Discrete Automation and Motion, Drives & Control

Drive ABB para bombeo solar ACS355 + N827 Guía de selección de equipos © ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 1

Drive ABB para bombeo solar, ACS355 Contenido

© ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 2

§

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

CONCEPTOS BÁSICOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS © ABB Group November 6, 2014 | Slide 3

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

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 4

Altura estatica, HST

H = k x Q2 + HST

Caudal, Q

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

HN

Punto de trabajo

QN © ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 5

Caudal, Q

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

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 6

Qo

QN

Caudal, Q

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 [%]

HS T

HS T © ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 7

Caudal, Q

Variación de la velocidad de la bomba Leyes de afinidad Caudal Altura Potencia

Q Q

2

H H P P

=

1

1 2

1 2

n n

æ =ç ç è æ =ç ç è

§ 1 2

n n

ö ÷ ÷ 2 ø

1

n 1 ö÷ n 2 ÷ø

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). §

3

Con la mitad de la velocidad, el caudal es también la mitad

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:

© ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 8

§

Velocidad, rpm

Velocidad, %

Caudal, m3/h

Potencia, kW

Potencia, %

1500

100

100

7,5

100

1350

90

90

5,5

72,9

1200

80

80

3,8

51,2

900

60

60

1,6

21,6

CONCEPTOS BÁSICOS DE SELECCIÓN DE DRIVE Y PANELES PV © ABB Group November 6, 2014 | Slide 9

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 380..480V

§

PN y I2N 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 à Seleccionamos entonces el equipo: ACS355-03E-12A5-4 © ABB Group November 6, 2014 | Slide 10

Dimensionamiento de los paneles solares Conceptos básicos §

§

Los valores importantes de selección del panel son: §

Pmax

= Potencia máxima de salida de la célula

§

VOC

= Tensión de circuito abierto (tensión máxima)

§

Vmpp

= Tensión en punto de máxima potencia

§

Impp

= 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 §

§

Los paneles se ponen en paralelo para que la corriente de salida de los paneles coincida con la corriente del bus CC del drive §

§

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 11

Tensión nominal CC = 1.35 x tensión nominal motor

Corriente CC = 0,817 x I2N (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

§

Regla general à Potencia bomba en HP = Potencia CC en kW

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:

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 12

Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

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

§

Vmpp x n ≥ 540V à n > 540V / Vmpp

Comprobar la tensión en circuito abierto §

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 13

(redondear al alza n)

Voc x n < 800V Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

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

§

Idc = n x Impp à n = Idc / Immp

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

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 14

(redondear al alza n)

Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

Parallel 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2

Idc 14,7 14,8 15,0 15,4 15,7 15,8 12,5 12,9 13,0 13,2 10,7 11,0 11,1 11,3

Dimensionamiento de los paneles solares Ejemplo – Regla general §

Comprobar que la potencia de salida de los módulos es suficiente para alimentar el sistema (Pnecesaria = 5kW) §

§

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

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 15

Ptotal = Número de paneles x Pmax

Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

Parallel 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2

Idc Total power [kW] 14,7 7,82 14,8 8,05 15,0 8,28 15,4 8,51 15,7 8,74 15,8 8,58 12,5 6,75 12,9 6,98 13,0 7,20 13,2 7,43 10,7 6,08 11,0 6,24 11,1 6,00 11,3 6,15

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

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 16

170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 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.

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

§

Vmpp x n ≥ 540V à n > 540V / Vmpp

Comprobar la tensión en circuito abierto §

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 17

(redondear al alza n)

Voc x n < 800V Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

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

§

Idc = n x Impp à n = Idc / Immp (redondear al alza n)

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 18

Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

Parallel 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2

Idc 14,7 14,8 15,0 15,4 15,7 15,8 12,5 8,6 8,7 8,8 10,7 11,0 11,1 11,3

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 (Pnecesaria = 4,4kW) §

§

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

Paneles PV – Fabricante X

Mini, 180P

Grand, 160P

Grand, 200P

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 19

Ptotal = Número total de paneles x Pmax

Pmax 170 175 180 185 190 195 150 155 160 165 190 195 200 205

Voc 28,5 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 43,4 43,8 44,1 44,5 42,7 43,3 43,3 43,7

Vmpp 23,7 23,8 24,0 24,1 24,4 24,7 36,3 36,4 36,9 37,5 35,5 36,0 36,2 36,4

Isc 7,9 8,0 8,1 8,3 8,4 8,5 4,5 4,6 4,7 4,7 5,8 5,9 5,9 6,1

Impp 7,4 7,4 7,5 7,7 7,8 7,9 4,2 4,3 4,3 4,4 5,4 5,5 5,5 5,7

Number in series Udc max 22,82 23 655 22,69 23 658 22,51 23 663 22,37 23 668 22,16 23 671 21,85 22 646 14,88 15 651 14,83 15 657 14,63 15 661 14,40 15 668 15,22 16 683 15,00 16 692 14,91 15 650 14,86 15 655

Parallel 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 3,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00

Idc Total power [kW] 14,7 7,82 14,8 8,05 15,0 8,28 15,4 8,51 15,7 8,74 15,8 8,58 12,5 6,75 8,6 4,65 8,7 4,80 8,8 4,95 10,7 6,08 11,0 6,24 11,1 6,00 11,3 6,15

CARACTERISTICAS DEL BOMBEO SOLAR © ABB Group November 6, 2014 | Slide 20

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 §

§

§

© ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 21

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

Elevación de tensión

© ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 22

§

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. §

6008 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.

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. §

6017 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 6016

6017

6018

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). © ABB Group November 6, 2014 | Slide 23

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 6124..

Señales disponibles gracias al cálculo del caudal § § §

§

© ABB Group November 6, 2014 | Slide 24

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).

¿QUÉ NO ESTÁ INCLUIDO? © ABB Group November 6, 2014 | Slide 25

Funciones excluidas respecto a la versión estándar del equipo ACS355 para maquinaría §

© ABB Group 06 de noviembre de 2014 | Slide 26

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