Когда дело доходит до систем плавления стекла, рост затрат на энергию в сочетании со спросом на неизменно высокое качество стекла является проблемой по причине высоких энергозатрат. Фрэнк Шлипер объясняет, как Advanced Energy Industries разработала мощное решение с низким уровнем воздействия на энергосистему.
Стекло, в зависимости от состава, образует однородную массу только при температуре около 1100-1500 °C. Поэтому вопросы энергоснабжения, распределения энергии и, в конечном итоге, затрат на энергию имеют первостепенное значение.
Хотя для многих стекловаренных ванных печей по-прежнему используется ископаемое топливо, все чаще применяются дополнительные системы электрического обогрева для улучшения качества стекла и характеристик плавления при одновременном сокращении выбросов.
Поскольку стекло приобретает свойства электропроводности при температуре около 800 °C, нагревательные электроды для так называемого ускорения устанавливаются непосредственно в расплав. Это означает практическое отсутствие потерь и гораздо более точную управляемость, чем в случае использования систем нагревания на ископаемом топливе.
Каналы питателя обогреваются либо исключительно электрическим способом, либо комбинацией газового обогрева с дополнительным электрическим обогревом для дальнейшей гомогенизации массы.
Электрически оптимизированный нагрев
В стекольной промышленности регулирующие трансформаторы часто используются для управления электродами в повышающем диапазоне, но они обладают существенными недостатками, обусловленными слишком большой массой, высокой стоимостью и чрезвычайно большими размерами. Кроме того, как правило, имеется высокий риск загрязнения окружающей среды и необходимость технического обслуживания вследствие использования охлаждения с помощью масла.
Основываясь на недостатках регулирующих трансформаторов, описанных выше, и на отзывах клиентов, полученных в ходе эксплуатации установок по всему миру, команда Advanced Energy Industries (AEI) пришла к идее использования контроллеров мощности SCR (однопереходный тринистор) в сочетании с меньшими ступенчатыми трансформаторами для ускорения нагревания, потому что с их помощью можно обеспечить гораздо более динамичный контроль в процессах управления.
Использование такой технологии предоставляет возможность многократного использования даже при работе с нестабильными электросетями, поскольку технологический процесс позволяет быстро реагировать на любые колебания сетевого напряжения.
Контроллер мощности
Серия контроллеров мощности Thyro-PX SCR от AEI отличается широким диапазоном режимов работы и управления, а также возможностью обмена данными с различными современными системами управления. Доступны модели устройства для работы с током до 2900А и напряжением до 690В.
Рисунок 1. Пример процесса ускорения нагревания с Thyro-PX в режиме VSC. Серия высокоточных цифровых и неизнашиваемых контроллеров мощности SCR от AEI использовалась некоторыми клиентами на протяжении нескольких десятилетий без каких-либо сбоев.
Использование контроллера мощности Thyro-PX в цепи последовательного управления напряжения (VSC) значительно снижает реактивную мощность и гармонические искажения, тем самым увеличивая общий коэффициент мощности ускорения нагревания (см. Рисунок 1). Таким образом, особенностью полученной системы нагревания является встроенная двухступенчатая технология VSC (Рисунок 2).
Рисунок 2. Схема двухступенчатой цепи VSC
VSC отличается от широко используемого метода контроля фазового угла (VAR). На Рисунке 3 показана кривая коэффициента мощности для двухступенчатого подключения VSC. В этом случае коэффициент мощности составляет ≥ 0,9 при регулировании нагрузки >, 53%, в результате чего при использовании сети нет дополнительных затрат за реактивную мощность. Для высокопроизводительных систем это является значительным фактором стоимости.
Рисунок 3. Коэффициент мощности, соответствующий выходной эффективной мощности (модуляция двухступенчатого VSC-соединения).
В то же время значительно уменьшаются гармонические колебания. Верхний край серой линии на Рисунке 4 обозначает высокое отношение гармонических колебаний к (дорогой) реактивной мощности во время фазового контроля VAR. Оранжевая линия иллюстрирует преимущества режима VSC: достигается то же среднеквадратичное значение как и для контроля фазового угла, но имеет приблизительно синусоидальную форму [колебания синусоидальной волны]. Образуемый небольшой фронт настолько мал, что в результате возникает высокий коэффициент мощности с низким уровнем гармонических колебаний и столь же низкой реактивной мощностью.
Рисунок 4. Сравнение контроля фазового угла (VAR) и VSC (последовательного контроля напряжения) с одним и тем же среднеквадратичным значением тока.
Решение AEI позволяет оптимизировать не только реактивную мощность, требования к пространству и затраты на установку, но и стоимость трансформатора. Применение современных статических трансформаторов с водяным охлаждением также увеличивает потенциал экономии.
Реактивная мощность не означает невидимых затрат
Коэффициент мощности, переменная для расчета, при неправильном управлении может резко увеличить эксплуатационные расходы. Гипотетический расчет показывает различия в использовании режимов контроля фазового угла (VAR) и контроля последовательности напряжения (VSC). Рассмотрим достаточно реалистичные системные параметры нагревателя мощностью 1000 кВт. Если бы нагреватель работал с коэффициентом мощности λ = 0,83, ежегодные затраты на реактивную мощность составили бы около 15 000 евро [13 340 фунтов стерлингов] в год, как показано на Рисунке 5. Увеличение λ до 0,9 нивелирует дополнительные затраты. Таким образом, получается экономия 15 000 евро в год. На рисунке показан пример нормированных затрат на реактивную мощность.
Рисунок 5. Пример нормированных затрат на реактивную мощность.
Однако это еще не все. Из-за более низкой полной мощности трансформатора возможно использование трансформатора меньшего размера. То же самое относится и к остальным компонентам электрической системы, то есть возможно использование моделей меньшего размера. Распределительное устройство также можно сделать меньшего размера.
Об авторе: Франк Шлипер, менеджер по продажам в регионе Европа, Ближний Восток и Африка, Photonics & Power Control Solutions в Advanced Energy Industries
