Frekans Konvertörlü Pompa Nedir? Gerçekten Elektrik Tasarrufu Sağlar mı?

Frekans konvertörlü pompa nedir sorusunun teknik cevabı şudur: asenkron ya da sabit mıknatıslı bir motorun besleme frekansını 0-60 Hz bandında değiştirerek devrini sürekli ayarlayan bir güç elektroniği ünitesiyle birlikte çalışan pompadır. Sektörde VFD, inverter, hız kontrol cihazı ve sürücü adlarıyla anılan eleman aynı şeydir. Motorun senkron devri, frekansın 120 ile çarpımının kutup sayısına bölünmesiyle bulunur; 2 kutuplu bir motorda 50 Hz yaklaşık 3000 d/dk, 25 Hz ise yaklaşık 1500 d/dk demektir.

Cihazın içinde üç katman vardır. Birinci katman doğrultucudur: şebekeden gelen 400 V üç fazlı alternatif gerilim diyot köprüsüyle doğru gerilime çevrilir. İkinci katman DC baradır; burada büyük değerli elektrolitik kondansatörler gerilimi yaklaşık 565-680 V DC bandında düzler ve enerji tamponu görevi görür. Üçüncü katman eviricidir: IGBT anahtarlar DC barayı 2-8 kHz taşıyıcı frekansla keserek istenen genlik ve frekansta yapay bir üç faz üretir.

Pompa tarafında iki farklı kurulum biçimi vardır. Birincisi, sürücünün motorun klemens kutusu yerine entegre edildiği yapıdır; Grundfos CRE, Grundfos CME ve Wilo Helix EXCEL bu sınıfa girer. İkincisi, sürücünün pano içinde ayrı durduğu ve standart bir motoru sürdüğü yapıdır; Danfoss VLT Aqua Drive FC 202 bu sınıfın yaygın örneğidir. Pompa çeşitleri ve gövde tipleri için ürün grubumuzu inceleyebilirsiniz. (Detay: Pompa Sistemleri)

Afinite kanunları, bir santrifüj pompanın devri değiştiğinde debisinin, basma yüksekliğinin ve mil gücünün nasıl değiştiğini veren üç bağıntıdır. Debi devirle doğru orantılıdır: Q2 bölü Q1 eşittir n2 bölü n1. Basma yüksekliği devrin karesiyle değişir: H2 bölü H1 eşittir n2 bölü n1'in karesi. Mil gücü devrin küpüyle değişir: P2 bölü P1 eşittir n2 bölü n1'in küpü.

Bu üç bağıntı, aynı çark çapında ve aynı verim noktasında geçerlidir. Fiziksel temeli basittir. Çark kanadının ucundaki teğetsel hız devirle doğru orantılı arttığı için akışkana verilen ivme ve dolayısıyla debi devirle doğru orantılıdır. Basma yüksekliği ise bu hızın karesiyle ilişkilidir, çünkü kinetik enerji hızın karesine bağlıdır. Güç, debi ile basma yüksekliğinin çarpımı olduğu için devrin birinci ve ikinci kuvvetinin çarpımı, yani üçüncü kuvveti kadar değişir.

Küp ilişkisi bu işin bütün ekonomisini açıklar. Devri yüzde 10 düşürdüğünüzde güç 0,9 üzeri 3 eşittir 0,729'a, yani yüzde 72,9'a iner; yalnızca yüzde 10'luk bir devir azaltması yüzde 27 güç tasarrufu demektir. Devir yüzde 80'e indiğinde güç 0,8 üzeri 3 eşittir 0,512, yani yüzde 51,2'ye düşer. Devir yüzde 50'ye indiğinde güç 0,5 üzeri 3 eşittir 0,125, yani yüzde 12,5'e iner. Debi yarıya düşerken güç sekizde bire düşer.

Rakamları bir örneğe oturtalım. 50 Hz'de 50 m³/h debi, 40 mSS basma yüksekliği ve 7,3 kW mil gücü veren bir pompa düşünün. Frekans 40 Hz'e, yani yüzde 80 devre indirildiğinde debi 50 çarpı 0,8 eşittir 40 m³/h, basma yüksekliği 40 çarpı 0,64 eşittir 25,6 mSS ve mil gücü 7,3 çarpı 0,512 eşittir 3,74 kW olur. Aynı pompa 25 Hz'de, yani yüzde 50 devirde 25 m³/h, 10 mSS ve 0,91 kW verir.

• 50 Hz, yüzde 100 devir — Debi 50,0 m³/h; Basma yüksekliği 40,0 mSS; Mil gücü 7,30 kW
• 40 Hz, yüzde 80 devir — Debi 40,0 m³/h; Basma yüksekliği 25,6 mSS; Mil gücü 3,74 kW, yüzde 48,8 azalma
• 35 Hz, yüzde 70 devir — Debi 35,0 m³/h; Basma yüksekliği 19,6 mSS; Mil gücü 2,50 kW, yüzde 65,7 azalma
• 25 Hz, yüzde 50 devir — Debi 25,0 m³/h; Basma yüksekliği 10,0 mSS; Mil gücü 0,91 kW, yüzde 87,5 azalma
• Genel kural — Debi devirle doğru orantılı, basma yüksekliği devrin karesiyle, mil gücü devrin küpüyle değişir

Afinite kanunları bir sınırla birlikte okunmalıdır. Devir düştükçe pompanın kendi hidrolik verimi de bir miktar düşer; yüzde 70 devirde verim tipik olarak 1-3 puan, yüzde 50 devirde 3-6 puan geriler. Ayrıca motor ve sürücü verimi kısmi yükte azalır. Bu yüzden gerçek elektriksel kazanç, küp yasasının vaat ettiğinin biraz altında kalır. Yine de yüzde 50 devirde ölçülen şebeke tüketimi tipik olarak yüzde 15-20 bandındadır ve tasarrufun büyüklüğü değişmez.

