Aplicação do Inversor KERUN na Indústria de Máquinas de Papel
--Série ACD320
Prefácio:
Desde 1990, e particularmente desde 1995, a indústria de papel da China tem registado um crescimento contínuo na capacidade de produção efectiva. No final de 2002, existiam mais de 4.000 fábricas de papel na China, incluindo mais de 2.600 de escala significativa. A produção total em 2002 atingiu 37,8 milhões de toneladas. Nos 1-2 anos seguintes, quase 10 milhões de toneladas de nova capacidade de produção foram adicionadas. Atualmente, mais de 80% dos novos sistemas de acionamento de máquinas de papel utilizam acionamentos controlados por inversor.
Os inversores aplicados em acionamentos de máquinas de papel devem possuir atualmente as seguintes características:
(1) Ampla faixa de regulação de velocidade, com eficiência acima de 90% em toda faixa de velocidade;
(2) Fator de potência superior a 0,9;
(3) Distorção harmônica total da corrente de entrada inferior a 3%;
(4) Uso de componentes padrão maduros e confiáveis, como IGBTs;
(5) Capacidade de reduzir o conteúdo harmônico de saída e reduzir efetivamente o ruído dv/dt e a pulsação de torque.
I. Antecedentes da Aplicação de Inversores em Máquinas de Papel.
O equipamento de acionamento seccional de máquinas de papel na China usava anteriormente sistemas de controle de velocidade SCR DC. Problemas como anéis coletores e escovas de carbono levaram à baixa confiabilidade e precisão, resultando em mecânicas de máquinas de papel desatualizadas, com velocidades normalmente em torno de 200 m/min, dificultando a concorrência com máquinas de papel estrangeiras de alta-velocidade, atingindo 1.000 m/min. A fabricação de papel é um processo de produção contínuo, tornando o controle contínuo e ordenado da linha de produção um gargalo que restringe a qualidade e a produção do papel. Embora os sistemas de controle de velocidade CC tenham desempenhado um papel significativo na história do desenvolvimento das máquinas de papel, os motores CC sofrem com dificuldades de manutenção e baixa resistência a fatores ambientais, manifestados principalmente da seguinte forma:
(1) Desgaste severo do comutador e falhas, como comutadores queimados, levando a longos períodos de inatividade;
(2) Inúmeras dificuldades e elevados requisitos na manutenção de motores DC, resultando em elevados custos de reparação;
(3) Tacogeradores sujeitos a desgaste, causando baixa precisão no sistema de acionamento;
(4) Sistemas complexos de controle de velocidade CC, difíceis de depurar, muitas vezes tornando difícil para os técnicos comuns ajustar-as velocidades operacionais da máquina.
A tecnologia de controle de velocidade de frequência variável CA, com excelente desempenho de regulação de velocidade e benefícios significativos-de economia de energia, é amplamente aplicável na economia da China e é considerada o método de controle de velocidade CA mais promissor. Ele não apenas possui o desempenho superior de regulação de velocidade dos motores DC, mas também está sendo gradualmente adotado em larga escala. A aplicação de inversores nos acionamentos seccionais das futuras máquinas de papel tornou-se uma tendência inevitável.
A aplicação de inversores em acionamentos de máquinas de papel produz resultados muito bons, como melhoria da qualidade do papel do ponto de vista do processo, aumento da capacidade de produção, redução do consumo de energia e ampliação dos ciclos de parada de manutenção.
Tomando como exemplo uma máquina de papel Fourdrinier, ela possui duas seções principais: a seção de secagem (extremidade seca) e a seção de arame (extremidade úmida). De acordo com os requisitos do processo, a velocidade de fabricação do papel varia de 20 a 100 m/min, com gramaturas de 9 a 30 g/m². Geralmente, o requisito de precisão de acionamento para máquinas de papel é de 1–3‰. Devido à ampla faixa de variação de velocidade e ao peso base mínimo de 9 g/m², é necessária uma precisão de acionamento ainda maior. Portanto, um sistema-de controle de malha fechada é escolhido para o acionamento da máquina de papel.
