Bộ khởi động mềm ABB hiên nay đã được trang bị chức năng điều khiển moment để ngăn chặn hiệu ứng búa trong đường ống

Nếu động cơ chạy bơm dừng đột ngột, những thay đổi về lưu lượng nước sẽ gây ra các sóng áp lực và tạo hiệu ứng búa trong van và đường ống. Hiệu ứng búa nước thường xuất hiện trong hệ thống với đường ống dài và hệ thống có bơm áp lực cao đầu cuối, có thể gây ra hỏng hóc thiết bị. Việc sử dụng bộ khởi động mềm làm giảm tác động của hiệu ứng búa bằng cách tạo ra sự giảm tốc từ từ cho bơm. Cùng với ITT Flygt, ABB đã xây dựng một giải pháp tiên tiến có thể loại bỏ hiệu ứng búa trong đường ống bằng việc điều khiển tối ưu theo thời gian moment của động cơ bằng bộ khởi động mềm.
Đa số động cơ hiện nay vẫn khởi động theo phương thức cơ điện: khởi động trực tiếp, khởi động sao tam giác, và các cách này thường xuyên tạo ra các hiệu ứng búa trong đường ống. Tuy nhiên, cũng đã có nhiều giải pháp cơ khí, như van thủy lực hoặc các bồn phụ đã được thực hiện để loại bỏ hiệu ứng này. Tuy vậy, các giải pháp này thường có chi phí lắp đặt và bảo trì cao, trong trường hợp dùng bồn phụ sẽ tốn khá nhiều không gian lắp đặt. 
Hiệu ứng búa trong hệ thống cấp nước làm giảm đáng kể tuổi thọ của đường ống, van, các gioăng đệm, gây gián đoạn quá trình làm việc và tăng chi phí bảo trì. Việc sử dụng bộ khởi động mềm thông thường chỉ làm giảm tác động của hiệu ứng búa nhưng không thể ngăn chặn hiệu ứng này trong mọi hệ thống.

Với khả năng giảm thiểu sự hao mòn và phá hủy cơ khí, bộ khởi động mềm thường được sử dụng để khởi động và dừng cho hầu hết các ứng dụng của động cơ AC, ví dụ ABB đã phát triển bộ khởi động mềm để điều khiển động cơ và bơm lên đến 1000kW, và hơn 40% được sử dụng trong các ứng dụng bơm. Ngoài ra, bộ khởi động mềm cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác, từ chân vịt tàu cho đến máy nén, quạt và băng tải. Tuy nhiên, để loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng búa, bộ khởi động mềm với thiết kế truyền thống là điều khiển điện áp ra tuyến tính, cần có sự cải tiến.

Bộ khởi động mềm điều khiển bơm - ứng dụng mẫu về những ảnh hưởng tích cực về dòng điện, moment và lưu lượng nước khi sử dụng bộ khởi động mềm ABB với tính năng điều khiển moment.
Tìm kiếm một giải pháp toàn diện
Đối với các bộ khởi động mềm thông thường, điện áp ra tăng tuyến tính trong quá trình khởi động (nhằm giảm dòng khởi động), và giảm tuyến tính trong quá trình dừng. Và được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng tăng giảm tốc động cơ.
Trong khi đó, hiệu ứng búa thường xuất hiện trong quá trình dừng mà không phải trong quá trình khởi động. Trong hệ thống cấp nước với nhiều van và bơm, ảnh hưởng của việc đóng van tùy thuộc vào cấu hình thực tế của hệ thống. Đặc tính động của hệ thống thường khác nhau từ quá trình khởi động cho đến quá trình dừng vì luôn có sự khác nhau về lưu lượng nước và số lượng bơm chạy trong hệ thống. Vì vậy thay đổi thông số cấu hình không thể áp dụng cho tất cả các trường hợp hoạt động của hệ thống.
Một giải pháp hoàn chỉnh hơn phải tính đến đặc tính động của toàn hệ thống khi bộ khởi động mềm được sử dụng để điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ (1). Với việc trang bị nhiều hơn việc đo lường trong bộ khởi động mềm, lưu lượng nước có thể được điều khiển thông qua việc điều khiển moment và tốc độ của động cơ.

Hiệu ứng búa trong hệ thống cấp nước làm giảm tuổi thọ của đường ống, van, các gioăng đệm, gây gián đoạn quá trình làm việc và tăng chi phí bảo trì

Tăng việc đo lường sẽ cho phép điểu khiển chính xác sự giảm tốc độ của nước, ngăn ngừa hiệu ứng búa trong đường ống thông qua một thuật toán điều khiển moment. Giải pháp này phải làm việc được với tất cả loại cấu hình bơm và đường ống cũng như tất cả động cơ với công suất từ 15kW đến 1000kW. Đồng thời sự lý tưởng của giải pháp này là không yêu cầu việc tinh chỉnh cho các thông số cài đặt. Để thực hiện giải pháp này, ABB đã làm việc với viện ITT Flygt, Thụy Điển.

