Grundfos SPE + RSI:
zonnepompen met variabele snelheid
Een Grundfos SPE-geheel aangestuurd door een RSI-omvormer heeft zijn eigen dimensioneringslogica: een aanloopdrempel, een minimaal continu debiet en drie onmisbare accessoires. Hier volgen de werking, met cijfers onderbouwd, en de methode om het te dimensioneren.
Een hydraulisch deel, een magneetmotor, een omvormer
Een SPE-systeem bestaat uit drie onderdelen die specifiek zijn ontworpen om geïntegreerd samen te werken. Het hydraulische deel is gebaseerd op de dompelpompen van de SP-reeks, al vele jaren erkend om hun betrouwbaarheid en prestaties. De aandrijving wordt geleverd door een synchrone permanentmagneetmotor MS6000P, met vier polen, die een maximale snelheid van 3.000 tr/min bij 100 Hz kan bereiken, gevoed in driefasen 3 × 350 V. Het geheel wordt aangestuurd door de RSI-omvormer, die de gelijkstroom afkomstig van het fotovoltaïsch veld rechtstreeks omzet in driefasenvoeding en voortdurend het toerental van de motor aanpast aan het beschikbare zonnevermogen, om de werking van de pomp over het hele instralingsbereik te optimaliseren.
Het rendement is het belangrijkste voordeel van de permanentmagneetmotor. Doordat er geen geïnduceerde stromen in de rotor optreden, blijft de motor koeler en wordt minder warmte overgedragen aan de opgepompte vloeistof, twee factoren die rechtstreeks de levensduur van het dompelgeheel bepalen. Grundfos geeft een rendementswinst van 8 tot 10 punten op ten opzichte van een asynchrone motor met gelijkwaardig vermogen, en publiceert de details van deze waarden bij 50, 75 en 100% belasting.
De aanloopdrempel, of waarom een pomp kan draaien zonder water te geven
Een centrifugaalpomp ontwikkelt pas een bruikbare opvoerhoogte vanaf een minimaal toerental. Onder deze drempel drijft de motor weliswaar de waaier aan en verbruikt hij energie, maar blijft de opgewekte hoogte onvoldoende om de statische tegendruk van het circuit te overwinnen: er wordt dan geen enkel debiet aan de uitgang geleverd. De affiniteitswetten van centrifugaalpompen, onder meer gepubliceerd door Grundfos in zijn technische documentatie, maken het mogelijk deze kritische snelheid te bepalen vanaf welke het water daadwerkelijk begint te worden opgevoerd.
De opvoerhoogte bij nuldebiet is de top van de debiet-hoogtecurve, bij volle snelheid. Een pomp die bij nuldebiet tot 189 m komt en op 75 m werkt, loopt aan bij √(75/189), dus 63% van haar snelheid. Onder deze snelheid verbruikt de pomp energie zonder debiet te leveren, terwijl het debiet daarboven snel toeneemt met het toerental. Hoe lager deze verhouding, hoe langer de tijdspanne waarin de pomp werkt, verspreid over de dag.
Een SPE 77-9 op 75 meter
Neem een voorbeeld: 75 meter totale opvoerhoogte, met een beoogd debiet van ongeveer 100 m³/h. De SPE 77-9 beantwoordt dit punt: negen trappen, motor van 37 kW, opvoerhoogte bij nuldebiet van 189 meter. Ze loopt aan bij 63% van haar snelheid: de pomp start vroeg in de ochtend en stopt laat in de avond. Hier volgt haar dag, voor een fotovoltaïsch veld van 47 kWp en een systeemrendement van 0,80.
| Instraling | Vermogen aan de ingang van de omvormer | Debiet | Wat er gebeurt |
|---|---|---|---|
| 150 W/m² | 5,6 kW | 0 m³/h | onder de drempel: de pomp levert geen debiet |
| 197 W/m² | 7,3 kW | aanloop | het water begint te stijgen |
| 300 W/m² | 11,2 kW | 32 m³/h | al een derde van het maximale debiet |
| 500 W/m² | 18,7 kW | 61 m³/h | regime van midden in de ochtend |
| 700 W/m² | 26,1 kW | 80 m³/h | |
| 900 W/m² | 33,6 kW | 95 m³/h | |
| 1.000 W/m² | 37,3 kW | 101 m³/h | volle snelheid, de omvormer begrenst |
Een venster van 5 op 1 komt overeen met een ruim werkbereik. Bij een pomp waarvan de verhouding hoogte tot opvoerhoogte bij nuldebiet 0,85 zou bedragen, zou de aanloop oplopen tot 92% van de snelheid en zou het venster terugvallen tot 1,3 op 1: dezelfde installatie zou dan alleen nog tijdens de piekuren werken. Dit is het eerste punt dat de dimensionering moet controleren, nog vóór het vermogen van het fotovoltaïsch veld.
