Optimierung der industriellen Motorsteuerung: Inverter-Retrofit zur Energieeinsparung
Als Kern der industriellen Produktion beeinflussen elektrische Automatisierungssysteme direkt die Gesamtkosten und den UmweltEinfluss. Die traditionelle Drehzahlsteuerung führt oft zu Energieverschwendung bei variierenden Lastanforderungen und erschwert eine präzise Prozesskontrolle. Die Frequenzumrichter-Technologie bietet als fortschrittliche Motorkontrolle eine vielversprechende Lösung für diese Probleme. Diese Studie untersucht am Beispiel eines Kraftwerks eine Modernisierungslösung basierend auf der Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerung und deren Energiesparpotenzial, um einen Referenzrahmen für ähnliche industrielle Szenarien zur Verbesserung der Energieeffizienz zu liefern.
1 Aktueller Stand und Anforderungen an die Modernisierung von Frequenzumrichtern in der elektrischen Automatisierung
1.1 Bestehende Ausrüstung
Das elektrische Automatisierungssystem des Kraftwerks besteht hauptsächlich aus drei Teilen: dem Stromverteilungssystem, den Motortreibereinheiten und dem Steuerungssystem. Das Stromverteilungssystem umfasst 10 kV Hochspannungsschaltgeräte, Transformatoren und 400 V Niederspannungsschaltgeräte, die in einem Baumstruktur angeordnet sind. Die Motortreiber bestehen hauptsächlich aus asynchronen Motoren, die durch Direktanlauf oder Stern-Delta-Spannungsabnahme gesteuert werden. Pumpenlasten machen den größten Anteil der Vor-Ort-Geräte aus, einschließlich Zirkulations-, Kühl- und Speisewasser-Pumpen. Diese Geräte laufen mit konstanter Geschwindigkeit, wobei die Strömung über Ventile reguliert wird, was zu hohem Energieverbrauch führt. Die bestehende Systemarchitektur ist relativ dezentralisiert, mit teilweiser zentraler Verwaltung. Das oberste Überwachungssystem kommuniziert mit den Feldsteuersystemen über Industrie-Ethernet, um zentrale Datendarstellung und Fernbedienung zu ermöglichen. Allerdings verfügt das aktuelle Steuerungssystem nicht über fortgeschrittene Steuerungsalgorithmen für Frequenzumrichter, was Mängel in der Energiemanagement- und Prozessoptimierung aufweist.
1.2 Modernisierungsanforderungen
Basierend auf dem aktuellen Zustand der Ausrüstung richten sich die Modernisierungsanforderungen für das elektrische Automatisierungssystem hauptsächlich auf die Verbesserung der Energieeffizienz und die Optimierung der Steuerung. Es ist notwendig, Frequenzumrichter-basierte Drehzahlsteuerungstechnologie einzuführen, um Pumps und Ventilatoren effizient betreiben zu können, indem die Motorgeschwindigkeit an die Lastanforderungen angepasst wird.
Gleichzeitig gibt es, unter Nutzung der vorhandenen Pumpstationen und Produktionsanlagen, eine dringende Notwendigkeit, eine intelligente Überwachungsplattform zu bauen, die den Anforderungen des Stufe-2-Cybersecurity-Schutzes entspricht. Mit Cloud-Computing und integrierter IoT-Technologie soll diese Plattform eine nahtlose Integration zwischen Unternehmensmanagement und Feldsteuerung ermöglichen. Das Systemarchitektur verwendet eine dreistufige Struktur von "zentraler Plattform + verteilte Subsysteme + mobile Endgeräte", um die Echtzeitdatenerfassung, effiziente Verarbeitung und sichere Speicherung sicherzustellen.
