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Este breve artículo cubrirá los componentes básicos de control de bombas. No pretende ser una conclusión final sobre sistemas de agua y aguas residuales, sino más bien una introducción.
El tratamiento de agua y de aguas residuales requiere el movimiento del agua a través de las diferentes etapas del proceso. Para ello, se utilizan estaciones de bombeo. Cada parte o estación del proceso de tratamiento de agua puede requerir un tipo diferente de bomba. Si bien las bombas son diferentes, todas comparten la arquitectura de un motor eléctrico y un método para controlar esos motores.
Según la EPA de EE. UU., las capacidades de las estaciones de bombeo varían desde 76 lpm (20 gpm) hasta más de 378,500 lpm (100,000 gpm). Las estaciones de bombeo prefabricadas generalmente tienen una capacidad de hasta 38,000 lpm (10,000 gpm). Por lo general, las estaciones de bombeo incluyen al menos dos bombas de velocidad constante en tamaños de 38 a 75,660 lpm (10 a 20,000 gpm) cada una y tienen un sistema básico de control de nivel de pozo húmedo para secuenciar las bombas durante el funcionamiento normal. Fuente: EPA 832-F-00-069, septiembre de 2000
El proceso de mover agua consume mucha energía. En los EE. UU., casi el 65% -70% de toda la electricidad producida en el país es utilizada por dispositivos accionados por motores eléctricos, incluidas las bombas. Se sabe que en cualquier municipio, los sistemas de agua y aguas residuales utilizan casi el 50% de la energía, de los cuales el 90% de la energía se utiliza en bombas.
Los interruptores y sensores de nivel de líquido se activan cuando se alcanza un nivel de agua deseable. Para control de estaciones de bombeo, comúnmente se utilizan sistemas de trampa de aire oburbujeo para medición de presión y nivel. Otras alternativas de control son electrodos colocados a niveles de corte e interruptores de flotador. Estos sensores e interruptores envían señales a los sistemas de control del motor de la bomba para mantener el proceso de tratamiento de agua fluyendo y lograr eficiencias de proceso óptimas.
Los sistemas de agua municipales usan bombas para extraer agua bruta de los recursos, como lagos o ríos, para su tratamiento y así cumplir con los estándares regulatorios para agua potable para consumo humano o para uso en torres de enfriamiento, calderas y otras aplicaciones industriales.
Tipos de bombas utilizadas en la industria del agua y de aguas residuales
La gestión del agua y de aguas residuales se ha convertido en una prioridad en industrias como la fabricación de productos químicos, la producción de energía y el procesamiento de alimentos y productos farmacéuticos. La calidad del tratamiento del agua depende completamente del tipo de proceso empleado. Estas plantas de tratamiento emplean procesos primarios, secundarios y terciarios que varían según el nivel de contaminantes en el agua. Las siguientes son algunas bombas populares que se utilizan principalmente en la industria del agua y de aguas residuales para el tratamiento del agua.
Algunos ejemplos de utilización de los diferentes tipos de bombas se muestran a continuación en la Tabla 1.
La selección adecuada de bombas, motores y controles optimiza el rendimiento de los sistemas de tratamiento de agua y puede proporcionar ahorros de energía del 20% al 50%. La selección de una bomba con las características correctas se logra mediante el estudio de las curvas de rendimiento de la bomba. A continuación se muestra un ejemplo de la curva de rendimiento de una bomba BES (bomba electrosumergible).
La carga del motor en caballos de fuerza es el factor determinante para seleccionar el controlador de motor correcto.
Tipos de controladores de motor utilizados con bombas de agua y aguas residuales
Contactor: Los contactores son componentes diseñados para encender o apagar cargas elevadas en motores de bombas. Estos componentes cuentan con contactos principales (polos), contactos auxiliares y una bobina de operación. El contactor es energizado para encender o apagar los contactos principales. Los contactos auxiliares están diseñados para controlar y señalizar varios circuitos de aplicaciones, mientras que los contactos principales son los portadores de corriente de estos contactores.
Por lo general, los contactores cuentan con interruptores de operación eléctrica de 3 polos, que ocupan menos espacio cuando se instalan dentro de gabinetes eléctricos. Los motores utilizados en bombas para tratamiento de agua y de aguas residuales consumen más energía a cualquier voltaje. La posibilidad de descarga eléctrica aumenta a alto voltaje y puede causar daños graves. Sin embargo, los contactores de CA y CC son seguros para usar al arrancar el motor, ya que no hay flujo de corriente entre el circuito que alimenta al contactor y el circuito controlado.
