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Da Glasfaser ein immer beliebteres und notwendigeres Produkt wird, stehen die Hersteller unter dem Druck, ihre Ziele zu erreichen und gleichzeitig einen energieeffizienten Betrieb zu führen. Mikael Le Guern und Amber Watkin erläutern die hocheffiziente Lösung von Eurotherm by Schneider Electric für die Leistungsregelung von Durchführungen während des Schmelzprozesses.
Damit die Glasindustrie ihre Dekarbonisierungsziele erreichen kann, müssen alte, mit fossilen Brennstoffen betriebene Prozesse auf hybride (Gas/Elektro) oder vollelektrische Schmelztechnologien umgestellt werden. Die Steuerungslösungen für diese elektrisch betriebenen Systeme müssen so energie- und kosteneffizient wie möglich sein, was bedeutet, dass man sich von herkömmlichen Konstruktionen verabschieden muss. Im Falle der Glasfaserherstellung gibt es bereits fortschrittliche Leistungssteuerungskonzepte für Platindurchführungen, die erhebliche Energieeinsparungen mit schneller Amortisation ermöglichen.
Die Beliebtheit der Glasfaserverstärkung hat dazu geführt, dass die im Schmelzprozess verwendeten Bushings größer geworden sind, was zusätzliche Leistung und eine präzisere Temperaturregelung erfordert. Moderne Bushings benötigen bis zu 90 Kilowatt Leistung und müssen aufgrund ihres relativ geringen Widerstands mit etwa 8 Volt bei Strömen von bis zu 10.000 Ampere arbeiten. Diese hohen Ströme können nur mit Hilfe von Spezialtransformatoren und Hochstromschienensystemen geliefert werden. In herkömmlichen Bushing Control Systemen liefern SCR-Leistungsregler (Silicon Controlled Rectifier) (auch als Thyristorregler bekannt) den Strom nach dem Phasenanschnittverfahren, das eine gleichmäßige Steuerung der Durchführung ermöglicht.
Die Art der Phasenanschnittsteuerung ist jedoch elektrisch verrauscht und führt zu einer Störung der Wechselstromwellenform (bekannt als „Oberwellen“) im Transformator und in den Kabeln des Systems. Die Oberschwingungsverzerrung verursacht zusätzliche Spannungen und Ströme in den Kabeln, wodurch nicht nur Energie durch übermäßigen Wärmeverlust verschwendet wird, sondern auch die Messungen (z. B. des Leistungsfaktors), die von den Stromversorgern für die Rechnungsstellung vorgenommen werden, negativ beeinflusst werden.
Um einen akzeptablen Leistungsfaktor nahe bei 1 zu erreichen, muss der Thyristorsteller eine möglichst saubere Wellenform mit möglichst wenig Oberwellen liefern. In diesem Fall liegt der Sollwert für den Leistungsbedarf irgendwo über 80 % des Bereichs. Bei einer durchschnittlichen Bushinganwendung sind jedoch mindestens weitere 10 % Regelung in beide Richtungen erforderlich, falls die Bushingtemperatur nach einem Zwischenfall schnell angepasst werden muss.
Der erfahrene Anbieter von Energie- und Regeltechnik Eurotherm by Schneider Electric hat eine hocheffiziente Lösung für die Leistungsregelung von Bushing Control Sytemen entwickelt. Der Eurotherm-Ansatz berücksichtigt jeden Teil des Systems, von der Prozessstromversorgung bis zu den „Ohren“ der Düse und bis zur Ebene des Informationsmanagementsystems. Anstatt den Phasenanschnittmodus zu verwenden, der die Wellenform ‚zerhackt‘, was zu Oberschwingungen führt und den Leistungsfaktor negativ beeinflusst, wird der fortschrittliche Eurotherm EPower Leistungsregler im automatischer Laststufenumschaltung eingesetzt.
Die Funktion der Laststufenumschaltung schaltet die Stufen des Transformators automatisch dynamisch um. Die Stromversorgung auf diese Weise liefert eine vollständigere Sinuswelle anstelle der „abgehackten“ Welle, die bei alleiniger Verwendung des Phasenwinkels auftritt.
