Discrete Automation and Motion, Drives & Control Drive ABB para bombeo solar ACS355 + N827 Guía de selección de equipos

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1 Discrete Automation and Motion, Drives & Control Drive ABB para bombeo solar ACS355 + N827 Guía de selección de equipos 06 de noviembre de 2014 Slide 1

2 Drive ABB para bombeo solar, ACS355 Contenido Conceptos básicos de selección de bomba Como seleccionar el drive y los paneles solares Funcionalidades Arranque automático Limitaciones de velocidad Elevación de tensión Detección funcionamiento en seco Calculo del caudal 06 de noviembre de 2014 Slide 2

3 November 6, 2014 Slide 3 CONCEPTOS BÁSICOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

4 Selección de bombas para aplicaciones de bombeo solar En una aplicación de bombeo solar el objetivo es tener la mayor cantidad de agua extraída del pozo durante el período soleado del día. Normalmente la bomba ya está seleccionada o disponible. Adjuntamos algunos datos importantes: Para bombeo solar se utiliza principalmente bombas surmergidas. La potencia de la bomba se determina en base a la altura total (profundidad del pozo + pérdidas de carga), el caudal requerido (o descarga) y el diámetro de la tubería. La curva del sistema es el resultado de la profundidad del pozo (altura estática) y la fricción (o dinámica) de la cabeza dependiendo de por ejemplo las tuberías: Altura, H H = k x Q 2 + H ST November 6, 2014 Slide 4 Altura estatica, H ST Caudal, Q

5 Curvas de la bomba Punto de operación Velocidad fija de la bomba El punto donde la curva de la bomba y la curva del sistema se cruzan es el punto de trabajo o punto de servicio de la bomba. La bomba se dimensiona de forma que el punto de servicio coincida con el de mayor rendimiento de la misma. Altura, H H N Punto de trabajo Q N Caudal, Q 06 de noviembre de 2014 Slide 5

6 Curvas de la bomba Punto de operación Velocidad variable de la bomba La bomba se controla con un drive en función de la potencia proveniente de los paneles solares. El punto de trabajo sigue la curva del sistema bombeando el caudal en función de la potencia de la bomba y la demanda de caudal. Con un drive, el punto de trabajo sigue la curva del sistema. El punto de trabajo Q1 se sitúa siempre en el punto de máximo rendimiento de la bomba Altura, H Q1 Qo November 6, 2014 Slide 6 Q N Caudal, Q

7 Variación de la velocidad de la bomba Eficiencia y caudal Al regular la velocidad de la bomba se consigue un efecto similar al que se conseguiría modificando el diámetro del impulsor de la bomba a velocidad constante, consiguiendo curvas de funcionamiento de la bomba paralelas que permiten situar el punto de servicio en el punto de máximo rendimiento de la bomba para cualquier demanda de caudal. Hay que tener en cuenta que existe una velocidad mínima por debajo de la cual la bomba no bombearía ningún caudal. La frecuencia por debajo de la cual no se debe actuar depende del número de polos del motor. Para un motor de 4 polos este valor esta sobre los 35 Hz Altura, H Eficiencia de la bomba [%] H S T 06 de noviembre de 2014 Slide 7 H S T Caudal, Q

8 Variación de la velocidad de la bomba Leyes de afinidad Caudal Altura Potencia Q Q H H P P 1 = n n æ ç è 1 2 = n n æ ç è = n n ö ø ö ø 3 2 Las leyes de afinidad expresan la relación matemática que existe entre el caudal, la velocidad de la bomba (rpm), la altura y el consumo de energía para el caso de bombas centrífugas. Estas leyes no aplican a bombas de desplazamiento positivo (por ejemplo: bombas de tornillo para el trasiego de fangos). Con la mitad de la velocidad, el caudal es también la mitad 2 Con la mitad de la velocidad solo se requiere la ⅛ de la potencia Ejemplo de relaciones teóricas entre la velocidad, el caudal y la potencia: Velocidad, rpm Velocidad, % Caudal, m 3 /h Potencia, kw Potencia, % , ,5 72, ,8 51, ,6 21,6 06 de noviembre de 2014 Slide 8

