Hvernig skal auka árangur umbeða til að passa við breytilega álag í framleiðsluverkstöðvum?

Inngangur að rafmagnsþáttum í framleiðslu

Framleiðslustöðvar eru einkennðar af mjög breytilegum og sveiflandi rafmálsálagi. Í tíðarskeiði á 24 klukkustundum hækka og lækkar rafmagnsnotkunin þegar framleiðslulínurnar hófust, CNC-vélarnar ferðast í gegnum skurðferðir, loftþjöppunarfylkið ferðast og ljós í stöðinni er kveikt og slökkt. Hönnun ótengdrar eða öryggisrafmálskerfis fyrir slík breytileg umhverfi krefst meiri en að tryggja að kerfið geti unnið hámarksálagið.

Til að ná bestu hagstæðu afköstum og lágmarka kostnað við notkun á rafmagni eða brennisteini verða kerfisheilar að greina áhrifavirkni rafmagnsinnvendara. Áhrifavirkni innvendara er ekki staðlað; hún breytist miklu eftir virkum hleðslum. Að vinna innvendara langt utan við bestu áhrifavirkni hans getur leitt til mikillar spillingar á orku.

Þessi grein veitir tæknilega greiningu á áhrifavirkni innvendara og útskýrir hvernig á að hönnuða og hámarka margra innvendara kerfi fyrir framleiðsluumhverfi sem eru undir stöðugum breytingum.

Spurning: Hvernig geta hönnuðar kerfis hámarkað áhrifavirkni innvendara í framleiðslustöðvum með mjög breytilegum hleðslum?

Til að hámarka ávinning úr umbreytaraflækjum í framleiðsluverfum með breytilegum hleðslum þurfa verkfræðingar að framkvæma nákvæma rannsókn á rafhleðslu, forðast of stóra einstaka umbreytara, innleiða módulega samsíða umbreytaraflækju og nota dýnamískt fasafrádrátt (eða stigvirknun með yfirvaldi og undirvaldi). Þessi stigvirknun heldur virku umbreytörum í hámarksávinningssvæðinu (venjulega á milli 50% og 80% af raðstofnuðu getu) og skiptir óvirku einingum yfir í svefnástand án neins straumneyslu. Hönnun með hárar afgerðar JYINS iðnaðarumbreytörum tryggir hámarksávinning á allri hleðslusvæðinu.

Hlutbundinn uppbygging umbreytaraflækju

Til að hámarka ávinning þurfum við fyrst að skilja stærðfræðilegu og efnislegu tapin sem skilgreina starfsemi umbreytara. Ávinningur umbreytara (eta) er reiknaður sem:

eta = (AC aflúttur / DC aflinntak) × 100%

Þessi hlutfall er áhrifar af þremur aðalflokkum innri afltapa sem breytast mismunandi eftir hleðslusvæðinu:

• Töpp í óhlaða ástandi (fastar töpp): Þetta eru afltaparnir sem nauðsynjast til að halda umvöndvaranum í virkri staða, þar á meðal afl fyrir stýriplötuna, kæliþyrlur og mágnetskerðis (járn) tap í lágfrekvenzíbreytum. Þessi tap eru alveg óháð hleðslunni. Við mjög léttar hleðslur (t.d. undir 10% af raðstofnuðu getu) skipta fastu tappinu helstu hlutverki í jöfnuninni og valda því að ávöxtunarmörkunin falli hratt niður í mjög lága gildi (oft undir 50%).
• Tapaleiðslu (I²R) tap: Þegar rafstraumur (I) rennur í gegnum innri hluti umvandans, svo sem koparhringslínur á PCB, tengistöðvar, síuþátta, og innri rásarviðmót í MOSFET-rafhlutunum, er orka losnuð sem hiti. Tap vegna leiðslu eru í beinu hlutfalli við ferhyrningskvadrat hleðslustraumsins. Þegar hleðsla er há (t.d. yfir 90% getu) aukast tap vegna leiðslu í veldi, sem valdar léttillega lækkun á þvervinnuferlinu.
• Skiptitap: Þetta eru orkutap sem koma fram í rafhlutunum (MOSFET eða IGBT) þegar þeir skipta milli 'á' og 'ó' staða. Skiptitap eru í beinu hlutfalli við skiptifrequens og spennuna. Þau halda sér til þess að vera tiltölulega línuleg á allri hleðslusvæðinu.

Þegar þessar tap eru mynduð á grafi sem sýnir prósentu af hleðslu (x-ás) frammi fyrir prósentu af ávöxtun (y-ás), kemur fram greinileg feril. Fyrir venjulegan háþætt industrial inverter er hámarksávöxtunin (oft 93% til 96%) náð í „góða svæði“ milli 50% og 80% hleðslu. Undir 20% hleðslu lækkar ávöxtunin hratt vegna fastra tapa. Yfir 90% hleðslu lækkar ávöxtunin smá vegna vaxandi leiðingartapa.

Vandamál við stærðarákvörðun í umhverfi með breytilegri hleðslu

Algeng villa hjá kerfisbyggjum er að velja einn stóran inverter byggt á hámarksupphafshleðslu á byggingunni.

