Умные сети постоянного тока для производственных установок

Большинство производственных предприятий и сегодня работают на переменном токе. Тем не менее, в долгосрочной перспективе исследовательские группы из Фраунгоферского института инжиниринга и автоматизации IPA и Института интегрированных систем и технологий устройств (IISB) хотели бы, чтобы промышленное производство переключилось на работу на постоянном токе.

В рамках совместного исследовательского проекта DC-INDUSTRIE 2 эти команды объединили усилия с более чем 30 партнерами для разработки новых систем электроснабжения для промышленности. Идея заключается в том, чтобы соединить все заводские электрические системы с интеллектуальной сетью постоянного тока (Direct Current), чтобы сделать электроснабжение более энергоэффективным, стабильным и гибким.

Энергосберегающие альтернативы для снабжения производственного оборудования

С конца 19 века переменный ток является стандартным средством передачи и распределения электроэнергии. В Германии, например, переменный ток - это то, что выходит из электрической розетки. Однако, что касается промышленности, исследователи из Университета Фраунгофера хотели бы изменить это обстоятельство: "Есть много веских причин, по которым промышленность должна перейти с переменного на постоянный ток", - говорит Тимм Кульманн, научный сотрудник в IPA Фраунгофера в Штутгарте. Кульманн и его партнеры по проекту хотели бы добиться изменения парадигмы в промышленном энергоснабжении и, в долгосрочной перспективе, перевести целые заводские цеха от переменного тока к постоянному.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"Мы уже окружены устройствами постоянного тока", - объясняет он. "Компьютеры, смартфоны и светодиоды работают с постоянным током и поэтому нуждаются в адаптере для преобразования переменного тока из сети". Однако что касается источников питания, то ситуация также меняется. В то время как обычные электростанции, такие как угольные и атомные, вырабатывают переменный ток, локально установленные и возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические установки, или, если уж на то пошло, электрохимические системы хранения энергии - всегда подают только постоянный ток.

В рамках проекта DC-INDUSTRIE 2 исследователи из IPA Фраунгофера и IISB Фраунгофера совместно с более чем 30 партнерами разработали и опробовали концепцию интеллектуальной, экономичной и эффективной системы подачи постоянного тока в производственный цех. Проект финансируется Федеральным министерством экономики и энергетики Германии (BMWi) и рассчитан до конца 2022 года.

Предшествующий проект DC-INDUSTRIE уже дал основания для оптимизма. Здесь партнеры смогли продемонстрировать целесообразность местного регулирования энергопотока для сети постоянного тока на заводе. Кроме того, был продемонстрирован переход от напряжения переменного тока к напряжению постоянного тока для повышения эффективности в диапазоне от 5 до 10%, так как при использовании сети постоянного тока намного проще использовать рекуперативное торможение, рекуперативную энергию от частотно-регулируемых приводов. В общей сложности четыре испытательные системы, оснащенные компонентами постоянного тока различных производителей, прошли испытания.

Теперь, когда эта концепция показала свою работу для группы машин, задача состоит в том, чтобы реализовать ее для всего производственного цеха. "В последующем проекте DC-INDUSTRIE 2 мы надеемся еще больше повысить энергоэффективность и сократить выбросы CO2", - объясняет Кульман. "В то же время мы хотим сделать систему более гибкой, чтобы она могла все больше использовать климатически нейтральную технологию. Наличие локальной сети постоянного тока на заводе облегчает балансировку любых колебаний электроснабжения, вызванных погодными изменениями объема электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, и, следовательно, все более частыми колебаниями сети".

Кроме того, большинство приводов в производственном оборудовании - это электродвигатели с регулируемой скоростью. Все они оснащены частотными преобразователями, которые работают на постоянном токе. Поэтому для питания электродвигателя переменным напряжением и частотой необходимо сначала исправить напряжение питания переменного тока. При непосредственном питании преобразователя частоты постоянным током эта ступень преобразования исключается, что позволяет избежать потерь при преобразовании энергии, а также упрощает рекуперацию энергии торможения. Аналогичным образом, процесс выпрямления подвергает сеть переменного тока высокой гармонической нагрузке, что, в свою очередь, требует применения продуманных и дорогостоящих мер фильтрации для обеспечения нормативного качества напряжения. При использовании сети постоянного тока такие меры больше не требуются.

Еще одним преимуществом является то, что распределение нагрузки между накопителями энергии, питанием от сети и возобновляемыми источниками энергии управляется локально на основе напряжения сети в качестве индикатора. Большое преимущество использования постоянного тока в производстве заключается в том, что вы можете подключить все электрические системы завода к одной "умной" сети постоянного тока", - говорит Кульман. "Это означает, что вы можете улучшить качество и доступность электроснабжения на вашем собственном заводе и тем самым повысить надежность производства".

 В проекте DC-INDUSTRIE 2 Кульман и его команда отвечают за анализ требований компании, процесс конверсии и управление сетью. Научные сотрудники Fraunhofer IISB отвечают за оборудование, необходимое для преобразования в постоянный ток. Сюда входит поставка преобразователей постоянного тока и защитного оборудования, проверка сети на устойчивость малого/большого сигнала, а также локальное управление взаимосвязанными трансформаторными системами. "Мы создаем микросетевые топологии - т.е. кластеры управления - которые позволяют нам балансировать и координировать накопление, производство и потребление энергии на местном заводском уровне", - говорит Кульман. "Они также могут работать в автоматическом режиме".

Новая сетевая структура имеет один или несколько интерфейсов к распределительной сети переменного тока. Это обеспечивает производственное оборудование постоянным напряжением через активные или пассивные выпрямители. Каждый элемент электрооборудования - например, частотно-регулируемые приводы, осветительные и технологические приборы - напрямую питаются постоянным током и подключаются к общей сети постоянного напряжения, работающей в диапазоне напряжений ±10% от номинального номинального значения 650 вольт. Это позволяет осуществлять прямой обмен энергией между различными приводами, которые служат, например, для ускорения или замедления работы машин и шпинделей станков.

Такие компоненты, как тормозные резисторы, сжигающие избыточную энергию, больше не требуются. Именно дальнейшее развитие силовых полупроводниковых устройств позволило создать эти новые сетевые структуры. Это связано с тем, что наличие этих новых силовых устройств позволило существенно снизить высокую стоимость, которая в противном случае требовалась бы для покрытия компонентов коммутации постоянного тока. "Мы также достигаем экономии энергии от 5 до 10%, просто используя постоянный ток", - объясняет Кульман.

Дальнейшие испытания уже проводятся в тестовых залах и на заводе №56, производственном предприятии, управляемом партнером по проекту Daimler в Зиндельфингене (Штутгарт). Завод Daimler оснащен активными входными преобразователями (активными двунаправленными выпрямителями), которые подключаются непосредственно к электросети и подают постоянный ток на некоторые узлы оборудования завода. "Двунаправленный" означает, что вы также можете снабжать электроэнергией внешнюю сеть переменного тока, в качестве услуги, всякий раз, когда у вас есть избыточная генерирующая мощность, поэтому это не улица с односторонним движением", - говорит Кульман. "А это, в свою очередь, означает, что обычные потребители также выигрывают от перехода к новой энергетической экономике в области Industrie 4.0". опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet