Gestión inteligente del agua: Soluciones de control eléctrico para bombas y sistemas de agua.

Introducción

Los sistemas de control eléctrico de bombas determinan la fiabilidad con la que una bomba arranca, funciona, se detiene, protege su motor y responde a la demanda cambiante. Para los ingenieros de fabricantes de equipos originales de bombas, los ingenieros de servicios de edificios y los gestores de infraestructuras hídricas, el panel de control de la bomba de agua merece el mismo nivel de atención que el dimensionamiento de la bomba, las tuberías y el diseño hidráulico.

Hoy, conozcamos más sobre las cuatro principales áreas de aplicación de los sistemas de control eléctrico de bombas: suministro de agua, aguas residuales y desechos, sistemas de bombas contra incendios y distribución en salas de bombas.

Por qué el diseño eléctrico de las bombas es más detallado de lo que parece

Las bombas son cargas eléctricas exigentes. Muchas funcionan durante largos períodos con poco descanso, especialmente en edificios de gran altura, sistemas municipales, servicios industriales, estaciones de bombeo y grupos de refuerzo. Ese perfil operativo somete a motores, arrancadores, contactores, relés de protección, variadores de frecuencia, cuadros de distribución y dispositivos de aislamiento a un estrés térmico y mecánico sostenido.

La demanda también cambia a lo largo del día. Un grupo de refuerzo de un edificio puede experimentar una baja demanda durante la noche, una demanda máxima por la mañana y luego necesidades de presión fluctuantes durante la tarde. Una bomba de velocidad fija responde funcionando a máxima velocidad o deteniéndose. Ese patrón simple puede desperdiciar energía y aumentar el desgaste, especialmente cuando las válvulas de estrangulamiento o los ciclos repetidos de arranque y parada intentan compensar el flujo cambiante.

El tipo de aplicación cambia el diseño eléctrico. Las bombas de refuerzo de agua limpia necesitan estabilidad de presión y bajo consumo de energía. Las bombas de aguas residuales necesitan protección contra atascos, sobrecargas y protección de fase. Las bombas contra incendios necesitan un enfoque de control dedicado con arranque automático y transferencia de fuente confiable. Las salas de bombas necesitan una distribución coordinada para que una falla no deje fuera de servicio a todas las bombas.

Un buen panel de control de bomba de agua no es una caja genérica con un arrancador dentro. Es un punto de control diseñado que vincula el suministro, la detección, el accionamiento del motor, la protección, el aislamiento, las alarmas y el acceso al servicio en una arquitectura funcional.

VFD para bombas de suministro de agua: Adaptando la velocidad a la demanda

Una configuración de bomba de suministro de agua con VFD ajusta la velocidad del motor variando la frecuencia y el voltaje. En lugar de forzar a la bomba a funcionar a máxima velocidad, el VFD puede seguir un transductor de presión o una señal de flujo y ajustar la velocidad mediante control PID. Esto le da al sistema una forma práctica de satisfacer la demanda sin depender de la limitación constante o de arranques repetidos a través de la línea.

Esto es importante para la energía. En el principio de la ley de afinidad: el caudal cambia con la velocidad, la altura cambia con la velocidad al cuadrado y la energía de entrada de la bomba cambia con la velocidad al cubo. Por ejemplo, una reducción de velocidad del 20% puede reducir la energía de entrada de la bomba en un 51%.

Los VFD también pueden reducir el estrés eléctrico y mecánico. El arranque directo puede consumir de seis a siete veces la corriente del motor a plena carga, y los VFD pueden ahorrar energía en aplicaciones de bombeo, brindar protección al motor, reducir el desgaste, admitir diagnósticos y disminuir las necesidades de mantenimiento. Para el control de presión, un transductor envía una señal en vivo al VFD. Esta configuración es una forma para que los accionamientos de bomba VFD ralenticen o aceleren la bomba para mantener una presión constante, con un monitoreo que puede proteger la bomba del funcionamiento en seco cuando el sistema no puede mantener la presión establecida dentro del rango de velocidad normal.