Los contactores están montados de modo que no toquen el circuito controlado. Debido a que estos contactores usan menos energía que el circuito de conmutación principal, ayudan a reducir el consumo de energía. Los contactores de motor avanzados cuentan con diseños compactos, que ayudan a reducir aún más el espacio ocupado por el dispositivo y su consumo de energía.
Relé de sobrecarga: cuando un motor consume corriente en exceso, se denomina sobrecarga. Esto puede causar un sobrecalentamiento del motor y dañar sus devanados. Debido a esto, es importante proteger al motor de condiciones de sobrecarga al motor, al circuito derivado del motor y a los componentes del circuito derivado. La sobrecarga o el sobrecalentamiento es una de las principales razones de falla de una bomba. Los relés de sobrecarga protegen al motor de la bomba bajo estas condiciones.
Diseñados como dispositivos electromecánicos, los relés de sobrecarga se clasifican como relés bimetálicos, de aleación fundible (o eutéctico) o electrónicos de estado sólido, en función de su construcción.
Los relés de sobrecarga bimetálicos son uno de los tipos más comunes de dispositivos de protección de sobrecarga y cuentan con puntos de disparo ajustables. Las láminas bimetálicas están diseñadas para un reenganche automático y además para compensar cambios en la temperatura ambiente. Además, estos relés de sobrecarga protegen los motores en entornos de temperaturas extremas.
Los relés de sobrecarga bimetálicos avanzados cuentan con modos de prueba y rearme manual o automático y un botón de parada que permite un mejor manejo del dispositivo. Muchos de estos relés poseen sensibilidad monofásica, lo que ayuda a proteger los motores contra condiciones de pérdida de fase. Estos relés se proporcionan en tres clasificaciones de clase de disparo:
1. Clase 10 es una clasificación de disparo rápido, adecuada para bombas sumergibles utilizadas en industrias de agua y aguas residuales. Esta clasificación indica que el relé de sobrecarga bimetálico se disparará automáticamente dentro de los 10 segundos posteriores a la condición de sobrecarga.
2. Clase 20 es el estándar e ideal para aplicaciones generales de motores.
3. Clase 30 es una clasificación de disparo lento, adecuada para motores que impulsan cargas de alta inercia y requieren largos períodos de arranque.
Estas características ayudan a minimizar el consumo de energía y aumentan la eficiencia del motor.
Guardamotor: diseñados para proteger motores contra cortocircuitos, pérdida de fase y sobrecargas, los guardamotores o disyuntores de protección de motor (MPCB) son alternativas a los relés de sobrecarga térmica y están equipados con varias funciones avanzadas.
Usados comúnmente en muchos sistemas de bombeo de agua, estos componentes de protección de circuitos se usan como controladores de motor manuales o se combinan con contactores en varias aplicaciones de múltiples motores. Los disyuntores de protección de motores se clasifican principalmente como abiertos o cerrados. La diferencia entre estos tipos es donde está ubicado el disyuntor, ya sea dentro de un gabinete o abierto en el panel. Los guardamotores más avanzados ofrecen ahorro de espacio, ya que están diseñados sin fusibles individuales de circuito derivado de motor, relés de sobrecarga o disyuntores.
Arrancador de motor directo (DOL): como su nombre indica, estos dispositivos se utilizan para arrancar motores eléctricos de bombas y otros dispositivos electrónicos como compresores, cintas transportadoras y ventiladores. Un arrancador de motor presenta varios dispositivos electrónicos y electromecánicos, como un contactor acoplado con un disyuntor de protección de motor o un relé de sobrecarga. Los arrancadores DOL se utilizan para arrancar bombas de agua pequeñas porque brindan varias ventajas, como 100% de par durante el arranque, circuitos de control simplificados, fácil instalación y mantenimiento y cableado mínimo. Los arrancadores de motor DOL cerrados también son una opción, donde todo el conjunto del arrancador se coloca dentro de un gabinete.
Controlador lógico programable (PLC): El controlador lógico programable o PLC es realmente una computadora industrializada que opera sin un teclado o monitor. Originalmente, el PLC era un reemplazo de grandes paneles de relés que se encendían y apagaban, controlando el funcionamiento de una máquina. El lenguaje de programación del PLC imita la lógica de relés, lo que hace que la transición de relés a PLC sea un proceso fácil de entender. Los PLC de hoy ofrecen capacidades operativas y comunicaciones mucho más complejas a través de Ethernet o redes privadas. La capacidad de controlar varias bombas de forma coordinada hace que los PLC sean un componente común de los sistemas de gestión del agua.
