W przemyśle metalowym i wydobywczym kluczowe znaczenie mają wydajność, redukcja kosztów i zrównoważony rozwój. W czasach, gdy marże są niskie ( ), przedsiębiorstwa muszą poszukiwać innowacji technologicznych, które pozwolą zoptymalizować działalność i zmniejszyć zużycie energii ( ), przy jednoczesnym utrzymaniu wydajności. Jednym z takich przykładów jest napęd o zmiennej prędkości (VSD), technologia , która znacznie poprawia wydajność silników elektrycznych poprzez dostosowanie ich prędkości do wymaganego obciążenia .  Kluczowym czynnikiem pozwalającym osiągnąć najlepsze wyniki jest dostosowanie oprogramowania do danego zastosowania, co wymaga specjalistycznej wiedzy branżowej.

 Jose Giacomoni, starszy menedżer ds. produktów komercyjnych w firmie Nidec, wyjaśnia rolę napędów VSD i sposób, w jaki mogą one zoptymalizować wydajność napędów elektrycznych.

Tradycyjne silniki pracują ze stałą prędkością, co często prowadzi do marnowania energii, gdy nie jest wymagana pełna moc.  Przetwornica VSD, znana również jako napęd o zmiennej częstotliwości (VFD), jest urządzeniem elektronicznym, które steruje prędkością i momentem obrotowym silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia zasilania.  Dzięki temu silniki mogą pracować z optymalną prędkością, co zmniejsza zużycie energii i zużycie sprzętu.

Przenośniki i pompy

Zakłady górnicze i przetwórstwa metali w dużym stopniu opierają się na systemach przenośników do transportu materiałów. Przemienniki częstotliwości VSD umożliwiają precyzyjną regulację prędkości , optymalizując przepływ materiałów i zmniejszając zużycie energii. Dzięki dostosowywaniu prędkości przenośników do warunków obciążenia , VSD pomagają zapobiegać rozsypywaniu się materiałów, zużyciu taśm i nadmiernemu zużyciu energii.

W górnictwie konieczne jest również szerokie zastosowanie pomp do odwadniania, transportu szlamu i systemów chłodzenia. Starsze  pompy często pracują z pełną wydajnością, co prowadzi do marnowania energii.  Przemienniki częstotliwości umożliwiają dynamiczną regulację prędkości, dostosowując wydajność pomp do zapotrzebowania, co zmniejsza zarówno zużycie energii, jak i zużycie sprzętu.   Podobnie, napędy wentylatorów wentylacyjnych w kopalniach podziemnych korzystają z VSD poprzez optymalizację cyrkulacji powietrza za pomocą regulacji prędkości, co zmniejsza zużycie energii zgodnie z zasadami prawa „kwadratu i sześcianu”.

Operacje kruszenia i mielenia należą do najbardziej energochłonnych procesów w górnictwie i hutnictwie metali.  Dzięki zastosowaniu VSD operatorzy mogą regulować moment obrotowy kruszarek i młynów, dostosowując je do zmiennej twardości rudy i szybkości podawania, co znacznie poprawia wydajność i zmniejsza niepotrzebne zużycie energii, zwiększając produktywność przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.

Precyzyjna kontrola i funkcjonalność

Przetwornice częstotliwości mogą również zapewnić lepszą kontrolę systemów wyciągowych, gwarantując płynność operacji podnoszenia przy zmniejszonym obciążeniu mechanicznym . Jest to szczególnie ważne w przypadku głębokich kopalń, gdzie wyciągi transportują ciężkie ładunki na duże odległości. . Kontrolowane przyspieszenie i hamowanie poprawiają bezpieczeństwo i zapobiegają nagłym ruchom, które mogłyby uszkodzić sprzęt. Systemy napędów regeneracyjnych, znane również jako aktywny przedni koniec (AFE), są szeroko stosowane w tego typu zastosowaniach , wykorzystując nadmiar energii podczas hamowania, zwracając ją z powrotem do sieci lub ponownie wykorzystując w innych częściach zintegrowanego systemu.

Podczas wytapiania i rafinacji różne urządzenia napędzane elektrycznie, takie jak mieszalniki, dmuchawy i urządzenia odlewnicze, mogą skorzystać z VSD. Zastosowania te wymagają precyzyjnej regulacji prędkości w celu utrzymania jakości produktu, zmniejszenia kosztów energii i zapewnienia optymalnych warunków procesu. Każda operacja ma swoje własne wymagania i chociaż sprzęt w ramach danej serii VSD będzie podobny, to oprogramowanie zapewnia szczegółową kontrolę i funkcjonalność.

