Sistemi di controllo bushing ad alta efficienza per la produzione di fibra di vetro

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La fibra di vetro sta diventando un prodotto sempre più diffuso e necessario, per questo i produttori devono raggiungere obiettivi di produttività e ridurre i consumi energetici degli impianti. Mikael Le Guern e Amber Watkin descrivono le soluzioni ad alta efficienza per il controllo bushing di Eurotherm by Schneider Electric.

Per raggiungere i propri obiettivi di decarbonizzazione occorre che l’industria del vetro renda possibile una transizione, sostituendo l’utilizzo di combustibili fossili con tecnologie di fusione ibride (gas/elettriche) o totalmente elettriche. Le soluzioni di controllo per questi sistemi elettrici dovranno essere efficienti sia sotto il profilo energetico che dei costi, il che significa allontanarsi dai progetti tradizionali. Nel settore produttivo della fibra di vetro sono già disponibili controlli di potenza avanzati per i bushings, che favoriscono un significativo risparmio energetico con un rapido ritorno sull’investimento.

La popolarità del rinforzo in fibra di vetro ha permesso l’ingrandimento dei bushings utilizzati nel processo di fusione, che richiedono di conseguenza maggior potenza e precisione di controllo della temperatura. I moderni bushings richiedono fino a 90 kilowatt di potenza e devono funzionare a circa 8 volt a correnti fino a 10.000 ampere a causa della loro resistenza relativamente bassa. Solo l’uso di trasformatori specifici e di sistemi busbar (sistemi sbarre ad alta corrente) fornisce gli elevati livelli di corrente richiesti. Nei sistemi di controllo bushing SCR (Silicon Controlled Rectifier) i controllori di potenza (anche noti come controllori a tiristori) forniscono energia utilizzando l’innesco ad angolo di fase, che fornisce un controllo bushing uniforme.

Eurotherm bushing control system cabinets_300dpi_modified — 24 bushing position Eurotherm power control and distributed control system (DCS), based on the EPower™ controller and T2750 PAC, with visualization from AVEVA™ System Platform.

L’angolo di fase causa la distorsione della forma d’onda AC (nota come “armonica”) nel trasformatore e nei cablaggi. La distorsione delle armoniche provoca un aumento della tensione e della corrente presente nei cavi, questo non solo causa uno spreco di energia ma anche ulteriori effetti negativi.

Per ottenere un fattore di potenza accettabile intorno a 1, il controllore a tiristore deve fornire una forma d’onda pulita riducendo al minimo le armoniche. Per raggiungere questo obiettivo il setpoint non deve essere al di sotto dell’80%.
In un’applicazione di bushing generalmente è necessario un ulteriore 10% di margine sul setpoint nel caso in cui la temperatura dovesse essere regolata rapidamente dopo un arresto.

Efficienza energetica

Eurotherm by Schneider Electric ha sviluppato una soluzione ad alta efficienza per il controllo bushing. L’approccio di Eurotherm pone l’attenzione su ogni parte del sistema. Ad esempio, il controllore di potenza avanzato EPower advanced power controller è utilizzato in modalità LTC (load tap changer), piuttosto che con innesco ad angolo di fase, che “taglia” la forma d’onda causando armoniche e influenzando negativamente il fattore di potenza.

La LTC inverte automaticamente i tocchi del trasformatore dinamicamente. Fornendo la potenza in questo modo si favorisce la creazione di un’onda sinusoidale più completa piuttosto che l’onda “tagliata” che si ha usando l’angolo di fase da solo.

Con un’adeguata selezione del tap, consigliata dagli ingegneri Eurotherm, la distorsione delle armoniche può essere ridotta significativamente, aiutando a mantenere il fattore di potenza sopra 0,94 – molto più alto di un normale sistema SCR. Di conseguenza, la totale riduzione della distorsione delle armoniche (THD) è sostanziale – in genere si passa dal 50-60% o più durante le normali operazioni, a meno del 15%.

Phase Angle Firing Waveforms — Phase angle firing mode ‘chops’ the waveform causing harmonics and negatively affecting the power factor.

L’energia extra richiesta dal bushing viene fornita quando il secondo tap (presa del trasformatore) viene acceso in modalità ad angolo di fase da algoritmi Eurotherm che calcolano continuamente e selezionano automaticamente il miglior tap in base alle diverse situazioni. Il controller EPower è in grado di controllare più stack di tiristori collegati a più tap di un trasformatore invece di dover effettuare laboriosi cambi di tap manuali, consentendo un controllo continuo da 0-100% della domanda di energia, mantenendo il miglior fattore di potenza possibile in ogni momento. Nelle applicazioni di bushing la funzione LTC con due tap è sufficiente per fornire un significativo risparmio energetico, bilanciando capitale investito e ritorno sull’investimento.

Load Tap Changer Waveforms — Eurotherm’s load tap changer feature automatically switches transformer taps dynamically to provide a more complete sine wave.

