Modernizacja układu napędowego wózka jezdnego do produkcji betonu za pomocą nowej generacji falownika z serii FR-A800 z modułem regeneratywnym od Mitsubishi Electric. Jest to nowatorskie rozwiązanie ograniczające w znaczny sposób zużycie części eksploatacyjnych i pozwalające jednocześnie produkować prąd podczas procesu wytwarzania betonu.
Opis pracy kosza przed modernizacją
Wózek ma za zadanie transport wymaganych składników do produkcji betonu. Porusza się po rampie nachylonej względem ziemi w kierunku góra/dół. Napędzany jest silnikiem elektrycznym dwubiegowym o mocy 18,5/23KW oraz prądzie znamionowym wynoszącym 38/47A. Połączony jest on z przekładnią mechaniczną zwiększającą moment wyjściowy generowany na wale. Opisywany zespół napędowy steruje pracą lin, do których przymocowany jest wózek transportowy. Wał silnika elektrycznego sprzężony jest z hamulcem mechanicznym, który odpowiada za zatrzymywanie kosza oraz uniemożliwia obrót wału silnika podczas postoju oraz w przypadku braku zasilania. Podczas jazdy w górę silnik pracuje z prędkością 1465 RPM, natomiast w trakcie zjazdu 2940 RPM. Na rampie podjazdowo-zjazdowej umieszczone są czujniki krańcowe, które sygnalizują konieczność zmiany biegu pracy na wyższy bądź niższy.
Rozruch silnika odbywał się z wysokim prądem przekraczającym pięciokrotność prądu znamionowego. Z uwagi na brak kontroli prędkości oraz rozruch bezpośredni z sieci za pomocą stycznika, podczas jego normalnej pracy dochodziło do bardzo dużych przeciążeń wynikających z gwałtownych przyspieszeń i wyhamowań. Stresom ulegały wszelkie połączenia mechaniczne wchodzące w skład układu napędowego. Szczególnie na takie stresy narażony był układ hamulca mechanicznego oraz jego główne elementy składowe, czyli tarcze hamulcowe. Częste przeciążenia oraz przeregulowania prowadziły do znacznie szybszego skrócenia czasu życia głównych elementów układu napędowego.
Opis sekwencji pracy wózka i hamulca przed modernizacją – wyjazd/zjazd
Podczas wyjazdu:
- kosz dwukrotnie startuje na pierwszym biegu pod pełnym obciążeniem, czyli hamulec puszcza, a silnik działa na prądach zwarciowych generując przeciążenia i znaczny pobór prądu.
W trakcie zjazdu:
- wyzwalany sygnał start – hamulec mechaniczny odpuszcza, wózek startuje na pierwszym biegu pracy, silnik generuje wysoki moment i dochodzi do szarpnięcia w skutek nagłego i gwałtownego przyspieszenia wału silnika.
- dojazd do czujnika krańcowego 1 – zmiana biegu na drugi poprzez stycznik co powoduje znaczny skok pobieranego prądu.
- dojazd do czujnika krańcowego 2 – redukcja na wolniejszy bieg generując kolejne przeciążenia.
- końcowy czujnik i sygnał stop – zdejmowanie napięcia z silnika przy prędkości 1465 RPM. Hamulec mechaniczny zaciska szczęki na wale silnika uniemożliwiając jego dalszy ruch. Dochodzi do gwałtownego zatrzymania wału silnika. Cała energia przejmowana jest przez szczęki zaciskowe hamulca mechanicznego.
Pobór prądu przez silnik elektryczny przed modernizacją
- w trakcie procesu rozruchu silnik pobierał aż 180A
- jazda w górę pobór na poziomie 35A
- zjazd w dól 41A
Cel projektu
Zwiększenie efektywności energetycznej przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia części eksploatacyjnych i wyeliminowaniu niepotrzebnych przestojów oraz poprawa kontroli prędkości wózka jezdnego poprzez zastosowanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych od Mitsubishi Electric.
Zrealizowany zakres prac:
- Dezaktywacja istniejącego obwodu rozruchu bezpośredniego i jego częściowa adaptacja.