II. Análise dos benefícios-de economia de energia
Com base na comparação do consumo de energia de uma máquina de papel antes e depois da modernização numa fábrica, os dados são os seguintes:
Consumo de energia de controle CC: Velocidade a 90 m/min: P90=74A × 180V + 3 × 220=13980W=13.98 kW (inversor CC)
Com base em 300 dias de produção por ano: Consumo total de energia da máquina=300 × 24 × 13.98=100.656 (kWh)
Consumo de energia de controle do inversor: Velocidade a 90 m/min: P90=1.732 × 16A × 380V=10530W=10.53 (kW) (unidade do inversor)
Consumo total de energia da máquina=300 × 24 × 10.53=75.816 (kWh)
Eletricidade anual economizada=100.656 – 75,816=24.840 (kWh)
A partir disso, a economia real de energia após a aplicação do inversor pode ser derivada como:25%
III. Análise dos benefícios do processo
(1) Aumento da taxa operacional das máquinas de papel: superior a 27% (derivado da produção média mensal, excluindo outros fatores). Isso pode aumentar o valor da produção.
(2) Melhor taxa de rendimento do produto: 1,6%
Em resumo, a adoção do inversor melhora o desempenho operacional da máquina de papel, aumentando ainda mais a eficiência econômica.
4. Aplicação de Inversores em Equipamentos Auxiliares de Máquinas de Papel
As instalações auxiliares para máquinas de papel incluem os seguintes sistemas: sistema de abastecimento de estoque, sistema de água branca, sistema de vácuo, sistema de ar comprimido, sistema de preparação e entrega de produtos químicos, sistema de abastecimento de água, sistema de vapor, etc. Para garantir a operação contínua e equilibrada da máquina de papel, a capacidade de suas instalações auxiliares geralmente precisa exceder a capacidade máxima de produção da máquina de papel em 15% -30%, o que resulta em perda significativa de energia.
4.1 Aplicação do Inversor no Sistema de Abastecimento
O sistema de abastecimento de estoque deve atender às seguintes condições:
(1) Entrega estável de estoque para a máquina de papel, com erro não superior a ±5%;
(2) Proporção e consistência de estoque estável e uniforme;
(3) Reservar uma certa quantidade de estoque para permitir o ajuste da capacidade de fornecimento para se adaptar às mudanças na velocidade e qualidade da máquina de papel;
(4) Purificar e limpar o estoque;
(5) A alça quebrou em várias seções da máquina de papel.
Normalmente, o sistema de fornecimento de estoque consiste em bombas de estoque e bombas de ventilador na tubulação e equipamentos de purificação, como telas de pressão e limpadores. Para atingir os cinco objetivos acima, a etapa mais importante é mudar as bombas de estoque e as bombas de ventilador de operação-de velocidade máxima para operação de velocidade variável por meio de inversores, atendendo, em última análise, aos requisitos de fornecimento de estoque automatizado.
Tomando a bomba do ventilador como exemplo para ilustrar o processo de controle de velocidade com um inversor: Este controle do inversor é adequado para um sistema de controle de velocidade de circuito fechado duplo, com o circuito externo para velocidade e o circuito interno para corrente ou torque. O ponto de ajuste de velocidade para a bomba do ventilador vem de duas fontes: uma é derivada de alterações na relação de velocidade do estoque-para-da velocidade do fio e a outra é do controlador de pressão da caixa de entrada. O primeiro é o ajuste principal, o último é o-ajuste fino. A relação entre a velocidade do material-e a-velocidade do fio de uma máquina de papel é essencialmente constante. Portanto, uma vez que a velocidade do fio muda, a velocidade da bomba do ventilador segue. Para melhorar a precisão do regulador de velocidade e refletir o processo real na caixa de entrada, é comum considerar a saída do controlador PID de pressão da caixa de entrada, variando em ±5%, como um ponto de ajuste de velocidade adicional para a bomba do ventilador. O valor real da velocidade é obtido a partir da amostragem da velocidade real do motor de acionamento, que pode ser adquirida através de dispositivos como tacogeradores ou codificadores rotativos fotoelétricos. O ponto de ajuste atual é obtido do sinal de saída da malha de velocidade. O valor real da corrente é obtido a partir de medições feitas por transformadores de corrente na saída do inversor CA de cada ponto de acionamento. Portanto, para o controle de velocidade de frequência variável da bomba do ventilador, a implementação do controle PID pode alcançar efeitos ideais-de economia de energia.