Bei geeigneter Wahl der Stufen, bei der die Eurotherm-Ingenieure beratend zur Seite stehen, kann die harmonische Verzerrung erheblich reduziert werden, was dazu beiträgt, den Leistungsfaktor typischerweise über 0,94 zu halten – viel höher als bei einem herkömmlichen SCR-gesteuerten System. Infolgedessen ist die Reduzierung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) beträchtlich – typischerweise verbessert sie sich von 50-60% oder mehr während des normalen Betriebs auf weniger als 15%.
Die zusätzliche Leistung, die an der Buchse benötigt wird, wird geliefert, wenn die zweite Stufe im Phasenwinkelbetrieb durch Eurotherm-Algorithmen eingeschaltet wird, die kontinuierlich die beste Stufenanordnung für die jeweilige Situation berechnen und automatisch auswählen. Der EPower-Regler ist in der Lage, mehrere Thyristorstufen, die an mehrere Stufen eines Transformators angeschlossen sind, dynamisch zu regeln, anstatt mühsame manuelle Stufenwechsel durchführen zu müssen, was eine nahtlose Regelung von 0-100% Leistungsbedarf ermöglicht, während der bestmögliche Leistungsfaktor zu jeder Zeit beibehalten wird. Bei Durchführungsanwendungen reicht die automatische Laststufenumschaltung mit zwei Stugen aus, um sinnvolle Energieeinsparungen zu erzielen und gleichzeitig die Investitionskosten mit der Investitionsrendite in Einklang zu bringen.
Ausgereifte Regelungsstrategien, die in der Lage sind, die Temperatur des Glases präzise zu regeln, unterstützen die Herstellung gleichmäßiger Faserstränge mit hoher Zugfestigkeit, während eine gut konzipierte HMI es Bedienern unterschiedlicher Qualifikationsstufen ermöglicht, den Prozess ohne Beeinträchtigung der Qualität durchzuführen. In der Regel sorgt ein Eurotherm T2750 Programmable Automation Controller (PAC) System für die Temperaturregelung der Bushings und nutzt die AVEVA System Platform (ehemals Wonderware) für die übergeordnete Steuerung und Datenerfassung (SCADA), um anspruchsvolle Benchmarking-Daten zur Bushing-Position und Leistungsinformationen für die wichtigsten Leistungsindikatoren zu liefern.
Um ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren, bietet die doppelte Redundanzfunktion des T2750 PAC (ein zweiter Prozessor, der bei einem Problem im Hauptprozessor die Steuerung übernimmt) eine hohe Verfügbarkeit des Systems sowie bei Bedarf redundante Ein- und Ausgangsmodule.
Bei einer Aufrüstung des Positions-Regelsystems für 24 Bushings für einen führenden Glasfaserhersteller erzielte die Eurotherm Stromversorgungslösung für Bushings eine Energieeinsparung von 9,4%. Während eines ersten Versuchs wurden zwei der Bushing-Positionen modernisiert, um die mögliche Verbesserung zu bewerten. Die Anlage wurde mehrere Monate lang im Vollbetrieb gefahren, um die Leistung und Effizienz der beiden mit der Eurotherm Laststufenumschaltung ausgestatteten Bushings mit denen der anderen 22 Bushings zu vergleichen. Vier Bushings wurden von jedem Schaltschrank gesteuert, der vier EPower-Regler und einen lokalen Panel-PC HMI enthielt. Mehrere dieser Bushingschaltschränke wurden an einen einzigen Netzverteilerschrank angeschlossen, um eine integrierte und flexible Lösung zu schaffen, die für fast jede Glasfaser-Vorherdkonfiguration geeignet ist.
Die Versuchs-Bushings, bei denen die vom EPower-Regler mit Laststufenschalter gelieferte sauberere Stromwellenform in Kombination mit induktionsarmen Sammelschienen und Transformatoren verwendet wurde, zeigten eine drastische Reduzierung der Oberwellen. Dies führte zu einer 50-prozentigen Verbesserung des Leistungsfaktors und einer Verringerung des Netzstroms um 40 %, der kVA (Scheinleistung) um 51 % und der Wirkleistung (kW) um mehr als 9 % im Vergleich zur regulären phasenwinkelgesteuerten Position. Das Ergebnis war eine erhebliche Kosteneinsparung.