9 November 6, 2014 Slide 9 CONCEPTOS BÁSICOS DE SELECCIÓN DE DRIVE Y PANELES PV

10 Selección del Drive en aplicaciones de bombeo solar Cuando se ha seleccionado la bomba y el motor, se tiene que seleccionar también el drive y los paneles en base a la tensión, la corriente y la potencia del motor requeridos A continuación puede ver un extracto de los ACS355 para bombeo solar disponibles para motores V P N y I 2N necesitan ser iguales o superiores que los datos del motor Por ejmplo tenemos una bomba de 5HP donde el motor es 4.0kW, 400V, 8,6A, 1440rpm, 90% de eficiencia November 6, 2014 Slide 10 à Seleccionamos entonces el equipo: ACS355-03E-12A5-4

11 Dimensionamiento de los paneles solares Conceptos básicos Los valores importantes de selección del panel son: P max = Potencia máxima de salida de la célula V OC = Tensión de circuito abierto (tensión máxima) V mpp = Tensión en punto de máxima potencia I mpp = Corriente en punto de máxima potencia Los paneles se ponen en serie para que la tensión de salida de los paneles coincida con la tensión de bus CC del drive Tensión nominal CC = 1.35 x tensión nominal motor Los paneles se ponen en paralelo para que la corriente de salida de los paneles coincida con la corriente del bus CC del drive Corriente CC = 0,817 x I 2N (drive) El número de paneles en serie multiplicado por el número de paneles en serie multiplicado por la Pmax necesita ser superior que la potencia CC Potencia CC = Potencia bomba + Perdidas motor + Perdidas Drive November 6, 2014 Slide 11 Regla general à Potencia bomba en HP = Potencia CC en kw

12 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Regla general Valores en nuestro ejemplo: Bomba de 5HP à Potencia PV necesaria de 5kW Tensión CC necesaria: 400V x 1.35 = 540V Corriente CC necesaria: 12,5A x 0,817 = 10,2A Tensión CC máxima de 800V A continuación puede ver diferentes tipos de paneles y su submodelos: Pmax Voc Vmpp Isc Impp Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7, ,6 23,8 8,0 7, ,8 24,0 8,1 7, ,0 24,1 8,3 7, ,2 24,4 8,4 7, ,4 24,7 8,5 7,9 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4, ,8 36,4 4,6 4, ,1 36,9 4,7 4, ,5 37,5 4,7 4,4 Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5, ,3 36,0 5,9 5, ,3 36,2 5,9 5, ,7 36,4 6,1 5,7 November 6, 2014 Slide 12

13 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Regla general Calcular el número de paneles necesarios en serie: Tensión CC necesaria: 400V x 1.35 = 540V Tensión CC máxima de 800V V mpp x n 540V à n > 540V / V mpp (redondear al alza n) Comprobar la tensión en circuito abierto V oc x n < 800V Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, ,6 23,8 8,0 7,4 22, ,8 24,0 8,1 7,5 22, ,0 24,1 8,3 7,7 22, ,2 24,4 8,4 7,8 22, ,4 24,7 8,5 7,9 21, Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, ,8 36,4 4,6 4,3 14, ,1 36,9 4,7 4,3 14, ,5 37,5 4,7 4,4 14, Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, ,3 36,0 5,9 5,5 15, ,3 36,2 5,9 5,5 14, ,7 36,4 6,1 5,7 14, November 6, 2014 Slide 13

14 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Regla general Calcular el número de paneles en paralelo: Corriente CC necesaria: 12,5A x 0,817 = 10,2A I dc = n x I mpp à n = I dc / I mmp (redondear al alza n) Comprobación de la selección del panel de la primera línea, hay 23 paneles en serie y 2 en paralelo por lo que el número de los paneles en esta configuración sería 46 unidades Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Parallel Idc Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, , ,6 23,8 8,0 7,4 22, , ,8 24,0 8,1 7,5 22, , ,0 24,1 8,3 7,7 22, , ,2 24,4 8,4 7,8 22, , ,4 24,7 8,5 7,9 21, ,8 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, , ,8 36,4 4,6 4,3 14, , ,1 36,9 4,7 4,3 14, , ,5 37,5 4,7 4,4 14, ,2 Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, , ,3 36,0 5,9 5,5 15, , ,3 36,2 5,9 5,5 14, , ,7 36,4 6,1 5,7 14, ,3 November 6, 2014 Slide 14