V. Aplicação do Inversor no Sistema de Ar Comprimido
O ar comprimido é comumente usado em máquinas de papel para dispositivos pneumáticos de carregamento/elevação nas seções de arame e prensa, dispositivos de guiamento de arame/feltro, caixas de entrada-com amortecimento de ar, equipamentos de transferência de folhas, facas de ar de revestimento e vários instrumentos pneumáticos e dispositivos de controle.
Os principais equipamentos em um sistema de ar comprimido incluem compressores de ar, receptores de ar, válvulas redutoras de pressão, filtros de ar, separadores de umidade e válvulas de segurança. A pressão necessária na máquina de papel é normalmente em torno de 5-6 BAR. Na maioria das fábricas de papel, dois ou mais compressores operam em paralelo, mantendo pressão constante através de um reservatório de ar.
Como os compressores têm alta-potência e o controle de pressão normalmente é obtido por meio de carga/descarga, os motores sempre funcionam em velocidade máxima. A prática mostra que este método de controle consome enorme energia e é um grande desperdício. Portanto, a tendência agora é usar um inversor de frequência variável controlando múltiplas unidades de frequência-de linha, formando um sistema de circuito-fechado de pressão.
VI. Aplicação do Inversor no Sistema de Preparação e Distribuição de Produtos Químicos
Grandes quantidades de produtos químicos são usadas na destintagem, polpação, revestimento, colagem, etc. Seu uso é proporcional à velocidade dos múltiplos acionamentos da máquina de papel. Portanto, sistemas de acionamento CA de velocidade variável devem ser usados nos sistemas de fornecimento de produtos químicos (por exemplo, bombas). Equipamentos de moagem como moinhos de bolas, moinhos coloidais, moinhos de areia e dispersores de alto cisalhamento são muito usados na preparação química. Suas principais características são alta potência, alto consumo de energia e ambientes operacionais adversos. Muitos fabricantes já obtiveram bons resultados ao utilizar inversores em equipamentos de retificação.
Tomando como exemplo um moinho de areia: Seu princípio de funcionamento envolve a alimentação do material a ser moído na câmara por meio de uma bomba de alimentação. Acionado por um disco de dispersão giratório de alta-velocidade, o material é submetido a intenso impacto e moagem pelo meio de moagem, tornando-se disperso e misturado ao solvente para formar um revestimento de alta qualidade, que então flui através de uma tela superior. O motor principal deste equipamento é de 110 KW. Antes de usar um inversor, era comum usar um método de jogging diversas vezes (mais de três) durante a inicialização para misturar uniformemente o revestimento e o meio de moagem. Para revestimentos diferentes, podem ser necessárias velocidades de processo diferentes, mas a máquina só pode funcionar à velocidade máxima. Controlar a taxa de alimentação para evitar a sobrecarga do motor principal era difícil. O consumo de energia foi severo. Usar um inversor de 110 KW resolve efetivamente estes problemas: a velocidade do jog e o tempo de execução lento podem ser facilmente ajustados para garantir uma mistura ideal; a regulação de velocidade contínua on-line permite diferentes velocidades para diferentes produtos; a taxa de alimentação pode ser controlada simplesmente monitorando a corrente real de funcionamento do motor, com funções de pré--alarme e desarme-de sobrecarga; a poupança de energia geralmente excede 20%; as perdas na caixa de câmbio são reduzidas, evitando o impacto das partidas-de frequência de linha na caixa de câmbio; a corrente de partida suave evita o impacto na rede, melhorando a segurança da rede. Já existem aplicações em lote em empresas de papel em Shandong, Heilongjiang, Hainan e outras regiões.
