HİDROFOR SİSTEMLERİNDE FREKANS KONVERTÖRÜ UYGULAMALARI

Sanayideki hidrofor sistemi uygulamalarının büyük çoğunluğu halen gelenekse yöntem olarak adlandırılan, basıncın alt ve üst limit değerlerine göre pompaların kademeli olarak devreye girme-çıkma mantığıyla çalışmaktadır.

Bu çalışma şekline alternatif olarak pompa sistemlerinde en az bir adet pompanın değişken devirde kontrol edilmesi ile oluşturulan ‘Cascade Control’ sistemleri çeşitli avantajlar sağlamaktadır. 

Bildiride hidrofor sistemlerinde frekans konvertörü uygulama örnekleri verilerek,uygulamada dikkate alınan parametreler açıklanmış  ve ‘Cascade Control’ yöntemi ile geleneksel yöntemin karşılaştırılması yapılmıştır. Farklı frekans konvertörü ve pompa  üretici firmaların benzer çözümleri olmakla beraber bildiri‘DANFOSS’ frekans konvertörlerinin ‘Cascade Controller’  opsiyon kartı esas alınarak hazırlanmıştır.

1. GİRİŞ

Basıncının sabit tutulması istenen çoklu pompa uygulamalarının çoğunda,  basınç anahtarının alt ve üst limit değerlere bağlı olarak, pompalar kademeli olarak devreye girip çıkarlar. Bu durumda basınç devrede bulunan pompa adedi ve işletmenin yük durumuna bağlı olarak değişir. Geleneksel yöntem olarak adlandırabileceğimiz bu çalışma şeklinde basınç değeri, ON/OFF kontrol mantığının bir sonucu olarak salımım yapar ve belli bir aralık içinde kontrol edilmiş olur. Diğer yandan basınç değeri dar bir aralıkta tutulması istenir ise, presostat üzerinden alt ve üst limit değerleri birbirlerine yaklaştırılır. Bunun sonucu olarak  pompalar daha sık devreye girip/çıkmaya başlarlar. Pompaların devreye girme ve çıkma anlarında ani basınç değişimleri oluşur, motorlara direkt ya da yıldız/üçgen  yol verme yöntemi kullanılıyor ise devreye girme anlarında, yüksek yol verme akımları çekilir ve ani burulma momenti darbeleri uygulanır. Bu ise pompa motorlarının yol verme devrelerinde bulunan kontaktörlerin yapışmasına, motor ve pompa ömürlerinin kısalmasına ve yüksek güçlü pompa motorlarının bulunduğu uygulamalarda elektrik şebekesinin zorlanmasına olur.

‘Cascade Controller’ yönteminde pompalardan en az bir tanesi değişken devirlidir. Merkezi kontrol ünitesi, basınç ölçümünü alır ve değerlendirir. Basıncı sabit tutmak üzere hem değişken devirli pompayı (ya da pompaları) hem de sabit devirli pompaların devreye girip çıkmalarını kontrol eder.

Şekil1: Geleneksel ve Frekans Kontrol Cihazlı Sistemlerin Karşılaştırılması 

2.  ‘CASCADE CONTROL’ YÖNTEMİ

2.1 Donanım ve Çalışma Şekli

Değişken Devirli olarak seçilen pompa motoruna ait frekans konvertörüne takılan bir elektronik kontrol kartı, sistemin merkezi kumanda işlevini üstlenir. 

Basınç ölçümünün bağlantısı, analog sinyal olarak bu kart üzerinden yapılır. Operatör, sabit tutmak istediği basınç set değerini frekans konvertörünün operatör ekranından tanıtır. Kart, frekans konvertörünün entegre bir parçası olarak çalışarak, hem değişken devirli pompa motorunun devrine hem de sabit devirde çalışan 

pompaların devreye girip çıkma zamanlarına kumanda eder. 

‘Cascade Controller’ opsiyon kartlı frekans konvertörü 5 adet pompaya kadar çoklu pompa sistemlerini kontrol edebilmektedir. Pompa motorlarının devreye girip çıkmaları, çalışma saatlerine bakılarak kart tarafından otomatik olarak gerçekleştirilir. Bu çalışma şekli pompaların eşit yaşlanmasını sağlamaktadır.