 Po wybraniu rozwiązania w zależności od typu silnika, prądu przemiennego, stałego lub serwomechanizmu, następnym krokiem jest upewnienie się, że wymagane funkcje i elementy sterujące są wbudowane.  Nowoczesne napędy, takie jak te oferowane przez firmę Nidec, są dostosowane do konkretnych zastosowań, aby zapewnić wymagane wejścia, wyjścia, komunikację, ochronę silnika oraz integrację z podłączonym sprzętem sterowania ( ), co pozwala osiągnąć optymalną wydajność.

Kluczowe korzyści 

 Porównanie kosztów instalacji dodatkowego sprzętu polowego między konwencjonalnym zastosowaniem o stałej prędkości (bezpośrednie podłączenie do sieci (DOL), gwiazda-trójkąt, rozrusznik reaktorowy itp.) a zastosowaniem VSD jest korzystne ze względu na inteligentną optymalizację przepływu strumienia silnika podczas początkowego cyklu rozruchu.  Zmniejsza to nadmierne szczytowe prądy rozruchowe, co pozwala na zastosowanie mniejszych kabli zasilających o niższym koszcie.  Ponadto maksymalne szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną podczas cyklu rozruchu jest znacznie niższe, dzięki czemu podstawowa stawka za energię elektryczną jest niższa.

Dzięki optymalizacji prędkości silników w zależności od zapotrzebowania, VSD mogą zmniejszyć zużycie energii o 20% do 50%.  Zapewniając precyzyjną kontrolę prędkości silników w urządzeniach pracujących pod zmiennym obciążeniem, takich jak przenośniki, kruszarki, pompy i wentylatory, VSD oferują lepszą kontrolę procesu i spójność.

Oszczędności osiągnięte dzięki wprowadzeniu VSD nie są tylko finansowe.  Zmniejszenie zużycia energii jest wprost proporcjonalne do spadku emisji dwutlenku węgla, co przyczynia się do realizacji celów zrównoważonego rozwoju w branży .  Coraz częściej wprowadzane są przepisy prawne wzmacniające potrzebę ograniczenia globalnych emisji, a przemysłowi odbiorcy energii odpowiadają za zużycie 37% całkowitej energii wytwarzanej na świecie.

Zrównoważony rozwój

W górnictwie i przetwórstwie metali napędy VSD umożliwiają płynniejsze dostosowanie do wymagań procesu.  Pomaga to zapobiegać wąskim gardłom w produkcji, zwiększa przepustowość i minimalizuje zakłócenia w pracy.  Skutkuje to niższymi kosztami operacyjnymi (OPEX) i zmniejszeniem śladu węglowego, dzięki czemu działalność jest bardziej zrównoważona.
 
 Jednym z przykładów procesów zużywających znaczne ilości energii jest system chłodzenia, który ma kluczowe znaczenie dla utrzymania komfortowych warunków pracy w podziemnych kopalniach.  Audyty energetyczne często wskazują na ekonomiczną opłacalność instalacji technologii VSD w pompach i wentylatorach, co potwierdzają programy pilotażowe, które wykazują rzeczywiste oszczędności. 

W rzeczywistości VSD podwaja tę korzyść.  Silniki pracujące przy niższych natężeniach prądu nie tylko zużywają mniej energii, ale także generują mniej ciepła, co zmniejsza zapotrzebowanie na systemy chłodzenia. Ponadto VSD przyczyniają się do cichszej pracy środowiska poprzez minimalizację hałasu silników, co dodatkowo poprawia warunki pracy.

 Praca silników elektrycznych przy stałych wysokich prędkościach może prowadzić do nadmiernego obciążenia mechanicznego, skracając żywotność urządzeń i zwiększając koszty konserwacji, a także zapotrzebowanie na części zamienne.  Przetwornice VSD łagodzą ten problem poprzez zmniejszenie obciążenia elementów mechanicznych, wydłużając ich żywotność i zmniejszając zapotrzebowanie na dodatkowe materiały w postaci części zamiennych. .

Porównanie technologii

 Niektóre korzyści wynikające z zastosowania VSD można osiągnąć dzięki softstartom, ale przed podjęciem decyzji należy zrozumieć różnice między tymi dwiema technologiami. Stanowiąc krok naprzód w stosunku do układów DOL lub gwiazda-trójkąt , softstarty stopniowo zwiększają napięcie zasilania silnika, zapewniając kontrolę prędkości i momentu obrotowego tylko podczas rozruchu .