Die zentrale Plattform, aufgebaut auf einem High-Performance-Server-Cluster, setzt fortgeschrittene Datenanalysealgorithmen ein, um präzise Entscheidungsunterstützung zu bieten. Verteilte Subsysteme umfassen Module für die Gerätestatusüberwachung, Videoüberwachung und die Erfassung von Umweltparametern, die alle Aspekte der Produktionsvorgänge abdecken. Mobile Endgeräte ermöglichen durch personalisierte Anwendungen die Fernüberwachung und sofortige Benachrichtigungen.
2 Theoretische Grundlage der Energiespareffekte
Die Analyse der Energiespareffekte der Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerungstechnologie in dieser Studie basiert hauptsächlich auf den Affinitätsgesetzen für Ventilatoren und Pumpen sowie den Energieumwandlungsprinzipien der Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerung. Gemäß dem Betriebsstatus der Anlagen arbeiten eine große Anzahl von Pumpen und Ventilatoren mit konstanter Drehzahl und Strömungsregulierung über Ventile, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Im Gegensatz dazu passt die Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerung die Motorgeschwindigkeit an die Lastanforderungen an, wodurch Energieeinsparungen erreicht werden. Die Affinitätsgesetze für Ventilatoren und Pumpen basieren auf den Beziehungen zwischen Durchfluss, Druckhöhe und Leistung, mit den relevanten Berechnungsformeln wie folgt:
wo Q die Durchflussrate (m³/h) ist; n die Drehzahl (U/min); H die Druckhöhe (m); P die Leistung (kW), wobei P1 die Nennleistung und P2 die Leistung bei reduzierter Drehzahl darstellt. Die Energieumwandlungsformel für die Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerung lautet:
Basierend auf den obigen theoretischen Beziehungen reduziert der Motor automatisch seine Drehzahl über die Frequenzsteuerung, wenn die Systemdurchflussanforderung sinkt, was den Energieverbrauch signifikant senkt und Energieeinsparungen erzielt. Dies bietet eine theoretische Grundlage für die nachfolgende Modernisierungsplanung und -bewertung.
3 Modernisierungskonzept der Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerungstechnologie
3.1 Upgrade des Stromverteilungssystems
Um die Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerungstechnologie effektiv umzusetzen, wurde in dieser Studie das bestehende Stromverteilungssystem modernisiert. Für das Hochspannungssystem wurde das 10 kV Schaltgerät durch die Installation intelligenter Vakuumschaltgeräte mit einer Nennstromstärke von mindestens 1.250 A und einer Kurzschlussbrechkapazität von 31,5 kA verbessert. Mikroprozessor-basierte Schutzrelais wurden integriert, die multifunktionale Schutzfunktionen wie Überstrom-, Kurzschluss- und Erdfehlerschutz mit einer Reaktionszeit von weniger als 20 ms bieten. Ein elektrisches Qualitätsüberwachungssystem wurde ebenfalls eingeführt, das hochgenaue Sensoren der Klasse A verwendet, um Parameter wie harmonische Inhalte, Spannungsschwankungen und Dreiphasenungleichgewichte in Echtzeit zu überwachen, um die Systemstabilität sicherzustellen.
Für das Niederspannungssystem war das 400 V System der Fokus der Modernisierung. Spezielle Frequenzumrichter-Fütterschaltkreise wurden zum bestehenden System hinzugefügt, indem unabhängige Fütterschränke mit intelligenten Kastenschaltgeräten ausgestattet wurden. Die Nennstromstärke wurde je nach Lastbedarf zwischen 400 A und 630 A ausgewählt und verfügt über elektronische Auslöseeinheiten für präzise Überlast- und Kurzschluss-Schutz. Jeder Frequenzumrichter-Schaltkreis ist mit einem Isolierschalter ausgestattet, der der Nennstromstärke des Schaltgeräts entspricht, und verfügt über eine sichtbare Trennungsfunktion, um die Wartung der Ausrüstung zu erleichtern.
Zur Harmonischenunterdrückung werden aktive Leistungsfilters (APF) an der Eingangseite des Frequenzumrichters installiert, mit spezifischen Spezifikationen, wie in Tabelle 1 aufgelistet.
