Modernisering van de productie: Overgang van aandrijvingen met vast toerental naar besturing op frequentieomvormers

1. Inleiding: de noodzaak van modernisering van industriële aandrijvingen

In de moderne industriële productie zijn de efficiëntie, betrouwbaarheid en aanpasbaarheid van apparatuur van cruciaal belang om het concurrentievermogen te waarborgen. De nog steeds veel gebruikte aandrijvingen met vaste snelheid voldoen vaak niet aan de huidige eisen op het gebied van energie-efficiëntie, nauwkeurige procescontrole en lagere bedrijfskosten. Verouderde systemen kunnen leiden tot aanzienlijke overbesteding van energie, verhoogde slijtage van mechanische componenten, frequente ongeplande shutdowns en complexiteit van de integratie in moderne automatiseringssystemen. Bovendien zorgen toenemende regelgevingseisen, zoals de EU-richtlijnen inzake ecologisch ontwerp en nationale normen voor energiebeheer (bijv. DSTU EN ISO 50001:2018), ervoor dat bedrijven energiebesparende technologieën implementeren.

Modernisering van aandrijvingen door de introductie van aandrijvingen met variabele frequentie (VFD) of VFD (Variable Frequency Drive) maakt het mogelijk om een ​​aanzienlijke vermindering van het elektriciteitsverbruik te bereiken, de nauwkeurigheid van de besturing van technologische processen te vergroten en de algehele operationele efficiëntie te verhogen. Deze technische handleiding onderzoekt de belangrijkste aspecten van de transitie naar de Volksrepubliek China, waarbij de nadruk ligt op de economische voordelen en praktische aanbevelingen voor Oekraïense industriële ondernemingen.

2. Evaluatie van bestaande systemen: criteria voor retrofit

Een grondige evaluatie van bestaande aandrijfsystemen is noodzakelijk voordat u besluit om te upgraden. Dit maakt het mogelijk om de meest kritieke gebieden te identificeren en investeringen te rechtvaardigen. De onderstaande tabel geeft de belangrijkste criteria weer waarmee u rekening moet houden:

3. Moderne alternatieven: vergelijking van technologieën

De overgang van directe start naar controle met behulp van PRC is een fundamentele stap om de efficiëntie te verbeteren. Hier is een vergelijking van een typische oplossing met een vaste snelheid en een moderne oplossing met een CDP:

4. Berekening van het rendement op investering (ROI)

Een gedetailleerde ROI-berekening is de sleutel tot het rechtvaardigen van een moderniseringsproject. Beschouw een voorbeeld voor een gemaal met een motor van 30 kW.

Uitvoergegevens:

• Motorvermogen: P = 30 kW
• Bedrijfsuren per jaar: H = 8000 uur
• Kosten van elektriciteit: C_e = 0,15 EUR/kWh (industrieel gemiddelde voor Oekraïne)
• Gemiddelde energiebesparing door de implementatie van de CHRP: E_s = 25% (typisch voor pomp- en ventilatortoepassingen)
• De kosten van één VFD (bijvoorbeeld Heidenhain 355880-30 of vergelijkbaar): VFD_kosten = 3500 EUR
• De kosten voor installatie en inbedrijfstelling: I_kosten = 1500 EUR
• Jaarlijkse onderhoudskosten van het oude systeem: M_oud = 1200 EUR (vervanging van koppelingen, lagers, reparatie)
• Jaarlijkse onderhoudskosten van het nieuwe systeem: M_nieuw = 400 EUR (gepland onderhoud van de PRP)
• De kosten van stilstand van apparatuur: D_kosten = 500 EUR/uur
• Reductie van stilstandtijden dankzij PRP: R_downtime = 20 uur/jaar (door soepele opstart, belastingvermindering)

Berekeningen:

1. Jaarlijks energieverbruik van het oude systeem:
   Coud = P * H * Ce = 30 kW * 8000 h * 0,15 EUR/kWh = 36000 EUR/jaar
2. Jaarlijkse energiebesparing:
   Se = Сoud * Es = 36000 EUR/jaar * 0,25 = 9000 EUR/jaar
3. Besparingen op onderhoud:
   Sm = Moud - Mnieuw = 1200 EUR - 400 EUR = 800 EUR/jaar
4. Besparingen door verminderde downtime:
   Sd = Dkosten * Rdowntime = 500 EUR/uur * 20 uur/jaar = 10000 EUR/jaar
5. Totale jaarlijkse besparing:
   Stotaal = Se + Sm + Sd = 9000 + 800 + 10000 = 19800 EUR/jaar
6. Totale investeringskosten:
   Itotaal = VFDkosten + Ikosten = 3500 EUR + 1500 EUR = 5000 EUR
7. Terugbetalingsperiode:
   PP = Itotaal / Stotaal = 5000 EUR / 19800 EUR/jaar ≈ 0,25 jaar (ongeveer 3 maanden)

Zo wordt de investering in de modernisering van aandrijvingen in uitzonderlijk korte tijd terugverdiend. Zelfs als het "oude systeem nog steeds werkt", zijn de verborgen kosten als gevolg van slechte efficiëntie, frequente storingen en beperkte controle veel hoger dan de initiële kosten van de upgrade. Gezien de stijging van de energieprijzen kan deze terugverdientijd zelfs nog korter zijn. Het voldoet ook aan de eisen van energie-audits en DSTU EN ISO 50001:2018-normen.