Vana kısarak debi düşürmek, pompanın ürettiği fazla basıncı vana üzerinde ısıya çevirmek demektir; pompa aynı devirde dönmeye devam ettiği için çektiği güç kayda değer ölçüde azalmaz. Kısma vanası sisteme yapay bir direnç ekler, sistem eğrisi dikleşir ve çalışma noktası pompa eğrisi üzerinde sola, yani daha yüksek basma yüksekliğine kayar. Debi düşer ama basınç yükselir; ikisinin çarpımı olan hidrolik güç çok az geriler.

Sayısal olarak görelim. Mil gücü bağıntısı P eşittir Q çarpı H bölü 367 çarpı verim biçimindedir; burada Q m³/h, H mSS, P kW ve verim ondalık kesirdir. Başlangıç noktası 50 m³/h, 40 mSS ve yüzde 75 verimdir: P eşittir 50 çarpı 40 bölü 367 çarpı 0,75 eşittir 2000 bölü 275,3 eşittir 7,27 kW. Bu, kısma öncesi mil gücüdür.

Şimdi debiyi vanayla 35 m³/h'ye kısalım. Pompa eğrisi üzerinde sola kaydığımız için basma yüksekliği 40 mSS'den yaklaşık 46 mSS'ye çıkar ve verim en iyi verim noktasından uzaklaştığı için yüzde 75'ten yüzde 70'e iner. Yeni mil gücü: P eşittir 35 çarpı 46 bölü 367 çarpı 0,70 eşittir 1610 bölü 256,9 eşittir 6,27 kW. Debi yüzde 30 azaldı, güç yalnızca yüzde 13,8 azaldı.

Aynı debiyi sürücüyle elde edelim. Sürtünme kaybının baskın olduğu, statik yüksekliği bulunmayan bir devrede gerekli basma yüksekliği debinin karesiyle azalır: H eşittir 40 çarpı 35 bölü 50'nin karesi eşittir 40 çarpı 0,49 eşittir 19,6 mSS. Devir oranı 35 bölü 50 eşittir 0,70 olduğundan mil gücü P eşittir 7,27 çarpı 0,70 üzeri 3 eşittir 7,27 çarpı 0,343 eşittir 2,49 kW olur. Motor ve sürücü kayıplarıyla birlikte şebekeden çekilen güç yaklaşık 2,9 kW'tır.

Karşılaştırma nettir: aynı 35 m³/h debi için kısma 6,27 kW mil gücü, sürücü 2,49 kW mil gücü ister. Fark 3,78 kW, yani yüzde 60'tır. Yılda 6.000 saat çalışan bir sistemde bu, 22.680 kWh/yıl demektir. Kısma vanasında harcanan enerji sisteme hiçbir şey katmaz; yalnızca vana gövdesinde ısıya ve çoğu zaman gürültüye dönüşür. Pompanın neden beklenenden fazla elektrik yaktığı konusundaki rehberimiz bu mekanizmayı ayrıntılandırır. (Detay: Pompa Neden Çok Elektrik Yakar? Enerji Tüketimini Düşürmenin 8 Yolu)

Kısmanın ikinci bedeli hidroliktir. Çalışma noktası en iyi verim noktasının soluna kaydıkça çark girişinde geri akış, kanat yüklemesinde dengesizlik ve mil üzerinde radyal kuvvet artar. Debinin nominal değerin yüzde 40'ının altına kısıldığı bir pompada salmastra ve yatak ömrü belirgin biçimde kısalır, gövde titreşimi yükselir. Kısma vanası ayrıca yüksek fark basıncında kavitasyon üretebilir; oluşum koşulları için kavitasyon rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Pompa Kavitasyonu Nedir? Pompayı Sessizce Öldüren Sorun)

By-pass ile debi düşürmek kısmadan da kötüdür. Pompa tam debiyi basmaya devam eder, fazlası emişe ya da depoya geri döner; çalışma noktası değişmediği için çekilen güç de değişmez. Aynı 35 m³/h ihtiyacı by-pass ile 7,3 kW, kısma ile 6,27 kW, sürücü ile 2,49 kW mil gücü ister. By-pass'ın tek meşru kullanımı termiktir: çok kademeli dik gövdeli pompaların katalogda belirtilen minimum sürekli debisi nominal debinin yüzde 10-15'i mertebesindedir ve bu hat pompayı korur.

Sistem eğrisi, bir tesisatın belirli bir debiyi taşıyabilmesi için pompadan istediği basma yüksekliğinin debiyle nasıl değiştiğini gösteren eğridir ve iki bileşenden oluşur: debiden bağımsız statik yükseklik ile debinin karesiyle artan sürtünme kaybı. Bağıntı H_sistem eşittir H_statik artı k çarpı Q'nun karesi biçiminde yazılır. Buradaki k katsayısı boru çapı, uzunluğu, pürüzlülüğü ve armatür sayısıyla belirlenir.