Są one często stosowane, gdy układ mechaniczny napędzany przez silnik wymaga łagodnego rozruchu w celu złagodzenia skoków momentu obrotowego i naprężenia towarzyszące normalnemu uruchamianiu, na przykład przenośników, wentylatorów napędzanych pasami i napędów przekładniowych.  Softstarty są szeroko stosowane ze względu na swoją prostotę i niewielkie rozmiary, ale istnieje wiele zastosowań, w których bardziej zaawansowane funkcje VSD byłyby korzystne. .

 Napędy o zmiennej prędkości oferują w pełni regulowaną prędkość, idealną dla pomp, przenośników i wentylatorów, oraz mogą kontrolować rozruch, zatrzymanie i przyspieszenie. Regulacja prędkości oferowana przez VSD może być wykorzystana do zmniejszenia skoków ciśnienia powodowanych w systemach pompowania, optymalizując wydajność i wydłużając żywotność.  Posiadają również dynamiczną kontrolę momentu obrotowego, a napędy VSD zapewniają płynny ruch w zastosowaniach takich jak windy i dźwigi.

Jednak najważniejsze korzyści wynikają z ciągłej kontroli szczytowego zapotrzebowania na energię i redukcji mocy , gdy nie jest ona potrzebna, co minimalizuje koszty energii.  Zdolność do utrzymania prędkości przy zmiennych wymaganiach momentu obrotowego jest bardzo ważna w wielu zastosowaniach, w tym w przenośnikach, mieszalnikach, młynach i kruszarkach.

Czynniki środowiskowe

 Jeśli istnieje jeden wspólny czynnik łączący górnictwo i przetwórstwo metali, to jest to trudne środowisko pracy, które może obejmować pył ścierny, korozyjne powietrze słone, a także ekstremalne temperatury.  Obsługa maszyn i urządzeń sterujących jest trudnym zadaniem.  Urządzenia muszą być starannie dobrane, nie tylko pod kątem przydatności do wykonywania danego zadania, ale także odporności na lokalne warunki środowiskowe.

W tym miejscu tak ważny staje się wybór dostawcy sprzętu. Współpraca z producentem posiadającym doświadczenie w branży oraz wiedzę specjalistyczną w zakresie konkretnych zastosowań, które są przedmiotem dyskusji, ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wdrożenia .  Idealnie byłoby, gdyby można było wykorzystać wiele przykładów z praktyki, popartych pozytywnymi opiniami operatorów, aby zilustrować niezawodność i solidność konstrukcji.

W przypadku zastosowań górniczych marka, która zapewnia trwałość na tym rynku, często sprawdza się również we wszystkich innych sektorach. W tak trudnych warunkach i przy tak wysokich wymaganiach eksploatacyjnych najlepszym rozwiązaniem są dostosowane do potrzeb napędy o zmiennej prędkości obrotowej, które zapewniają operatorom maksymalne korzyści i spokój ducha podczas użytkowania. .

Patrząc w przyszłość

Kluczem do osiągnięcia tych korzyści jest nie tylko instalacja VSD, ale sposób, w jaki VSD zapewnia sterowanie, jego konfiguracja oraz interakcja sprzętu z oprogramowaniem.  Operatorzy powinni zdecydowanie nawiązać współpracę z wiodącym producentem napędów, takim jak Nidec, aby wykorzystać jego doświadczenie przemysłowe do optymalizacji zastosowania. 

Ponieważ przemysł metalowy i wydobywczy nadal priorytetowo traktuje zrównoważony rozwój i wydajność operacyjną, prawdopodobnie wzrośnie popularność napędów VSD . Postęp w digitalizacji, automatyzacji i zdalnym monitorowaniu jeszcze bardziej usprawnia możliwości technologii VSD.  Wiele nowoczesnych VSD jest wyposażonych w inteligentne czujniki i funkcje łączności, umożliwiające monitorowanie wydajności w czasie rzeczywistym i konserwację predykcyjną.  Zmniejsza to przestoje i dodatkowo optymalizuje zużycie energii.

 Napędy o zmiennej prędkości zmieniają przemysł metalowy i wydobywczy, poprawiając efektywność energetyczną, zwiększając kontrolę procesów produkcyjnych, zmniejszając koszty konserwacji i przyczyniając się do bezpieczniejszego środowiska pracy. Od systemów przenośników do kruszarek i wciągników, napędy VSD oferują niezrównane korzyści, które prowadzą do oszczędności kosztów i poprawy wydajności operacyjnej .  W miarę jak firmy dążą do spełnienia przepisów dotyczących ochrony środowiska i celów zrównoważonego rozwoju, integracja przemienników częstotliwości VSD będzie odgrywać kluczową rolę w kształtowaniu przyszłości branży.