Optimering af industrielle motorstyringer: Inverter-ombygning for energibesparelser

Edwiin

Felt: Strømstyring

China

Som det centrale element i industriproduktionen har elektriske automatiseringssystemer direkte indflydelse på de samlede produktionsomkostninger og miljøpåvirkningen. Traditionel konstanthastighedsdrift kan ofte føre til energispild, når der reageres på variabel belastningsbehov, og gør præcis proceskontrol svær at opnå. Frekvensreguleringsteknologi som en avanceret motorstyring metode, tilbyder en lovende løsning på disse problemer. Dette studie tager et elektrisk automatiseringssystem i en kraftværk som eksempel for at udforske en ombygningsskema baseret på inverter-hastighedsstyringsteknologi og dets energibesparelseseffekter, med henblik på at give en reference for effektivitetsforbedringer i lignende industrielle scenarier.

1 Nuværende Status og Ombygning Krav for Inverter Anvendelser i Elektrisk Automatisering

1.1 Eksisterende Udstyr

Elektriske automatiseringssystemet i kraftværket består hovedsagelig af tre dele: strømforsyningssystemet, motordriveenheder, og kontrollsystemet. Strømforsyningssystemet inkluderer 10 kV højspændingsbrydere, transformatorer, og 400 V lavspændingsbrydere, organiseret i en træstruktur for strømforsyning. Motordrivere er primært asynkrone motorer styret ved direkte start eller stjerndelta-reduceret spænding startmetoder. Pumpelaster udgør den største del af stedlige udstyr, herunder cirkulationsvandpumper, kølevandpumper, og fyringsvandpumper. Disse enheder fungerer med konstant hastighed, med flow reguleret via ventiler, hvilket resulterer i høj energiforbrug. Det eksisterende systemarkitektur er relativt decentraliseret, med delvis centraliseret management. Den øverste overvågningsplatform kommunikerer med feltkontrollsystemer via industriel Ethernet for at muliggøre centraliseret datavisning og fjernstyring. Dog mangler det nuværende kontrollsystem avancerede kontrolalgoritmer for variabel frekvenshastighedsregulering, hvilket fører til mangel på energistyring og procesoptimering.

1.2 Ombygning Krav

Baseret på det nuværende udstyrstatus, fokuserer ombygning kravene for elektriske automatiseringssystemet primært på forbedring af energieffektivitet og optimering af kontrol. Det er nødvendigt at introducere inverter-baseret hastighedsstyringsteknologi for at muliggøre effektiv drift af pumper og ventilatorer ved at justere motorhastigheden til at matche belastningsbehov.

Samtidig, ved at udnytte eksisterende pumpestationer og produktionsfaciliteter, er der en akut behov for at bygge en intelligent overvågningsplatform, der er i overensstemmelse med cybersikkerhedsbeskyttelseskrav niveau 2. Centreret om skyberegning og integreret med IoT-teknologi, vil denne platform muliggøre seemless integration mellem virksomhedsledelse og feltkontrol. Systemarkitekturen anvender en tre-trin struktur af "central platform + distribuerede subsystemer + mobile terminaler", der sikrer realtid dataindsamling, effektiv behandling, og sikkert lagring.

Den centrale platform, bygget på en højytelses serverkluster, implementerer avancerede dataanalysealgoritmer for at give præcis beslutningsstøtte. Distribuerede subsystemer inkluderer moduler til udstyrtilstandsovervågning, videoovervågning, og miljøparameterindsamling, der dækker alle aspekter af produktionsoperationer. Mobile terminaler, gennem specialdesignede applikationer, muliggør fjernovervågning og øjeblikkelige notifikationer.

2 Teoretisk Grundlag for Energibesparelseseffekter

Analyse af energibesparelseseffekterne af inverter-hastighedsstyringsteknologi i dette studie er primært baseret på affinitetslove for ventilatorer og pumper samt energiomregningsprincipper for variabel frekvenshastighedsregulering. Ifølge driftsstatus for anlæggets udstyr, opererer en stor mængde pumper og ventilatorer med konstant hastighed med flow reguleret ved hjælp af ventiler, hvilket resulterer i betydelige energitab. I modsætning hertil justerer variabel frekvenshastighedsregulering motorhastigheden for at matche belastningsbehov, hvilket fører til energibesparelser. Affinitetsloverne for ventilatorer og pumper er etableret baseret på forholdet mellem flow, højde, og effekt, med de relevante beregningsformler som følger:

hvor $Q$ er flow (m³/h); $n$ er omdrejningshastighed (o/min); $H$ er højde (m); $P$ er effekt (kW), med $P_{1}$ repræsentere den nominale effekt og $P_{2}$ effekten ved reduceret hastighed. Energiomregningsformlen for variabel frekvenshastighedsregulering er:

Baseret på de ovenstående teoretiske forhold, når systemflowbehov falder, reducerer motoren automatisk hastigheden gennem frekvenskontrol, hvilket betydeligt nedbringer effektforbruget og opnår energibesparelser. Dette giver et teoretisk grundlag for den efterfølgende ombygning design og energibesparelse evaluering.