5. Implementatieroutekaart: een gefaseerde aanpak

De effectieve implementatie van HRC vereist een zorgvuldige planning om productieverstoringen tot een minimum te beperken. Een gefaseerde aanpak wordt aanbevolen:

1. Planning en audit (1-2 weken)

   • Gedetailleerde audit: Bepaling van alle schijven die moeten worden geüpgraded, hun huidige bedrijfsparameters, belastingen en gebruiksduur.
   • Haalbaarheidsstudie: ROI-berekeningen uitvoeren voor elke schijf of groep schijven.
   • Selectie van apparatuur: Overleg met leveranciers (bijv. UNITEC-D) over de selectie van optimale PRP, zoals Heidenhain 355880-30, en bijbehorende apparatuur.
   • Projectdocumentatie: Ontwikkeling van verbindingsschema's, besturingsalgoritmen, specificaties.

2. Aankoop (2-4 weken)

   • Bestellingen: Plaatsen van bestellingen voor besturingseenheden, kabels, filters, sensoren, schakelkasten. UNITEC-D zorgt voor de levering van gecertificeerde apparatuur.
   • Logistiek: Organisatie van de levering van apparatuur aan de faciliteit.

3. Installatie en aansluiting (1-3 dagen per apparaat)

   • Demontage: Zorgvuldige demontage van bestaande componenten.
   • CRP-installatie: Installatie van schakelkast, CRP, aansluiting van stroom- en besturingskabels in overeenstemming met elektrische veiligheidsnormen (PUE, DSTU EN 60204-1:2018).
   • Aarding en afscherming: Zorg voor voldoende aarding en afscherming om elektromagnetische interferentie tot een minimum te beperken.

4. Inbedrijfstelling van werken en inbedrijfstelling (1-2 dagen per uitrustingseenheid)

   • Voorbereidende controles: Controle van de juistheid van aansluitingen, isolatieweerstand.
   • Configuratie van PRC-parameters: invoer van nominale motorparameters, vectorbesturingsinstellingen (indien ondersteund), configuratie van PID-regelaars.
   • Testen: Stationair starten, starten onder belasting, controle van de werking in verschillende modi.
   • Integratie in ATS TP: Opzetten van data-uitwisseling met een hoger managementniveau.

6. Technische uitdagingen en manieren om ze op te lossen

Tijdens de implementatie van de ChRP kunnen zich bepaalde technische problemen voordoen, die een gekwalificeerde aanpak vereisen:

• Elektromagnetische compatibiliteit (EMC): RFC's genereren hoogfrequente interferentie. Oplossing: gebruik van EMC-filters, afgeschermde kabels, gescheiden aanleg van voedings- en besturingskabels conform DSTU EN 61000-6-2:2015 en DSTU EN 61000-6-4:2015.
• Harmonen in het netwerk: Hoge harmonischen kunnen leiden tot oververhitting van transformatoren en blindvermogencompensatoren. Oplossing: gebruik van smoorspoelen, actieve harmonische filters, meerpulsgelijkrichters.
• Motorcompatibiliteit: Oudere motoren zijn mogelijk niet ontworpen om te werken met een hoge schakelfrequentie van de PWM HRP, wat kan leiden tot oververhitting en versnelde slijtage van de isolatie. Oplossingen: controleer de isolatieklasse van de motor, gebruik dU/dt-uitgangsfilters of sinusfilters, gebruik motoren die zijn ontworpen om met PRC te werken (bijvoorbeeld F- of H-isolatie).
• Resonantie en trillingen: Sommige mechanische systemen kunnen hun eigen resonantiefrequenties hebben die samenvallen met de frequenties die door de FRP worden gegenereerd. De oplossing: de functie van het doorgeven van resonantiefrequenties in de instellingen van de CRP, het balanceren van mechanische onderdelen.
• Spanningsdalingen: De gevoeligheid van de besturingseenheid voor spanningsdalingen in het industriële netwerk. Oplossing: gebruik van netwerksmoorspoelen, condensatoren, ononderbroken voedingssystemen voor besturingselektronica.

7. Voorbeeld: modernisering van de technologische pompaandrijving

"Voor" situatie

Bij een van de chemische bedrijven in Oekraïne werkte in de kunstmestproductiewerkplaats een centrifugaalpomp voor het verpompen van reagentia. De motor van 45 kW werkte met een vast toerental van 1500 tpm. Prestatieregeling werd uitgevoerd door de drukleiding te smoren met behulp van een klep. Dit resulteerde in aanzienlijke energieverliezen, pompcavitatie en frequente defecten aan afdichtingen en lagers. Het gemiddelde aantal stilstandtijden per jaar bedroeg 50 uur, de kosten voor één reparatie bedroegen 1.500 EUR. Het jaarlijkse energieverbruik bedraagt ​​250.000 kWh. MTBF van de pompunit was 7000 uur.