Hợp tác với viện ITT Flygt

ITT Flygt và ABB đã hợp tác thành công trong lĩnh vực biến tần và các thiết bị khởi động động cơ. Cộng với kinh nghiệm của ITT Flygt trong các hệ thống cấp nước và trang thiết bị hiện đại, ABB tin rằng ITT Flygt là một đối tác lý tưởng để giải quyết bài toán loại bỏ hiệu ứng búa nước trong đường ống.

Từ cách nhìn của ABB, và sử dụng các công cụ giả lập hiện đại để tìm ra cách thức tối ưu trong việc giảm moment động cơ trong quá trình dừng nhằm ngăn chặn hiệu ứng búa trong đường ống.
Đánh giá hiệu ứng búa có xảy ra hay không phụ thuộc vào nhiều thông số bao gồm hệ thống đường ống chính, loại ống, đầu bơm, chiều dài và lưu lượng nước. Ngoài ra các thông số khác cũng phải được xem xét bao gồm đường ống phía trong trạm bơm, cũng như việc đóng các van vì đáp ứng động của van rất chậm.
Trong trường hợp shutdown, vấn đề càng trở nên nghiêm trọng. Thông số quan trong nhất trong quá trình này là sự thay đổi của tốc độ nước, cùng với số lượng bơm đang làm việc sẽ ảnh hưởng đến tốc độ giảm tốc của từng bơm. Để phù hợp với những biến đổi trên, ITT Flygt đã thực hiện phân tích chi tiết về các xung động của hệ thống theo các cấu hình đường ống cụ thể. Điều này đã cung cấp những thông tin cần thiết liên quan đến lưu lượng nước trong quá trình shutdown bơm.
Với những kết quả thu được từ ITT Flygt về cách thức mà giải pháp điều khiển moment cần nhằm ngăn ngừa hiệu ứng búa trong đường ống và tăng tuổi thọ và thời gian làm việc của bơm, đội ngũ nghiên cứu của ABB đã tiến hành thiết kế giải pháp. 
ITT Flygt đã chứng minh là một đối tác xuất sắc thông qua cách tiếp cận rộng hơn đối với bài toán làm tăng sự tin cậy của các trạm bơm thông bằng bộ khởi động mềm cũng như các tính năng thông minh được yêu cầu trong các thiết bị khởi động động cơ để hoàn thiện bộ khởi động mềm trong các ứng dụng cho bơm.

Giải pháp được ABB và ITT Flygt thiết kế để loại trừ hiệu ứng búa nước thông qua việc điều khiển tối ưu theo thời gian moment của động cơ.
Giải pháp này đươc ABB thiết kế nhằm loại bỏ hiệu ứng búa nước thông qua việc điều khiển tối ưu theo thời gian moment động cơ. Để xác định được moment yêu cầu, cấn phải đựa ra phương pháp đo lường và tính toán cho hệ thống. Moment tính toán sau đó sẽ được so sánh với đường cong moment lý tưởng trong cả hai quá trình khởi động và dừng. Nếu moment quá thấp, điện áp cung cấp cho động cơ sẽ được tăng lễn thông qua các thyristor và ngược lại. Trong các quá trình này, việc đo đạc và tính toán điều khiển sẽ được thực hiện trong thời gian thực, nhằm đáp ứng đủ nhanh và chính xác đối với hoạt động của bơm và động cơ trong tất cả các loại cấu hình hệ thống đường ống.
Các kết quả đầu tiên được ABB thực hiện trong phòng thí nghiệm và được kiểm tra lại tại phòng nghiên cứu của ITT Flygt ở Stockholm. Những đánh giá tại hiện trường sau đó đã được thực hiện tại những trạm bơm của ITT Flygt. Những kiểm tra trên hệ thống thực tế này giúp đánh giá tính khả thi của các mô hình giả lập và các thuật toán điều khiển. Các trạm bơm dùng kiểm tra đã được sử dụng như là một mô hình, giúp người sử dụng thấy được những tác động tích cực của việc điều khiển moment trong quá trình dừng bơm.
Việc hợp tác chặt chẽ giữa ABB và viện ITT Flygt trong quá trình thiết kế cho phép hoàn thiện thuật toán điều khiển ngay trong giai đoạn đầu tiên. Việc hợp tác thành công cũng chỉ ra những tiện ích khi kết hợp giữa hệ thống bơm ngầm của ITT Flygt và bộ khởi động mềm của ABB được trang bị thuật toán điều khiển moment.