ES2887331T3 - Dispositivo de control y aparato de bomba - Google Patents
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Abstract
Un aparato de bomba que comprende una bomba de aguas residuales y un dispositivo (30) de control para una bomba, siendo la bomba una bomba conmutada mecánicamente y capaz de ser operada en una dirección de avance (8) y una de marcha atrás (6), comprendiendo el dispositivo (30) de control: un mecanismo de monitorización para monitorizar el torque de la bomba midiendo la corriente a la cual la bomba está operando, un mecanismo de control para controlar la dirección de la bomba y que es capaz de dirigir selectivamente la bomba para que (i) detenga (5) (ii) su operación en una dirección (6) de marcha atrás y (iii) opere en una dirección (8) de avance; en donde el mecanismo de control está adaptado para controlar que la bomba (a) se detenga (5) y (b) opere en una dirección (6) de marcha atrás y dirija la bomba a una serie de ciclos de marcha atrás y avance de la bomba (5,6,7,8) cuando el mecanismo de monitorización detecta que el torque de la bomba (4) está por encima de un valor predeterminado, y en donde, mientras que el número de ciclos (5,6,7,8) de bomba es menor que o igual a un número máximo predefinido de ciclos (5,6,7,8) de bomba, el mecanismo de control está además adaptado para dirigir la bomba a la serie de ciclos de marcha atrás y avance de la bomba (5,6,7,8) hasta que el torque detectado por el mecanismo de monitorización esté por debajo de un valor predeterminado adicional.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de control y aparato de bomba
Esta invención se relaciona con un dispositivo de control para bombas y con un aparato de bomba que comprende el dispositivo de control.
Los bloqueos de bombas contribuyen a un coste significativo para el gasto operativo de las autoridades de agua al tener que asistir al sitio para desbloquear para evitar inundaciones en el área local y daño asociado de reputación si se producen.
Sería beneficioso mitigar la cantidad de mantenimiento que se usa para ciertas bombas, especialmente las que bombean aguas residuales.
Además, sería beneficioso mejorar la eficiencia de potencia de las bombas.
Un objeto de la presente invención es mitigar los requisitos de mantenimiento y/o mejorar la eficiencia de potencia de las bombas.
El documento US 6,254,353 divulga un método y aparato para controlar la operación de una bomba sumergible y divulga una bomba de velocidad variable, evidenciada en la figura 2 que muestra un circuito rectificador y un puente en H trifásico.
El documento US 2010/0034665 divulga una bomba que comprende un medio de accionamiento de frecuencia variable y métodos para operar tales bombas que incluyen detectar la corriente consumida por la bomba, la velocidad, nivel de pozo húmedo y comparar los valores detectados con los valores almacenados en una tabla de consulta para determinar si la bomba está bloqueada.
El documento US6379109 divulga un sensor de vibración impermeable montado dentro del rango de detección de un árbol giratorio de una hélice aireadora. El sensor está conectado de manera operativa al motor de hélice de tal manera que cuando el sensor detecta vibraciones excesivas de árbol giratorio causadas por los desechos adheridos a la hélice, el motor se apaga automáticamente y luego funciona en la dirección de marcha atrás lo que hace que los desechos sean desechados de la hélice.
Una vez que los desechos se han desprendido desde la hélice, el motor se reinicia en la dirección de avance. Si el sensor continúa detectando una vibración excesiva de árbol de motor, el motor se apagará una vez más y luego funcionará en la dirección de marcha atrás.
El Monitor de Potencia de Árbol M20 de Emotron con Función de Marcha Atrás que está en el mercado desde 2008 divulga un dispositivo de control con secuencias de desatasco basadas en potencia.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato de bomba como se reivindica en la reivindicación 1.
