvárás a változtatható teljesítmény (például a kiemelt vízmennyiség szabályozása, nyomásállandóság tartása, vagy lágy leállítás a vízütés elkerülésére) és a teljes nyomaték rendelkezésre -állása (sűrűbb közeget kell szivattyúzni), akkor a frekvenciaváltó a jobb választás.

Tsurumi szivattyúk frekvenciaváltóval: A Tsurumi kínálatában több alkalmazás is adódik, ahol javasolt a VFD használata. Tipikusan a végátemelőkbe épített Tsurumi szennyvízszivattyúknál és a nagyobb bányavíztelenítési alkalmazásoknál telepített zagyszivattyúknál a frekvenciaváltóval vezérlik a motor fordulatszámát. A Tsurumi Connect rendszerben is van lehetőség frekvenciaváltók integrálására, ami távoli felügyelettel kombinálva teljes körű kontrollt ad a felhasználónak a szivattyúk indítása és teljesítménye felett. Mindezek mellett, a nagy bányászati és ipari szivattyúknál (például a Tsurumi LH sorozat, mely akár 110 kW-os motorokat tartalmaz) a lágyindítás és a fordulatszám-szabályozás kombinálása VFD alkalmazásával biztosítható a legkisebb hálózati terhelés és a leghatékonyabb működés. Ilyen teljesítménykategóriában a beruházási költség amúgy is jelentős, így a lágyindító és a frekvenciaváltó ára már hasonló nagyságrendű – érdemes inkább a fejlettebb megoldást választani, ha a folyamat megkívánja.

Fontos hangsúlyozni, hogy minden rendszer egyedi – az ideális indítási mód függ a konkrét alkalmazástól, az elektromos hálózat adottságaitól és a szivattyú üzemi követelményeitől. A Tsurumi széles termékválasztékában mind a robusztus, DOL indítású kisebb szivattyúk, mind a csillag-delta indításra előkészített nagyobb gépek elérhetők, és természetesen bármelyikhez integrálható lágyindító vagy frekvenciaváltó a vezérlésbe. A megfelelő indítási mód kiválasztásával növelhető a szivattyúrendszer megbízhatósága, élettartama és energiahatékonysága – legyen szó építőipari víztelenítésről, szennyvízátemelésről vagy bányavíz kiszivattyúzásáról. A jól megválasztott indítási megoldás hosszú távon biztosítja, hogy a Tsurumi szivattyúk megbízhatóan és hosszú élettartammal (“stronger for longer”) üzemeljenek teljes életciklusukban.