Die Bushingpositionen mit dem installierten automatischen Laststufenwechselsystem verbrauchten nur 9,6 kW gegenüber dem Verbrauch der normalen Bushingpositionen von 10,6 kW. Das Ergebnis korrelierte damit, dass die Laststufenschalter-gesteuerte Position eine tatsächliche Gesamteinsparung von 9,4 % erzielte, was in diesem Fall einer Einsparung von 21.000 € pro Jahr entsprach (auf der Grundlage von 0,1 Euro/kWh, bei kontinuierlichem Betrieb von 24 Durchführungen). Der ROI lag bei etwa 18 Monaten.
Bei einem herkömmlichen System können die Vibrationen zu einer Schwächung der Glasfaserstränge und schließlich zu einer Beschädigung der Systemkomponenten einschließlich der Bushings selbst führen. Bei dem verbesserten System gab es aufgrund der Verringerung der Oberwellen spürbar weniger Vibrationen. Dies verbesserte die Erträge durch weniger Faserbrüche und ermöglichte eine längere Lebensdauer der Systemkomponenten, was gleichzeitig den Zeit- und Kostenaufwand für die Wartung reduzierte. Die EPower-Laststufenumschaltung sparte dem Techniker auch Zeit, da die Stromzufuhr zu den Transformatorstufen automatisch umgeschaltet wurde. Dies war normalerweise eine manuelle Aufgabe, die den Prozess während der Umschaltung unterbrach. Nach dem erfolgreichen Abschluss der Testphase wurden alle 24 Positionen auf die Eurotherm-Lösung umgerüstet, und das System wurde so konzipiert, dass es bei Bedarf in Zukunft skalierbar ist.
Mit einem verbesserten Leistungsfaktor sind Kondensatorbatterien nicht mehr erforderlich, was sich positiv auf die Investitionskosten und den ROI auswirkt und die Wartungskosten weiter reduziert. Bei einer Neuinstallation kann der Leitungsstrom im Vergleich zu einem herkömmlichen SCR-gesteuerten System typischerweise um 40 % pro Position und die kVA um weniger als die Hälfte reduziert werden, und durch die Verringerung der Größe aller Komponenten, vom Hauptverteilertransformator bis hin zu Leistungsschaltern und Kabeln, können auch erhebliche Kapitalkosteneinsparungen erzielt werden.
Bei Umrüstungsprojekten hilft die Bushing-Control-Lösung von Eurotherm mit automatischer Laststufenumschaltung dabei das Gesamte System zu verbessern, die Energieeffizienz zu optimieren und gleichzeitig eine bessere Glasfaserqualität zu erreichen. Der Leistungsfaktor wird deutlich verbessert und die gesamte harmonische Verzerrung (THD) reduziert – und das alles mit einer akzeptablen Investitionsrendite. Die Energieeinsparungen über die Lebensdauer des Systems (in der Regel 15 Jahre) sind erheblich. Zur Berechnung der erwarteten Kapitalrendite können Energiebewertungen durchgeführt werden und die Lösung kann budgetgerecht in Modernisierungsschritten eingebaut werden. Noch größere Kapitaleinsparungen können bei Neuinstallationen durch eine entsprechende Auslegung des Gesamtsystems erzielt werden. Glasproduzenten die auf eine effizientere Technologie umsteigen möchten, kann Eurotherm helfen.
Über die Autoren:
Mikael Le Guern ist Business Leader für Global Glass und Amber Watkin ist Application Marketing Engineer bei Eurotherm.
Die vollständige Version dieses Artikels erschien in der Ausgabe Mai/Juni 2021 von Glass Worldwide zusammen mit einer breiten Auswahl an redaktionellen Beiträgen, die in allen Bereichen der Produktion und Verarbeitung helfen.
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EPower™ Thyristorsteller 
T2750 PAC