تحسين السيطرة على المحركات الصناعية: تحديث المُحوِّل لتوفير الطاقة

Edwiin

حقل: مفتاح الكهرباء

China

كما أن أنظمة التحكم الكهربائي الآلي هي جوهر الإنتاج الصناعي، فإنها تؤثر مباشرة على تكلفة الإنتاج العامة والتاثير البيئي. غالبًا ما يؤدي التشغيل بسرعة ثابتة التقليدي إلى إهدار الطاقة عند الاستجابة لمتطلبات الحمل المتغيرة ويجعل تحقيق السيطرة الدقيقة على العملية صعبًا. تقدم تقنية تنظيم السرعة بتغير التردد، كطريقة متقدمة للتحكم في المحركات، حلًا واعدًا لهذه القضايا. يأخذ هذا البحث نظام التحكم الكهربائي الآلي لمحطة طاقة كمثال لاستكشاف خطة إعادة التجهيز بناءً على تقنية التحكم في السرعة بالمحول وتاثيراتها الموفرة للطاقة، بهدف تقديم مرجعية لتحسين كفاءة الطاقة في السيناريوهات الصناعية المماثلة.

1 الحالة الراهنة ومطالب إعادة التجهيز لتطبيقات المحولات في التحكم الكهربائي الآلي

1.1 المعدات الموجودة

يتكون نظام التحكم الكهربائي الآلي لمحطة الطاقة بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: نظام التوزيع الكهربائي، وحدات تشغيل المحركات، ونظام التحكم. يتضمن نظام التوزيع الكهربائي مفاتيح قاطعة عالية الجهد 10 كيلو فولت، محولات، ومفاتيح قاطعة منخفضة الجهد 400 فولت، مرتبة بطريقة شجرية لتوزيع الطاقة. يتم التحكم في محركات الأسناد بشكل أساسي بواسطة التشغيل المباشر أو بدء التشغيل بتخفيض الجهد النجمي-الثلثي. تشكل أحمال المضخات النسبة الأكبر من المعدات الموجودة في الموقع، بما في ذلك مضخات المياه الدائرية، ومضخات المياه الباردة، ومضخات المياه العالية الضغط. تعمل هذه الأجهزة بسرعة ثابتة، مع تنظيم التدفق عبر الصمامات، مما يؤدي إلى استهلاك كبير للطاقة. تعتبر البنية النظامية الحالية نسبيًا موزعة، مع إدارة مركزية جزئية. يربط النظام الرقابي العلوي بين أنظمة التحكم في الميدان عبر إيثرنت الصناعي لتحقيق عرض بيانات مركزي وتشغيل عن بعد. ومع ذلك، يفتقر النظام الرقابي الحالي إلى خوارزميات التحكم المتقدمة لتنظيم السرعة بتغير التردد، مما يؤدي إلى نقص في إدارة الطاقة وأتمتة العملية.

1.2 مطالب إعادة التجهيز

بناءً على حالة المعدات الحالية، تركز مطالب إعادة التجهيز لنظام التحكم الكهربائي الآلي بشكل أساسي على تحسين كفاءة الطاقة وأتمتة السيطرة. من الضروري تقديم تقنية التحكم في السرعة باستخدام المحولات لتتيح تشغيل المضخات والمراوح بكفاءة من خلال ضبط سرعة المحرك لتتناسب مع متطلبات الحمل.

وفي الوقت نفسه، من خلال الاستفادة من محطات المضخات والمرافق الإنتاجية الحالية، هناك حاجة ملحة لبناء منصة رصد ذكية متوافقة مع متطلبات حماية الأمن السيبراني المستوى الثاني. تتمحور هذه المنصة حول الحوسبة السحابية وتكاملها مع تقنية إنترنت الأشياء، مما يسمح بالتكامل السلس بين إدارة المؤسسة والتحكم في الميدان. تتبنى بنية النظام ثلاثية المستويات "المنصة المركزية + الأنظمة الفرعية الموزعة + الأجهزة المحمولة"، مما يضمن جمع البيانات في الوقت الحقيقي ومعالجتها بكفاءة وتخزينها بأمان.