3 Ombygning Skema for Inverter Hastighedsstyringsteknologi

3.1 Opgradering af Strømforsyningssystem

For at effektivt implementere inverter-hastighedsstyringsteknologi, blev det eksisterende strømforsyningssystem opgraderet i dette studie. For højspændingssystemet blev 10 kV bryderne forbedret ved installation af intelligente vakuumbrydere med en nominel strøm på ikke mindre end 1.250 A og en nominel kortslutningsbrydekraft på 31,5 kA. Mikroprocesor-baserede beskyttelsesrelæ blev integreret, der tilbyder multifunktionsbeskyttelse, herunder overstrøm, kortslutning, og jordfejl, med en respons tid under 20 ms. Et elektrisk kvalitetsmonitoring system blev også introduceret, der bruger klasse A højpræcision sensorer til at overvåge parametre såsom harmonisk indhold, spændingsfluktuering, og tre-fase ubalance i realtid, der sikrer systemstabilitet.

For lavspændingssystemet var 400 V systemet fokus for opgraderingen. Dedikerede inverter forsyningsspor blev tilføjet til det eksisterende system ved hjælp af uafhængige forsyningskabinetter udstyret med intelligente formede-hylde brydere. Den nominelle strøm blev valgt mellem 400 A og 630 A baseret på belastningsbehov, med elektroniske trip-enheder for præcis overlast og kortslutningsbeskyttelse. Hvert inverter spor er udstyret med en isolationsbryder, der matcher bryderens nominelle strøm, og inkluderer en synlig brydefunktion, der faciliterer udstyr vedligeholdelse.

For harmonisk reduktion er aktive effektfiltre (APF) installeret på inverterens input side, med specifikke specifikationer som angivet i tabel 1.

For optimering af jordingsystemer, anvendte dette studie TN-S ledningsmetoden, der adskiller neutralledningen (N) fra jordingsledningen (PE) fra forsyningskabinet. Den primære PE-ledning bruger kobberledere med en tværsnitareal på ikke mindre end 95 mm² for at sikre en jordmodstand på under 1 Ω. Likpotentialebinding barer blev tilføjet ved kritiske udstyr lokationer som inverter og motorer, der bruger kobberledere med et tværsnitareal større end 16 mm². Dette effektivt supprimerer almindelig-mode støj og forbedrer systemets EMC ydeevne [21].

3.2 Vælgning og Parameter Optimering af Inverter Udstyr

Vælgning af inverter er baseret på præcis matchning af belastningskarakteristikker og proceskrav. For pumpelaster vælges vektorstyring inverter, med deres nominelle effekt strengt korresponderende med motorens, og en overlast kapacitet på 150%/1 min. Dette studie valgte ABB ACS880 serien inverter, der har DTC (Direct Torque Control) teknologi, med en drejningsmoment respons tid på under 5 ms og hastighedsstyring præcision på ±0,01%. Med hensyn til stedlige miljø, blev en tæt inverter med IP54 beskyttelsesgrad brugt, udstyret med en tvungen luftkølingssystem, der sikrer en kølingluftstrøm på ikke mindre end 1 m³/(min·kW).

For parameter optimering, fokuserer man på justering af PID kontrolparametre og anvendelse af den indbyggede selvjusteringsalgoritme i inverteren. Gennem trinsrespons test, beregnes den optimale proportional gain $K_{p}$ , integral gain $K_{i}$ , og differential gain $K_{d}$ automatisk. Beregningsformlen for PID regulator output $u (t)$ er:

Den indbyggede selvjusteringsalgoritme i inverteren bruges til automatisk at beregne den optimale proportional gain $K_{p}$ (interval: 0,1–100), integral tid $T_{i}$ (interval: 0,1–3600 s), og differential tid $T_{d}$ (interval: 0–10 s) gennem en trinsrespons test. Accelerationstid er sat til 10–30 s og decelerationstid til 15–45 s for effektivt at forhindre vandhammer effekt. Drejningsmoment begrænsning er aktiveret med en indstilling på 120% af motorens nominelle drejningsmoment for at forhindre overlast. For ventilatorlaster, aktiveres inverterens energibesparelsesmode: under let belastning (belastningsrate < 50%), reduceres outputspændingen automatisk, med en maksimal reduktion på op til 20%. Samtidig optimeres V/F kurven ved at øge spændingsoutputtet i lavhastighedsområdet (0–10 Hz) for at sikre tilstrækkelig startdrejningsmoment.

