Zastosowanie falownika KERUN w przemyśle maszyn papierniczych
-- Seria ACD320
Przedmowa:
Od 1990 r., a szczególnie od 1995 r., chiński przemysł papierniczy odnotowuje ciągły wzrost efektywnych mocy produkcyjnych. Pod koniec 2002 roku w Chinach istniało ponad 4000 papierni, w tym ponad 2600 o dużej skali. Łączne wydobycie w 2002 roku osiągnęło poziom 37,8 mln ton. W ciągu następnych 1-2 lat dodano prawie 10 milionów ton nowych mocy produkcyjnych. Obecnie ponad 80% nowych układów napędowych maszyn papierniczych wykorzystuje napędy sterowane falownikiem.
Falowniki stosowane w napędach maszyn papierniczych muszą obecnie posiadać następujące cechy:
(1) Szeroki zakres regulacji prędkości, ze sprawnością powyżej 90% w całym zakresie prędkości;
(2) Współczynnik mocy wyższy niż 0,9;
(3) Całkowite zniekształcenia harmoniczne prądu wejściowego mniejsze niż 3%;
(4) Zastosowanie niezawodnych, dojrzałych standardowych komponentów, takich jak IGBT;
(5) Możliwość zmniejszenia wyjściowej zawartości harmonicznych i skutecznego obniżenia szumów dv/dt i pulsacji momentu obrotowego.
I. Podstawy zastosowania falownika w maszynach papierniczych.
W urządzeniach z napędem sekcyjnym maszyn papierniczych w Chinach stosowano wcześniej systemy kontroli prędkości SCR DC. Problemy takie jak pierścienie ślizgowe i szczotki węglowe prowadziły do niskiej niezawodności i precyzji, czego skutkiem była przestarzała mechanika maszyn papierniczych o prędkościach zwykle około 200 m/min, co utrudniało konkurowanie z zagranicznymi-maszynami papierniczymi o dużej szybkości, osiągającymi 1000 m/min. Produkcja papieru to ciągły proces produkcyjny, w związku z czym ciągła i uporządkowana kontrola linii produkcyjnej stanowi wąskie gardło ograniczające jakość i wydajność papieru. Chociaż systemy kontroli prędkości prądu stałego odegrały znaczącą rolę w historii rozwoju maszyn papierniczych, silniki prądu stałego charakteryzują się trudnościami w konserwacji i słabą odpornością na czynniki środowiskowe, objawiające się głównie w następujący sposób:
(1) Poważne zużycie komutatora i usterki, takie jak spalone komutatory, prowadzące do długich przestojów;
(2) Liczne trudności i wysokie wymagania w zakresie konserwacji silników prądu stałego, skutkujące wysokimi kosztami napraw;
(3) Tachogeneratory podatne na zużycie powodujące niską precyzję układu napędowego;
(4) Złożone systemy kontroli prędkości prądu stałego, trudne do debugowania i często utrudniające przeciętnym technikom precyzyjne-dostrojenie prędkości roboczych maszyny.
Technologia sterowania prędkością prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości, charakteryzująca się doskonałą wydajnością regulacji prędkości i znacznymi korzyściami-w zakresie oszczędności energii, ma szerokie zastosowanie w chińskiej gospodarce i jest uważana za najbardziej obiecującą metodę sterowania prędkością prądu przemiennego. Posiada nie tylko doskonałą wydajność regulacji prędkości silników prądu stałego, ale dlatego jest stopniowo powszechnie stosowany. Stosowanie falowników w napędach sekcyjnych przyszłych maszyn papierniczych stało się nieuniknionym trendem.
Zastosowanie falowników w napędach maszyn papierniczych daje bardzo dobre rezultaty, takie jak poprawa jakości papieru z punktu widzenia procesu, zwiększenie mocy produkcyjnych, zmniejszenie zużycia energii i wydłużenie cykli postojowych.
Biorąc za przykład maszynę papierniczą Fourdrinier, ma ona dwie główne sekcje: sekcję suszącą (część sucha) i sekcję drutu (część mokra). W zależności od wymagań procesu prędkość wytwarzania papieru mieści się w zakresie 20–100 m/min, przy gramaturze 9–30 g/m². Ogólnie rzecz biorąc, wymagana precyzja napędu maszyn papierniczych wynosi 1–3 ‰. Ze względu na szeroki zakres zmiany prędkości i minimalną gramaturę 9 g/m² wymagana jest jeszcze większa precyzja napędu. Dlatego dla napędu maszyny papierniczej wybrano-system sterowania w pętli zamkniętej.