De este modo la presente invención reivindica una bomba conmutada mecánicamente, en lugar de la bomba de velocidad variable relativamente compleja que se muestra en el documento US 6,254,353. Además, la presente invención monitoriza el torque de la bomba mientras que el documento US 6,254,353 monitoriza la frecuencia de la bomba (como se detalla por ejemplo en la figura 11, figura 13 y reivindicación 1). El inventor de la presente invención ha descubierto un importante beneficio de tal enfoque. La presente invención puede detectar cuándo una bomba está funcionando (pero la salida no está cambiando necesariamente) debido a que inicia a producirse un bloqueo, y puede tomar medidas correctivas en esta etapa temprana. Por el contrario depender de la monitorización de la frecuencia de una bomba solo sugerirá un bloqueo cuando la bomba no pueda (no solamente trabajar) mantener la frecuencia deseada, que a menudo será cuando el bloqueo sea más severo. Por lo tanto realizaciones de la presente invención pueden tomar medidas correctivas en una etapa temprana de un bloqueo, que es más efectivo para limpiar el bloqueo y/o minimizar el tiempo tomado para limpiar el bloqueo.
Una bomba conmutada mecánica es aquella que se activa mediante un conmutador mecánico y por lo que puede tomar los modos de avance, detención, o marcha atrás. Las bombas conmutadas mecánicamente adecuadas incluyen bombas en línea directa o bombas Estrella/Cónica.
Por el contrario, las bombas de arranque suave y de Accionamiento de Velocidad Variable (VSD) pueden aumentar gradualmente la velocidad de la bomba y no son bombas conmutadas mecánicamente.
La bomba puede tener una potencia nominal menor que 25kw, opcionalmente menor que (pero no totalmente restringida a menor que) 9kW, a veces menor que 7.5kw.
También se divulga en este documento un aparato de bomba que comprende una bomba y un dispositivo de control para una bomba, teniendo la bomba una potencia nominal de menor que 25kw, opcionalmente menor que 9kW, más
opcionalmente menor que 7.5kw y capaz de ser operada en una dirección de avance o marcha atrás, comprendiendo el dispositivo de control:
un mecanismo de monitorización para monitorizar el torque de la bomba,
un mecanismo de control para controlar la dirección de la bomba y que es capaz de dirigir selectivamente la bomba para que (i) detenga (ii) su operación en una dirección de marcha atrás y (iii) opere en una dirección de avance;
en donde el mecanismo de control está adaptado para controlar la bomba para que haga al menos uno de (a) detener y (b) operar en una dirección de marcha atrás cuando el mecanismo de monitorización detecta un valor predeterminado en el torque de la bomba.
La bomba de acuerdo con la divulgación anterior es típicamente una bomba conmutada mecánicamente.
También se divulga en este documento un método de ajuste de un dispositivo de control como se describe en este documento a una bomba como se describe en este documento. De hecho, la presente invención permite que los dispositivos de control se retroajustan a las bombas in situ.
La respuesta del mecanismo de control cuando el mecanismo de monitorización detecta un valor predeterminado en el torque de la bomba es (preferiblemente de manera inicial) controlar la bomba para que (a) se detenga. Es decir, se suspende la alimentación a la bomba y se permite que la bomba marche por inercia hasta detenerse. Luego la bomba se pone en una dirección de marcha atrás. La bomba se detiene de nuevo y se pone en una dirección de avance.
El mecanismo de control está adaptado para dirigir la bomba en una serie de ciclos de marcha atrás y avance normalmente con un período de detención ajustable por el usuario de 0-30s pero no limitado al mismo entre cambios de dirección. Esto permite que la bomba marche por inercia hasta detenerse antes del cambio de dirección y por lo que reduce el estrés en las bombas.
El mecanismo de control está adaptado para dirigir la bomba en una serie de ciclos de marcha atrás y avance (normalmente con dichos retrasos entre direcciones de avance y marcha atrás) de la bomba hasta que se alcanza un valor predeterminado adicional de torque de bomba. Los primeros y segundos valores predeterminados a menudo son los mismos aunque pueden ser diferentes.