Wat de RSI oplegt aan het fotovoltaïsch veld
De RSI is verkrijgbaar in twee spanningsklassen, en deze keuze bepaalt de hele fotovoltaïsche generator, want ze legt de architectuur van de strengen modules vast. De klasse 3 × 380-440 V dekt 2,2 tot 250 kW, terwijl de klasse 3 × 208-240 V zich uitstrekt tot 15 kW en met lagere gelijkspanningen werkt.
| Klasse van de omvormer | Minimale MPP-spanning | Aanbevolen MPP-spanning | Maximale ingangsspanning | Vermogen |
|---|---|---|---|---|
| 3 × 380-440 V | 450 V | 530 tot 615 V | 800 V | 2,2 tot 250 kW |
| 3 × 208-240 V | 230 V | 290 tot 336 V | 400 V | 1,5 tot 15 kW |
Daaruit vloeien twee dimensioneringsregels voor de bekabeling voort. De streng moet boven 450 volt blijven op het maximale vermogenspunt, zelfs bij grote hitte, wanneer de spanning van de panelen inzakt, en onder 800 volt in open circuit bij strenge kou, wanneer ze een piek bereikt. De aanbevolen bandbreedte daartussen heeft een fysieke reden: er moet genoeg gelijkspanning zijn opdat de omvormer de volledige motorspanning kan leveren bij zijn nominale frequentie.
De drie onmisbare accessoires
Drie uitrustingsstukken begeleiden het geheel en beschermen de motor op lange termijn: het sinusfilter, de stromingsmantel en de temperatuurvoeler.
Het sinusfilter
Een frequentieregelaar levert geen sinusgolf maar een reeks pulsen, en de spanningspieken die daaruit voortvloeien vermoeien de isolatie van de wikkelingen, des te meer naarmate de kabel naar de motor langer is. De handleiding van de SP-pompen legt duidelijke grenzen vast: voor een motor MS6000 gevoed door een zonne-omvormer geldt zonder filter een maximale gelijkspanning van het veld in open circuit van 400 volt en een ongeschermde kabel van maximaal 300 meter; met een sinusfilter lopen deze grenzen op tot 800 volt en 500 meter.
De klasse 3 × 380-440 V vereist een minimale spanning van 450 volt op het maximale vermogenspunt, en dus een nog hogere spanning in open circuit, zodat ze de grens van 400 volt in geen geval kan respecteren. Bij deze klasse is het sinusfilter verplicht. De klasse 3 × 208-240 V, waarvan de ingang begrensd is tot 400 volt, is ontworpen om zonder te kunnen.
Bij een motor op 3.000 tr/min gevoed met 100 Hz wordt het filter gekozen op basis van de kolom 100 Hz van de catalogus. De toelaatbare stroom van een filter ligt bij 100 Hz ongeveer een kwart lager dan bij 50 Hz: een motor die 85,6 A trekt bij 100 Hz vraagt een filter dat opgegeven is voor ongeveer 112 A bij 50 Hz.
De stromingsmantel
Een dompelmotor koelt af door het water dat er langsstroomt; Grundfos vraagt een snelheid van minstens 0,15 m/s langs de motor, en geeft de formule om dit te controleren:
In een breed boorgat vertraagt het water rond de motor en koelt deze minder goed. De mantel, een eenvoudige buis rond de motor, herstelt de stromingssnelheid; Grundfos beveelt hem ook aan bij aanwezigheid van zand.
Bij de SPE 77-9 uit het voorbeeld wordt hij nuttig vanaf ongeveer 190 mm diameter van het boorgat; de drempel hangt af van de pomp.
De temperatuurvoeler
De dompelmotoren van Grundfos kunnen een geïntegreerde temperatuursensor krijgen, en het technisch boekje vermeldt ondubbelzinnig dat deze sensoren niet compatibel zijn met een frequentieregelaar. Een interne zekering in de transmitter smelt door zodra de frequentieregelaar wordt aangesloten, en de sensor is definitief verloren. Grundfos beveelt aan om in plaats daarvan een externe Pt100- of Pt1000-voeler te installeren.
De externe voeler is de enige thermische beveiliging van het geheel. De omvormer beschermt de motor tegen elektrische overbelasting; de temperatuur daarentegen berust volledig op de voeler: de handleiding vermeldt dat de omvormer deze niet meet.