Variador de Frecuencia (VFD): se utilizan para hacer funcionar un motor de CA a velocidades variables o para aumentar la velocidad para un arranque más suave. Los VFD controlan la frecuencia del motor para ajustar las RPM del motor de la bomba. Los VFD se utilizan ampliamente para regular el flujo de agua en una planta de tratamiento de agua, lo que permite un mayor control sobre el flujo de la bomba.
Arrancador suave: entre la simplicidad de un arrancador de motor DOL y la complejidad de un VFD se encuentra el arrancador suave. Los motores eléctricos a menudo requieren grandes cantidades de electricidad durante su arranque. Se puede utilizar un arrancador suave para limitar la sobretensión del par actual de los motores eléctricos, lo que resulta en un arranque más suave. Los arrancadores suaves pueden proteger un motor eléctrico de posibles daños y, al mismo tiempo, extender la vida útil del motor eléctrico al reducir el calor causado por el arranque y la parada frecuentes. Los arrancadores suaves limitan las grandes demandas de corriente de entrada en el sistema de suministro eléctrico. Los arrancadores suaves se utilizan con bombas en un proceso que requiere arranques progresivos para reducir los aumentos repentinos de presión en el sistema de agua.
Consejos al Seleccionar Controladores de Motor para Usar con Bombas de Agua y Aguas Residuales
Contactores
Estos dispositivos a menudo se confunden con relés, sin embargo, la principal diferencia es que los contactores pueden accionar fácilmente corrientes y voltajes más altos, mientras que el relé se utiliza para aplicaciones de corriente más baja. Al seleccionar contactores para sus motores tenga en cuenta lo siguiente:
• Decida qué cantidad de corriente FLA (Amperaje a carga plena) se requerirá para alimentar el motor de su bomba.
• Seleccione el voltaje de la bobina para funcionamiento de CA o CC según la potencia del motor, el voltaje de entrada, monofásico o trifásico. Las bobinas se ofrecen principalmente en voltajes de control de 24 VCA, 230 VCA, 400 VCA, 24 VCC, etc.
• La selección de un contactor con una categoría de utilización IEC de AC-3 es típica para aplicaciones de bombas que requieren arrancar y apagar motores durante el tiempo de funcionamiento.
• Determine si el funcionamiento de la bomba requerirá invertir la dirección, en cuyo caso se requerirá un contactor de inversión.
• Elija el contacto auxiliar según las configuraciones normalmente abierta o normalmente cerrada.
• Además de las consideraciones anteriores, es importante concentrarse en la temperatura ambiente, la necesidad de enclavamiento, enclavamiento por bloqueo, envolventes, sobrecargas, temporizadores o protectores contra sobretensión de bobina.
Relés de sobrecarga
Cuando son utilizados en la industria de agua o de aguas residuales, los relés de sobrecarga se rigen por requisitos estrictos. Con tantos diseños disponibles, puede resultar difícil elegir el relé de sobrecarga adecuado. Estos factores simplificarán el proceso de selección:
• Elija el relé de sobrecarga que proporcione la mayor protección contra sobrecarga térmica. Los relés de sobrecarga ayudan a proteger el motor de un sobrecalentamiento peligroso, que genere la avería del motor. Esta protección tiene en cuenta el consumo eléctrico del motor y lo aplica a un modelo de sobrecarga para simular la energía térmica dentro del motor. La mayoría de los relés de sobrecarga están diseñados en cualquiera de los dos modelos de sobrecarga: modelos de dos cuerpos e I2T. La mayoría de los relés bimetálicos usan el modelo de sobrecarga I2T, mientras que muchos motores eléctricos de voltaje mediano o grande usan el modelo de dos cuerpos.
• Otro factor importante a considerar es la protección contra pérdida de fase, ya que es una de las principales causas de falla del motor. La pérdida de fase se produce cuando el valor de una fase es igual a cero amperios, debido a una fase fundida. Cuando el motor permanece en esta fase durante mucho tiempo, puede dañarse permanentemente. Los relés de sobrecarga están diseñados para detectar la condición de pérdida de fase, por lo tanto, es importante comprender el tipo de protección de pérdida de fase que ofrecen los relés de sobrecarga.
• Otros factores de protección importantes a considerar incluyen la carga inferior, corriente de falla a tierra, bloqueos, atascos y protección de voltaje y potencia.