Las comprobaciones del especificador para un sistema de agua VFD deben incluir:

El dimensionamiento del VFD debe basarse en las necesidades de sobrecarga. Considere clasificaciones de par variable del 110 % o 120 % (amperios nominales) durante un minuto, y par constante del 150 % durante el mismo período.

Su solución de sistema de control de suministro de agua debe integrar PLC y control de pantalla táctil con esquemas de arranque estrella-triángulo y VFD, e incluir un VFD de suministro de agua especializado como componente de accionamiento del motor.

Protección del motor de la bomba de aguas residuales

Las aplicaciones de aguas residuales requieren una mentalidad diferente. Sólidos, trapos, arena, grasa, gases corrosivos, pozos húmedos y arranques frecuentes basados en el nivel hacen que la protección del motor sea un aspecto central del diseño. Un sistema de arranque de agua limpia puede no proporcionar suficiente visibilidad de fallas para una estación de bombeo o una bomba de entrada de aguas residuales.

La protección del motor de la bomba de aguas residuales debe cubrir la sobrecarga térmica, las condiciones de impulsor bloqueado, la pérdida de fase, el desequilibrio de fase, la protección contra cortocircuitos, la detección de fugas cuando el motor lo admita y la lógica de reinicio correcta después de una falla. Un relé de protección del motor con entrada de termistor puede ayudar a detectar el aumento de la temperatura del bobinado antes de que progrese el daño del aislamiento.

Aquí, el circuito de control es importante. Electrical Engineering Portal describe una configuración de control de bomba donde el PLC, el VFD, el motor y los dispositivos de medición de campo trabajan juntos para el control, el suministro, la protección y la monitorización. En su ejemplo de bomba sumergible, una señal de nivel va al PLC, luego la lógica PID calcula el caudal requerido ajustando la velocidad del motor a través del VFD.

Para los sistemas de bombas de aguas residuales basados en arrancadores, el funcionamiento del contactor AC3 es una comprobación clave. Un arrancador DOL en una bomba de aguas residuales puede experimentar arranques frecuentes y alta corriente durante condiciones de obstrucción o carga pesada. El contactor, el relé de sobrecarga y el dispositivo de protección del circuito del motor deben coincidir con esa función, no solo con la corriente nominal del motor.

Bomba de aguas residuales vs. bomba de agua limpia: diferencias en las especificaciones eléctricas

Así es como difieren las dos: 

Con CHINT's solución de sistema de control de aguas residuales, es fácil dar soporte a las aplicaciones de control de bombas de aguas residuales. Es un punto de referencia relevante para los equipos OEM que construyen paneles para el servicio de aguas residuales.

Control de bombas contra incendios: por qué necesita un enfoque dedicado

Un sistema de control de bomba contra incendios no es un control de motor de bomba estándar con una etiqueta roja. Cumple una función de seguridad vital, por lo que el diseño del control debe admitir arranque automático, confiabilidad de la fuente, monitoreo correcto y operación regida por códigos. En muchos proyectos, la norma NFPA 20 se utiliza como referencia principal para los requisitos de instalación y control de bombas contra incendios, y el diseño final se rige por la autoridad local y la base del código del proyecto.

Una bomba contra incendios normalmente arranca por caída de presión. El controlador debe recibir la señal de presión, arrancar el motor y mantener la bomba disponible durante un evento. El manejo de sobrecarga difiere del de las bombas de proceso ordinarias. Un arrancador de motor estándar que se dispara para proteger el motor puede entrar en conflicto con la intención de funcionamiento de la bomba contra incendios, donde la prioridad es mantener la bomba disponible durante condiciones de incendio.

Los errores de especificación comunes incluyen alimentar la bomba contra incendios desde el mismo tablero que los servicios normales del edificio, usar un arrancador general donde se requiere un controlador de bomba contra incendios, un diseño de transferencia de fuente débil, una configuración deficiente de la señal de presión e interfaces de prueba o alarma poco claras.

