GOLPE DE ARIETE

Al trabajar con bombas es habitual escuchar un estampido en el momento del apagado. Este se debe a que la energía cinética del fluido no se puede disipar inmediatamente y la masa de agua sigue moviéndose y rebotando contra la válvula de retención. Esto produce un transitorio de presión en el sistema que deteriora cañería, sujeciones mecánicas y válvulas. Este transitorio se conoce como golpe de ariete (water hammer).

Existen técnicas mecánicas para amortiguarlo (como siempre en ingeniería, la palabra "eliminar" es mala palabra... valga la redundancia!) que no serán tratadas aquí. Sí, se analizan dos variantes de control del motor y su influencia en la amplitud de este golpe. 

Los valores indicados corresponden a una bomba KSB equipada con un motor WEG de 100HP, 1485 RPM, que abastece (junto con otras 4) una planta de bombeo ubicada en zona sur del gran Buenos Aires.

Estas bombas toman agua de una cisterna y la elevan a un tanque de aproximadamente 30m de altura ubicado a unos 30m de la estación de bombeo. Este tanque lleva por acción de la gravedad, el vital elemento hasta la ciudad.

CON ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO 

En el video que sigue se visualiza el arranque y la parada de la bomba con un arranque estrella triángulo convencional:

En este video, se escucha un fuerte estampido cuando golpea la válvula de retención y se observa la amplitud de la vibración en la cañería incluso después del manchón.

A continuación la evolución de la corriente (en Amperes y segundos) durante el funcionamiento de la bomba.

Se ve una corriente de arranque (en estrella) del orden de 280A de pocos segundos de duración, un breve tiempo (10 segundos aproximadamente) de corriente cercana a los 140A en triángulo y luego la corriente de régimen permanente de aproximadamente 120A (la nominal del motor es de 139A)

Los siguientes son oscilogramas de corriente en una fase, donde se indica, solo como anecdótico para aquellos que hayan seguido post´s anteriores, el transitorio de la conmutación E-T en el primero  y el efecto del capacitor de factor de potencia en la parada final en el segundo:

CON ARRANCADOR SUAVE

En el mismo tablero, se reemplazaron los contactores del E-T por un SSW07 de 171A. El banco de compensación de factor de potencia, se activa con un contacto auxiliar del equipo, cuando se  termina la rampa de aceleración.

Si la misma bomba se acciona con un arrancador suave, se logran dos ventajas: una reducir la corriente de arranque, sin conmutación (como el pasaje de estrella a triángulo) con su efecto favorable sobre la red y a su vez sobre el transitorio de presión. Y la segunda ventaja es reducir el golpe de ariete en la parada.  Esto último se logra  haciendo que el motor se encargue de frenar a la masa de agua lentamente, de forma que la energía se vaya reduciendo lo más suavemente posible.

Desde el punto de vista de la parametrización del arrancador, se dispone de varias herramientas. En este caso se utilizó una rampa de tensión, controlando su duración, para prolongar el tiempo de parada. Se empezó configurando solo el tiempo de deceleración. Luego de unos cuantos intentos con diferentes rampas, se llegó a la conclusión de que este parámetro solo no fue suficiente ya que si bien se producía un golpe más suave  seguía siendo importante. Se tuvo que experimentar con tres variables: el tiempo de deceleración, el salto de tensión en el momento del apagado y el valor de tensión final de la rampa. El conjunto de valores correctos se obtuvo experimentando y a “oído”,  ya que solo se contaba con manómetro en el lado de la bomba, no del otro lado de la válvula de retención. El resultado se “oye” en el siguiente video:

La gráfica de corriente  observada es:

Se observa que si bien la corriente de arranque orilla los 400A, la duración de este transitorio es inferior al caso del E-T. Además se ve el aumento de corriente en el final de la rampa de deceleración como se mencionó previamente, esto no sucede en el ET pero es aquí donde se está usando al motor para detener a la masa de agua en movimiento!!! Además existe una oscilación en el momento donde se produce el primer golpe, que es evidentemente mas suave que en el caso del ET. En algunos ensayos se presenciaron dos golpes.
La evolución de la tensión que entrega el soft starter, con la mejor parametrización experimentada es:

y un oscilograma con la corriente en el momento de dar la orden de apagar al arrancador:

Dado que la corriente en la parada aumenta mientras el motor está frenando a la masa de agua en movimiento se debe verificar que esté bien ajustada la protección del motor, puesto que en el fragor de la lucha cuerpo a cuerpo entre el técnico y la máquina durante la puesta en marcha es muy fácil excederse!!!.

También se debe respetar el tiempo entre arranques. Para ellos es útil configurar un parámetro que no permita arranques sucesivos en menos de unos minutos, de forma que el equipo logre refrigerar su etapa de potencia.

AJUSTE RECOMENDADOS.

Se recomienda iniciar con:

• una rampa de deceleración del orden de los 15 segundos, 
• un escalón de tensión en el inicio de la rampa de deceleración del orden de 80% de la tensión nominal del motor 
• y un nivel de tensión de salida en el momento de la desconexión del orden del 50% 

(en el caso de un SSW07 de la casa WEG, como en este trabajo son los parámetros 103, 104 y 105, a los que se accede con un opcional  HMI o con una interface PC. Ya que el equipo en formato comercial viene sin ellos, se deben adquirir por separado).

En este caso puntual los valores de dichos parámetros fueron respectivamente 80% / 10seg / 55%.

Para llegar a ellos, se realizaron al menos 15 juegos de valores de estas 3 variables, durante la puesta a punto, llegando a esta configuración como la que permitió el menor impacto.
Para el ajuste de la rampa de aceleración  fue de utilidad el manómetro que se encontraba en la entrada de la válvula de retención. Se encontró así que con una rampa de 10 segundos se lograba un valor aceptable de oscilación en la presión durante el arranque:

Se observa que la presión no inicia con el arranque del motor. Esto se debe a la curva caudal-velocidad de la bomba.
Además se tuvo que configurar el voltaje inicial en el 80% de la tensión nominal para lograr que el motor empiece a girar inmediatamente aplicada la orden de arranque al equipo.


NOTA IMPORTANTE.
No siempre se logra un valor bajo de golpe de ariete con un control en rampa de tensión. En determinados casos, en sistemas hidráulicos mas complejos se requiere de un "control de par". Dado que el SSW07 no lo incluye, se debe recurrir a un SSW06, de mayores prestaciones. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de evaluar la solución ya que los costos se incrementan.
Además se puede contar con un convertidor de frecuencia, con la ventaja adicional de poder controlar el caudal y reducir el consumo en situaciones que así lo permitan.