Непрекъсваемо токозахранване за адитивното производство

Съоръженията за адитивно производство обикновено са разположени в отдалечени зони, където невинаги е налично надеждно захранване и ежедневно има прекъсвания на електроподаването.

В тези предприятия типично има множество 3D принтери, чиито капацитет се оползотворява над 90% за едновременното производство на компоненти за няколко различни клиенти, които очакват техните части да бъдат доставени навреме и с най-високо качество. Материалите, необходими за адитивното производство, са високотехнологични и в някои случаи много скъпи.

Ако работата на една машина за 3D печат се прекъсне заради влошено качество на захранването или повреда и няма време за правилно изключване, може да се наложи бракуване на цяла партида. Когато това се случи, принтерът трябва да бъде почистен, а материалите в него да се отстранят и подменят с нови.

Тъй като обикновено множество машини функционират едновременно, това може да доведе до съществени забавяния на дейността, влияещи върху цялостното качество и потенциално генериращи финансови загуби за производителя в значителни размери. Американска компания, специализирана в адитивното производство, оценява, че смущенията в захранването могат да доведат до загуби от между 30 000 до 50 000 щ. д. за една машина в зависимост от типа на използвания материал и това колко часа е работило оборудването.

Най-доброто решение за големите промишлени 3D печатни машини, за да се ограничат тези прекъсвания, е да се осигури външно непрекъсваемо токозахранване (UPS), което да предоставя захранване и резерв съхранена енергия в случай на смущения в мрежата като краткотрайни падове на напрежение, пренапрежения и преходни процеси. Ако съоръжението е интегрирано с UPS и генератор, тогава 3D принтерите могат да бъдат захранени с чиста, непрекъсната енергия без никакви смущения.

Има много съображения, които трябва да се имат предвид при избор на UPS, който да предлага най-добрия набор характеристики за адитивните производители – тип на системата за съхранение на енергия, защита на захранването, надеждност, размери и пространствени изисквания, обща стойност на инвестицията, устойчивост и др.

Тип система за съхранение на енергията

Операторите могат да избират между две основни възможности за съхранение на енергията за техния UPS – оловно-киселинни акумулатори или интегриран маховик. Що се отнася до съхранение на енергията за UPS, адитивното производство и някои други индустриални приложения имат по-специфични изисквания. Въпреки че повечето конвенционални UPS системи използват оловно-киселинни батерии, за да осигурят минути аварийно захранване, акумулаторите имат съществени ограничения при използване в промишлени предприятия.

Батериите се износват по-бързо при по-често използване и трябва да се подменят на всеки 3-5 години, за да се запази способността им да съхраняват енергия. В производствено съоръжение, което често прибягва до използването на UPS (до стотици пъти на ден), акумулаторите ще трябва да се сменят по-често.

Батериите трябва да се инсталират и поддържат в климатично контролирана среда при точно 25°C. Колебанията над и под тази температура могат съществено да скъсят полезния живот на акумулатора. Това обикновено налага добавяне на охлаждащи системи за помещението, където са разположени акумулаторите, което на свой ред е свързано с увеличаване на разходите за енергопотребление.

Специално внимание трябва да се обърне, за да се осигури безопасната инсталация и поддържка на батериите. Те изискват вентилация, пожарна защита, мониторинг и системи за защита на персонала, специфични за тяхното използване. Поради тези съображения може да са необходими и допълнителни разрешения или одобрения от различни регулаторни органи. Повечето индустриални предприятия не разполагат със специални помещения за разполагане на батериите.

UPS със система за съхранение на енергията с интегриран маховик вместо обикновен акумулатор използва въртящ се ротор, за да осигури резерв от енергия. В сравнение с батериите, UPS устройствата с интегриран маховик предлагат значителни предимства за адитивните производства. При тях не се наблюдава намаляване на времето за работа при разреждане.

Маховикът може да се използва за защита на товара с голяма честота през неговия 20-годишен оперативен живот и въпреки това да осигурява еднакво количество съхранена енергия, както и през първия ден на експлоатация. Това ги прави по-надеждно и икономически по-изгодно решение в сравнение с базираните на батерии UPS, особено за промишлени съоръжения, където се наблюдават чести падове на напрежението.