Los elementos clave generalmente incluyen:

La solución de sistema de control de bombas contra incendios de CHINT utiliza sistemas de fuente primaria y de respaldo con un dispositivo de arranque de emergencia. Los interruptores de aislamiento NH40 y los interruptores de transferencia automática admiten la conmutación de fuente manual y automática para el funcionamiento continuo de la bomba contra incendios.

Aparamenta de la sala de bombas: distribución y coordinación

En un edificio grande o un sitio de infraestructura, la sala de bombas puede contener bombas de refuerzo, bombas de sumidero, bombas de aguas residuales, bombas de transferencia, bombas de circulación, bombas auxiliares y bombas contra incendios. La aparamenta de la sala de bombas debe distribuir el suministro, aislar fallas, proteger los circuitos del motor, respaldar el mantenimiento y brindar a los operadores una visibilidad rápida durante condiciones anormales.

Comience con el suministro entrante y el nivel de falla. El MCCB, ACB o interruptor-seccionador principal debe coincidir con la corriente de falla disponible y el plan de selectividad del sitio. Cada circuito de bomba necesita entonces su propio dispositivo de protección etiquetado, arrancador o VFD, protección del circuito de control y punto de aislamiento bloqueable.

El dimensionamiento de la barra colectora y del alimentador debe reflejar un funcionamiento simultáneo realista. Un grupo de refuerzo, una bomba de sumidero y una bomba de transferencia pueden funcionar juntos. Los circuitos de las bombas contra incendios pueden necesitar separación de los servicios normales de bombeo. Un buen diseño del panel ayuda a los equipos de mantenimiento a aislar un circuito sin apagar toda la sala.

La monitorización se está volviendo más útil en las salas de bombas. Las horas de funcionamiento actuales, el historial de disparos, el estado de fase, las alarmas térmicas y los códigos de falla del VFD pueden ayudar a sus equipos a pasar del mantenimiento reactivo a la intervención planificada.

Una buena solución para salas de bombas identifica las salas de bombas y los ventiladores como equipos de construcción de alta energía y considera gabinetes de distribución de alta protección NGL5, arrancadores suaves NJRP5, gabinetes de distribución IP54 y conmutación de transferencia automática a nivel de CB para la continuidad de la fuente.

Lista de verificación del especificador: 5 preguntas antes de finalizar el panel

Para asegurarse de que su panel ofrezca el rendimiento requerido, pregunte lo siguiente: 

1. ¿Ha hecho coincidir la clasificación de servicio del VFD con ¿El tipo de bomba? Las bombas centrífugas de agua limpia suelen ser adecuadas para valores de par variables. Las cargas más pesadas o de desplazamiento positivo pueden requerir una capacidad de par constante.

2. ¿El relé de protección del motor cubre los modos de falla correctos? Verifique la pérdida de fase, el desequilibrio de fase, la sobrecarga, la entrada del termistor, la entrada de fuga cuando esté disponible y la salida de alarma.

3. ¿La clasificación de la carcasa coincide con la ubicación de instalación? Una sala eléctrica limpia difiere de un pozo húmedo, una sala de bombas en el sótano o un quiosco exterior. Revise la clasificación IP, la resistencia a la corrosión, la ventilación, el drenaje y la selección de prensaestopas.

4. ¿El sistema de control de la bomba contra incendios se trata como un paquete dedicado? Confirme la base del código aplicable, la disposición de la fuente, la lógica de transferencia, la detección de presión, las necesidades de listado del controlador y la interfaz de alarma.

5. ¿Puede su equipo aislar una bomba sin apagar toda la sala? Un buen diseño de la aparamenta de la sala de bombas proporciona a cada bomba un dispositivo de protección claro, un aislador, un conjunto de etiquetas y una ruta de acceso de servicio.

Conclusión

La bomba solo puede funcionar con la fiabilidad del sistema eléctrico que la arranca, controla, protege y aísla. Para los especificadores, eso significa tratar los sistemas de control eléctrico de las bombas como una parte fundamental del rendimiento de la bomba, no como una decisión tardía del panel.

¿Cuáles son las principales conclusiones?