Für die Optimierung der Erdungssysteme wurde in dieser Studie die TN-S-Verkabelungsmethode angewendet, bei der die Neutralleitung (N) ab dem Verteilerschrank von der Schutzerdleitung (PE) getrennt wird. Die Haupt-PE-Leitung verwendet Kupferleiter mit einem Querschnitt von mindestens 95 mm², um einen Erddruck von weniger als 1 Ω sicherzustellen. Gleichpotentialbindungsleisten wurden an kritischen Ausrüstungsstandorten wie Frequenzumrichtern und Motoren hinzugefügt, die Kupferleiter mit einem Querschnitt größer als 16 mm² verwenden. Dies unterdrückt effektiv Gemeinschaftsmodus-Störungen und verbessert die EMC-Leistung des Systems [21].
3.2 Auswahl und Parameterversion der Frequenzumrichterausrüstung
Die Auswahl von Frequenzumrichtern basiert auf der präzisen Anpassung an die Lastcharakteristiken und Prozessanforderungen. Für Pumpenlasten werden Vektorsteuerungsfrequenzumrichter gewählt, deren Nennleistung genau der des Motors entspricht und eine Überlastkapazität von 150%/1 Min. In dieser Studie wurde der ABB ACS880-Serie Frequenzumrichter ausgewählt, der die DTC (Direct Torque Control)-Technologie verwendet, mit einer Drehmomentantwortzeit von weniger als 5 ms und einer Drehzahlsteuerungsgenauigkeit von ±0,01%. Berücksichtigung der Ortsbedingungen wurde ein abgedichteter Frequenzumrichter mit IP54-Schutzklasse verwendet, der mit einem gezwungenen Luftkühlungssystem ausgestattet ist, um eine Kühlungsluftströmung von mindestens 1 m³/(min·kW) sicherzustellen.
Für die Parameterversion liegt der Fokus auf der Anpassung der PID-Steuerungsparameter und der Nutzung des in den Frequenzumrichter integrierten Selbstabstimmungsalgorithmus. Durch Schrittantworttests wird der optimale Proportionalverstärkung Kp, Integrationsverstärkung Ki und Differenzierungsverstärkung Kd automatisch berechnet. Die Berechnungsformel für die PID-Reglerausgabe u(t) lautet:
Der integrierte Autoabstimmungsalgorithmus des Frequenzumrichters wird verwendet, um die optimale Proportionalverstärkung Kp (Bereich: 0,1–100), Integrationszeit Ti (Bereich: 0,1–3600 s) und Differenzierungszeit Td (Bereich: 0–10 s) durch einen Schrittantworttest automatisch zu berechnen. Die Beschleunigungszeit wird auf 10–30 s und die Abbremszeit auf 15–45 s eingestellt, um Wasserhammer-Effekte wirksam zu verhindern. Das Drehmomentlimit wird aktiviert und auf 120% des Nominaldrehmoments des Motors eingestellt, um Überlastungen zu verhindern. Für Lüfterlasten wird der Energiesparmodus des Frequenzumrichters aktiviert: unter Leichtlastbedingungen (Lastgrad < 50%) wird die Ausgangsspannung automatisch reduziert, mit einer maximalen Reduktion von bis zu 20%. Gleichzeitig wird die V/F-Kurve optimiert, indem die Spannungs-Ausgabe im niedriggeschwindigen Bereich (0–10 Hz) erhöht wird, um ein ausreichendes Startdrehmoment sicherzustellen.