Маховикът поддържа широк обхват на околната температура от 0 до 40°C, без влияние върху ефективността му на работа. Това позволява UPS да бъде използван на места, където охлаждането е скъпо или ненадеждно, например директно на производствената площадка, в близост до защитаваното оборудване. Този тип UPS може да работи също и при по-високи околни температури с по-малко откази поради прегряване, което значително намалява натоварването и разходите за охлаждане.

В допълнение, не е необходимо маховикът да бъде сменян през целия 20-годишен живот на продукта, което осигурява възможност за реализиране на съществени икономии на средства. Това намалява инсталационните и експлоатационни разходи, свързани с вентилация и пожарна безопасност в сравнение с конвенционалните UPS решения. Това също така опростява и подобрява гъвкавостта на UPS и може да елиминира притесненията, свързани с регулаторните изисквания и нуждата от разрешителни.

Защита на захранването

Индустриалният сектор на адитивното производство използва чувствително оборудване за производството на много сложни и уникални детайли. Всяко смущение в захранването може да бъде катастрофално за партидата и потенциално да доведе до цялостното й бракуване. Някои от основните видове смущения в захранването са падове на напрежението, пренапрежения, смущения, предизвикани от хармоници, и нисък фактор на мощността.

UPS устройствата с маховик разполагат с истинска паралелна онлайн топология, насочена към всички типове проблеми в качеството на захранването. Изходът на този вид UPS е директно свързан към високоскоростен преобразувател с биполярен транзистор с изолиран гейт (IGBT), който генерира напрежение за товара.

Тъй като преобразувателят превключва със скорост 100 пъти по-висока от мрежовия вход, той може да прави корекции в синусоидалната вълна на изходното напрежение на база полуцикъл. Това означава, че когато някое от деветте смущения в захранването, определени от Института на инженерите по електротехника и електроника (IEEE), бъде установено на входа, то активно се коригира чрез използване на устройство за потискане на преходни пренапрежения (TVSS), индуктивност на линията, активно филтриране, силови конвертори и устойчиви на натоварване системи за съхранение на енергия с интегриран маховик.

Най-често срещаният и скъп проблем с качеството на захранването за производствените съоръжения са падовете на напрежение. Този вид смущения водят до моментно прекъсване на работата на 3D принтерите или перманентното им изключване. Повечето падове на напрежение са от 10 до 30% под номиналния обхват и продължават от 3 до 30 цикъла.

UPS устройствата с маховик работят непрекъснато, за да осигурят изходно напрежение в рамките на 1% от номиналното. Те коригират пренапреженията или падовете до 10% над и 15% под номиналната стойност за каквато и да е продължителност от време, без да използват енергията, съхранена чрез маховика.

При отклонения извън този обхват UPS устройството прекъсва мрежовия източник и незабавно започва да захранва товара с енергия от маховика без промяна в изходното напрежение. Енергията, съхранена чрез маховика, може да захранва товара за до около 60 секунди или 3600 цикъла в зависимост от товара и UPS конфигурацията, далеч надхвърляйки изискванията на по-голямата част от индустриалното оборудване.

Надеждност

Като се имат предвид икономическите интереси, свързани с наличието на UPS в едно промишлено предприятие, надеждността на системата е критична при оценяване на ползата от нея. При повечето конвенционални UPS системи батериите са най-податливи на повреди в сравнение с всеки друг компонент или подсистема.

Неизправностите на акумулаторите са водещата причина за загуба на товар и престой на системата, причинявайки повече от една трета от всички прекъсвания. Батериите отказват непредвидимо поради стареене, състояние на заряда, събития, свързани със зареждане и разреждане, и периоди на бездействие, водещи до влошаване на надеждността.