Efficienza di processo

Sofisticate strategie, in grado di controllare con precisione la temperatura del vetro, aiutano la produzione di fili di fibra di vetro uniformi con un elevata resistenza alla trazione, mentre un HMI ben progettato permette agli operatori di diversi livelli di abilità di eseguire il processo senza compromettere la qualità. Il T2750 controllore programmabile (PAC) Eurotherm T2750 fornisce il controllo della temperatura di carico, utilizzando la piattaforma di sistema AVEVA (ex Wonderware) per la supervisione e l’acquisizione dei dati (SCADA) riportando un’analisi chiara della posizione di carico e informazioni sulle prestazioni e sugli indicatori chiave.

Per ridurre al minimo i tempi di inattività non pianificati, la doppia funzionalità ridondante del PAC T2750 (un processore secondario che assume il controllo in caso di un problema nel processore principale) può offrire un’elevata disponibilità del sistema, nonché ingressi e moduli di uscita ridondanti, se necessario.

Prova pratica

In un aggiornamento del sistema di controllo della posizione di 24 bushings per un produttore leader di fibra di vetro, la soluzione di alimentazione bushing di Eurotherm ha ottenuto un risparmio energetico del 9,4%. Durante una prova iniziale, due delle posizioni di bushing sono state modernizzate per valutare il possibile miglioramento. Il sistema è stato in funzione per diversi mesi per confrontare le prestazioni e l’efficienza delle due posizioni equipaggiate con la soluzione LTC Eurotherm, rispetto alle altre 22 posizioni. Quattro bushings erano controllati da ogni pannello di controllo, che conteneva quattro controllori EPower e un pannello locale HMI PC. Diversi di questi armadi di controllo bushing erano collegati ad un unico armadio di distribuzione dell’alimentazione di rete per creare una soluzione integrata e flessibile adatta a quasi ogni configurazione in fibra di vetro frontale.

I bushings di prova che impiegano la forma d’onda più pulita fornita dal controllore EPower con LTC, in combinazione con le busbars a bassa induttanza e il trasformatore, hanno mostrato una drastica riduzione delle armoniche. Ciò ha comportato un miglioramento del fattore di potenza del 50% e una riduzione del 40% della corrente di linea; 51% in kVA (potenza apparente), e più del 9% in potenza reale (kW) rispetto alla normale posizione controllata ad angolo di fase. Il risultato è un importante risparmio sui costi.

Le posizioni di bushing con modalità LTC consumavano solo 9,6 kW contro il consumo normale delle posizioni di bushing di 10,6 kW. Il risultato è correlato alla funzione LTC che ha raggiunto un risparmio di energia reale totale del 9,4%, che in questo caso equivale a un risparmio di €21.000 all’anno (basato su 0,1 euro/kWh, in esecuzione continua 24 bushing). Il ROI era di circa 18 mesi.

Ulteriori vantaggi

In un sistema tradizionale, le vibrazioni possono causare la rottura dei fili di fibra di vetro e di conseguenza portare a danni dei componenti del sistema, compreso lo stesso bushing. Con il miglioramento del sistema, le vibrazioni sono state diminuite notevolmente grazie alla riduzione delle armoniche. Ciò ha migliorato la resa riducendo la rottura della fibra e ha permesso ai componenti del sistema di durare più a lungo, riducendo i tempi e i costi di manutenzione. L’utilizzo di EPower con funzione LTC ha consentito inoltre di risparmiare tempo passando automaticamente ai tap del trasformatore, di norma si trattava di un’operazione manuale che interrompeva il processo produttivo. Terminato il periodo di prova, tutte le 24 posizioni sono state modernizzate grazie alla soluzione Eurotherm; il sistema è stato progettato con scalabilità futura integrata, se necessario.

Con un fattore di potenza migliorato, non sono più necessari i banchi di condensatori, il che aiuta CapEx e ROI e riduce ulteriormente i costi di manutenzione. In una nuova installazione, con la corrente di linea generalmente ridotta del 40% per posizione e kVA inferiore alla metà, rispetto a un sistema tradizionale controllato da SCR, è possibile ottenere significativi risparmi sui costi riducendo le dimensioni di tutti i componenti, dal trasformatore di distribuzione principale agli interruttori di circuito e cavi.

Conclusioni

Nei progetti di ammodernamento, la soluzione Eurotherm di controllo bushing con LTC aiuta a migliorare ogni parte del sistema per ottenere una maggior efficienza energetica e qualità della fibra di vetro migliorando significativamente il fattore di potenza e riducendo la distorsione delle armoniche totale (THD), il tutto con un rilevante ritorno sull’investimento. I risparmi energetici nel corso della campagna del forno (generalmente 15 anni) sono considerevoli. Le valutazioni energetiche possono essere effettuate per calcolare il ROI previsto e la soluzione può essere adattata in fasi di modernizzazione per soddisfare i requisiti di bilancio. Con un’adeguata progettazione del sistema completo è possibile realizzare risparmi di capitale ancora più consistenti sui nuovi impianti. Per i produttori di vetro pronti a passare a una tecnologia più efficiente, Eurotherm può essere d’aiuto.

A proposito degli autori:

Mikael Le Guern è Business Leader per il vetro globale e Amber Watkin è Application Marketing Engineer presso Eurotherm.

La versione completa di questo articolo è apparsa nel numero di maggio/giugno 2021 di Glass Worldwide.

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