تقوم المنصة المركزية، التي تم بناؤها على مجموعة خوادم عالية الأداء، بتنفيذ خوارزميات تحليل البيانات المتقدمة لتوفير دعم قرار دقيق. تشمل الأنظمة الفرعية الموزعة وحدات لمراقبة حالة المعدات، والمراقبة بالفيديو، وجمع المعلمات البيئية، لتغطية جميع جوانب العمليات الإنتاجية بشكل شامل. تتيح الأجهزة المحمولة، من خلال التطبيقات المخصصة، الرصد عن بعد والإشعارات الفورية.

2 الأساس النظري لتاثيرات توفير الطاقة

يتم أساساً تحليل تاثيرات توفير الطاقة لتقنية تنظيم السرعة بتغير التردد في هذا البحث على أساس قوانين الشبه للمراوح والمضخات ومبدأ تحويل الطاقة لتنظيم السرعة بتغير التردد. وفقًا لحالة تشغيل معدات المحطة، تعمل العديد من المضخات والمراوح بسرعة ثابتة مع تنظيم التدفق بواسطة الصمامات، مما يؤدي إلى فقد كبير للطاقة. في المقابل، يقوم تنظيم السرعة بتغير التردد بضبط سرعة المحرك لتتناسب مع متطلبات الحمل، وبالتالي تحقيق توفير الطاقة. تم إنشاء قوانين الشبه للمراوح والمضخات بناءً على العلاقات بين معدل التدفق، والرأس، والقوة، مع المعادلات الحسابية ذات الصلة كالتالي:

حيث $Q$ هو معدل التدفق (متر مكعب/ساعة)؛ $n$ هو سرعة الدوران (دور/دقيقة)؛ $H$ هو الرأس (متر)؛ $P$ هو القوة (كيلوواط)، حيث يمثل $P_{1}$ القوة الاسمية و $P_{2}$ القوة عند السرعة المنخفضة. معادلة تحويل الطاقة لتنظيم السرعة بتغير التردد هي:

بناءً على العلاقات النظرية أعلاه، عندما تنخفض متطلبات تدفق النظام، يقوم المحرك تلقائيًا بتقليل السرعة عبر التحكم في التردد، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ويحقق توفير الطاقة. وهذا يوفر أساسًا نظريًا لتصميم إعادة التجهيز والتقييم الموفر للطاقة اللاحق.

3 خطة إعادة التجهيز لتقنية تنظيم السرعة بتغير التردد

3.1 ترقية نظام التوزيع الكهربائي

لتنفيذ تقنية تنظيم السرعة بتغير التردد بشكل فعال، تم ترقية نظام التوزيع الكهربائي الحالي في هذا البحث. بالنسبة للنظام العالي الجهد، تم تعزيز مفاتيح القاطع 10 كيلو فولت بتثبيت مفاتيح قاطع فراغ ذكية بتيار اسمى لا يقل عن 1,250 أمبير وبقدرة فصل قص قصوى 31.5 كيلو أمبير. تم دمج الوحدات الواقية المعتمدة على المعالج الدقيق، لتوفير حماية متعددة الوظائف بما في ذلك تجاوز التيار، والقص، والأرض، مع وقت استجابة أقل من 20 مللي ثانية. تم أيضًا تقديم نظام مراقبة جودة الطاقة الكهربائية، باستخدام مستشعرات عالية الدقة من الفئة A لمراقبة معلمات مثل محتوى التوافقيات، والتقلبات الجهدية، وعدم التوازن الثلاثي في الوقت الحقيقي، مما يضمن استقرار النظام.

بالنسبة للنظام المنخفض الجهد، كان التركيز على ترقية النظام 400 فولت. تم إضافة دوائر تغذية خاصة بالمحول إلى النظام الحالي باستخدام خزانات تغذية مستقلة مجهزة بمفاتيح قاطع صب ذكية. تم اختيار التيار الاسمي بين 400 أمبير و630 أمبير بناءً على متطلبات الحمل، مع وحدات فصل إلكترونية للحماية الدقيقة ضد التحميل الزائد والقص. يتم تجهيز كل دائرة محول بقاطع عازل يتناسب مع التيار الاسمي لمفتاح القاطع ويشمل ميزة الانقطاع المرئي لتسهيل صيانة المعدات.

