Большинство производственных предприятий сегодня все еще работают на переменном токе. Однако в долгосрочной перспективе исследовательские группы из Института технологии и автоматизации производства Фраунгофера IPA и Интегрированных систем и технологий устройств IISB рекомендуют, чтобы промышленное производство использовало постоянный ток. В рамках совместного исследовательского проекта DC-INDUSTRIE 2 эти команды объединили усилия с 30 партнерами для разработки новых систем электропитания. Идея заключается в том, чтобы соединить все заводские электрические системы с интеллектуальной сетью постоянного тока (Direct Current) и сделать электроснабжение более энергоэффективным, стабильным и гибким.
С конца 19-го века переменный ток является стандартным средством передачи и распределения энергии. В большинстве стран, переменный ток – «это то, что выходит из электрической розетки».
Лаборатория DC в Fraunhofer IPA проводит испытания компонентов для преобразования производственных установок в постоянный ток.
Однако, что касается промышленности, теперь есть возможность изменить это: «Есть много веских причин, по которым промышленность должна перейти с переменного тока на постоянный», - говорит Тимм Кульманн, научный сотрудник Fraunhofer IPA в Штутгарте. Кульман и его партнеры по проекту хотели бы изменить парадигму промышленного электроснабжения и, в долгосрочной перспективе, перевести предприятия на постоянный ток. «Мы уже окружены устройствами постоянного тока», - объясняет он. «Компьютеры, смартфоны и светодиоды работают на основе постоянного тока и, следовательно, нуждаются в адаптере для преобразования переменного тока в сеть».
В то время как обычные электростанции, такие как работающие на угле и атомные, производят переменный ток, локально установленные и возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические установки - или системы накопления энергии - выдают только постоянный ток.
Энергосберегающие альтернативы для производственного оборудования.
В рамках проекта DC-INDUSTRIE 2 исследователи из Fraunhofer IPA и Fraunhofer IISB объединились с 30 партнерами для разработки интеллектуальной и эффективной системы электропитания постоянного тока для производственного цеха. Проект финансируется Федеральным министерством экономики и энергетики Германии (BMWi) и рассчитан до конца 2022 года.
Предыдущий проект DC-INDUSTRIE продемонстрировал возможности локального управления потоком электроэнергии для сети электропитания постоянного тока. Более того, было показано, что переход от переменного к постоянному напряжению повышает эффективность на 5-10 процентов - в основном потому, что в 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 работает 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 в ней можно было все шире использовать климатически нейтральные технологии. Наличие на заводе локальной сети постоянного тока облегчает уравновешивание любых колебаний в электроснабжении, вызванных погодными колебаниями количества 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 преобразователями частоты, которые работают на постоянном токе. Следовательно, для питания электродвигателя переменным напряжением, напряжение питания переменного тока должно быть сначала выпрямлено.
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. В сети постоянного тока такие меры больше не требуются.
Интеллектуальная сеть постоянного тока обеспечивает эффективное энергоснабжение
Еще одним преимуществом является то, что распределение нагрузки между системами накопления энергии, подачей в сеть и возобновляемыми источниками энергии управляется локально на основе напряжения сети в качестве индикатора. Большим преимуществом использования постоянного тока в производстве является подключение всех электрических систем завода к одной интеллектуальной сети постоянного тока.
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, то есть управляющие кластеры, которые позволяют нам балансировать и координировать хранение, выработку и потребление энергии на местном заводском уровне», - говорит Кульман. «Они также могут работать автоматически».
Новая структура сети имеет один или несколько интерфейсов в распределительной сети переменного тока. Это обеспечивает производственное оборудование постоянным напряжением через активные или пассивные выпрямители. Каждый элемент электрического оборудования - например, преобразователи частоты, освещение и технологические процессы - напрямую питается от постоянного тока и подключается к общей сети постоянного напряжения, работающей в диапазоне напряжений ± 10 процентов от номинального напряжения в 650 вольт.
Это позволяет осуществлять прямой обмен энергией между различными приводами, которые служат, например, для ускорения или замедления роботов и шпинделей станков. Такие компоненты, как тормозные резисторы, которые сжигают избыточную энергию, больше не требуются. Именно дальнейшее развитие силовых полупроводниковых устройств позволило создать эти новые сеточные структуры.
Это связано с тем, что доступность новых устройств питания существенно снизила высокую стоимость, которая в противном случае требовалась бы для покрытия компонентов коммутации постоянного тока.
Дальнейшие испытания уже проводятся в испытательных цехах на заводе № 56, производственном предприятии, управляемом партнером по проекту Daimler в Зиндельфингене (Штутгарт). Завод Daimler оснащен активными преобразователями питания - активными двунаправленными выпрямителями, которые подключаются непосредственно к сети и подают постоянный ток на некоторые узлы оборудования завода.
«Двунаправленный означает, что есть возможность снабжать внешнюю сеть переменного тока электроэнергией в качестве услуги, когда есть избыток мощности. А это, в свою очередь, означает, что обычные потребители также выигрывают от перехода к новой энергетической экономике в области Industrie 4.0», - говорит Кульман.