Optimalizace průmyslového řízení motorů: Modernizace převodníkem pro úsporu energie
Jako jádro průmyslové výroby mají elektrické automační systémy přímý vliv na celkové náklady na výrobu a dopad na životní prostředí. Tradiční konstantní rychlost provozu často vedou k energetickým ztrátám při reakci na proměnné nároky na zatížení a ztěžují přesnou kontrolu procesu. Technologie regulace rychlosti s proměnnou frekvencí, jako pokročilá metoda ovládání motorů, nabízí slibné řešení těchto problémů. Tato studie bere za příklad elektrický automační systém elektrárny a zkoumá schéma modernizace založené na technologii inverzního ovládání rychlosti a její úsporné efekty, s cílem poskytnout referenci pro zlepšení energetické efektivnosti v podobných průmyslových scénářích.
1 Současná situace a požadavky na modernizaci aplikací invertorů v elektrické automatizaci
1.1 Stávající zařízení
Elektrický automační systém elektrárny se skládá ze tří hlavních částí: rozvodového systému, jednotek pohonu motorů a ovládacího systému. Rozvodový systém zahrnuje vysokonapěťové vypínače 10 kV, transformátory a nízkonapěťové vypínače 400 V, uspořádané do stromové struktury pro distribuci energie. Pohony motorů jsou převážně asynchronní motory ovládané přímým spuštěním nebo spuštěním s redukovaným napětím hvězda-triangle. Největší podíl na místním zařízení mají čerpadla, včetně oběžných vodních čerpadel, chladicích vodních čerpadel a vodních čerpadel. Tyto zařízení fungují s konstantní rychlostí, s průtokem regulovaným pomocí ventilů, což vede k vysoké spotřebě energie. Stávající architektura systému je relativně decentralizovaná, s částečným centralizovaným řízením. Horní úroveň monitorovacího systému komunikuje s polemickými ovládacími systémy přes průmyslovou Ethernet, umožňuje centralizované zobrazení dat a dálkové operace. Avšak současný ovládací systém chybí pokročilé algoritmy pro regulaci rychlosti s proměnnou frekvencí, což vede k nedostatkům v energetickém managementu a optimalizaci procesu.
1.2 Požadavky na modernizaci
Na základě stávajícího stavu zařízení se požadavky na modernizaci elektrického automačního systému zaměřují hlavně na zlepšení energetické efektivity a optimalizaci řízení. Je nutné zavést technologii regulace rychlosti založenou na invertech, aby bylo možné efektivně provozovat čerpadla a větráky tím, že se rychlost motoru upraví tak, aby odpovídala nárokům na zatížení.
Zároveň, využitím stávajících čerpacích stanic a výrobních zařízení, je naléhavě potřeba postavit inteligentní monitorovací platformu splňující požadavky na ochranu kybernetické bezpečnosti úrovně 2. Založená na cloud computing a integrovaná s IoT technologií, tato platforma umožní hladkou integraci mezi podnikovým managementem a polemickým řízením. Systémová architektura používá třívrstvou strukturu "centrální platforma + distribuované subsystémy + mobilní terminály", zajišťuje reálné časové shromažďování dat, efektivní zpracování a bezpečné ukládání.
Centrální platforma, postavená na vysokovýkonné cluster serverů, nasazuje pokročilé algoritmy pro analýzu dat, aby poskytovala přesnou podporu rozhodování. Distribuované subsystémy zahrnují moduly pro sledování stavu zařízení, video surveillance a sběr parametrů prostředí, komplexně pokrývají všechny aspekty výrobních operací. Mobilní terminály, prostřednictvím přizpůsobených aplikací, umožňují dálkové sledování a okamžité oznámení.
2 Teoretická základna úsporných efektů
Analýza úsporných efektů technologie inverzní regulace rychlosti v této studii je založena primárně na afinních zákonech pro větráky a čerpadla a principu převodu energie s proměnnou frekvencí. Na základě operačního stavu zařízení elektrárny pracuje velké množství čerpadel a větráků s konstantní rychlostí, s průtokem regulovaným pomocí ventilů, což vede k významným energetickým ztrátám. Naopak, inverzní regulace rychlosti upravuje rychlost motoru tak, aby odpovídala nárokům na zatížení, čímž dosahuje úspor energie. Afinní zákony pro větráky a čerpadla jsou založeny na vztazích mezi průtokem, výškovým rozdílem a výkonem, s relevantními výpočetními vzorcemi následujícími:
kde Q je průtok (m3/h); n je otáčky (ot/min); H je výškový rozdíl (m); P je výkon (kW), kde P1 představuje nominální výkon a P2 výkon při snížené rychlosti. Vzorec pro převod energie s proměnnou frekvencí je:
Na základě výše uvedených teoretických vztahů, když se systémové nároky na průtok sníží, motor automaticky sníží rychlost prostřednictvím frekvenčního řízení, což výrazně snižuje spotřebu energie a dosahuje úspor. To poskytuje teoretickou základnu pro následnou návrh modernizace a hodnocení úspor energie.
3 Návrh modernizace technologie inverzní regulace rychlosti
3.1 Modernizace rozvodového systému
Pro efektivní implementaci technologie inverzní regulace rychlosti byl v rámci této studie modernizován stávající rozvodový systém. Pro vysokonapěťový systém byl 10 kV vypínač vylepšen instalací inteligentních vakuumových vypínačů s nominálním proudem nejméně 1 250 A a nominální kapacitou pro odpojení krátkého spojení 31,5 kA. Byly integrovány mikroprocesorové relé ochrany, poskytující multifunkční ochranu včetně přetokové, krátkozkrutové a zemní, s dobou odezvy pod 20 ms. Byl také zaveden systém monitorování kvality elektrické energie, používající senzory třídy A s vysokou přesností pro reálné časové sledování parametrů jako harmonický obsah, fluktuace napětí a nerovnoměrnost fáz, což zajišťuje stabilitu systému.