II. Analiza korzyści-z oszczędności energii
Na podstawie porównania zużycia energii przez maszynę papierniczą przed i po modernizacji w fabryce, dane są następujące:
Pobór mocy sterowania DC: Prędkość przy 90 m/min: P90=74A × 180 V + 3 × 220=13980W=13.98 kW (napęd prądu stałego)
Na podstawie 300 dni produkcyjnych w roku: Całkowite zużycie energii przez maszynę=300 × 24 × 13.98=100,656 (kWh)
Sterowanie falownikiem Pobór mocy: Prędkość przy 90 m/min: P90=1.732 × 16 A × 380 V=10530W=10.53 (kW) (napęd inwerterowy)
Całkowity pobór mocy maszyny=300 × 24 × 10.53=75,816 (kWh)
Roczna oszczędność energii elektrycznej=100,656 – 75,816=24,840 (kWh)
Na tej podstawie można obliczyć rzeczywistą oszczędność energii po zastosowaniu falownika jako:25%
III. Analiza korzyści procesu
(1) Zwiększona wydajność maszyny papierniczej: ponad 27% (na podstawie średniej miesięcznej produkcji, z wyłączeniem innych czynników). Może to zwiększyć wartość produkcji.
(2) Poprawa wydajności produktu: 1,6%
Podsumowując, zastosowanie falownika poprawia wydajność operacyjną maszyny papierniczej, dodatkowo zwiększając efektywność ekonomiczną.
IV. Zastosowanie falowników w urządzeniach pomocniczych maszyn papierniczych
Do urządzeń pomocniczych maszyn papierniczych zalicza się następujące systemy: system zasilania zapasami, system wody podsitowej, system próżniowy, system sprężonego powietrza, system przygotowania i podawania środków chemicznych, system zaopatrzenia w wodę, system pary itp. Aby zapewnić ciągłą i zrównoważoną pracę maszyny papierniczej, wydajność jej urządzeń pomocniczych z reguły musi przekraczać maksymalną zdolność produkcyjną maszyny papierniczej o 15% - 30%, co powoduje znaczne straty energii.
4.1 Zastosowanie falownika w systemie zasilania magazynowego
System zaopatrzenia w zapasy musi spełniać następujące warunki:
(1) Stabilne dostarczanie surowca do maszyny papierniczej, z błędem nieprzekraczającym ± 5%;
(2) Stabilne i jednolite proporcje i spójność zapasów;
(3) Zarezerwować pewną ilość zapasów, aby umożliwić dostosowanie wydajności dostaw w celu dostosowania się do zmian prędkości i gatunku maszyny papierniczej;
(4) Oczyść i wyczyść zapasy;
(5) Uchwyt wyłamał się z różnych części maszyny papierniczej.
Zazwyczaj system zasilania zapasami składa się z pomp magazynowych i pomp wentylatorowych w rurociągach oraz sprzętu oczyszczającego, takiego jak sita ciśnieniowe i urządzenia czyszczące. Aby osiągnąć powyższe pięć celów, najważniejszym krokiem jest zmiana standardowych pomp i pomp wentylatorowych z pracy z pełną-prędkością na pracę ze zmienną prędkością za pośrednictwem falowników, co ostatecznie spełni wymagania zautomatyzowanego zasilania w magazynie.
Biorąc za przykład pompę wentylatora, aby zilustrować proces sterowania prędkością za pomocą falownika: To sterowanie inwerterem jest odpowiednie dla systemu sterowania prędkością z podwójną-pętlą zamkniętą, z zewnętrzną pętlą dla prędkości i wewnętrzną pętlą dla prądu lub momentu obrotowego. Wartość zadana prędkości pompy wentylatora pochodzi z dwóch źródeł: jedno pochodzi ze zmian stosunku prędkości materiału-do- drutu, a drugie pochodzi z regulatora ciśnienia w wlewu. Pierwsza to regulacja podstawowa, druga to dostrajanie-. Stosunek materiału-do-prędkości drutu w maszynie papierniczej jest zasadniczo stały. Dlatego po zmianie prędkości podawania drutu następuje prędkość pompy wentylatora. Aby poprawić precyzję regulatora prędkości i odzwierciedlić rzeczywisty proces w wlewu, często przyjmuje się sygnał wyjściowy regulatora PID ciśnienia wlewu, zmieniający się o ± 5%, jako dodatkową wartość zadaną prędkości pompy wentylatora. Rzeczywistą wartość prędkości uzyskuje się na podstawie próbkowania rzeczywistej prędkości silnika napędowego, którą można uzyskać za pomocą urządzeń takich jak tachogeneratory lub fotoelektryczne enkodery obrotowe. Aktualna wartość zadana jest pobierana z sygnału wyjściowego pętli prędkości. Rzeczywista wartość prądu jest pobierana z pomiarów dokonanych przez przekładniki prądowe na wyjściu falownika prądu przemiennego każdego punktu napędowego. Dlatego w przypadku sterowania prędkością pompy wentylatora ze zmienną częstotliwością wdrożenie sterowania PID może zapewnić idealne efekty w zakresie-oszczędności energii.