Til dæmis, ef verkstæði hefur hámarksupphafshleðslusprengingu á 30 kW þegar stór dust extractor er kveiktur, en spendur 90% af vinnumálinu sínu á að draga samfelldan bakgrunnshleðslu á aðeins 3 kW, gæti hönnuðurinn sett upp einn 40 kW inverter.

Þótt þessi 40 kW inverter með einföldu haldi á 30 kW sprenginguna, er hann í meirihluta dagsins í rekstri aðeins við:

(3 kW / 40 kW) 100% = 7,5% hleðslu.

Við 7,5% hleðslu er ávinnusta umvandlaðarins mjög lág – líklega um það bil 65% vegna hárra innri staðværu notkunar (sem gætu verið 200 W af stöðugum frádráttum). Þetta þýðir að kerfið waste mikla magn af orku allan daginn, þar sem stærri sóluröðvar eru nauðsynlegar og skemmir á rafhlaðum hröðunast. Þetta er þekkt sem „óþarfa stærðargreiningar óárangurs“.

Verkfræðilegar leysingar fyrir aukningu ávinnustu

Til þess að leysa þetta nota nútíma iðnaðarhönnuðar nokkrar ítarlegar kerfisstigssamstæður:

• 1. Nákvæm hleðsluúrvörpun

Áður en tæki eru valin skal setja upp mælitæki fyrir aflgæði til að skrá virka hleðslu (kW) og sýndarhleðslu (kVA) í viðskiptum á 1 mínútus fresti yfir venjulegan vikudag. Skal greina grunnstaðværuhleðslu, meðalhleðslu í rekstri og tímalengd og tíðni topp-hleðsluhópa við rökkun. Þessi gögn skila marksvæði rekstrar fyrir umvandlaðarkerfið.

• 2. Hólfuðar samhliða umvandlaðar

Í stað einnar 40 kW sniðbreytis er valið faglega hannaður móduleffni með fjórum 10 kW JYINS sniðbreytum sem eru samhæfðar í sérstökum tengingum. Þegar stöðin er í notkun með meðaltalsálagið á daginn, 8 kW, getur kerfið dreift álaginu. Mikilvægara er að það getur dregið óþarfa einingar úr virkni á skilyrðisbundinn hátt.

• 3. Skilyrðisbundin fjölfaasing (stjórnandi-undirstjórnandi skipulag)

Í heppilegu móduleffni sem er tengt með hraðvirkum sérstökum tengingum fylgist kerfisstjóri við virkt álag á rauntíma.

• Við álag undir 8 kW er aðeins ein 10 kW „stjórnandi“ sniðbreyta virk, sem er álagð til 80% af getu sinni og er því í bestu virkjunarsvæðinu sín, þ.e. 94% ávirkanir.
• Hinar þrjár 10 kW „undirstjórnandi“ sniðbreyturnar eru settar í svefnástand án neinrar rás, sem felur í sér að engin álagshagnaður á viðfangseiningunni er til staðar.
• Þegar dusturinnþrengirinn kemur í gang og hleðslan stígar upp í 28 kW, vaknar stjórnunaraftækið strax upp þremur sofnuðum inverterum (á milli millisekúnda) til að styðja hleðsluna. Þegar hækkunin er liðin og hleðslan lækkar aftur, eru undirstjórnunaraftækin sett aftur í svefn. Þessi vaxandi skynjun hámarkar árangur kerfisins yfir alla 24 klukkustundanna.
• 4. Skipta-bús dreifing fyrir áætlaðar hleðslur

Ef ákveðin háveldisvélvörur eru einungis í notkun á ákveðnum tímum (t.d. háhitahitunareldar sem eru notaðir einu sinni á viku), skal tengja þessar vélar við sérstaka, aðskiljanlega AC undirdreifnisskáp. Þessi undirdreifnisskáp getur verið fæddur af sérstökum inverterabanki sem er líkamlega slökktur með snertistöðum þegar hann er ekki í notkun, svo að aðal-inverterabankinn verði aldrei of stór fyrir daglega grunnhleðsluna.

Ályktun

Að hámarka ávinningur í breytistöðvum í framleiðslustöðvum með breytilegum hleðsluþröngum er mikilvægur skref til að minnka rekstrar kostnað og bæta áreiðanleika raforkuskerfis. Með því að skilja efnilega áhrif á tap í breytistöðvum – núllhleðslutap undir léttum hleðsluþröngum og leiðnitap undir þungum hleðsluþröngum – geta hönnuðir forðast vandamálið sem kemur með ofstór útfærslu á einni einingu. Með því að innleiða módulesk breytistöðvararkitektúru með iðnaðarbreytistöðvum frá JYINS og stilla staðsett stýringu á fasa með yfir- og undirstýringu (master-slave) er tryggt að kerfið virki alltaf innan bestu vinnumarka sín. Þessi virka orkustjórnun verndar fjárhagslegum fjármögum, hámarkar notkun á rafhladum og gefur mikla fjárhagssparnað á langan tíma.