VII. Aplicação do Inversor no Sistema de Ventilação do Secador
Na seção de secagem, toda a umidade evaporada da folha, absorvida pelo ar, deve ser continuamente retirada da sala da máquina de papel por meio de ventilação forçada. A eficácia da ventilação do secador afeta diretamente a taxa de evaporação da umidade da chapa e a economia geral do processo de secagem. Uma boa ventilação reduz a saturação do vapor no ar, reduzindo assim o consumo de vapor nos cilindros do secador e aumentando a velocidade de secagem.
O volume de ar necessário para a remoção da umidade evaporada da seção do secador está relacionado à temperatura e umidade do ar de entrada e exaustão, bem como ao sistema de ventilação utilizado, às condições climáticas e à estação do ano. Normalmente, as máquinas de papel modernas empregam circulação de ar forçada para alta eficiência, usando ventiladores de fornecimento para fornecer ar seco aquecido (cerca de 80 graus) na parte inferior da seção do secador, criando um fluxo de ar ascendente absorvendo o vapor quente entre os cilindros do secador e, em seguida, usando ventiladores de exaustão para extrair o ar quente úmido coletado na coifa para o exterior (com eventual recuperação de calor). Em máquinas de papel de alta-velocidade, devido ao aumento do número de cilindros secadores, vários conjuntos de grupos de ventiladores de alimentação e exaustão são normalmente usados em seções. Após a adoção de inversores, com base em fórmulas de cálculo de volume de ar de ventilação, o volume de ar fornecido (velocidade do ventilador de fornecimento) e o volume de ar de exaustão (velocidade do ventilador de exaustão) podem ser ajustados em tempo real-sem usar o controle de damper tradicional, reduzindo ainda mais o consumo de energia, diminuindo o ruído do ventilador e prolongando a vida mecânica.
VIII. Aplicação de Inversores em Sistemas de Água
As máquinas de papel são grandes consumidoras de água, incluindo sistemas de água branca, sistemas de efluentes, sistemas de água de vedação, sistemas de chuveiros, sistemas de água doce, etc. O abastecimento de água com pressão constante na rede de dutos é frequentemente necessário. Tradicionalmente, o controle de pressão era obtido através de bypasses e válvulas de controle, raramente utilizando inversores. No entanto, devido à escassez geral de recursos hídricos na China, a aplicação de inversores pode poupar aproximadamente 10% em água e 30% em energia, reduzindo inevitavelmente os custos operacionais diários das fábricas de papel.
Normalmente existem dois modos para usar inversores em sistemas de água: Controle de inversor único e modo de alternância de inversor.
Controle de inversor único:A saída do inversor controla permanentemente uma bomba, enquanto as outras bombas são alimentadas diretamente pela rede de frequência-de linha. Seus sinais de partida/parada são controlados manualmente ou pela lógica do PLC.
Modo de alternância do inversor:O inversor aciona cada bomba de acordo com uma sequência definida. O inversor pode determinar automaticamente o número de bombas em funcionamento (dentro de uma faixa definida) com base nos requisitos de controle de circuito-fechado de pressão. Apenas uma bomba é acionada pelo inversor em um determinado momento. Quando a bomba acionada-do inversor atinge o limite superior de frequência definido e uma bomba adicional é necessária, o inversor muda essa bomba para operação de frequência-de linha e simultaneamente começa a acionar outra bomba com frequência variável.
IX. Conclusão
Em resumo, a modernização de máquinas de papel com sistemas de acionamento por inversor não apenas demonstra efeitos significativos de-economia de energia e reduz os custos de manutenção do equipamento, mas também cria benefícios econômicos substanciais para as empresas. Pode-se afirmar com segurança que as perspectivas de aplicação de sistemas de controle de velocidade de frequência variável na indústria de máquinas de papel se tornarão cada vez mais amplas.