Statik yükseklik, suyun fiziksel olarak kaldırılması gereken kot farkı ile varış noktasındaki karşı basıncın toplamıdır. Kapalı bir ısıtma veya soğutma devresinde suyun inen kolonu, çıkan kolonu dengelediği için statik yükseklik sıfırdır. Buna karşılık zemin katındaki bir depodan çatıdaki bir depoya su basan sistemde statik yükseklik, iki su seviyesi arasındaki kot farkına eşittir ve debi ne olursa olsun değişmez. Basma yüksekliği kavramı için mSS rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Pompalarda mSS Nedir? 10 mSS Kaç Bar Eder?)

Afinite kanunları pompa eğrisini kaydırır, sistem eğrisini kaydırmaz. Devir düştüğünde pompa eğrisi aşağı iner ve yeni çalışma noktası, aşağı inmiş pompa eğrisi ile sabit duran sistem eğrisinin kesişiminde oluşur. Eğer sistem eğrisi orijinden başlıyorsa, yani statik yükseklik sıfırsa, çalışma noktaları tam olarak afinite parabolü üzerinde ilerler ve güç gerçekten devrin küpüyle düşer. Statik yükseklik varsa çalışma noktaları afinite parabolünden sapar.

Bu sapma, tasarruf vaadi ile gerçek arasındaki farkın tek nedenidir. Statik yükseklik ne kadar büyükse, düşük debide pompanın üretmek zorunda olduğu basma yüksekliği o kadar yüksek kalır; devir azaltma imkânı daralır, güç düşüşü küp yasasının çok gerisinde kalır. Bir sistemde sürücünün ne kadar kazandıracağını anlamanın en hızlı yolu, statik yüksekliğin toplam basma yüksekliğine oranını hesaplamaktır.

Statik yükseklik toplam basma yüksekliğinin yarısını aşıyorsa, değişken devirli pompa uygulamasından beklenecek yıllık kazanç tipik olarak yüzde 25'in altına iner; oran dörtte üçü aşıyorsa kazanç yüzde 10 mertebesine kadar düşer ve devir aralığı da fiziksel olarak daralır. Bu, sürücü satan hiç kimsenin gönüllü olarak anlatmadığı ama projede en baştan hesaplanması gereken bir gerçektir.

Aynı pompayla iki farklı sistemi karşılaştıralım. Birinci sistem tamamen sürtünme kaybıdır: 50 m³/h'de 40 mSS gerekir, statik yükseklik 0 mSS'dir. İkinci sistem karışıktır: 50 m³/h'de yine 40 mSS gerekir ama bunun 25 mSS'si statik yükseklik, 15 mSS'si sürtünme kaybıdır. Her iki sistemde de debiyi 35 m³/h'ye indirmek istiyoruz.

Birinci sistemde gerekli basma yüksekliği 40 çarpı 0,49 eşittir 19,6 mSS'dir. Mil gücü, verim yüzde 75 kabul edilirse P eşittir 35 çarpı 19,6 bölü 367 çarpı 0,75 eşittir 686 bölü 275,3 eşittir 2,49 kW olur. Kısma çözümündeki 6,27 kW ile karşılaştırıldığında kazanç yüzde 60,3'tür.

İkinci sistemde gerekli basma yüksekliği 25 artı 15 çarpı 0,49 eşittir 25 artı 7,35 eşittir 32,35 mSS'dir. Verim afinite parabolünden saptığı için yüzde 72'ye iner. Mil gücü P eşittir 35 çarpı 32,35 bölü 367 çarpı 0,72 eşittir 1132 bölü 264,2 eşittir 4,28 kW olur. Aynı kısma çözümüyle karşılaştırıldığında kazanç yalnızca yüzde 31,7'dir. İki sistem arasındaki fark, yalnızca sistem eğrisinin biçiminden gelir.

Statik yükseklik ikinci bir sınır daha koyar: devrin altına inilemeyeceği bir taban vardır. Pompa, kapalı vana basma yüksekliği statik yüksekliğin altına indiği anda hiç su basamaz. Örnek pompanın 50 Hz'deki kapalı vana basma yüksekliği 48 mSS ise, 25 mSS statik yüksekliği yenebilmek için gereken asgari devir oranı 25 bölü 48'in karekökü eşittir 0,72'dir. Bu da 50 çarpı 0,72 eşittir yaklaşık 36 Hz demektir; 36 Hz'in altında pompa döner ama debi sıfırdır.

Bu hesap, derin kuyu ve depo doldurma uygulamalarında neden sürücünün çoğu zaman anlamsız kaldığını açıklar. Statik yüksekliğin 80 mSS, sürtünme kaybının 10 mSS olduğu bir kuyu sisteminde devir aralığı pratikte 46-50 Hz arasına sıkışır ve elde edilecek kazanç, sürücünün kendi kaybını bile karşılamayabilir. Bu tip sistemlerde doğru çözüm, pompayı tam devirde çalıştırıp depo seviyesine göre durdurup kaldırmaktır. Debi hesabının yöntemi için rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Pompa Debisi Nasıl Hesaplanır? m³/h, L/dk ve Basınç Hesaplama)

Sabit basınç kontrolü, sürücünün bir basınç transmitterinden aldığı gerçek değeri ayarlanan hedefle karşılaştırıp aradaki farkı bir PI çevrimiyle sıfırlayacak biçimde motor frekansını sürekli değiştirmesidir. Musluklar açıldıkça hat basıncı düşer, sürücü frekansı yükseltir; musluklar kapandıkça basınç yükselir, sürücü frekansı düşürür. Kullanıcı tarafında sonuç, tüketim ne olursa olsun değişmeyen bir çıkış basıncıdır.