De este modo en uso, cuando se nota que el torque está por encima de un cierto valor, entonces la bomba se dirigiría a través de una serie de direcciones de marcha atrás, luego de avance, y luego de marcha atrás, hasta que el torque detectado por el mecanismo de monitorización esté por debajo de un valor predeterminado o el número de intentos de limpieza exceda unos intentos máximos predefinidos.
Típicamente cada etapa en el ciclo (avance y marcha atrás) dura de 3 a 20 segundos. El mecanismo de monitorización mide el torque de la bomba midiendo la corriente a la cual está operando la bomba. Cuando se aumenta la corriente esto es indicativo de una aspereza o bloqueo en la bomba que está inhibiendo su operación. Una vez que la aspereza provoca un aumento en corriente por encima del nivel predefinido, el mecanismo de control procederá a la marcha atrás (preferiblemente ciclo de marcha atrás de avance y hacia atrás con retraso de tiempo entre cambios de dirección) para retirar los desechos que provocan la aspereza.
El mecanismo de monitorización también se puede adaptar para monitorizar la corriente de bomba con respecto a sobrecarga potencial de la bomba.
Los estándares para el exceso de corriente que se dirige a las bombas a menudo son impuestos por las autoridades reguladoras para salvaguardar el sobrecalentamiento. Estos límites, que dependen de un número de variables diferentes, pueden ser almacenados por el dispositivo y el mecanismo de control puede adaptarse para controlar la bomba u otro dispositivo en respuesta a una sobrecarga que supera un nivel de seguridad predeterminado, lo cual es indicativo del sobrecalentamiento de bomba. Otros dispositivos que el mecanismo de control puede controlar incluyen alarmas. Preferiblemente el dispositivo de control, que comprende los componentes para monitorizar el torque de la bomba y los componentes adaptados para monitorizar la sobrecarga potencial de la bomba se proporcionan en el mismo dispositivo.
De este modo el mecanismo de monitorización para monitorizar la salida de la bomba y el mecanismo de monitorización para monitorizar la estabilidad térmica de la bomba se pueden proporcionar en el mismo dispositivo.
El mecanismo de monitorización también puede comprender un medio de monitorización para detectar cualquier cambio repentino o cortocircuito en la corriente suministrada al motor, y el mecanismo de control está normalmente adaptado para responder adecuadamente a tal evento, por ejemplo apagando la bomba.
La bomba es una bomba para bombear fluidos viscosos tales como aguas negras y lodo, aguas residuales, arenilla etc.
Preferiblemente en el arranque, la bomba procede a través de un ciclo de marcha atrás y avance.
Preferiblemente la bomba arranca a máxima potencia, sin una restricción en potencia suministrada, opcionalmente con ciclo de marcha atrás y avance inmediatamente después del arranque.
Una ventaja de la invención es que la bomba puede limpiarse de desechos sin intervención manual, reduciendo el tiempo de inactividad de bomba y costes asociados con el mantenimiento de bomba.
Una ventaja adicional de la invención es que las bombas pueden ser más eficientes debido a que la aspereza en ellas se puede limpiar con más frecuencia que usando la intervención manual.
Una ventaja adicional de ciertas realizaciones de la invención es que el dispositivo de control se puede proporcionar en un único dispositivo, ahorrando de este modo espacio.
Además es muy útil permitir que tal dispositivo se retroajuste, y ciertas realizaciones se benefician de esta característica.
Los ciclos de acciones de bombeo de marcha atrás y avance descritos en este documento pueden denominarse como funcionalidad antiasperezas.
El dispositivo puede programarse para proporcionar una funcionalidad antiasperezas mientras que proporciona las protecciones tradicionales de bombas eléctricas. El tamaño físico del dispositivo se ha minimizado lo cual permite un mayor uso del producto. Preferiblemente el tamaño es menor que 104mm de alto x 45mm de ancho x 200mm de profundidad.
El dispositivo es particularmente útil para estaciones de bombeo pequeñas a medianas, tales como las que operan con bombas que tienen una potencia de menor que 9kW, opcionalmente menor que 7.5kw.