للتخفيف من التوافقيات، يتم تركيب مرشحات الطاقة النشطة (APF) على جانب إدخال المحول، مع المواصفات الخاصة المدرجة في الجدول 1.

لتحسين أنظمة الأرض، اعتمد هذا البحث طريقة التوصيل TN-S، مما يفصل الخط المحايد (N) عن خط الأرض الوقائي (PE) بدءًا من الخزانة التوزيعية. يستخدم الخط PE الأساسي موصلات نحاسية بمساحة مقطعية لا تقل عن 95 ملم² لضمان مقاومة الأرض أقل من 1 أوم. تم إضافة قضبان ربط الجهد المتساوي في مواقع المعدات الحرجة مثل المحولات والمحركات، باستخدام موصلات نحاسية بمساحة مقطعية أكبر من 16 ملم². هذا يقمع بشكل فعال التداخل المشترك النمطي ويحسن أداء EMC للنظام [21].

3.2 اختيار وتحسين معلمات معدات المحول

يتم اختيار المحولات بناءً على التوافق الدقيق بين خصائص الحمل ومتطلبات العملية. بالنسبة لأحمال المضخات، يتم اختيار المحولات ذات التحكم المتجهي، مع قدرة اسمية تتناسب تمامًا مع المحرك، وقدرة تحميل زائد 150٪/1 دقيقة. اختار هذا البحث سلسلة محول ABB ACS880، الذي يتميز بتكنولوجيا DTC (التحكم المباشر في العزم)، مع وقت استجابة للعزم أقل من 5 مللي ثانية ودقة التحكم في السرعة ±0.01٪. باعتبار البيئة المحلية، تم استخدام محول مغلق بدرجة حماية IP54، مجهز بنظام تبريد بالهواء القسري، مما يضمن تدفق هواء تبريد لا يقل عن 1 متر³/(دقيقة·كيلوواط).

لتحسين المعلمات، يتم التركيز على ضبط معلمات التحكم PID واستخدام خوارزمية التنغيم الذاتي المدمجة في المحول. من خلال الاختبارات الخطوة الاستجابية، يتم حساب أفضل مكسب تناسبي $K_{p}$ ، ومكسب التكامل $K_{i}$ ، ومكسب المشتق $K_{d}$ بشكل تلقائي. معادلة حساب خرج متحكم PID $u (t)$ هي:

تستخدم خوارزمية التنغيم الذاتي المدمجة في المحول لحساب أفضل مكسب تناسبي $K_{p}$ (المدى: 0.1-100)، وزمن التكامل $T_{i}$ (المدى: 0.1-3600 ثانية)، وزمن المشتق $T_{d}$ (المدى: 0-10 ثانية) من خلال اختبار الاستجابة الخطوة. يتم ضبط زمن التسارع على 10-30 ثانية وزمن التباطؤ على 15-45 ثانية لمنع تأثير الصدمة المائية. يتم تمكين حد العزم بنسبة 120٪ من العزم الاسمي للمحرك لمنع التحميل الزائد. بالنسبة لأحمال المراوح، يتم تفعيل وضع توفير الطاقة للمحول: تحت ظروف الحمل الخفيفة (نسبة الحمل < 50٪)، يتم تخفيض الجهد الخرج تلقائيًا، مع انخفاض أقصى يصل إلى 20٪. في نفس الوقت، يتم تحسين منحنى V/F من خلال زيادة الجهد الخرج في نطاق السرعة المنخفض (0-10 هرتز) لضمان عزم بدء كافٍ.

تم تكوين وظيفة النوم والاستيقاظ: عندما تبقى التردد التشغيلي أقل من 10 هرتز لمدة 60 ثانية، يدخل المحول في وضع النوم؛ يستيقظ تلقائيًا عندما ينخفض الضغط النظامي بنسبة 5٪، مما يعزز كفاءة النظام بشكل أكبر. في الإعدادات الأساسية للمحول، يتم ضبط التردد الناقل على 4 كيلو هرتز. بناءً على المتطلبات الفعلية لمحطة الطاقة، يتم ضبط حدود حماية الجهد الزائد والجهد المنخفض على 418 فولت و304 فولت على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم تكوين المعلمات الاسمية للمحرك وإعدادات التشغيل متعددة السرعات كما هو مفصل في الجدول 2.