Sabit basınç yerine oransal basınç seçeneği de vardır ve enerji açısından daha iyidir. Bu modda hedef basınç, debi arttıkça yükselir; böylece düşük debide boru sürtünmesi için tutulan pay boşuna üretilmez. Kolon boyu uzun apartman hidroforlarında oransal mod, sabit moda göre yıllık tüketimde tipik olarak yüzde 10-20 ek kazanç sağlar. Karar kuralı basittir: sürtünme kaybının toplam basma yüksekliğine oranı yüzde 30'u aşıyorsa oransal mod seçilir.

Basınç sensörü, kontrol edilmek istenen noktanın basıncını görebilecek yere takılır; pompa çıkışına takılan bir sensör yalnızca pompa çıkışını sabit tutar, en uzak tüketicideki basıncı sabit tutmaz. Yerleşim kararı, tasarruf oranını doğrudan yüzde 5-15 bandında değiştirir ve çoğu tesisatta sürücü ayarından daha etkilidir.

Montaj kuralları sayısaldır. Sensör, pompa basma ağzından en az 5 çarpı DN kadar ileriye, akışın düzeldiği düz bir kesite konur; dirsek çıkışına ya da ani genişleme bölgesine konan sensör türbülans nedeniyle salınımlı sinyal üretir. Ölçüm aralığı, çalışma basıncının yaklaşık 1,5-2 katı seçilir; 4 barda çalışan bir sistemde 0-10 bar transmitter uygundur, 0-25 bar transmitter çözünürlüğü boşa harcar. Sinyal tipi olarak 4-20 mA, 0-10 V'a tercih edilir çünkü kablo uzunluğundan ve gerilim düşümünden etkilenmez.

Sensörün nereye konacağına dair üç seçenek ve sonuçları aşağıdaki gibidir. Bu liste, apartman hidroforlarında en sık tartışılan kararın karşılaştırmasıdır.

• Pompa çıkış kollektörü — Kablo maliyeti en düşük, devreye alma en hızlı; Boru kaybı kompanze edilmez, en uzak noktada basınç düşer; Kısa ve düşük dirençli hatlarda uygundur
• En uzak kritik tüketici — Basınç tam istenen yerde sabit kalır, gereksiz basınç üretilmez; Uzun sinyal kablosu ya da kablosuz modül gerekir, arıza hâlinde yedek strateji şarttır; Uzun kolonlu apartman ve otel tesisatlarında en yüksek kazanç
• Pompa çıkışı artı oransal eğri — Kablo pompa yanında kalır, boru kaybı yazılımsal olarak telafi edilir; Eğri katsayısı doğru girilmezse üst katlarda basınç yetersiz kalır; Çoğu konut hidroforu için en dengeli çözüm

Sensör konumundan bağımsız olarak, sistemde küçük hacimli bir membranlı genleşme kabı bulunmalıdır. Sürücü sıfır debide durduğunda hattaki basıncı bu kap tutar; kap yoksa tek bir musluk damlamasında bile pompa saniyede birkaç kez kalkıp durur. Kap ön basıncı, ayarlanan hedef basıncın yaklaşık yüzde 90'ına kurulur. Hidrofor gam alternatifleri için karşılaştırma rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: En İyi Hidrofor Markaları Hangileri? Grundfos, Wilo, DAB, Lowara, Etna ve Sumak Karşılaştırması)

Minimum devir sınırı, sürücünün hangi frekansın altına inmeyeceğini belirleyen ayardır ve pompa uygulamalarında tipik olarak 20-30 Hz bandına kurulur. Sınırın altına inildiğinde üç sorun birden başlar: pompa gövdesinde ısınma, mekanik salmastrada yağlanma kaybı ve ıslak rotorlu tiplerde yatak yüzeyinde film kopması. Ayrıca statik yüksekliği olan sistemlerde belirli bir frekansın altında debi zaten sıfırdır.

Alt sınırı belirleyen ilk kriter hidroliktir. Pompanın o frekanstaki kapalı vana basma yüksekliği, sistemin statik yüksekliğinin üzerinde olmalıdır. Hesap şöyledir: gereken minimum devir oranı, statik yüksekliğin tam devirdeki kapalı vana basma yüksekliğine oranının kareköküdür. 48 mSS kapalı vana değeri ve 20 mSS statik yükseklik için oran 20 bölü 48 eşittir 0,417, karekökü 0,646'dır; karşılığı 50 çarpı 0,646 eşittir 32,3 Hz'dir. Emniyet payıyla alt sınır 35 Hz'e kurulur.

İkinci kriter termiktir. Pompa içindeki su, minimum sürekli debinin altında dolaşmadığında mil sürtünmesi ve hidrolik kayıplar suyu ısıtır. Çok kademeli dik gövdeli pompalarda üretici genellikle nominal debinin yüzde 10'u mertebesinde bir minimum sürekli debi belirtir. Sürücülü sistemde bu koşul ya minimum frekans sınırıyla ya da termik by-pass hattıyla sağlanır. Sıfır debide çalışmayı engellemek için sürücülerde bulunan uyku fonksiyonu devreye alınır.

Sürücüyle çalışan bir motorun iki fiziksel riski vardır: düşük devirde soğutma yetersizliği ve ortak mod geriliminin yol açtığı yatak akımı. Pompa yükü kuadratik olduğu için soğutma riski fanlarda ve konveyörlerde olduğu kadar kritik değildir, ancak yatak akımı riski güçle birlikte hızla büyür ve 100 kW üzerindeki motorlarda önlem alınmadığında yatak ömrünü aylara indirebilir.