Pro nízkonapěťový systém byl 400 V systém klíčovým bodem modernizace. Do stávajícího systému byly přidány speciální vedení pro inverter pomocí samostatných vedení s inteligentními vypínači vymodelovaného tvaru. Nominální proud byl vybrán mezi 400 A a 630 A v závislosti na nároku, s elektronickými tripperními jednotkami pro přesnou ochranu proti přetoku a krátkému spojení. Každé vedení inverteru je vybaveno vypínačem odpovídajícím nominálnímu proudu vypínače a obsahuje viditelnou část pro snadnou údržbu zařízení.
Pro odstranění harmonických je na vstupu inverteru nainstalován aktivní filtr (APF) s specifikacemi uvedenými v tabulce 1.
Pro optimalizaci zemnících systémů byla v rámci této studie použita metoda zapojení TN-S, odděluje neutrální vodič (N) od ochranného zemního vodiče (PE) od distribuční skříně. Hlavní PE vodič používá měděné vodiče s průřezem nejméně 95 mm2 k zajištění zemního odporu menšího než 1 Ω. Byly přidány rovnocenné spojovací tyče na klíčových místech zařízení, jako jsou invertry a motory, s měděnými vodiči s průřezem větším než 16 mm2. To efektivně potlačuje společný režim rušení a zlepšuje EMC výkon systému [21].
3.2 Výběr a optimalizace parametrů inverteru
Výběr inverterů je založen na přesném zhodnocení charakteristik zatížení a požadavků procesu. Pro zatížení čerpadel byly zvoleny vektorové invertry, s jejich nominálním výkonem přesně odpovídajícím motoru, a přetížením 150%/1 min. Tato studie zvolila inverter série ABB ACS880, který má technologii DTC (Direct Torque Control) s časem odezvy točivého momentu menším než 5 ms a přesností řízení rychlosti ±0,01%. S ohledem na místní prostředí byl použit uzavřený inverter s ochranou IP54, vybavený systémem přinuceného chlazení vzduchem, zajistil chlazení vzduchem nejméně 1 m3/(min·kW).
Pro optimalizaci parametrů je důraz kladen na úpravu PID kontrolních parametrů a využití vestavěného algoritmu samo-nastavení inverteru. Skrze test krokové odezvy byly automaticky vypočítány optimální koeficient proporcionální části Kp, integrační části Ki a derivativní části Kd. Vzorec pro výstup PID regulátoru u(t) je:
Vestavěný algoritmus samo-nastavení inverteru je použit k automatickému výpočtu optimálního koeficientu proporcionální části Kp (rozmezí: 0,1–100), integrační doby Ti (rozmezí: 0,1–3600 s) a derivativní doby Td (rozmezí: 0–10 s) skrze test krokové odezvy. Doba zrychlení je nastavena na 10–30 s a doba zpomalování na 15–45 s, aby se efektivně zabránilo vodnímu kladivu. Omezení točivého momentu je povoleno s nastavením 120% nominálního točivého momentu motoru, aby se zabránilo přetížení. Pro zatížení větráků je aktivován úsporný režim inverteru: při lehkém zatížení (míra zatížení < 50%) je automaticky sníženo výstupní napětí, s maximálním snížením až 20%. Zároveň je optimalizována křivka V/F zvýšením výstupu napětí v nízkorychlostním rozmezí (0–10 Hz) pro zajištění dostatečného startovacího točivého momentu.
Je nakonfigurována funkce spánku a probuzení: když se provozní frekvence 60 s udržuje pod 10 Hz, inverter vstoupí do režimu spánku; automaticky se probudí, když se systémové tlak sníží o 5%, což dále zlepšuje efektivitu systému. V základních nastaveních inverteru je nosná frekvence nastavena na 4 kHz. Na základě skutečných požadavků elektrárny jsou limity ochrany před přetlakem a nedostatkem napětí nastaveny na 418 V a 304 V, respektive. Kromě toho jsou nakonfigurovány nominální parametry motoru a nastavení více stupňů, jak je podrobně uvedeno v tabulce 2.
Vzorce pro omezení proudu a optimalizaci minimálního proudu jsou následující:
kde Ilim je maximální limit proudu; In je nominální proud motoru; Ismin je minimální statorový proud; Idopt je optimální excitovaný proud; a Iq je složka točivého momentu. Včetně strategií omezení proudu a optimalizace minimálního proudu je dosaženo detailní kontroly provozu motoru. Nastavení ochrany před přetlakem a nedostatkem napětí zajišťuje, aby motor pracoval v bezpečném rozmezí. Ochrana před blokováním a opatření omezení proudu efektivně brání přetížení. Kromě toho tato metoda řízení podporuje komunikaci přes protokol Modbus-RTU, umožňuje dálkové sledování a úpravu parametrů, což výrazně zvyšuje inteligentní úroveň systému.
3.3 Modernizace a integrace ovládacího systému
Modernizace ovládacího systému využívá PLC série Siemens S7-1500, konkrétně model CPU 1517-3 PN/DP, který má rychlost bitových operací 2 ns a rychlost slovových operací 40 ns. PLC je vybaven 1,6 GB pracovní paměti a 32 MB paměti pro zatížení, podporuje kom