Системата за съхранение на енергия с интегриран маховик по същество е надеждна, осигурявайки предсказуемо, постоянно резервно захранване. Нормалното състояние на тези UPS е с постоянно въртящ се маховик, съхраняващ кинетична енергия. Когато е необходимо при прекъсване на мрежовото захранване или друго събитие, свързано с качеството му, маховикът е готов да поеме товара. Проучване за оценка на риска показва, че UPS с маховик може да намали риска от повреда на електрическата система с 80% в сравнение с конвенционален UPS с батерии при краткотрайни прекъсвания на мрежовото захранване, продължаващи по-малко от 10 секунди.

Пространствени изисквания

Физическото пространство, което изисква UPS, също е ключов фактор за избора му. Площта, необходима за UPS, в много случаи може да бъде по-добре използвана за оборудване с по-голямо значение за дейността на предприятието или може да наложи допълнителни разходи за разполагане на UPS. Устройствата с интегриран маховик са със значително по-висока плътност на мощността отколкото конвенционалните UPS с батерии.

При тях необходимата площ е наполовина в сравнение с конвенционалните устройства на водещите производители. Предимствата от плътността на мощността за промишлените съоръжения са съществени.

Операторите могат да намалят пространството, необходимо за електрическа инфраструктура, освобождавайки място за допълнително оборудване, генериращо приходи. Ако се определи на ранен етап в проекта, по-малкият UPS може да означава покупка на по-малко земя или изграждането на по-малка сградна конструкция, което да доведе до огромни икономии. По-малките размери улесняват също добавянето на UPS към съществуващо съоръжение, което желае да разшири защитата на захранването си.

Обща стойност на собствеността 

Най-важният икономически параметър на дадена UPS система е нейната обща стойност на собствеността (ТСО), която позволява на операторите обективно да оценят разходите за покупка, инсталационните разходи и дългосрочните експлоатационни разходи за подходящ за предприятието период от време. ТСО обикновено се оценява за период от 10 до 15 години. Пълното икономическо въздействие на системата може да се оцени и раздели в две категории – капиталови и експлоатационни разходи.

Покупната цена на UPS представлява малка част от общата стойност за собствеността на системата. Едно от най-големите предимства на UPS с маховик е фактът, че той не се нуждае от специализирано охлаждане. Не е необходимо да се осигуряват допълнителни климатизиращи модули и специализирани помещения за батериите, което генерира значителни спестявания на разходи и пространство.

От оперативна гледна точка двете основни предимства на UPS с маховик пред конкуренцията са тяхната експлоатационна ефективност и липсата на необходимост от смяна на батериите. Повечето UPS с батерии имат ефективност в диапазона 94-96%, докато UPS с маховик работят с до 98% ефективност при пълно натоварване. Тази разлика в ефективността е от огромно значение за експлоатационните разходи за UPS през целия живот на продукта.

Устойчивост

Приблизително 70% от електричеството, произведено по целия свят, се генерира с помощта на изкопаеми горива като въглища, природен газ и нефт. Преходът към използването на по-малко изкопаеми горива може да отнеме десетилетия, имайки предвид, че енергопотреблението продължава да се увеличава много бързо.

Все повече компании, организации и правителства приемат политики за ограничаване на въздействието на въглеродните емисии и свързаните с това промени в климата. Днешната промишленост и бизнесът носят отговорност към околната среда и трябва да изменят своите операции и политики така, че да популяризират промени, позволяващи едновременното постигане на търговски успех и екологична устойчивост.

Базираните на батерии UPS губят твърде много електричество, а за целия им полезен живот са необходими хиляди килограми олово. Тази загубена енергия е свързана със значително замърсяване и въглеродни емисии от електроцентрали, работещи на изкопаеми горива. UPS устройствата с интегриран маховик намаляват въглеродните емисии, свързани с производството им, приблизително 10 пъти, а експлоатационните въглеродни емисии с 40% благодарение на своята висока ефективност, ниски изисквания за охлаждане и постоянно съхранение на енергия през целия живот на продукта в сравнение с конвенционалните акумулаторни UPS продукти.

Тези характеристики правят UPS с интегриран маховик идеално решение за адитивните производители, което да им помогне да постигнат целите си за устойчивост и да понижат цялостния си въглероден отпечатък.