Soğutma tarafını sayısallaştıralım. Standart bir TEFC motorun mil ucundaki soğutma fanı motorun kendi devriyle döner; fanın taşıdığı hava debisi devirle doğru orantılı, sağladığı soğutma etkisi ise yaklaşık devrin 0,7-0,8 kuvvetiyle değişir. Yüzde 50 devirde soğutma kapasitesi yaklaşık yüzde 60'a iner. Buna karşılık pompa yükü küp yasasıyla yüzde 12,5'e indiği için motorun ürettiği kayıp ısı da büyük ölçüde azalır; bu yüzden pompalarda yüzde 30-100 devir bandı genellikle sorunsuzdur.

Yatak akımı mekanizması şudur. Sürücünün ürettiği üç faz gerilimin anlık toplamı sıfır değildir; bu ortak mod gerilimi, mil ile gövde arasındaki parazitik kapasitanslar üzerinden yatak yağ filmini delerek boşalır. Ortaya çıkan EDM darbeleri bilye ve bilezik yüzeyinde mikro kraterler açar, zamanla oluk biçiminde aşınma ve yüksek frekanslı bir uğultu meydana getirir. Yatak akımı hasarı, klasik yağlama arızasından oluk deseniyle ayırt edilir.

Önlemler güç kademesine göre sıralanır. 30 kW altındaki motorlarda simetrik yapıda ekranlı motor kablosu ve 360 derece topraklama çoğu vakada yeterlidir. 30-100 kW bandında mil topraklama bileziği önerilir. 100 kW üzerinde ve IEC 280 gövdeden büyük motorlarda tahrik dışı ucun yalıtılmış yataklı seçilmesi standart uygulamadır. Ek önlem olarak sürücü çıkışına dv/dt filtresi ya da sinüs filtresi konur; sinüs filtresi gerilim tepe değerini düşürerek hem yatak akımını hem sargı yalıtım stresini azaltır.

Kablo boyu da bu başlığa girer. Sürücü ile motor arasındaki kablo uzadıkça kablo kapasitansı büyür, yansıyan dalgalar motor klemenslerinde gerilim tepesini iki katına kadar çıkarabilir. Ekransız kabloda 50 m, ekranlı kabloda 25-30 m üzerindeki mesafelerde çıkış filtresi değerlendirilir. Entegre sürücülü pompalarda bu sorun tanım gereği yoktur, çünkü sürücü motorun üzerindedir; entegre çözümlerin en somut teknik üstünlüğü budur.

Harmonik ve EMC filtresi konusu, frekans konvertörünün şebekeye ve çevresindeki cihazlara verdiği rahatsızlıkla ilgilidir. Sürücünün giriş katındaki diyot köprüsü akımı sinüs biçiminde değil, tepe noktalarında darbeler hâlinde çeker; bu çarpık akım şebekede 5., 7., 11. ve 13. harmonikleri üretir. Filtresiz altı darbeli bir sürücünün akım toplam harmonik bozulması tipik olarak yüzde 40-80 bandındadır.

Harmoniklerin somut sonuçları vardır. Trafo ve kablolarda ek ısınma, nötr iletkeninde beklenmedik akım, kompanzasyon kondansatörlerinde rezonans ve erken arıza, hassas elektronik cihazlarda hatalı çalışma bunların başlıcalarıdır. Şebeke bağlantı noktasındaki gerilim bozulması yüzde 5'i aşıyorsa müdahale gerekir. IEC 61000-3-12 ve TS EN 61000 serisi bu sınırları tanımlar; büyük tesislerde şebeke işletmecisi ölçüm isteyebilir.

Azaltma yöntemleri kademelidir ve her kademe hem yer hem kayıp getirir. Aşağıdaki liste, aynı 22 kW'lık bir pompa sürücüsü için seçenekleri karşılaştırır.

• Çıplak altı darbeli sürücü — Akım bozulması yüzde 40-80; Ek eleman yok; Tek bir küçük pompanın büyük bir trafodan beslendiği durumlarda kabul edilebilir
• DC bara şoku veya giriş reaktörü — Akım bozulması yüzde 30-45; Yüzde 3-5 empedans, düşük maliyet ve küçük hacim; Çoğu pompa uygulamasında ilk tercih, birçok markada standart
• Pasif harmonik filtre — Akım bozulması yüzde 8-12; Belirgin hacim ve yaklaşık yüzde 1 ek kayıp; Aynı panoda birden çok sürücü bulunan kazan daireleri için uygun
• Aktif harmonik filtre — Akım bozulması yüzde 5'in altı; Ortak baraya tek eleman olarak konur, birden çok sürücüyü birlikte düzeltir; Büyük tesis ve hastane gibi hassas yüklerin bulunduğu binalar

EMC tarafı ise iletilen ve yayılan yüksek frekanslı gürültüyle ilgilenir. EN 61800-3 standardı sürücüleri C1'den C4'e uzanan kategorilere ayırır; C1 konut ortamına, C2 konut ortamına profesyonel montajla, C3 sanayi ortamına, C4 ise özel çözüm gerektiren zorlu durumlara karşılık gelir. Konut binasının kazan dairesine konan bir sürücünün en az C2 seviyesinde dahili EMC filtresine sahip olması beklenir; aksi hâlde asansör kartından kapı otomatiğine kadar birçok cihazda hatalı tetiklemeler görülür.