Las estaciones de bombeo tradicionalmente más grandes se controlarían con Accionamientos de Velocidad Variable (VSD) que es menos preferido que las bombas conmutadas mecánicamente más pequeñas (<9kW) preferidas en la presente invención.
Una ventaja de la invención es que el aparato de bomba de la presente invención puede ser menos costoso de fabricar, en comparación con dispositivos de VSD, que pueden ser diez veces el coste de dispositivos de conmutación mecánicos. De este modo realizaciones de la invención proporcionan un beneficio de tener un control de bomba sensible sin el gasto de un sistema de VSD. Un beneficio de ciertas realizaciones es que esta funcionalidad se proporciona en el mismo dispositivo usado para monitorizar la sobrecarga potencial del aparato de bomba y por lo que se puede proporcionar funcionalidad adicional al aparato de bomba dentro de los confines, a menudo limitados, del aparato de bomba existente.
De este modo realizaciones de la invención proporcionan una funcionalidad de eliminación de asperezas algo similar a VSD a una fracción del coste del mismo, lo que la hace más económica para estaciones más pequeñas. También, el dispositivo está diseñado preferiblemente para ser retroajustado en estaciones existentes y es físicamente mucho más pequeño (<250 cm2) que cualquier VSD.
El dispositivo se puede retroajustar fácilmente en los paneles de arranque existentes ya que reemplaza los dispositivos de sobrecarga térmica/electrónica. El sistema monitoriza la corriente en tiempo real y tras una leve sobrecorriente puede comenzar una secuencia de eliminación de asperezas.
La secuencia es completamente personalizable y el evento que desencadena la secuencia se puede cambiar o se pueden agregar más eventos es decir en cada evento de arranque.
Las bombas usadas en la presente invención deberían ser capaz de ser operadas en la dirección de avance o marcha atrás. Esto incluye bombas donde el sistema de control existente solo funciona para dirigirlas en una dirección de avance y una posición de detención y no una dirección de marcha atrás.
A continuación se describirán realizaciones de la presente invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a las figuras acompañantes, en las cuales:
La figura 1 es un diagrama de flujo que muestra las etapas de un dispositivo de acuerdo con la presente invención;
Las figuras 2 y 3 son vistas de una realización de acuerdo con la presente invención,
La figura 4 es un diagrama de circuito que indica conexiones eléctricas y una instalación de retroajuste típica.
El dispositivo 10, mostrado en las figuras 2-3, es una solución de hardware y software. El dispositivo mide la corriente en tiempo real en los tres conductores que suministran una bomba a través de transductores de corriente (CT). A partir de esta corriente, el dispositivo conoce la carga del motor durante la operación.
Durante la puesta en servicio de la bomba se registran los consumos de corriente baja y alta. Se agrega un punto de ajuste de alrededor de 10% al nivel alto y se resta 10% desde el nivel bajo. Estos puntos de ajuste se ingresan en el dispositivo para proporcionar el "nivel de activación" predeterminado.
Como se muestra en la figura 1, la bomba primero se enciende 1 y funcionará a través de un ciclo de limpieza de arranque para un número predeterminado de cambios de dirección de una duración 2 predefinida. Luego la bomba funciona con normalidad 3, hasta que se detecte una carga aumentada en la bomba 4 por el motor que consume un nivel más alto de corriente. Esto es indicativo de que el torque del motor aumenta debido a que está intentando mantener la velocidad contra una fuerza mayor, tal como asperezas. Luego el ciclo de limpieza inicia cortando la potencia a la bomba, 5. Típicamente la inercia de la bomba y el fluido que continúa pasando a su través mantendrán la bomba funcionando en la misma dirección durante un corto período de tiempo después de que se corte la potencia - la bomba se "marchará" por inercia hasta detenerse. De este modo después de que se corta la potencia al motor esperará 5 durante un tiempo predefinido A antes de avanzar a la siguiente etapa. El tiempo A puede ser variado por el usuario y típicamente es mayor para bombas más grandes.
