Odzysk energii hamowania i wspólna szyna DC. Jak ograniczyć zużycie energii w napędach?
Adobe Stock – xiaolianggeEnergia oddawana przez silniki podczas hamowania może zasilać inne napędy, wracać do sieci albo być magazynowana do wykorzystania w kolejnym cyklu. Wspólna szyna DC ułatwia jej przepływ, ale sama nie gwarantuje oszczędności. Ich wielkość zależy od przebiegów obciążenia, sposobu zagospodarowania nadwyżek i strat całego układu.
W maszynach o dynamicznym cyklu pracy silniki nie tylko pobierają energię, ale także okresowo ją oddają. Dzieje się tak podczas hamowania, opuszczania ładunków i utrzymywania naprężenia rozwijanej wstęgi materiału. W klasycznym rozwiązaniu rezystor hamowania zamienia tę energię w ciepło, które trzeba odprowadzić do otoczenia. Jej odzysk wymaga odpowiedniego układu zasilania i sterowania. Można połączyć obwody pośrednie przemienników wspólną szyną prądu stałego (DC), zastosować zwrot energii do sieci prądu przemiennego (AC) albo dołączyć magazyn energii. Wybór powinien wynikać z pomiarów rzeczywistego procesu, a nie wyłącznie z mocy znamionowej silników.
Praca generatorowa – kiedy silnik oddaje energię
Podczas pracy generatorowej silnik przetwarza energię mechaniczną napędzanego układu na energię elektryczną. Nie musi przy tym zwalniać – tak samo jest przy opuszczaniu ciężaru ze stałą prędkością. Moment elektromagnetyczny i prędkość kątowa mają wtedy przeciwne zwroty, więc ich iloczyn, czyli moc mechaniczna, zmienia znak.
W typowym przemienniku częstotliwości energia płynie z silnika przez część falownikową do obwodu pośredniego DC. Prostownik diodowy na wejściu uniemożliwia jej zwrot do sieci. Jeżeli nic jej nie odbiera, ładuje ona kondensatory, a napięcie w obwodzie rośnie. Przekroczenie progu zabezpieczenia nadnapięciowego może spowodować wyłączenie przemiennika. Czoper hamowania, czyli elektroniczny łącznik, impulsowo załącza rezystor, gdy napięcie obwodu DC przekroczy ustaloną wartość, niższą od progu zabezpieczenia. Układ ogranicza w ten sposób napięcie, lecz energia zostaje rozproszona w postaci ciepła. Hamowanie elektryczne nie jest więc automatycznie równoznaczne z odzyskiem energii.
Wspólna szyna DC – wymiana energii między napędami
W układzie wielonapędowym kilka falowników jest zasilanych ze wspólnego obwodu DC. Moduł zasilający prostuje napięcie sieciowe, a falowniki wytwarzają napięcia o częstotliwościach wymaganych przez silniki. Energia oddawana przez jeden napęd może przez szynę zasilać inny, bez zwrotu do sieci AC i ponownego prostowania. Mimo wspólnego obwodu pośredniego każdy silnik ma własny falownik i jest sterowany niezależnie.
Bezpośrednie wykorzystanie tej energii jest możliwe, gdy fazy hamowania jednych napędów i poboru mocy przez inne nakładają się w czasie. Przykładem jest wirówka dekantacyjna z bębnem i ślimakiem. Gdy napęd ślimaka pracuje generatorowo, oddawana przez niego energia może zasilać główny napęd bębna. Podczas zatrzymywania bębna bilans się zmienia: energia kinetyczna wirującego zespołu jest oddawana do szyny DC. Układ musi więc zapewniać także odbiór ewentualnej nadwyżki przy hamowaniu.
Jeżeli hamujący napęd oddaje do szyny 12 kW, a pozostałe pobierają z niej 20 kW, brakujące 8 kW dostarcza moduł zasilający. Gdy pobór spadnie do 5 kW przy niezmienionej mocy oddawanej, powstaje nadwyżka 7 kW. Podane moce dotyczą szyny DC, bez strat modułu zasilającego.
Zwrot nadwyżki energii hamowania do sieci – AFE i jednostka zwrotu
Nadwyżkę energii na szynie DC można rozproszyć w rezystorze hamowania, zmagazynować albo oddać do sieci AC. Ostatnia możliwość wymaga przekształtnika regeneracyjnego. Wymiana energii między napędami i jej zwrot do sieci są odrębnymi funkcjami, które można połączyć w jednym układzie.
Przekształtnikiem regeneracyjnym może być osobna jednostka zwrotu energii, dołączona do szyny DC równolegle z napędami, lub dwukierunkowy moduł zasilający, np. aktywny prostownik (Active Front End – AFE). Jednostkę zwrotu dobiera się do nadwyżki mocy na szynie DC, czasu jej trwania i dopuszczalnych przeciążeń. AFE zasila natomiast cały wspólny obwód, dlatego jego dobór musi uwzględniać obciążenie w obu kierunkach przepływu mocy, jednoczesność pracy napędów i straty układu.
AFE z wymaganym wyposażeniem filtrującym może pobierać prąd zbliżony do sinusoidalnego i ograniczać zawartość wyższych harmonicznych. Sama jednostka zwrotu w układzie z prostownikiem diodowym nie eliminuje harmonicznych wytwarzanych przez ten prostownik. Nie wszystkie przekształtniki regeneracyjne aktywnie regulują napięcie obwodu DC. Zwrot energii wymaga synchronizacji z napięciem sieci, a dławiki i filtry zapewniające kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) należy dobrać zgodnie z dokumentacją producenta.