Uygulama kuralları üç maddeye iner. Birincisi, motor kablosu ekranlı seçilir ve ekran her iki uçta 360 derece, kelepçeli biçimde topraklanır; ekranı bir kuyruk teliyle topraklamak yüksek frekansta işe yaramaz. İkincisi, güç ve sinyal kabloları ayrı kanallardan çekilir, kesişmeleri gerekiyorsa dik açıyla kesişir. Üçüncüsü, IT şebekelerde ve jeneratörlü sistemlerde dahili EMC filtresinin kaçak akım nedeniyle devre dışı bırakılması gerekebilir; bu, üretici talimatına göre yapılır.

Kaçak akım konusu ayrıca korumayı ilgilendirir. Sürücülerin EMC filtreleri toprağa sürekli bir kaçak akım verir; standart 30 mA A tipi bir kaçak akım rölesi bu nedenle gereksiz açabilir. Sürücülü devrelerde B tipi ya da en azından F tipi, 300 mA seviyeli rölelerin kullanılması ve topraklama iletkeninin kesitinin standarda uygun büyütülmesi gerekir. Bu kalem, devreye alma sırasında en sık atlanan güvenlik ayrıntısıdır.

IE3 motor, Avrupa'da 0,75 kW ve üzeri üç fazlı asenkron motorlar için yasal asgari verim sınıfıdır; IE5 ise sabit mıknatıslı ya da senkron relüktans teknolojisiyle elde edilen ve IE3'e göre kayıpları yaklaşık yüzde 40 daha düşük olan üst sınıftır. Aradaki fark küçük güçlerde büyüktür: 1,5 kW'lık bir motorda IE3 verimi yaklaşık yüzde 85,3 iken IE5 karşılığı yüzde 90 mertebesine çıkar.

Sayısal etkiyi görelim. 1,5 kW mil gücünü 6.000 saat karşılayan bir motorda IE3 için şebekeden çekilen güç 1,5 bölü 0,853 eşittir 1,759 kW, IE5 için 1,5 bölü 0,90 eşittir 1,667 kW olur. Fark 0,092 kW, yıllık karşılığı 0,092 çarpı 6.000 eşittir 552 kWh/yıl'dır. Aynı hesap 22 kW'lık bir motorda, verimler yüzde 91,6 ve yüzde 94,4 alındığında yıllık yaklaşık 4.300 kWh'lik bir farka ulaşır.

Önemli olan, motorun tek başına değil sürücüyle birlikte değerlendirilmesidir. IEC 61800-9-2 standardı, sürücü için IE sınıfları yerine CDM verimlilik sınıflarını, motor ile sürücünün birlikte oluşturduğu güç tahrik sistemi için ise IES sınıflarını tanımlar. Referans nokta IES1'dir; IES2, referans sisteme göre en az yüzde 20 daha düşük kayıp anlamına gelir. Bir pompa satın alırken karşılaştırılması gereken değer, motorun IE sınıfı değil sistemin IES sınıfıdır.

Sirkülasyon pompaları tarafında aynı mantık EEI değeriyle ölçülür. ErP 641/2009 ve EN 16297 kapsamındaki ıslak rotorlu pompalarda EEI sınırı 0,23'tür ve iyi modeller 0,17-0,20 bandındadır. Grundfos MAGNA3 bu sınıfın yaygın bir örneğidir; çalışma mantığı ve kontrol modları için rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Grundfos MAGNA3 Nedir? MAGNA1 ve MAGNA3 Arasındaki Farklar)

Pompa kWh/yıl hesabı, yıllık çalışma saatini tek bir güç değeriyle çarparak değil, debi profilini kademelere bölüp her kademenin gücünü ve saatini ayrı hesaplayarak yapılır. Tek noktadan yapılan hesap, değişken devirli sistemlerde gerçek tüketimi iki-üç kat fazla gösterir. Yöntem, EN 17038 ve benzeri standartlarda tanımlanan yük profili yaklaşımıyla aynı mantığı izler.

Örneğimiz, bir ofis binasının soğutma devresindeki 50 m³/h ve 40 mSS'lik pompadır; sistem tamamen kapalı devre olduğu için statik yükseklik sıfırdır. Tam yükte mil gücü 7,27 kW, motor verimi yüzde 92 ve sürücü verimi yüzde 97'dir; şebekeden çekilen güç 7,27 bölü 0,92 bölü 0,97 eşittir 8,15 kW olur. Bina yılda 6.000 saat çalışır ve debi profili dört kademeye ayrılmıştır.

Sürücülü işletmenin kademe hesabı şöyledir. Yüzde 100 debide 500 saat, çekilen güç 8,15 kW; yüzde 75 debide 1.500 saat, mil gücü 7,27 çarpı 0,422 eşittir 3,07 kW, verimler düştüğü için çekilen güç yaklaşık 3,55 kW; yüzde 50 debide 2.500 saat, mil gücü 7,27 çarpı 0,125 eşittir 0,91 kW, çekilen güç yaklaşık 1,14 kW; yüzde 25 debide 1.500 saat, çekilen güç sürücü bekleme kaybıyla birlikte yaklaşık 0,25 kW.

Toplayalım: 500 çarpı 8,15 eşittir 4.075 kWh; 1.500 çarpı 3,55 eşittir 5.325 kWh; 2.500 çarpı 1,14 eşittir 2.850 kWh; 1.500 çarpı 0,25 eşittir 375 kWh. Yıllık toplam 12.625 kWh/yıl'dır.