Situatie "na"

Er werd besloten om de aandrijving te moderniseren door een Heidenhain 355880-30 besturingseenheid te installeren en deze in het bestaande automatische besturingssysteem te integreren. ChRP maakte het mogelijk om de rotatiesnelheid van de pomp soepel aan te passen aan de behoeften van het technologische proces. Als resultaat:

• Energieverbruik: Met 30% verlaagd tot 175.000 kWh/jaar (besparing van 75.000 kWh/jaar).
• Stiltijd: Teruggebracht tot 10 uur per jaar (vanwege zachte start en geen cavitatie).
• MTBF: Verlengd tot 18.000 uur (minder slijtage van afdichtingen en lagers).
• Nauwkeurigheid van regeling: De druk in de pijpleiding wordt gehandhaafd met een nauwkeurigheid van ±0,05 bar in plaats van ±0,5 bar.
• Productkwaliteit: het stabiliseren van de aanvoer van reagentia leidde tot een verhoging van de kwaliteit van het eindproduct.

De totale jaarlijkse energiebesparing, verminderde stilstand en lagere onderhoudskosten bedroegen ongeveer 17.000 EUR/jaar. De investeringskosten (CRP, installatie, inbedrijfstelling) bedroegen € 7.000,-. De terugverdientijd bedraagt ​​minder dan 5 maanden.

8. Service en validatie van de Commissie

Na installatie en inbedrijfstelling is een fase van inbedrijfstelling en validatie vereist. Dit bevestigt de overeenstemming van het systeem met de ontwerpparameters en functionele vereisten.

• Functioneel testen: Verificatie van de werking van de CHRP in alle gespecificeerde modi, inclusief noodstops, beveiligingen, werking met externe signalen.
• Parametermeting: Meting van elektriciteitsverbruik (voor en na), druk, flow, temperatuur, trillingen. Gebruik van gecertificeerde meetapparatuur.
• Integratietesten: Controleren van de juistheid van gegevensuitwisseling met ACS- en SCADA-systemen.
• Protocollen: Opstellen van testprotocollen en inbedrijfstelling.
• Personeelstraining: Het geven van trainingen aan operationeel en servicepersoneel over het werken met nieuwe apparatuur.
• Certificering: Garanderen van de naleving door de gevestigde Volksrepubliek China van CE-normen en het verkrijgen, indien nodig, van UkrSEPRO-certificering voor gebruik in Oekraïne.

Naleving van het DSTU ISO/IEC 17025-validatieproces is een bevestiging van de betrouwbaarheid van de verkregen resultaten.

9. Conclusie

Modernisering van aandrijfsystemen met behulp van frequentieomvormers is niet alleen een technische update, maar een strategische investering die zorgt voor een aanzienlijke toename van de energie-efficiëntie, betrouwbaarheid en precisie bij het beheer van productieprocessen. Korte terugverdientijden dankzij energiebesparingen, lagere onderhoudskosten en minder uitvaltijd maken deze technologie van cruciaal belang voor de hedendaagse industrie. Het bedrijf UNITEC-D biedt een volledig scala aan oplossingen - van de levering van moderne PRP's, zoals de Heidenhain 355880-30, tot uitgebreide engineering en ondersteuning in alle fasen van de implementatie. Voor gedetailleerde informatie over het productassortiment en retrofitoplossingen kunt u de UNITEC-D E-Catalog bezoeken.

10. Koppelingen

• DSTU EN ISO 50001:2018 (ISO 50001:2018, IDT) Energiebeheersystemen. Toepassingsvereisten en richtlijnen.
• DSTU EN 50598-2:2016 (EN 50598-2:2014, IDT) Prestaties van elektrische aandrijfsystemen met instelbare snelheid. Deel 2. Algemene eisen voor het ontwerp van effectieve systemen.
• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Veiligheid van machines. Elektrische uitrusting van machines. Deel 1. Algemene eisen.
• DSTU EN 61000-6-2:2015 (EN 61000-6-2:2005, IDT) Elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Deel 6-2. Algemene normen. Interferentiebestendigheid voor een industriële omgeving.
• DSTU EN 61000-6-4:2015 (EN 61000-6-4:2007, IDT) Elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Deel 6-4. Algemene normen. Emissienorm voor industriële omgevingen.
• DSTU ISO/IEC 17025:2019 (ISO/IEC 17025:2017, IDT) Algemene eisen voor de competentie van test- en kalibratielaboratoria.
• EU-richtlijn 2009/125/EG (richtlijn ecologisch ontwerp) tot vaststelling van een kader voor het vaststellen van eisen inzake ecologisch ontwerp voor energieverbruikende producten.
• Technische documentatie en handleidingen voor de bediening van de Heidenhain 355880-30 CPP.