V. Zastosowanie falownika w instalacji sprężonego powietrza
Sprężone powietrze jest powszechnie stosowane w maszynach papierniczych do pneumatycznych urządzeń ładujących/podnoszących w sekcjach drutu i prasy, urządzeniach prowadzących drut/filc,-poduszkowych skrzyniach wlewowych, sprzęcie do przenoszenia arkuszy, nożach powietrznych do powlekania oraz różnych przyrządach pneumatycznych i urządzeniach sterujących.
Do głównych urządzeń instalacji sprężonego powietrza zaliczają się sprężarki powietrza, zbiorniki powietrza, zawory redukcyjne, filtry powietrza, separatory wilgoci i zawory bezpieczeństwa. Ciśnienie wymagane w maszynie papierniczej wynosi zwykle około 5-6 BAR. W większości papierni dwie lub więcej sprężarek pracuje równolegle, utrzymując stałe ciśnienie poprzez zbiornik powietrza.
Ponieważ sprężarki mają-dużą moc, a kontrolę ciśnienia zwykle osiąga się poprzez ładowanie/rozładowywanie, silniki zawsze pracują z pełną prędkością. Praktyka pokazuje, że ta metoda sterowania pochłania ogromne ilości energii i jest wysoce marnotrawna. Dlatego obecnie panuje tendencja do stosowania jednego przemiennika częstotliwości sterującego wieloma jednostkami częstotliwości-linii, tworząc system-zamkniętej pętli ciśnienia.
VI. Zastosowanie falownika w systemie przygotowania i dostarczania środków chemicznych
Do odbarwiania, roztwarzania, powlekania, klejenia itp. wykorzystuje się duże ilości środków chemicznych. Ich zużycie jest proporcjonalne do prędkości wielu napędów maszyny papierniczej. Dlatego w układach dostarczania chemikaliów (np. w pompach) należy stosować układy napędowe prądu przemiennego o zmiennej prędkości. Sprzęt do mielenia, taki jak młyny kulowe, młyny koloidalne, młyny piaskowe i dyspergatory o wysokim-ścinaniu, są intensywnie wykorzystywane w przygotowaniu chemicznym. Ich główne cechy to duża moc, wysokie zużycie energii i trudne warunki pracy. Wielu producentów osiągnęło już dobre wyniki, stosując falowniki w sprzęcie szlifierskim.
Biorąc za przykład młyn piaskowy: jego zasada działania polega na dostarczaniu mielonego materiału do komory za pomocą pompy zasilającej. Napędzany przez obracającą się-prędkość tarczę dyspersyjną materiał jest poddawany intensywnym uderzeniom i mieleniu przez środki mielące, ulega dyspersji i mieszaniu z rozpuszczalnikiem, tworząc powłokę, która następnie wypływa przez górne sito. Główny silnik tego urządzenia ma moc 110 KW. Przed użyciem falownika często podczas uruchamiania stosowano metodę impulsowania (więcej niż trzy), aby równomiernie wymieszać powłokę i środek szlifierski. W przypadku różnych powłok mogą być potrzebne różne prędkości procesu, ale maszyna może pracować tylko z pełną prędkością. Kontrolowanie szybkości posuwu, aby zapobiec przeciążeniu silnika głównego, było trudne. Zużycie energii było poważne. Zastosowanie falownika o mocy 110 KW skutecznie rozwiązuje te problemy: prędkość impulsową i wolny czas pracy można łatwo ustawić, aby zapewnić optymalne mieszanie; bezstopniowa regulacja prędkości online umożliwia różne prędkości dla różnych produktów; prędkość posuwu można łatwo kontrolować poprzez monitorowanie rzeczywistego prądu roboczego silnika za pomocą funkcji-przed{10}}alarmowania przeciążeniowego i-bez wyzwalania; oszczędność energii na ogół przekracza 20%; straty w skrzyni biegów są zmniejszone, co pozwala uniknąć wpływu rozruchów częstotliwości sieciowej na skrzynię biegów; płynny prąd rozruchowy zapobiega uderzeniom w sieć, poprawiając bezpieczeństwo sieci. Aplikacje wsadowe istnieją już w przedsiębiorstwach papierniczych w Shandong, Heilongjiang, Hainan i innych regionach.