Kart üzerinde bulunan 4 adet kuru kontak formundaki dijital çıkış, sabit devirli pompa motorları için ‘ÇALIŞ’ komutu olarak kullanılmaktadır. Bu kontaklar kullanılarak, sabit devirli pompa motorlarına; pompa motorlarının gücüne ve tasarıma bağlı olarak direkt, yıldız/üçgen ya da yumuşak yol vericiler ile yol verilebilir.

‘Cascade Controller Kartı’ hidrofor sistemlerinden başka çoklu pompa ve fan motoru uygulamalarında akış, basınç ve seviye kontrollerinde de kullanılmaktadır.

Seçilecek   ‘Cascade Control’ çalışma modu sistem tasarımına bağlıdır. İki farklı çalışma modu mevcuttur:

• Standart Çalışma: 1 adet değişken devirli pompa motoru ve 4 adede kadar değişken devirli pompa içeren uygulamalarda 
• Master/Slave Çalışma: Tüm pompaların değişken devirli olduğu uygulamalarda kullanılır.

2.1.1 Standart Çalışma

Bu çalışma şeklinde pompa motorlarından biri değişken devirlidir, diğerleri ise ON/OFF mantığına göre devreye girip/çıkan sabit devirli pompalardır. 

Motorlar aynı ya da farklı boyut ve güçlerde olabilir. %100,%200 ve %300 kapasitedeki pompaların aynı sistemdeki kullanımı mümkündür. Böylelikle 9/1 oranında bir dinamik kapasite aralığı belirlenebilir. ‘Cascade Controller’ kartı geri besleme sinyalini dikkate alarak PID algoritmasına göre değişken devirli pompa motorunun hızını kontrol eder.

Frekans Konvertörünün arızalanması durumunda dahi kart, sabit devirli pompa motorlarını, basıncı sabitleyecek şekilde kontrol etmeye devam eder.

Standart Çalışma yöntemi, şekil1 de sağ tarafta gösterilmiştir.

Devreden Çıkarma Zamanlayıcısı: 

En az bir pompa motorunun devrede olduğu anlarda, değişken devirli pompa motoru minimum devrinde çalışyor ise, bu pompanın toplam debiye etkisinin olmadığını ya da  çok az olduğunu kabul edebilir.

Bu durumda sabit devirli pompanın devreden çıkarak, istenilen basıncı değişken devirli pompanın sağlaması tercih edilir.  Devreden Çıkarma Zamanlayıcısı sabit devirli pompaların çok sık devreye girip/çıkmalarını engellemek için kullanılır.

En sona kalan değişken devirli pompa motoru, ihtiyaç olmaması halinde tümden devreden çıkarak hazır durumda beklemeye geçer.’Uyku Modu’ olarak adlandırılan bu özellik bir yandan pompaların sıfıra yakın debide sürekli çalışmalarını engeller. Böylelikle hem pompaların korunur hem de enerji tasarrufu sağlanmış olur.

Şekil2: ‘Cascade Controller’ - Standart Çalışma da tipik elektrik bağlantı şeması

Seviye Kontrolü:

Seviye Kontrolü, ara tank örneğinde olduğu üzere birden çok pompanın tank seviyesini sabit tutmak üzere çalışmasına dayanır. Tipik uygulamalarda, frekans konvertöründe çalışan PID algoritmasına, seviye algılayıcısından sinyal gönderilir. Bu yöntem sayesinde, tanıtılan seviye set değeri hassas olarak kontrol edilebilir.

Bu uygulamada da aynı hidrofor basınç kontrolünde olduğu gibi, sabit hızlı pompalar kademeli olarak devreye sokulup, devreden çıkartılır.

Şekil3: Seviye Kontrolünde ‘Cascade Controller’ uygulaması

2.1.1 Master/Slave Çalışma

Master/Slave çalışma birden fazla pompanın aynı anda aynı devirde çalışması prensibine dayanır. Pompalar sistemden gelen talep doğrultusunda kademeli olarak devreye girer ve çıkarlar. Master/Slave çalışma verimliliği maksimumda tutan bir yöntemdir.