Eine Ruhe- und Weckfunktion wird konfiguriert: Wenn die Betriebsfrequenz länger als 60 s unter 10 Hz bleibt, geht der Frequenzumrichter in den Ruhezustand; er weckt sich automatisch, wenn der Systemdruck um 5% sinkt, was die Systemeffizienz weiter verbessert. In den grundlegenden Einstellungen des Frequenzumrichters wird die Trägerfrequenz auf 4 kHz eingestellt. Basierend auf den tatsächlichen Anforderungen des Kraftwerks werden die Überspannungs- und Unterspannungsschwellenwerte auf 418 V und 304 V eingestellt. Darüber hinaus werden die Nennparameter des Motors und die Mehrfachgeschwindigkeitsbetriebseinstellungen wie in Tabelle 2 detailliert konfiguriert.
Die Berechnungsformeln für die Strombegrenzung und die Optimierung des minimalen Stroms lauten wie folgt:
wo Ilim die maximale Strombegrenzung; In der Nennstrom des Motors; Ismin der minimale Statorstrom; Idopt der optimale Anregungsstrom; und Iq der Drehmomentstromkomponente. Durch die Integration von Strombegrenzung und Optimierung des minimalen Stroms wird eine feingranulierte Steuerung des Motorbetriebs erreicht. Die Überspannungs- und Unterspannungsschutz-Einstellungen stellen sicher, dass der Motor innerhalb eines sicheren Bereichs arbeitet. Stillstands- und Strombegrenzungsmaßnahmen verhindern effektiv Überlastungen. Darüber hinaus unterstützt diese Steuerungsmethode die Kommunikation über das Modbus-RTU-Protokoll, was die Fernüberwachung und die Anpassung von Parametern ermöglicht und somit die Intelligenz des Systems erheblich verbessert.
3.3 Upgrade und Integration des Steuerungssystems
Das Upgrade des Steuerungssystems verwendet die Siemens S7-1500-Serie PLC, insbesondere das CPU 1517-3 PN/DP-Modell, das eine Bit-Bearbeitungsgeschwindigkeit von 2 ns und eine Wort-Bearbeitungsgeschwindigkeit von 40 ns hat. Die PLC verfügt über 1,6 GB Arbeits- und 32 MB Lade-Speicher und unterstützt Kommunikationsprotokolle wie PROFINET, PROFIBUS und OPC UA. Das System verwendet eine verteilte Architektur mit ET 200SP-Serie Remote-I/O-Modulen, die eine Kommunikationszykluszeit von 250 μs über PROFINET erreichen.
Die Softwarearchitektur basiert auf der TIA Portal V16 integrierten Entwicklungsumgebung. Das PLC-Programm enthält Funktionsblöcke (FBs) für die Frequenzumrichterkommunikation, die PID-Steuerung, die modellprädiktive Steuerung (MPC), die Datenerfassungsvorverarbeitung und die Alarmanalyse. Das detaillierte Systemframework ist in Abbildung 1 dargestellt.
4 Analyse der Energiespareffekte
Die Energiespareffekte der Frequenzumrichter-Drehzahlsteuerungstechnologie spiegeln sich hauptsächlich in reduziertem Energieverbrauch und verbessertem Systemeffizienz wider. Durch den Vergleich der Energieverbrauchsdaten vor und nach der Modernisierung kann die Energiesparleistung quantitativ bewertet werden. Die post-modernisierten Systemdaten in dieser Studie wurden mit den folgenden Methoden erhoben:
Energiemesssystem: Smart-Messgeräte wurden auf den Stromversorgungsleitungen der wichtigsten elektrischen Geräte installiert, um die Stromverbrauchsdaten vor und nach der Modernisierung zu erfassen. Das Messgerätemodell ist Schneider PM5560, mit einer Genauigkeitsklasse von 0,2S und einer Messintervall von 15 Minuten.
Built-in Funktionen des Frequenzumrichters: Die integrierte Energiemonitoringfunktion des ABB ACS880 Frequenzumrichters wurde verwendet, um die Betriebszeit, die Ausgangsleistung und den Energieverbrauch aufzuzeichnen. Die Daten wurden über das Modbus-RTU-Protokoll in den zentralen Kontrollraum übertragen.
SCADA-System: Ein E