- Instalacja falownika wraz z kompletem wymaganych zabezpieczeń i obwodów pomocniczych.
- Instalacja modułu regeneratywnego współpracującego z przemiennikiem częstotliwości i umożliwienie tym samym zwrotu energii do sieci elektroenergetycznej podczas procesu hamowania silnikiem elektrycznym. Dobór i instalacja wymaganych zabezpieczeń oraz obwodów pomocniczych.
- Konfiguracja i optymalizacja parametrów pracy zestawu przemiennik – moduł zwrotu.
- Adaptacja istniejącego układu sterowania wraz z istniejącymi aktuatorami, czujnikami oraz panelami sterowniczymi.
- Testy uruchomieniowe i odbiorowe nowego systemu napędowego.
Osiągnięte rezultaty:
- Znacząca minimalizacja poboru prądu rozruchowego silnika o wartość 450% z poziomu 180A do poziomu 40A.
- Nowa sekwencja pracy hamulca mechanicznego. Jego praca obsługiwana jest bezpośrednio z poziomu sterownika. Jest on całkowicie odciążony, a cała bezwładność wózka przejmowana jest przez falownik. Dzięki temu uzyskujemy znacznie większą żywotność części eksploatacyjnych.
- Poprzez zastosowanie zespołu regeneratywnego, możliwy jest odzysk energii elektrycznej podczas jazdy wózka w dół, a także podczas procesu hamowania silnikiem elektrycznym.
- zabezpieczenie silnika elektrycznego przed skutkami przeciążenia, zwarcia czy przepięcia. Wbudowane układy diagnostyczne precyzyjnie informują o pojawiających się zagrożeniach z podaniem potencjalnych przyczyn zaistnienia danego problemu. Nowe rozwiązanie w znacznym stopniu eliminuje możliwość powstania niekontrolowanej awarii i kosztownych przestojów.
- Możliwość zwiększenia wydajności dla niektórych mieszanek poprzez bardziej efektywną (szybszą) pracę wózka jezdnego. Prędkość wózka może ulec zmianie wedle bieżących potrzeb produkcyjnych. Możliwe jest zarówno przyspieszenie jak i zwolnienie jazdy wózka w rozsądnych granicach. Możliwa jest natomiast modernizacja polegająca na znacznym przyspieszeniu jazdy wózka, wymaga to jednak zmian w naszym projekcie.
- Pełny monitoring pracy napędu oraz możliwość spokojnego zaplanowania przeglądów i kontrolowanych remontów poza godzinami pracy linii produkcyjnej. Jednostka sterująca wyświetla w czasie rzeczywistym szereg zmiennych silnika, jak prędkość, moc, moment, napięcie. Na podstawie wskazań wywnioskować można chociażby zbliżający się kres pracy łożysk silnika.
- Zastosowanie inwertera zmniejsza pobór mocy biernej z sieci przez silnik, co również przyczynia się do oszczędności finansowych.
- Dzięki odzyskiwaniu energii, koszty związane z jej zakupem zostały obniżone. Eliminacja przeciążeń oraz przeregulowań, związanych z charakterem rozruchu bezpośredniego oraz swobodna zmiana prędkości i kontrolowane hamowanie silnikiem sprawiają, iż redukcji ulegnie średni czas przestoju wózka, a co za tym idzie utrzymana zostanie ciągłość produkcji.
- Oszczędność energii elektrycznej na poziomie 11 kWh dziennie, co daje w ciągu miesiąca oszczędności 264 kWh, a w okresie roku kalendarzowego wynoszą one 3168 kWh.
- Szybki zwrot inwestycji w czasie ze względu na oszczędność energii elektrycznej, wydłużenie czasu życia elementów składowych układu napędowego oraz brak niepotrzebnych przestojów.
- Redukcja śladu węglowego oznacza minimalizację wpływu na środowisko poprzez zmniejszenie emisji CO2. Jazda wózka stała się znacznie bardziej pro-ekologiczna.