Master/Slave çalışmada her pompa motoru için ayrı frekans konvertörü kullanılmaktadır. Master olarak adlandırılan frekans konvertöründe ‘Cascade Controller’ opsiyon kartı bulunur. Dolayısı ile sistemin hangi motor hızında çalışacağına Master karar verir. Master sürücü diğer sürücülere darbe dalga formunda hız referansı göndererek tüm pompa motorlarının aynı hızda çalışmasını sağlar.

Bu yöntemde basınç dalgalanmaları ve ani basınç yükselmeleri oluşmaz. Tüm pompalar aynı anda aynı devirde çalıştığından dolayı, çalışan bir pompanın kapalı bir çek valfe basma durumu da söz konusu değildir. Böylelikle yataklardaki aşınma azalacağından pompalar daha az bakım gerektirir.

Basınç algılayıcısı, şebekedeki en uzak noktaya monte edilmelidir.. Ancak pratik uygulamalarda bunu gerçekleştirmek her zaman mümkün değildir. Bu durumda basınç algılayıcısı ya kollektöre yakın bir noktaya monte edilir ya da pompa ve sistem karakteristiklerinin bilinmediği durumlarda ‘Cascade Controller Kartı’ alternatif yöntemler ile  programlanır. 

Şekil4: Master/Slave  Çalışma

2.2 Geri Besleme Sinyalleri

‘Cascade Controller’ ın sağladığı önemli avantajlardan biri gelişmiş PID kontrol algoritmasıdır. Frekans Konvertörünün paneli üzerinden programlama yapılırken uygulamaya bağlı olarak basınç geri besleme sinyalinin ve set değerinin mühendislik birimi seçilebilir. PID kontrolörünün 2 ayrı geri besleme ve 2 ayrı set değerini kabul edip değerlendirebilme özelliği vardır.

Pompa uygulamalarında, basınç geri besleme sinyali kullanmanın imkansız olduğu durumlarda, pompa yakınlarına debi ölçer yerleştirilmesi de mümkündür. Debinin düşük olduğu durumlarda, ihtiyaç duyulan basınc da düşük olacaktır, diğer yandan yüksek debilerde, borulardaki basınç kayıplarının telafisi açısından pompaların yüksek basınç sağlamaları gerekir. ‘Cascade Controller’  opsiyonun sağladığı kontrol algoritmaları minimum ve maksimum akış değerlerine tekabül eden set değerlerinin girilmesine imkan verir. Debinin alacağı ara değerlerdeki set değerleri frekans konvertörü tarafından otomatik olarak hesaplanır.

3. PARAMETRELER

Cascade Control  sisteminde parametre ayarları sistemin performansını önemli ölçüde etkiler.

Tablo1 de temel parametreler listesi görülmektedir. Parametreler  frekans konvertörünün genel ayarlarını içeren Temel Sürücü Parametreleri ile Temel Standart Cascade ve Master/Slave Çalışma Parametreleri ve PID Kontrolör Ayarları Parametrelerinden oluşmaktadır.

Tablo 1: Temel parametreler

1. Bazı Temel Parametreler ve Sisteme Etkileri

Parametre 712:  Pompa Kombinasyonu

Pompa kombinasyonu ve kapasiteleri bu parametre ile seçilir. Frekans konvertörü ile sürülen değişken devirli pompanın kapasitesi %100 olmak kaydı ile yapılabilecek seçimler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Bu seçim parametresi regülasyon sisteminde yüksek hassasiyet sağlar. Standart Cascade çalışma modunda, sabit devirli pompa motorları, değişken devirli pompalar kıyasla %100, %200 ya da %300 kapasiteli  olarak seçilebilir.

Tablo2: Kombinasyon Listesi

Pn, Sabit devirli n. Pompayı temsil etmektedir. En fazla 4 adet sabit devirli pompa kullanılabileceğinden n 1 ila 4 arasında değişmektedir.

Şekil5: Cascade Controller ile sürülen pompa motorları

Şekil6 : Parametre 713 tanımlama

Parametre 713:  Pompa devreye Girme/çıkma için  bant genişliği ayarı (%)

Cascade Control Sistemlerinde, sabit devirli pompaların çok sık devreye girip çıkmalarını engellemek için sistem basıncının sabitlenmeye çalışılması yerine belli bir aralık içinde tutulması istenir. Bu bant genişlik ayarı basınç set değerinin yüzdesi olarak ifade edilir. Örneğin set değeri 5 bar ve Parametre 713 %10 olarak tanımlanmış ise basıncın 4,5 .. 5,5 bar aralığında  herhangi bir pompa devreye gir/çık işlemi olmaz.