VII. Zastosowanie inwertera w systemie wentylacji suszarki
W części suszącej cała wilgoć odparowana z arkusza, wchłonięta przez powietrze, musi być w sposób ciągły usuwana z pomieszczenia maszyny papierniczej poprzez wymuszoną wentylację. Skuteczność wentylacji suszarni wpływa bezpośrednio na szybkość odparowywania wilgoci z arkusza i ogólną ekonomikę procesu suszenia. Dobra wentylacja obniża nasycenie parą powietrza, zmniejszając w ten sposób zużycie pary w cylindrach suszarki i zwiększając prędkość suszenia.
Ilość powietrza niezbędna do usunięcia odparowanej wilgoci z sekcji suszarki zależy od temperatury i wilgotności powietrza nawiewanego i wywiewanego, a także zastosowanego systemu wentylacji, warunków klimatycznych i pory roku. Zazwyczaj nowoczesne maszyny papiernicze wykorzystują wymuszony obieg powietrza w celu zapewnienia wysokiej wydajności, wykorzystując wentylatory nawiewne do dostarczania ogrzanego, suchego powietrza (około 80 stopni) do dolnej części sekcji suszarki, tworząc przepływ powietrza w górę poprzez pochłanianie gorącej pary pomiędzy cylindrami suszarki, a następnie wykorzystując wentylatory wyciągowe do odprowadzania wilgotnego, gorącego powietrza zgromadzonego w okapie na zewnątrz (z ewentualnym odzyskiem ciepła). W-szybkich maszynach papierniczych, ze względu na zwiększoną liczbę cylindrów suszących, zwykle stosuje się wiele zestawów grup wentylatorów nawiewnych i wywiewnych w sekcjach. Po zastosowaniu falowników, w oparciu o wzory obliczania objętości powietrza wentylacyjnego, objętość powietrza nawiewanego (prędkość wentylatora nawiewnego) i objętość powietrza wywiewanego (prędkość wentylatora wywiewnego) można regulować w czasie rzeczywistym-bez stosowania tradycyjnego sterowania przepustnicą, co dodatkowo zmniejsza zużycie energii, obniża poziom hałasu wentylatora i wydłuża żywotność mechaniczną.
VIII. Zastosowanie falownika w instalacjach wodnych
Maszyny papiernicze są głównymi konsumentami wody, włączając w to systemy wody pitnej, systemy ścieków, systemy wody uszczelniającej, systemy prysznicowe, systemy świeżej wody itp. Często wymagane jest zaopatrzenie w wodę pod stałym ciśnieniem w sieci rurociągów. Tradycyjnie kontrolę ciśnienia osiągano za pomocą obejść i zaworów regulacyjnych, rzadko stosując falowniki. Jednakże, ze względu na ogólny niedobór zasobów wody w Chinach, zastosowanie falowników może zaoszczędzić około 10% wody i 30% energii, nieuchronnie zmniejszając codzienne koszty operacyjne papierni.
Zwykle istnieją dwa tryby stosowania falowników w instalacjach wodnych: sterowanie pojedynczym falownikiem i tryb przemienny falownika.
Sterowanie pojedynczym falownikiem:Wyjście falownika w sposób ciągły steruje jedną pompą, podczas gdy pozostałe pompy są zasilane bezpośrednio z sieci-częstotliwości liniowej. Ich sygnały start/stop są sterowane ręcznie lub za pomocą logiki PLC.
Tryb przemienny falownika:Falownik napędza kolejno każdą pompę według ustalonej kolejności. Falownik może automatycznie określić liczbę pracujących pomp (w ustawionym zakresie) w oparciu o wymagania dotyczące kontroli-pętli zamkniętej ciśnienia. W danym momencie tylko jedna pompa jest napędzana przez falownik. Kiedy pompa napędzana-inwerterem osiągnie ustawiony górny limit częstotliwości i potrzebna będzie dodatkowa pompa, falownik przełącza tę pompę na pracę z częstotliwością-sieciową i jednocześnie rozpoczyna napędzanie innej pompy ze zmienną częstotliwością.
IX. Wniosek
Podsumowując, modernizacja maszyn papierniczych w systemy napędu inwerterowego nie tylko zapewnia znaczące-skutki w zakresie oszczędzania energii i zmniejsza koszty konserwacji sprzętu, ale także stwarza znaczne korzyści ekonomiczne dla przedsiębiorstw. Można śmiało stwierdzić, że perspektywy zastosowania układów regulacji prędkości o zmiennej częstotliwości w przemyśle maszyn papierniczych będą coraz szersze.