15 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Regla general Comprobar que la potencia de salida de los módulos es suficiente para alimentar el sistema (P necesaria = 5kW) P total = Número de paneles x P max Seleccionar la configuración donde la corriente es la más cerca de la necesaria y donde y la potencia es la más cerca de la necesaria Y seleccionar la configuración más competitiva desde el punto de vista de costes Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Parallel Idc Total power [kw] Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, ,7 7, ,6 23,8 8,0 7,4 22, ,8 8, ,8 24,0 8,1 7,5 22, ,0 8, ,0 24,1 8,3 7,7 22, ,4 8, ,2 24,4 8,4 7,8 22, ,7 8, ,4 24,7 8,5 7,9 21, ,8 8,58 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, ,5 6, ,8 36,4 4,6 4,3 14, ,9 6, ,1 36,9 4,7 4,3 14, ,0 7, ,5 37,5 4,7 4,4 14, ,2 7,43 Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, ,7 6,08 Paneles PV Fabricante X ,3 36,0 5,9 5,5 15, ,0 6, ,3 36,2 5,9 5,5 14, ,1 6, ,7 36,4 6,1 5,7 14, ,3 6,15 November 6, 2014 Slide 15

16 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Cálculo con las perdidas Valores en nuestro ejemplo: Bomba de 5HP à Motor de 4kW, con 90% de efficiency à 400W Perdidas del Drive aprox.: 150W à Potencia total necesaria: 4,4kW Tensión CC necesaria: 400V x 1.35 = 540V Para tener un dimensionamiento ajustado utilizamos los 8,4A como corriente CC necesaria (igual a la corriente del motor sin conversión CC a CA) Tensión CC máxima de 800V models: Pmax Voc Vmpp Isc Impp Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7, ,6 23,8 8,0 7, ,8 24,0 8,1 7, ,0 24,1 8,3 7, ,2 24,4 8,4 7, ,4 24,7 8,5 7,9 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4, ,8 36,4 4,6 4, ,1 36,9 4,7 4, ,5 37,5 4,7 4,4 Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5, ,3 36,0 5,9 5, ,3 36,2 5,9 5, ,7 36,4 6,1 5,7 Con la conversión CC a CA la corriente sería de 7,0A pero esto no sería suficiente para las pérdidas del drive y para tensiones inferiores a 400V. Si damos un margen de 20% es adecuado desde el punto de vista de la generación de corriente. November 6, 2014 Slide 16

17 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Cálculo con las perdidas Calcular el número de paneles necesarios en serie: Tensión CC necesaria: 400V x 1.35 = 540V Tensión CC máxima de 800V V mpp x n 540V à n > 540V / V mpp (redondear al alza n) Comprobar la tensión en circuito abierto V oc x n < 800V Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, ,6 23,8 8,0 7,4 22, ,8 24,0 8,1 7,5 22, ,0 24,1 8,3 7,7 22, ,2 24,4 8,4 7,8 22, ,4 24,7 8,5 7,9 21, Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, ,8 36,4 4,6 4,3 14, ,1 36,9 4,7 4,3 14, ,5 37,5 4,7 4,4 14, Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, ,3 36,0 5,9 5,5 15, ,3 36,2 5,9 5,5 14, ,7 36,4 6,1 5,7 14, November 6, 2014 Slide 17

18 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Cálculo con las perdidas Calcular el número de paneles en paralelo: La corriente CC necesaria es de 8,6A x 0,817 = 7,0A à Tenemos en cuenta un 20% de margen para poder trabajar al punto de trabajo máximo con las perdidas máximas à 8,4A I dc = n x I mpp à n = I dc / I mmp (redondear al alza n) November 6, 2014 Slide 18 Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Parallel Idc Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, , ,6 23,8 8,0 7,4 22, , ,8 24,0 8,1 7,5 22, , ,0 24,1 8,3 7,7 22, , ,2 24,4 8,4 7,8 22, , ,4 24,7 8,5 7,9 21, ,8 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, , ,8 36,4 4,6 4,3 14, , ,1 36,9 4,7 4,3 14, , ,5 37,5 4,7 4,4 14, ,8 Paneles PV Fabricante X Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, , ,3 36,0 5,9 5,5 15, , ,3 36,2 5,9 5,5 14, , ,7 36,4 6,1 5,7 14, ,3