Después de este tiempo la bomba se pone en marcha atrás, 6, también durante un tiempo predefinido B que también puede ser variado por el usuario. La bomba se detiene de nuevo 7 cortando la potencia y permitiendo que marche por inercia hasta detenerse. Después de un período adicional de tiempo A la bomba se pone a una dirección de avance durante un tiempo predefinido C.
El ciclo de limpieza anterior (etapas 5 a 8) se repite un número predefinido de veces, que de nuevo puede ser variado por el usuario. En este punto la limpieza finaliza y el dispositivo tiene un número de opciones.
Si se limpia la aspereza, indicado porque el motor demanda una corriente normal en la dirección de avance, entonces se reanudará el bombeo con normalidad, etapa 3. Si no, el dispositivo intentará limpiar de nuevo volviendo al ciclo de limpieza (etapas 5 a 8). El dispositivo continuará en este ciclo hasta que se cumpla un número máximo de ciclos de limpieza momento en el cual activaría la bomba, 9.
El contador de número máximo de limpiezas permitidas se restablecerá después de que la bomba haya finalizado el bombeo.
De este modo como se indicó anteriormente, cuando la bomba está por debajo o más probablemente por encima de la operación normal, si se cumple el "nivel de activación", entonces se inicia un ciclo de limpieza en el motor. El ciclo de limpieza es totalmente personalizable pero consiste en pero no se limita a y no necesariamente en el orden de; rotación de avance para un tiempo ajustable por el usuario, rotación de marcha atrás para un tiempo ajustable por el usuario. El número de cambios de dirección y la duración pueden ser cambiados por el usuario. Si el dispositivo no puede retornar la bomba a su banda de tolerancia de carga original después de un número definido de intentos por el usuario, el motor activará una alarma.
Como se monitoriza la corriente en tiempo real de la bomba el dispositivo también actúa como protección de motor ya que contiene un algoritmo de imagen térmica del motor. Esto permitirá que el dispositivo actúe como una sobrecarga térmica de motor tradicional.
Una ventaja de ciertas realizaciones de la presente invención es que proporcionan una solución económica de eliminación de asperezas para bombas de aguas residuales pequeñas a medianas donde la unidad detecta un cambio en corriente e inmediatamente invierte la bomba a los desechos desalojados acumulados durante el flujo normal.
Debido a su tamaño físico, el dispositivo de ciertas realizaciones de la invención ha sido diseñado para ser retroajustado en los paneles de control de bombas existentes.
La figura 4 muestra un diagrama de circuito para la realización de la figura 1 e ilustra la facilidad con la cual el presente dispositivo se puede retroajustar a una bomba existente. El motor 20 de bomba preexistente es suministrado por una fuente de alimentación trifásica L1, L2, L3. Se proporciona un contactor K1 para acoplar el motor 20 en una dirección de avance, o para desacoplar la potencia desde el motor 20 y permitir que se detenga. El sistema se puede modificar para utilizar una realización de la presente invención conectando un contactor K2 en paralelo al conmutador K1. El conmutador K2 puede acoplarse para dirigir el motor 20 en una dirección de marcha atrás.
También se agrega a la configuración existente, corriente abajo de los conmutadores K1 y K2 y corriente arriba del motor 20, un sensor 22 de corriente para monitorizar la corriente que se suministra al motor 20. El sensor de corriente está conectado a un sistema 30 de control.
El sistema 30 de control tiene una interfaz 32 de entrada, una interfaz 34 de salida y una fuente 36 de alimentación. Las señales de entrada son recibidas y procesadas por la interfaz 32 de entrada y las salidas apropiadas se activan, como se describió anteriormente con respecto a la figura 1. Las salidas Q1 y Q2 desde la interfaz 34 de salida controlan los contactores K1 y K2 que a su vez controlan el motor 20.