Het te respecteren werkbereik
De dimensionering moet waarborgen dat de pomp permanent binnen zijn gebruiksgebied werkt, ongeacht de klimaatomstandigheden en de beperkingen van de locatie.
| Grens | Waarde | Waarom |
|---|---|---|
| Minimaal continu debiet | 0,1 × het nominale debiet | daaronder circuleert het water niet meer genoeg om de motor te koelen |
| Maximaal continu debiet | 1,3 × het nominale debiet | risico op omgekeerde axiale stuwkracht en cavitatie |
| Draaien met gesloten klep | maximaal 30 seconden | de vloeistof warmt plaatselijk op |
| Overtoeren | afgeraden | de fabrikant raadt af de nominale frequentie te overschrijden |
| Versnellingsrampen | maximaal 3 seconden | bescherming van de glijlagers en de afdichting |
| Aantal starts | 120 per uur, 360 per dag | nuttig te controleren op een locatie met veel voorbijtrekkende bewolking |
Een reeds geplaatste SP-pomp op zonne-energie laten werken
De RSI stuurt ook de klassieke asynchrone motoren aan waarmee de dompelpompen van de SP-reeks zijn uitgerust. Een pomp die al in een boorgat is geïnstalleerd, kan zo worden omgebouwd naar zonnewerking zonder wijziging van het hydraulische deel, met behoud van dezelfde omvormer en dezelfde dimensioneringsmethode.
| SP + RSI (asynchrone motor) | SPE + RSI (permanente magneten) | |
|---|---|---|
| Motorrendement | ongeveer 82% | 92,4% bij volle belasting |
| Rendement bij deellast | zelden gepubliceerd | 90,6% bij halve belasting |
| Nominale snelheid | 2.900 tr/min bij 50 Hz | 3.000 tr/min bij 100 Hz |
| Directe aansluiting op het net | mogelijk | onmogelijk, frequentieregelaar verplicht |
| Sinusfilter in de 400 V-klasse | verplicht | systematisch inbegrepen |
| Toepassing | zonneconversie van een reeds geïnstalleerde pomp | nieuwe installatie, streven naar het beste rendement |
Bij een gelijk fotovoltaïsch veld beschikt de permanentmagneetmotor over meer asvermogen: hij loopt vroeger op de ochtend aan en levert over de hele dag een groter watervolume. Een verschil van tien rendementspunten vertaalt zich zo rechtstreeks in een groter geproduceerd volume.
Wat LE LAB hiermee doet
De dimensionering van een pompsysteem met variabele snelheid begint met het bepalen van de hydraulische aanloopdrempel. Eerst moet worden gecontroleerd of deze drempel een bruikbaar werkbereik oplevert onder de werkelijke instralingsomstandigheden. Vervolgens moet worden nagegaan of het vereiste debiet groter blijft dan het minimale continue werkdebiet van de pomp, waarna wordt gecontroleerd of de fotovoltaïsche generator binnen het spanningsvenster blijft dat de omvormer toelaat, zowel bij de maximale spanning bij lage temperaturen als bij de minimale spanning bij grote hitte. Pas na de validatie van deze bedrijfsomstandigheden kan de beoordeling van de waterproductie, maand per maand, worden uitgevoerd.
Bij de dimensionering vergelijkt LE LAB systematisch de SPE-gehelen gekoppeld aan een RSI-omvormer met de pompoplossingen met geïntegreerde regelaar. Wanneer meerdere architecturen het vereiste werkpunt kunnen bereiken, stelt de applicatie bij voorrang de eenvoudigste oplossing voor, om de complexiteit van de installatie te beperken, de kosten te verlagen en de uitvoering en het onderhoud te vergemakkelijken.
Waar deze cijfers vandaan komen
- Technisch boekje SPE 3.000 tr/min, Grundfos: beschrijving van de reeks, motoren MS6000P, rendementen en vermogensfactoren, selectie van sinusfilters, bedrijfsomstandigheden, affiniteitswetten, aanbevolen boorgatdiameters.
- Installatie- en bedieningshandleiding SP en SPE, Grundfos: werking met frequentieregelaar, spannings- en kabellengtegrenzen met en zonder filter, minimale stromingssnelheid langs de motor, temperatuursensoren.
- Installatie- en bedieningshandleiding RSI 1,5 tot 250 kW, Grundfos: spanningen op het maximale vermogenspunt, maximale ingangsspanning, frequentiebereik, groottes en uitgangsstromen, instelling van de minimale opvoerfrequentie, foutcodes.
- Handleiding RSI AC Drives, Grundfos: technische kenmerken van de omvormer, aangestuurde motortypes, temperatuurbereiken en derating.
- Debiet-hoogtecurven en vermogenscurven van de productfiches van het Grundfos Product Centre voor de in het voorbeeld genoemde pomp.
Cijfers en randvoorwaarden ontleend aan de officiële documentatie van Grundfos, versies geldig op de publicatiedatum; de handleiding van de fabrikant blijft de referentie. Een pagina uitgegeven door SINES, officiële Grundfos-distributeur.