Şekil7 : Parametre 714 tanımlama

Parametre 714:  Pompa devreden çıkarmada gecikme zamanı (sn)

Basınç, bant genişliğinin üzerine çıksa dahi, eğer basıncın yükselişi sadece anlık ise sabit devirli pompaların derhal devreden çıkması istenmeyebilir. Bunu sağlamak için bir gecikmesi süresi tanımlanmıştır. 

Eğer burada tanımlanan süre dolmadan basınç tekrar bant aralığı içindeki değere düşer ise gecikmesi süresi  ile ilgili sayaç sıfırlanır. 

Şekil8 : Parametre 715 tanımlama

Parametre 715:  Pompa devreye sokmada gecikme zamanı (sn)

Basınç, bant genişliğinin altına düşse dahi, eğer basıncın düşüşü sadece anlık ise sabit devirli pompaların derhal devreye girmesi istenmeyebilir. Bunu sağlamak için bir gecikmesi süresi tanımlanmıştır. 

Eğer burada tanımlanan süre dolmadan basınç tekrar bant aralığı içindeki değere yükselir ise gecikmesi süresi ile ilgili sayaç sıfırlanır. 

Şekil 9 : Parametre 716 tanımlama

Parametre 716:  Geri Besleme sinyali aşırı sapma bant genişliği ayarı (%)

Eğer sistemde ani ve önemli bir talep oluşursa, çok ani basınç değişimi oluşabilir. Bu durumda Parametre 714 ve 715 teki süreler beklenmeden derhal, sabit devirli bir pompanın devreye sokulması ya da devreden çıkarılması gerekir. Parametre 716 da tanımlanan bant genişlik ayarı, basıncın aşırı sapma miktarını tanımlamak için kullanılır. Eğer bu parameter ile tanımlanan değere göre basınçta, set değerine göre aşırı bir sapma oluşuşmuş ise, 714 ve 715 deki süreler beklenmeden, parameter 717 deki bekleme süresi dikkate alınarak sabit hızlı pompa devreye alınır ya da çıkartılır.

Örneğin set değeri 5 bar ise ve 716. parameter %20 olarak tanımlanmış ise, basıncın 4 barın altına düşmesinde ya da 6 barın üzerine çıkmasında yeni bir pompa devreye girer ya da çıkar.

Not: Mantıklı bir çalışma şekli oluşturmak açısından Parametre 716 ile tanımlanan bant aralığı, Parametre 713 ile tanımlanandan daha geniş tutulur.

Şeki110 : Parametre 717 tanımlama

Parametre 717:  Geri Besleme aşırı sapmasında pompa devreye gir/çıkar 

gecikme ayarı (sn)

Basıncın ani ve yüksek değişimlerinde dahi basınç kararlı hale gelmeden sabit hızlı pompaların devreye girip/çıkmaları genellikle istenmez. Bu durumda  Parametre 717 ile tanımlanan bekleme gecikmesi  kullanılır.

Hızlı dinamik cevabı olan sistemlerde bu gecikme zamanı daha düşük tutulabilir.

Şeki111 : Parametre 718 tanımlama

Parametre 718:  Pompa devreye sokma ve çıkarmada değişken devirli pompanın maksimum devri (Hz)

Cascade Controller uygulamalarında, genellikle sabit devirli pompanın devreye girmesi, değişken devirli pompanın maksimum hızına ulaşması sonucu gerçekleşir. Çünkü bu durum mevcut kapasitenin yetmediği anlamına gelir. 

Sabit devirli pompa devreye girdiği anda, değişken devirli pompa yavaşlayınca kadar aşırı bir basınç yükselmesi söz konusu oluşabilir. Bu  istenmeyen durumu bertaraf etmek için, parametre ayarları ile öncelikle değişken devirli pompanın yavaşlamaya  başlaması ve ancak belli bir devrin altına  ulaştığında, sabit devirli pompa motorunun devreye girmesi sağlanır.