La conexión de bobina existente al contactor K1 se reencamina al sistema 30 de control de eliminación de asperezas mediante el uso de un relé de interposición. Esto proporciona la señal de ejecución. Desde allí la eliminación de asperezas toma el control de la bomba 20.
Cuando se monitoriza la corriente de bomba, el dispositivo puede activarse en puntos de ajuste programables. Además la bomba puede ser personalizable por el usuario.
Se pueden hacer mejoras y modificaciones sin apartarse del alcance de la invención que se define solamente por las reivindicaciones anexas.
Claims (12)
1. Un aparato de bomba que comprende una bomba de aguas residuales y un dispositivo (30) de control para una bomba, siendo la bomba una bomba conmutada mecánicamente y capaz de ser operada en una dirección de avance (8) y una de marcha atrás (6), comprendiendo el dispositivo (30) de control:
un mecanismo de monitorización para monitorizar el torque de la bomba midiendo la corriente a la cual la bomba está operando,
un mecanismo de control para controlar la dirección de la bomba y que es capaz de dirigir selectivamente la bomba para que (i) detenga (5) (ii) su operación en una dirección (6) de marcha atrás y (iii) opere en una dirección (8) de avance;
en donde el mecanismo de control está adaptado para controlar que la bomba (a) se detenga (5) y (b) opere en una dirección (6) de marcha atrás y dirija la bomba a una serie de ciclos de marcha atrás y avance de la bomba (5,6,7,8) cuando el mecanismo de monitorización detecta que el torque de la bomba (4) está por encima de un valor predeterminado,
y en donde, mientras que el número de ciclos (5,6,7,8) de bomba es menor que o igual a un número máximo predefinido de ciclos (5,6,7,8) de bomba, el mecanismo de control está además adaptado para dirigir la bomba a la serie de ciclos de marcha atrás y avance de la bomba (5,6,7,8) hasta que el torque detectado por el mecanismo de monitorización esté por debajo de un valor predeterminado adicional.
2. Un aparato de bomba como se reivindica en la reivindicación 1, en donde la bomba conmutada mecánicamente comprende una de una bomba en línea directa o una bomba estrella/cónica.
3. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, que comprende además cada etapa de avance (8) y marcha atrás (6) en el ciclo que dura de 1 a 20 segundos, en donde opcionalmente cada etapa de avance (8) y marcha atrás (6) en el ciclo dura de 3-20 segundos.
4. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde cada etapa de avance (8) y marcha atrás (6) en el ciclo dura un período de tiempo que puede ser ajustado y variado por un usuario.
5. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el mecanismo de monitorización está adaptado para monitorizar el torque de bomba con respecto a una sobrecarga potencial de la bomba.
6. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el mecanismo de control está adaptado para controlar la bomba u otro dispositivo en respuesta a un torque que supera un nivel (4) predeterminado, lo cual es indicativo de la sobrecarga de bomba o que está en peligro de sobrecarga.
7. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el dispositivo de control que comprende los componentes para monitorizar el torque de la bomba y los componentes adaptados para monitorizar la sobrecarga potencial de la bomba se proporcionan en el mismo dispositivo.
8. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde en arranque, la bomba está adaptada para proceder a través de un ciclo (2) de marcha atrás y avance.
9. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde la bomba arranca a máxima potencia, sin una restricción en la potencia.
10. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el mecanismo de monitorización comprende un medio de monitorización para detectar cualquier cambio repentino en la corriente suministrada al motor, y el mecanismo de control está adaptado para responder a tal evento.
11. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde la bomba tiene una potencia nominal de menor que 25kW preferiblemente menor que 9kW.
12. Un aparato de bomba como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, que comprende un mecanismo de monitorización para monitorizar, directa o indirectamente, la estabilidad térmica de la bomba, en donde el mecanismo de monitorización para monitorizar el torque de la bomba y el mecanismo de monitorización para monitorizar la estabilidad térmica de la bomba se proporcionan en el mismo dispositivo.
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