En dvale-aktivér funktion er konfigureret: når operativfrekvensen forbliver under 10 Hz i 60 s, går inverteren i dvaletilstand; den aktiveres automatisk, når systemtrykket falder med 5%, hvilket yderligere forbedrer systemeffektiviteten. I de grundlæggende inverterindstillinger er bærenfrekvensen sat til 4 kHz. Baseret på kraftværkets faktiske krav, er overspændings- og underspændingsbeskyttelsesgrænserne sat til 418 V og 304 V, hhv. Desuden er motorens nominelle parametre og flerhastighedsoperationsindstillinger konfigureret som detaljeret angivet i tabel 2.

Beregningsformlerne for strømbegrænsning og minimumstrømoptimering er henholdsvis som følger:

hvor $I_{lim}$ er maksimal strømbegrænsning; $I_{n}$ er motorens nominelle strøm; $I_{smin}$ er den minimale statorstrøm; $I_{dopt}$ er den optimale opmagnetstrøm; og $I_{q}$ er drejningsmomentstrømkomponenten. Ved at integrere strømbegrænsning og minimumstrømoptimering strategier, opnås finjusteret kontrol af motordrift. Overspændings- og underspændingsbeskyttelsesindstillinger sikrer, at motoren fungerer inden for et sikkert interval. Stopbeskyttelse og strømbegrænsning foranstaltninger effektivt forhindrer overlast. Desuden understøtter denne kontrolmetode kommunikation via Modbus-RTU protokollen, der gør det muligt at foretage fjernovervågning og parameterjustering, hvilket betydeligt forbedrer systemets intelligensniveau.

3.3 Kontrollsystem Opgradering og Integration

Kontrollsystemopgraderingen anvender Siemens S7-1500 serien PLC, specifikt CPU 1517-3 PN/DP model, der har en 2 ns bit operationshastighed og en 40 ns ord operationshastighed. PLC'en er udstyret med 1,6 GB arbejdshukommelse og 32 MB load hukommelse, der understøtter kommunikationsprotokoller, herunder PROFINET, PROFIBUS, og OPC UA. Systemet anvender en distribueret arkitektur med ET 200SP serien remote I/O moduler, der opnår en 250 μs kommunikationscyklus via PROFINET.

Softwarearkitekturen er baseret på TIA Portal V16 integrerede udviklingsmiljø. PLC programmet inkluderer funktionsblokke (FBs) for inverter kommunikation, PID kontrol, Model Predictive Control (MPC), dataindsamling forbehandling, og alarmmanagement. Det detaljerede systemramme er illustreret i figur 1.

4 Analyse af Energibesparelseseffekter

Energibesparelsesfordele af inverter-hastighedsstyringsteknologi er primært afspejlet i reduceret effektforbrug og forbedret systemeffektivitet. Ved sammenligning af energiforbrugsdata før og efter ombygningen, kan energibesparelsesydekan kvantitativt evalueres. Post-ombygningssystemdata i dette studie blev indsamlet ved hjælp af følgende metoder:

Energi Metering System: Smartmålere blev installeret på strømforsyningsspor for hovedelektriske udstyr for at indsamle elforbrugsdata før og efter ombygningen. Målermodel er Schneider PM5560, med en nøyaktighedsklasse på 0,2S og et sampelinterval på 15 minutter.
Inverter Indbyggede Funktioner: Den indbyggede energimonitoring funktion i ABB ACS880 inverter blev brugt til at registrere driftstid, output effekt, og energiforbrug. Data blev transmitteret til central kontrolrum via Modbus-RTU protokollen.
SCADA System: Et realtid dataindsamling og lageringssystem blev bygget ved hjælp af Siemens WinCC V7.5 platform. Nøgleparametre som motorspeed, belastningsrate, output spænding/strøm, og effektfaktor blev overvåget med et sampelinterval på 1 sekund.