19 Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo Cálculo con las perdidas Comprobar que la potencia de salida de los módulos es suficiente para alimentar el sistema (P necesaria = 4,4kW) P total = Número total de paneles x P max Seleccionar la configuración donde la corriente es la más cerca de la necesaria y donde y la potencia es la más cerca de la necesaria Y seleccionar la configuración más competitiva desde el punto de vista de costes Pmax Voc Vmpp Isc Impp Number in series Udc max Parallel Idc Total power [kw] Mini, 180P ,5 23,7 7,9 7,4 22, ,00 14,7 7, ,6 23,8 8,0 7,4 22, ,00 14,8 8, ,8 24,0 8,1 7,5 22, ,00 15,0 8, ,0 24,1 8,3 7,7 22, ,00 15,4 8, ,2 24,4 8,4 7,8 22, ,00 15,7 8, ,4 24,7 8,5 7,9 21, ,00 15,8 8,58 Grand, 160P ,4 36,3 4,5 4,2 14, ,00 12,5 6, ,8 36,4 4,6 4,3 14, ,00 8,6 4, ,1 36,9 4,7 4,3 14, ,00 8,7 4, ,5 37,5 4,7 4,4 14, ,00 8,8 4,95 Grand, 200P ,7 35,5 5,8 5,4 15, ,00 10,7 6,08 Paneles PV Fabricante X ,3 36,0 5,9 5,5 15, ,00 11,0 6, ,3 36,2 5,9 5,5 14, ,00 11,1 6, ,7 36,4 6,1 5,7 14, ,00 11,3 6,15 November 6, 2014 Slide 19

20 November 6, 2014 Slide 20 CARACTERISTICAS DEL BOMBEO SOLAR

21 Arranque automático Arranque automático o manual 6001 AUTO/MANUAL SEL Modo automático [0]: El drive arranque cuando la tensión del bus CC es superior al limite definido en 6003 START DC VOLT En bombas donde la altura estática es alta tiene sentido incrementar ligeramente este valor para disponer de suficiente potencia para alcanzar la velocidad mínima Modo manual [1]: Es el modo de arranque por defecto. El comando de arranque manual se seleccionar en 6002 MANUAL START CMD. La configuración por defecto es D1 [0] Los modos de arranque automático o manual en aplicación solar funcionan únicamente si el parámetro 1001 EXT1 COMMANDS está configurado como SOLAR [37], que es el valor por defecto en el equipo ACS355 para bombeo solar 06 de noviembre de 2014 Slide 21

22 Elevación de tensión La función de seguimiento del punto de potencia máxima (algoritmo MPPT) en el equipo ACS355 para bombeo solar es automática y su objetivo es mantener el equilibrio entre la potencia y la tensión CC en un punto óptimo dependiendo de la capacidad de los paneles solares en diferentes condiciones. La función de elevación de tensión puede utilizarse cuando los paneles solares producen más tensión que la necesaria para que el motor funcione a la carga específica o cuando la tensión nominal del motor no llega a la tensión producida por los paneles solares BOOST VOLTAGE es la tensión limite cuando el factor de elevación está habilitado 6009 BOOST FACTOR es la ganancia para aumentar la velocidad cuando el calculo del MPPT lo permite. 06 de noviembre de 2014 Slide 22

23 Detección de arranque en seco La deteción de funcionamiento de la bomba en seco está habilitado con el parametro 6016 MIN LOAD CURRENT a un valor determinado* (ver información más abajo) donde sabemos que la bomba está funcionando en seco DRY RUN TRP TIME define el tiempo después del cual se detiene el equipo 6018 DRY RUN RST TIME defines el tiempo después del cual el drive arranca de nuevo Corriente Tiempo *) Nota: la corriente no baja por debajo de la corriente de magnetización, que depende de la corriente del motor, cos phi del motor y la velocidad del motor (optimización de flujo). November 6, 2014 Slide 23

24 Cálculo del caudal La función de cálculo de caudal permite tener una estimación del caudal basada en la potencia de la bomba. Es necesario configurar la curva Potencia / Caudal (PQ) disponible en los datos del fabricante de la bomba y que puede ser ajustado mediante un parametros de eficienca 6121 y otro parametro de ganancia de caudal Señales disponibles gracias al cálculo del caudal Caudal calculado Caudal acumulado del día Caudal acumulativo del año El cálculo del caudal puede utilizarse unicamente con el panel de contrl asistente y ha de utilizarse unicamente para la monitorización de los datos (no para facturación). November 6, 2014 Slide 24

25 November 6, 2014 Slide 25 QUÉ NO ESTÁ INCLUIDO?

26 Funciones excluidas respecto a la versión estándar del equipo ACS355 para maquinaría Las siguientes características del FW del ACS355 no están implementadas en el equipo ACS355 para bombeo solar. Contador Temporizador Entrada de frecuencia (ED5) Programación secuencial Jogging Velocidades constantes Compensación IR Freno mecánico 06 de noviembre de 2014 Slide 26

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