Guardamotores
La mayoría de los sistemas de bombas del mercado actual incluyen una protección básica de motor incorporada en el motor o en la caja de control. Sin embargo, esta protección está diseñada para proteger solo contra problemas de corriente, por lo tanto, se debe considerar una protección adicional de motor. Hay muchas opciones disponibles para elegir, cada una presenta características de rendimiento ligeramente diferentes en condiciones de sobrecarga. Los factores a considerar son:
• Elevada corriente nominal de falla de cortocircuito porque garantiza seguridad y confiabilidad en aplicaciones de fallas extremadamente altas.
• Indicación de disparo que ayuda a determinar el tipo de mantenimiento o servicio que puede ser necesario, identificando la causa del disparo: cortocircuito o sobrecarga.
• Autoprotección de estos dispositivos que asegura una excelente protección del motor y ayuda a eliminar la necesidad de disyuntores adicionales y fusibles aguas arriba.
Aplicaciones de Controladores de Motores en la Industria del agua y de aguas residuales
Los relés de sobrecarga, contactores y guardamotores se utilizan principalmente en las siguientes aplicaciones.
• Bombas de afluente y de efluente: Las bombas de afluente se suelen colocar al inicio de la planta de tratamiento de aguas residuales. El agua residual ingresa primero a la bomba de afluente, que la bombea a otras partes de la planta de tratamiento. Las bombas para efluentes se utilizan para tratar agua que puede contener sólidos de hasta 3/4 ”.
• Bombas de refuerzo (presurizadora): estas bombas se utilizan para aumentar la presión del agua para su uso en aplicaciones industriales y comerciales ligeras. Las bombas de refuerzo se utilizan principalmente para aplicaciones de agua potable.
• Bombas para lodos digeridos: Los lodos contaminados se tratan en plantas de tratamiento de aguas residuales antes de ser liberados a los cuerpos de agua. El lodo contiene sólidos que pueden bloquear la tubería, por lo que se utilizan bombas especiales para este propósito. A veces, se integran trituradores de lodos en las bombas o se utilizan bombas centrífugas sumergibles para bombear fluidos con alto contenido de lodos.
• Bombas sumergibles: como sugiere su nombre, estas bombas están completamente sumergidas en el líquido. Estas bombas se utilizan para drenar el lodo o las aguas residuales y, en su mayoría, se colocan debajo de las plantas de tratamiento de aguas residuales o efluentes. Su funcionamiento se controla mediante motores avanzados.
Normas Aplicables y Cumplimiento
Todos los controladores de motor a los que se hace referencia en este documento están diseñados de acuerdo con las normas publicadas por NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) o por IEC (Comisión Electrotécnica Internacional).
NEMA es principalmente un estándar norteamericano, mientras que IEC es un estándar global.
Clasificación NEMA
Las clasificaciones NEMA de un arrancador dependen en gran medida de las clasificaciones máximas en caballos de fuerza dadas por el estándar ISCS2 de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos. La selección de arrancadores NEMA se realiza sobre la base de su tamaño NEMA, que varía del tamaño 00 al tamaño 9.
El arrancador NEMA, en su clasificación establecida, se puede usar para una amplia gama de aplicaciones, que van desde aplicaciones simples de encendido y apagado hasta aplicaciones de inversión de sentido de giro (Plugging) o arranque y paro repetido (Jogging), que son más exigentes. Es necesario conocer el voltaje y la potencia del motor al seleccionar el arrancador de motor NEMA adecuado. En el caso de que haya una cantidad considerable de Plugging o Jogging, se requerirá reducir la capacidad de un dispositivo con clasificación NEMA.
Clasificación IEC
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha especificado las características operativas y de rendimiento de los dispositivos IEC en la publicación IEC 60947. Los tamaños estándar no están especificados por IEC. El ciclo de servicio típico de los dispositivos IEC se define por categorías de utilización. En lo que respecta a las aplicaciones generales de arranque de motores, AC3 y AC4 son las categorías de utilización más comunes.
A diferencia de los tamaños NEMA, normalmente se clasifican por su corriente de funcionamiento máxima, corriente térmica, HP y / o kW.
Unificando Conceptos
A continuación se muestran tres ejemplos de control de bombas, utilizando controladores básicos de motores industriales. Estas son representaciones simples y no pretenden proporcionar soluciones completas.
Esperamos que este breve artículo le haya brindado una buena comprensión básica del control de bombas para agua / aguas residuales. Busque otros documentos informativos de c3controls, incluida nuestra serie sobre conceptos básicos de control industrial, en c3controls.com/blog.
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