Şimdi aynı profili kısma vanalı sabit devirli işletmeyle hesaplayalım. Debi kısıldıkça pompa eğrisi üzerinde sola kayılır ve çekilen güç yavaş düşer: yüzde 100 debide 7,90 kW, yüzde 75 debide 7,00 kW, yüzde 50 debide 5,80 kW, yüzde 25 debide 4,60 kW. Toplam: 500 çarpı 7,90 eşittir 3.950; 1.500 çarpı 7,00 eşittir 10.500; 2.500 çarpı 5,80 eşittir 14.500; 1.500 çarpı 4,60 eşittir 6.900. Yıllık toplam 35.850 kWh/yıl'dır.

Fark 35.850 eksi 12.625 eşittir 23.225 kWh/yıl, yani yüzde 64,8'dir. Bu, tam olarak kitapta yazan sonuçtur ve koşulu statik yüksekliğin sıfır olmasıdır. Aynı binada devre kapalı değil de 20 mSS statik yükseklikli bir açık devre olsaydı, düşük kademelerdeki güçler 1,14 yerine yaklaşık 3,1 kW, 0,25 yerine yaklaşık 2,4 kW seviyesine çıkar ve yıllık toplam 24.000 kWh'e yaklaşırdı; kazanç yüzde 33'e inerdi. Tek değişkenin sonucu yarıya indirdiğine dikkat edilmelidir.

Hesabı kendi tesisatınıza uyarlarken üç veriyi toplamanız yeterlidir: tam yükte şebekeden çekilen güç, yıllık toplam çalışma saati ve debi kademelerinin saat dağılımı. Üçüncü veri elinizde yoksa bina otomasyonundan bir haftalık kayıt almak ya da sürücünün kendi enerji sayacını bir ay okumak yeterli yaklaşımı verir. Enerji verimliliği önlemlerinin genel çerçevesi için rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Mekanik Sistemlerde Enerji Verimliliği)

Frekans konvertörü, debinin yıl boyunca değiştiği ve statik yüksekliğin toplam basma yüksekliğinin yarısından az olduğu her sistemde geri döner; debinin sabit olduğu, statik yüksekliğin baskın olduğu ve yıllık çalışma saatinin 1.500'ün altında kaldığı sistemlerde dönmez. Bu üç ölçütü aynı anda sağlamayan bir uygulamada karar, enerji hesabıyla değil proses gereksinimiyle verilmelidir.

Aşağıdaki liste, sahada en sık karşılaşılan sistem tiplerini bu üç ölçüte göre sınıflandırır. Her madde, o uygulama için beklenen yıllık kazanç bandını ve hükmü verir.

• Apartman ve otel hidroforu — Debi gece-gündüz 10 kat değişir, statik yükseklik kolon boyu kadardır; Beklenen kazanç yüzde 30-50; Hüküm: kesinlikle uygundur, ayrıca sabit basınç konfor kazancı da vardır
• Kapalı devre soğutma ve ısıtma sirkülasyonu — Statik yükseklik sıfır, debi kısmi yükte serbestçe düşürülebilir; Beklenen kazanç yüzde 40-70; Hüküm: en yüksek getirili uygulama, öncelik burasıdır
• Derin kuyu ve depo doldurma — Statik yükseklik toplam basma yüksekliğinin yüzde 80'i, debi ihtiyacı sabit; Beklenen kazanç yüzde 5-15; Hüküm: enerji için uygun değildir, seviye kontrollü durdur-kaldır çözümü tercih edilir
• Sabit debili proses ve birincil devre pompası — Debi tasarımda sabittir, kısmi yük yoktur; Beklenen kazanç sıfıra yakın, sürücü kaybı nedeniyle negatif olabilir; Hüküm: uygun değildir, yalnızca devreye alma sırasında bir kereye mahsus debi ayarı için yumuşak yol verici düşünülür
• Yangın pompası — EN 12845 ve NFPA 20 kapsamında ana yangın pompası tam devirde ve doğrudan yol verilerek çalışır; Beklenen kazanç konu dışıdır; Hüküm: ana pompaya sürücü konmaz, yalnızca jokey pompada değişken devir kabul edilebilir
• 1,5 kW altındaki küçük pompalar — Ayrı pano tipi sürücünün kendi kaybı ve montaj kalemleri toplam tüketime oranla büyür; Beklenen kazanç yüzde 20-40 ama mutlak değer küçüktür; Hüküm: ayrı sürücü yerine entegre elektronikli model seçilir

Yangın tarafındaki hüküm özellikle nettir ve tartışmaya açık değildir. Yangın pompasının görevi, elektronik bir ara katman olmadan, en kısa sürede ve tam kapasitede su basmaktır; sürücü bu zincire fazladan bir arıza noktası ekler. Yangın pompası dairelerine ilişkin standart gereklilikler için rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: NFPA 20 Nedir?)

Grundfos CRE, dik gövdeli çok kademeli CR pompasının MGE serisi entegre sürücülü motorla birleştirilmiş sürümüdür; sürücü motorun klemens kutusu yerine geçen bir modül olarak gövdeye oturur. Bu yapının üç somut faydası vardır: motor kablosu sıfır uzunluktadır, dolayısıyla yansıyan dalga ve kablo kapasitansı sorunu ortadan kalkar; pano hacmi küçülür; sürücü motorla birlikte fabrikada parametrelenmiş olarak gelir.

Grundfos CME, aynı elektronik motor ailesinin yatay gövdeli ve kendinden emişli olmayan çok kademeli pompayla birleşimidir. CRE ve CME gamları, tipik olarak 0,37 kW'tan 22 kW'a uzanan bir güç bandında sunulur ve seriye göre daha büyük güçler de bulunur; kesin değerler için üretici eğrisi okunmalıdır. İki gam da dahili sabit basınç kontrolü, dahili PI çevrimi, sensör girişi, Modbus ve BACnet haberleşme seçenekleriyle gelir; kuru çalışma, aşırı akım ve aşırı sıcaklık korumaları elektronik içindedir.