Şekil 11: Parametre 718 in basınca etkisi 

Bu parametre sadece sabit devirli pompaların devreye girmesinde değil devreden çıkmasında da benzer şekilde kullanılır.

Minimum ve maksimum frekanslar (devirler) arasında ayarlanan bu geçiş frekansının seçimi yapılırken dikkatli davranılmalıdır. Öyle ki, geçiş frekansının fazla düşük seçilmesi durumunda, geçiş anında pompa çıkış tarafında bulunan  çek valf kapanabilir. Bu da sistem basıncını arttırır. Çek valfin her zaman açık kalmasını sağlayacak, optimum parametre seçimine dikkat edilmesi gerekir.

Motorun minimum ve maksimum devirlerinin aritmetik ortalamasını, devreye alma sırasında ilk değer olarak kabul etmek genellikle yeterli olmaktadır.

Şeki112 : Parametre 418 tanımlama

Parametre 418:  Set değeri 1, Bir tek değişken devirli pompanın maks. devrindeki basınç (bar)

Basınç geri beslemeli çalışmada, basınç ölçümü genellikle pompaların çıkış tarafına yakın bir yerden alınır. ‘Cascade Controller’ bu geri besleme ölçümünü farklı debilerde, oluşturulacak basınç set değerinin tahmininde kullanır. Diğer tüm referans sinyalleri ihmal edilir. Set değeri 1, yalnız değişken devirli pompa devrede iken gereken mimimum basınç değeridir. Set değeri 1, Cascade Controller ın minimum yük durumunda oluşacak basınç kaybını hesaplamak için kullandığı bir iç değişkendir. Kontrol algoritması, dahili referans değerini hesaplarken devredeki pompa adedini dikkate alır. Basınç ölçümünün şebekenin uzak noktalarından birinden alınması durumunda, debi ile değişen basıncın kompanze edilmesine gerek kalmaz.

Şeki113 : Parametre 419 tanımlama

Parametre 419:  Set değeri 2, Tüm pompaların çalıştığı andaki maksimum basınç (bar)

Basınç geri beslemeli çalışmada basınç ölçümü genellikle pompaların çıkış tarafına yakın bir yerden alınır. ‘Cascade Controller’ bu geri besleme ölçümünü farklı debilerde, oluşturulacak basınç set değerinin tahmininde kullanır. 

Diğer tüm referans sinyalleri ihmal edilir. Set değeri bütün pompaların tam kapasite ile çalıştıkları durumda gereken maksimum basınç değeridir. 

Set değeri2, Cascade Controller ın minimum yük durumunda oluşacak basınç kaybını hesaplamak için kullandığı bir iç değişkendir.Kontrol algoritması, dahili referans değerini hesaplarken devredeki pompa adedini dikkate alır.

Şeki114 : Parametre 721 tanımlama

Parametre 721:  Minimum devirde bekleme zamanı (sn)

Değişken devirli pompa mimimum hızında çalışırken, bir ya da birden fazla sabit devirli pompa devrede iken  basınç istenilen aralıkta ise değişken devirli pompanın sisteme katkısının çok az olduğu kabul edilebilir. Bu durumda, Parametre 721 de tanımlı bir süre kadar bekledikten sonra sabit devirli pompalardan biri devreden çıkartılır. Değişken devirli pompa maksimum hızına otomatik olarak çıkar.

4. SONUÇLAR

‘Cascade Control’ yöntemi geleneksel yöntemle karşılaştırıldığında, başta hassas basınç regülasyonu olmak üzere çeşitli avantajlar sağlamaktadır. Uygulama basit olmakla beraber, çok sayıda parametrenin bu sistemlerde kullanıcının erişimine sunulmuş olması, sisteme esneklik katmakta ve optimum performansın elde edilmesini sağlamaktadır. 

Yöntem tasaruf açısından değerlendirildiğinde, sistem basıncının hassas kontrolü ile enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Diğer yandan şebekede oluşabilecek fazla basıncın önlenmesi, boru çatlaklarından su kayıplarını da önemli ölçüde önlemekte ve şebekeyi  yüksek basınca karşı korumaktadır.