معادلات حساب التقييد الحالي والحد الأدنى من التحسين الحالي هي على التوالي كالتالي:

حيث $I_{lim}$ هو الحد الأقصى للتقييد الحالي؛ $I_{n}$ هو التيار الاسمي للمحرك؛ $I_{smin}$ هو الحد الأدنى من التيار الثابت؛ $I_{dopt}$ هو التيار الأمثل للتحفيز؛ و $I_{q}$ هو مكون تيار العزم. من خلال دمج استراتيجيات التقييد الحالي والحد الأدنى من التحسين الحالي، يتم تحقيق السيطرة الدقيقة على تشغيل المحرك. تضمن إعدادات حماية الجهد الزائد والجهد المنخفض أن يعمل المحرك ضمن نطاق آمن. تساعد حماية التوقف والقيود الجارية بشكل فعال في منع التحميل الزائد. بالإضافة إلى ذلك، تدعم هذه طريقة السيطرة التواصل عبر بروتوكول Modbus-RTU، مما يتيح الرصد عن بعد وتعديل المعلمات، وبالتالي تعزيز مستوى الذكاء للنظام بشكل كبير.

3.3 ترقية نظام التحكم والتكامل

تستخدم ترقية نظام التحكم PLC Siemens S7-1500، وبالتحديد نموذج CPU 1517-3 PN/DP، والذي يتمتع بسرعة عملية بت 2 نانوثانية وسرعة عملية كلمة 40 نانوثانية. يتم تجهيز PLC بذاكرة عمل بحجم 1.6 جيجابايت وذاكرة تحميل بحجم 32 ميجابايت، ويدعم بروتوكولات الاتصال بما في ذلك PROFINET، PROFIBUS، وOPC UA. يتبنى النظام بنية موزعة مع وحدات I/O البعيدة من سلسلة ET 200SP، مما يحقق دورة اتصال بـ 250 ميكروثانية عبر PROFINET.

تستند البنية البرمجية إلى بيئة التطوير المتكاملة TIA Portal V16. يشمل برنامج PLC كتل وظيفية (FBs) للتواصل مع المحول، والتحكم PID، والتحكم التنبؤي بالنموذج (MPC)، ومعالجة مسبقة لجمع البيانات، وإدارة الإنذارات. يتم توضيح الإطار النظامي التفصيلي في الشكل 1.

4 تحليل تاثير توفير الطاقة

تظهر فوائد توفير الطاقة لتقنية تنظيم السرعة بتغير التردد بشكل أساسي في تقليل استهلاك الطاقة وتحسين كفاءة النظام. يمكن تقييم أداء توفير الطاقة بشكل كمي من خلال مقارنة بيانات استهلاك الطاقة قبل وبعد إعادة التجهيز. تم جمع بيانات النظام بعد إعادة التجهيز في هذا البحث باستخدام الطرق التالية:

نظام قياس الطاقة: تم تثبيت عدادات ذكية على خطوط التغذية الكهربائية للمعدات الكهربائية الرئيسية لجمع بيانات استهلاك الطاقة قبل وبعد إعادة التجهيز. نموذج العداد هو Schneider PM5560، بدقة فئة 0.2S وفترة أخذ العينات 15 دقيقة.
الوظائف المدمجة في المحول: تم استخدام وظيفة الرصد الطاقي المدمجة في محول ABB ACS880 لتسجيل وقت التشغيل والقوة الخرج واستهلاك الطاقة. تم نقل البيانات إلى غرفة التحكم المركزية عبر بروتوكول Modbus-RTU.
نظام SCADA: تم بناء نظام جمع البيانات في الوقت الحقيقي وتخزينها باستخدام منصة Siemens WinCC V7.5. تم مراقبة المعلمات الرئيسية مثل سرعة المحرك، نسبة الحمل، الجهد/التيار الخرج، وعامل القدرة بفترة أخذ عينات 1 ثانية.
اختبارات في الموقع: تم استخدام محلل جودة الطاقة Fluke 435 II لإجراء قياسات نقطية تحت ظروف حمل مختلفة، لالتقاط بيانات القوة اللحظية، التوافقيات، وعامل القدرة.