Opis pracy wózka po modernizacji
Prędkość, moment oraz czasy przyspieszeń i hamowań są całkowicie kontrolowane. Obecnie silnikiem można sterować w pełnym jego zakresie, a nawet ponad znamionowym. Jednocześnie osiągalne jest generowanie bardzo wysokiego momentu na wale silnika. Możliwe to jest dzięki odpowiedniej parametryzacji innowacyjnych algorytmów sterowania silnikiem zaimplementowanych w strukturach przetwornicy FR-A840 Mitsubishi Electric. Praca hamulca mechanicznego została całkowicie przejęta przez nowy układ sterowania. Hamulec w chwili obecnej służy jako typowy „ZWALNIAK” czyli układ uniemożliwiający obrót wału silnika w przypadku braku zasilania. Dzięki zaadaptowaniu istniejącego sterowania oraz infrastruktury kontrolno – pomiarowej, sama praca wózka nie uległa zmianie – nadal wykonuje powtarzalne ruchy w kierunku góra/dół z tą różnicą, iż podczas każdej jazdy w dół uzyskujemy znaczny odzysk energii elektrycznej. Silnik elektryczny w trakcie procesu hamowania staje się prądnicą. Zastosowanie modułu regenratywnego pozwala na przepływ odzyskanej energii z powrotem do źródła zasilania. Dodatkowo dzięki kontroli prędkości oraz regulowanym czasom rozpędzania i hamowania silnika zminimalizowano występujące stresy mechaniczne oraz przeregulowania. Możliwa jest również zmiana wydajności poprzez przyspieszenie pracy układu dla niektórych mieszanek.
Opis sekwencji pracy wózka i hamulca mechanicznego po wykonanej, modernizacji
- każdorazowo gdy wyzwalany jest sygnał start – przetwornica generuje odpowiedni moment przejmujący masę wózka z załadunkiem. Następnie hamulec mechaniczny odpuszcza i wózek płynnie startuje uzyskując wymaganą prędkość. Wszystko następuje w sposób kontrolowany i pozbawiony przeciążeń,
- podczas zjazdu, gdy kosz mija czujnik krańcowy 1 – następuje łagodna zmiana prędkości wedle regulowanego czasu przyspieszania,
- dojazd do czujnika krańcowego 2 – wózek w kontrolowany sposób zwalnia
- końcowy czujnik i sygnał stop – schodzimy do niskiej prędkości wynoszącej kilka obrotów na minutę zapewniając ciągłe wytworzenie odpowiedniego momentu na wale silnika. Hamulec mechaniczny zaciska szczeki na wale silnika. Wszystko dzieje się w kontrolowany i regulowany sposób bez przeregulowań i przeciążeń.
Pobór prądu przez silnik elektryczny po wykonanej modernizacji
W trakcie procesu rozruchu silnik pobiera około 40A, co daje redukcję prądu rozruchowego na poziomie 450% względem sytuacji przed modernizacją. Podczas jazdy w górę pobory są na podobnym poziomie, a osiągane różnice wynikają z niższej temperatury pracy silnika, który obecnie nie jest przeciążany. Natomiast podczas jazdy w dół silnik nie pobiera, a generuje prąd na poziomie 8A i mocy równej 4KW. Daje to różnicę na poziomie 48A względem sytuacji przed modernizacją.
Podsumowanie i wnioski końcowe
Modernizacja jazdy wózka przez wdrożenie przemiennika częstotliwości oraz modułu zwrotu energii to przykład skutecznego zastosowania nowoczesnych technologii w celu zwiększenia efektywności energetycznej i operacyjnej. Inwestycja ta przyniosła wymierne korzyści finansowe oraz środowiskowe, stanowiąc krok w kierunku zrównoważonego rozwoju przedsiębiorstwa. Operatorzy zyskali nowoczesne, niezawodne i bardziej przyjazne dla środowiska narzędzie do pracy, co pozytywnie wpływa na całą organizację. Dzięki przeprowadzonej inwestycji firma Holcim Polska S.A. uzyskała jeszcze bardziej proekologiczny produkt.