Una configuración de bomba de suministro de agua con variador de frecuencia (VFD) puede reducir el consumo de energía y mejorar el control de la presión cuando la demanda cambia a lo largo del día.

Una sólida protección del motor de la bomba de aguas residuales ayuda a proteger los motores contra atascos, fallos de fase, calor y condiciones de funcionamiento adversas.

Un sistema de control de bombas contra incendios que cumpla con la normativa necesita una ruta de diseño dedicada que admita un arranque fiable durante una emergencia.

Un cuadro de distribución de la sala de bombas bien planificado permite a su equipo aislar fallos, proteger cada circuito y mantener la continuidad del servicio en toda la sala.

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Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los principales tipos de controles de bombas?

Los principales tipos de control de bombas son los arrancadores directos en línea (DOL), los arrancadores suaves y los variadores de frecuencia (VFD). Los arrancadores DOL son los más simples y asequibles, pero producen altas corrientes de arranque y no ofrecen modulación de velocidad. Los arrancadores suaves reducen la corriente de arranque y el estrés mecánico durante el arranque, pero aún así funcionan a una velocidad fija. Los VFD proporcionan un control de velocidad variable completo, el mayor ahorro de energía para aplicaciones de demanda variable y funciones avanzadas de protección de bombas. La elección correcta depende del tamaño del motor, la frecuencia de arranque y si la demanda del sistema varía con el tiempo.

¿Qué es el sistema de control de una bomba?

Un sistema de control de bombas gestiona el arranque, la parada, la velocidad y la protección de un motor de bomba. Como mínimo, incluye un arrancador de motor o VFD, protección contra sobrecargas y un dispositivo de aislamiento. Los sistemas más avanzados añaden retroalimentación de presión o caudal para el ajuste automático de la velocidad, la monitorización remota y la comunicación con un sistema de gestión de edificios o procesos. Para aplicaciones críticas como las bombas contra incendios, el sistema de control también debe incluir un interruptor de transferencia automática y una fuente de alimentación dedicada.

¿Cómo protegen los VFD los motores de las bombas?

Los VFD protegen los motores monitorizando continuamente las condiciones de corriente, tensión y temperatura. Pueden detectar y responder a condiciones de sobrecarga, subtensión, sobretensión, pérdida de fase y desequilibrio de fase. Los VFD específicos para bombas detectan además el funcionamiento en seco (pérdida de cebado), las condiciones de descarga y los estados de llenado de las tuberías. Estas funciones de protección reducen la probabilidad de que el motor se queme y prolongan significativamente su vida útil en comparación con el funcionamiento directo.

¿Cuál es la diferencia entre un arrancador suave y un VFD para una bomba?

Un arrancador suave aumenta gradualmente el voltaje al arrancar y lo disminuye al detenerse para reducir la corriente de irrupción y el choque mecánico. Una vez a velocidad máxima, se desactiva y el motor funciona a velocidad fija. Un VFD varía continuamente la velocidad del motor en todo el rango de funcionamiento, lo cual es esencial para aplicaciones donde la demanda varía. Para sistemas donde la demanda es bastante constante, un arrancador suave puede ser suficiente. Para sistemas con requisitos de caudal o presión variables, un VFD ofrece una mayor eficiencia energética y control del proceso.

¿Qué debo buscar en la configuración de la aparamenta de una sala de bombas?

Un cuadro de distribución de la sala de bombas debe incluir interruptores automáticos de caja moldeada (MCCB) o protectores de circuito de motor con clasificación y etiquetado individual para cada circuito de bomba, con la capacidad de ruptura adecuada para las corrientes de falla esperadas. Cada circuito necesita un interruptor seccionador con bloqueo para permitir un mantenimiento seguro de un solo circuito. El dimensionamiento de las barras colectoras debe tener en cuenta la posibilidad de funcionamiento simultáneo de las bombas. Cada vez más, los paneles de la sala de bombas incluyen contadores de horas de funcionamiento y monitorización de corriente para facilitar el mantenimiento predictivo. El grado de protección IP de la carcasa debe coincidir con el entorno de la sala de bombas, generalmente IP54 o superior en salas de bombas húmedas.