Odzysk energii do sieci stosuje się również w pojedynczym napędzie, np. często hamującej wirówki lub mechanizmu podnoszenia. Oddana energia może zasilać inne odbiorniki w zakładzie.
Magazyn energii hamowania w obwodzie DC
Gdy wszystkie napędy hamują jednocześnie, na szynie DC brakuje odbiorcy oddawanej energii. Magazyn pozwala przesunąć jej wykorzystanie na kolejny etap cyklu. Stosuje się m.in. dodatkowe moduły kondensatorowe dołączane do szyny DC. Inne magazyny mogą wymagać przekształtnika DC/DC, który dopasowuje napięcia i steruje ładowaniem oraz rozładowaniem.
Możliwość magazynowania energii w kondensatorach obwodu pośredniego jest ograniczona ich pojemnością i dopuszczalnym wzrostem napięcia. Energię, jaką mogą przyjąć, opisuje wzór: ΔE = C(U2max − U2min)/2, gdzie C oznacza pojemność, a Umin i Umax – początkowe i maksymalne dopuszczalne napięcie. Dla pojemności 10 mF i wzrostu napięcia z 600 do 700 V kondensatory przyjmą 650 J. Przy stałej nadwyżce mocy 10 kW odpowiada to czasowi ładowania 65 ms. Uproszczony przykład pokazuje, że samo połączenie kondensatorów kolejnych napędów nie gwarantuje przejęcia całej energii hamowania.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Przy doborze magazynu trzeba określić energię do przejęcia w jednym cyklu oraz maksymalną moc ładowania i rozładowania. Istotny jest również stan naładowania przed rozpoczęciem cyklu: pełny magazyn nie przyjmie kolejnej nadwyżki. Sterowanie powinno zapewniać rezerwę na przyjęcie energii hamowania, a układ – możliwość jej zagospodarowania, gdy magazyn jest niedostępny. Ograniczenie szczytowego poboru mocy z sieci stanowi osobną korzyść i nie oznacza zmniejszenia zużycia energii wyrażonego w kWh.
Pomiar cyklu pracy – podstawa doboru układu odzysku
Przed wyborem urządzeń należy zarejestrować przebiegi mocy podczas przyspieszania, pracy ustalonej i hamowania. Trzeba przy tym uwzględnić sytuacje skrajne, np. jednoczesne zatrzymanie napędów. Pomiar na zasilaniu pokazuje bilans wymiany energii z siecią, a dane napędów i obwodu DC – przepływy wewnętrzne. Rozdzielczość rejestracji musi pozwalać uchwycić krótkie impulsy hamowania, które mogą być niewidoczne w danych uśrednionych w długich przedziałach czasu.
Na tej podstawie porównuje się wymianę energii między napędami, zwrot do sieci i magazynowanie, uwzględniając straty poszczególnych rozwiązań. Przykładowo 0,02 kWh użytecznej energii odzyskanej na cykl przy 300 tys. cykli w roku daje 6000 kWh rocznie. Zestawienie wartości zaoszczędzonej energii z kosztem zakupu, montażu i utrzymania urządzeń pozwala oszacować okres zwrotu inwestycji. Rzadkie hamowanie może przemawiać za pozostawieniem rezystora, a częsta lub długotrwała praca generatorowa – za analizą opłacalności odzysku.
Wspólna szyna DC – zgodność urządzeń i zabezpieczenia
Dopuszczalność połączenia napędów musi wynikać z dokumentacji producenta. Urządzenia powinny mieć zaciski przeznaczone do współpracy ze wspólną szyną DC i zgodne zakresy napięcia. Trzeba sprawdzić dopuszczoną konfigurację zasilania, obciążalność zacisków i przewodów oraz sposób wstępnego ładowania kondensatorów, bo każdy dołączony moduł zwiększa pojemność ładowaną przy załączeniu zasilania.
Długość i sposób prowadzenia połączeń również określa producent. Zabezpieczenia gałęzi dobiera się zgodnie z jego wytycznymi, uwzględniając napięcie i spodziewane prądy zwarciowe obwodu DC. Jeżeli przemienniki zachowują osobne zasilanie AC, mogą być wymagane dławiki sieciowe wyrównujące podział prądu między prostownikami. Koordynacja zabezpieczeń powinna umożliwiać odłączenie uszkodzonej gałęzi i ograniczać skutki dopływu energii z pozostałych części układu.
Osobnej analizy wymaga hamowanie po zaniku sieci, gdy przekształtnik regeneracyjny nie może oddawać do niej energii. Jeżeli potrzebne jest kontrolowane zatrzymanie, układ musi zapewniać inną drogę przejęcia energii hamowania, np. przez czoper z rezystorem lub odpowiednio dobrany magazyn. Do końca zatrzymywania trzeba też podtrzymać zasilanie sterowania.
Uzyskaną oszczędność należy potwierdzić pomiarem zużycia energii na porównywalny cykl lub jednostkę produkcji. Wspólna szyna DC umożliwia przepływ energii, lecz korzyść zależy od tego, czy energię da się wykorzystać w wymaganym czasie.