Grundfos SCALA2, konut ölçeğinde bambaşka bir yaklaşım sunar: pompa, motor, sürücü, basınç sensörü, genleşme kabı ve çek valf tek bir kompakt gövdede toplanmıştır. 3-45 tipinde yaklaşık 45 mSS maksimum basma yüksekliği ve 5 m³/h mertebesinde maksimum debi sunar; çıkış basıncını sabit tutar ve tüketim durduğunda otomatik olarak durur. Ölçülen ses seviyesi 47 dB(A) mertebesindedir, yani bir bodrum yerine dolap içine de konabilir.

Büyük binalarda tercih edilen yapı ise çoklu pompa gruplarıdır. Grundfos Hydro MPC gibi hazır hidrofor setlerinde iki ila altı pompa ortak bir kontrolörle yönetilir; sistem önce bir pompayı devirle sürer, kapasite yetmeyince ikinci pompayı kademeler ve toplam verimi en yüksek tutacak devir dağılımını kendisi bulur. Kademeleme mantığı, tek büyük pompaya göre kısmi yükte belirgin biçimde daha verimlidir. Pompa seçim yönteminin genel adımları için rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Pompa Seçimi Nasıl Yapılır? Debi ve Basma Yüksekliği Hesaplama Rehberi)

Wilo Helix EXCEL, dik gövdeli çok kademeli Helix pompasının elektronik ticari motorla donatılmış sürümüdür ve sabit mıknatıslı motor teknolojisi sayesinde IE5 mertebesinde motor verimine ulaşır. Dahili sürücüsü sabit basınç, oransal basınç ve harici sinyalle kontrol modlarını destekler; kısmi yükteki verim üstünlüğü, tam yükteki katalog verimi farkından daha belirleyicidir çünkü bu pompalar yılın büyük bölümünü kısmi yükte geçirir.

Lowara Hydrovar, farklı bir felsefeyi temsil eder: motorun üzerine sonradan monte edilen, pompaya özel bir hız kontrol modülüdür. Mevcut bir standart motorlu pompayı değişken devirli hâle getirmek istediğinizde, panoya genel amaçlı bir sürücü koymak yerine bu tip pompaya özgü bir modül seçmek devreye almayı belirgin biçimde kısaltır; basınç ve sıcaklık kontrolü, çoklu pompa senkronizasyonu ve kuru çalışma koruması modülün kendi yazılımında hazır gelir.

Danfoss VLT Aqua Drive FC 202 ise pano tipi tarafın referans ürünüdür ve su-atıksu uygulamalarına özel yazılım fonksiyonlarıyla sunulur: uyku modu, boru doldurma rampası, çek valf çarpmasını önleyen kontrollü duruş, kuru çalışma algılama ve gömülü kaskad kontrolör bunların başlıcalarıdır. Bu tip bir sürücü, motorun markası ve yaşı ne olursa olsun mevcut kuruluma uygulanabilir; entegre çözümlerin sunmadığı esneklik budur.

Entegre ile pano tipi arasındaki seçimi karşılaştıralım. Aşağıdaki liste, aynı 11 kW'lık bir uygulamada iki yapının farklarını sıralar.

• Kurulum — Entegre: motor kablosu yok, EMC ve yansıyan dalga sorunu tanım gereği ortadan kalkar; Pano tipi: ekranlı motor kablosu, 360 derece topraklama ve kablo boyu sınırı yönetilir
• Ortam koşulları — Entegre: elektronik pompanın yanında, ortam sıcaklığı 40 °C üzerine çıkarsa güç düşürme gerekir; Pano tipi: elektronik iklimlendirilmiş panoda, sıcak ve nemli kazan dairelerinde avantajlı
• Devreye alma — Entegre: parametreler fabrikada pompaya göre yüklenmiş, ilk çalıştırma dakikalar sürer; Pano tipi: motor verileri, rampa süreleri ve PI katsayıları sahada girilir
• Mevcut tesise uygulama — Entegre: pompayı değiştirmeyi gerektirir; Pano tipi: mevcut pompa ve motor korunarak sürücü eklenir
• Verim — Entegre: sabit mıknatıslı motor seçenekleriyle IE5 mertebesine ve daha yüksek IES sınıfına ulaşır; Pano tipi: mevcut motorun sınıfıyla sınırlıdır, eski bir IE1 motorda kazanç sönümlenir
• Hüküm — Entegre: yeni tesis ve pompa yenileme projelerinde tercih edilir; Pano tipi: mevcut sağlıklı pompanın korunduğu iyileştirme projelerinde ve zorlu ortamlarda tercih edilir

Sürücü seçiminde gövde tipi de rol oynar. Dik gövdeli çok kademeli pompalar yüksek basma yüksekliği ve düşük debide, hat üzerine oturan inline tipler ise düşük basma yüksekliği ve orta debide çalışır; kontrol stratejisi ikisinde farklıdır. Santrifüj pompa ailesinin genel çalışma prensibi ve inline gövde ayrıntıları için rehberlerimizi inceleyebilirsiniz. (Detay: Santrifüj Pompa Nedir? Çalışma Prensibi ve Kullanım Alanları) Gövde tipi karşılaştırması için ayrıca inline pompa rehberimize bakabilirsiniz. (Detay: Inline Pompa Nedir? Grundfos TPE ve Wilo CronoLine Serileri)