Βελτιστοποίηση του Ελέγχου Βιομηχανικών Μοτέρ: Ενημέρωση Συντρόφων για Οικονομία Σε Ενέργεια
Ως το κέντρο της βιομηχανικής παραγωγής, οι συστήματα ελεγχού με ρομπότ επηρεάζουν άμεσα το συνολικό κόστος παραγωγής και την περιβαλλοντική επίδραση. Η παραδοσιακή λειτουργία σε σταθερή ταχύτητα συχνά οδηγεί σε απώλεια ενέργειας όταν ανταποκρίνεται σε μεταβαλλόμενες απαιτήσεις φορτίου και δυσκολεύει την ακριβή ελεγχού της διαδικασίας. Η τεχνολογία ρύθμισης ταχύτητας με μεταβαλλόμενη συχνότητα, ως προηγμένη μέθοδος ελέγχου μοτέρ, προσφέρει μια υποσχόμενη λύση για αυτά τα προβλήματα. Αυτή η μελέτη παίρνει ως παράδειγμα το σύστημα ελεγχού με ρομπότ ενός ηλεκτροπαραγωγού για να εξερευνήσει ένα σχέδιο επανασχεδιασμού με βάση την τεχνολογία ρύθμισης ταχύτητας με μεταβαλλόμενη συχνότητα και τους ενεργειακούς τους οφέλειες, με στόχο να παρέχει μια αναφορά για βελτιώσεις της ενεργειακής απόδοσης σε παρόμοιες βιομηχανικές περιπτώσεις.
1 Τρέχουσα Κατάσταση και Απαιτήσεις Επανασχεδιασμού της Εφαρμογής Inverter στην Ηλεκτρονική Αυτοματοποίηση
1.1 Υπάρχον Εξοπλισμό
Το σύστημα ηλεκτρονικής αυτοματοποίησης του ηλεκτροπαραγωγού αποτελείται κυρίως από τρία μέρη: το σύστημα διανομής ενέργειας, τα μοντουλάρια ενεργοποίησης μοτέρ και το σύστημα ελέγχου. Το σύστημα διανομής ενέργειας περιλαμβάνει σύρματα υψηλής τάσης 10 kV, μετατροπείς και σύρματα χαμηλής τάσης 400 V, διατεταγμένα σε δέντρο για τη διανομή ενέργειας. Τα μοντουλάρια ενεργοποίησης μοτέρ είναι κυρίως ασύγχρονα μοτέρ που ελέγχονται με άμεση ενεργοποίηση ή με μέθοδο ενεργοποίησης με αστέρι-δελτίο. Τα φορτία πάμποντων αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο ποσοστό του εξοπλισμού στο χώρο, περιλαμβάνοντας πάμποντες κυκλοφορίας, πάμποντες ψύξης και πάμποντες παροχής νερού. Αυτά τα συστήματα λειτουργούν σε σταθερή ταχύτητα, με τη ρύθμιση της ροής μέσω κλειδώματος, προκαλώντας υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Η υπάρχουσα αρχιτεκτονική του συστήματος είναι σχετικά διασπαρμένη, με μερική κεντρική διαχείριση. Το σύστημα επίπεδου επιτήρησης επικοινωνεί με τα συστήματα ελέγχου στο πεδίο μέσω βιομηχανικού Ethernet για να επιτρέπει την κεντρική εμφάνιση δεδομένων και την απομακρυσμένη λειτουργία. Ωστόσο, το τρέχον σύστημα ελέγχου λείπει προηγμένους αλγόριθμους ελέγχου για την ρύθμιση ταχύτητας με μεταβαλλόμενη συχνότητα, προκαλώντας ελλείψεις στη διαχείριση ενέργειας και την βελτιστοποίηση της διαδικασίας.
1.2 Απαιτήσεις Επανασχεδιασμού
Βάσει της τρέχουσας κατάστασης του εξοπλισμού, οι απαιτήσεις επανασχεδιασμού του συστήματος ηλεκτρονικής αυτοματοποίησης εστιάζουν κυρίως στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και την βελτιστοποίηση του ελέγχου. Είναι αναγκαίο να εισαχθεί η τεχνολογία ελέγχου ταχύτητας με inverter για να επιτρέπει την αποδοτική λειτουργία των πάμποντων και ανεμιστήρων με προσαρμογή της ταχύτητας του μοτέρ στις απαιτήσεις φορτίου.
Επίσης, με την αξιοποίηση των υπαρχόντων σταθμών πάμποντων και παραγωγικών εγκαταστάσεων, υπάρχει έντονη ανάγκη για την κατασκευή μιας πλατφόρμας νοηματικής επιτήρησης που συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις προστασίας κυβερνοασφάλειας επιπέδου 2. Με κέντρο την υπολογιστική σύννεφο και ενσωματώνοντας την τεχνολογία IoT, αυτή η πλατφόρμα θα επιτρέπει την ομαλή ολοκλήρωση μεταξύ της διαχείρισης της επιχείρησης και του ελέγχου στο πεδίο. Η αρχιτεκτονική του συστήματος χρησιμοποιεί μια τριών επιπέδων δομή "κεντρική πλατφόρμα + κατανεμημένα υποσυστήματα + κινητά τερματικά", εξασφαλίζοντας την πραγματικοχρόνια συλλογή δεδομένων, αποτελεσματική επεξεργασία και ασφαλή αποθήκευση.
Η κεντρική πλατφόρμα, χτισμένη σε ομάδα υψηλής απόδοσης υπολογιστών, εγκαθίσταται προηγμένους αλγόριθμους ανάλυσης δεδομένων για να παρέχει ακριβή υποστήριξη λήψης αποφάσεων. Τα κατανεμημένα υποσυστήματα περιλαμβάνουν μόντουλα για την επιτήρηση της κατάστασης του εξοπλισμού, την επιτήρηση βίντεο και τη συλλογή παραμέτρων περιβάλλοντος, καλύπτοντας πλήρως όλες τις πτυχές της παραγωγικής λειτουργίας. Τα κινητά τερματικά, μέσω εξειδικευμένων εφαρμογών, επιτρέπουν την απομακρυσμένη επιτήρηση και την άμεση ειδοποίηση.
2 Θεωρητική Βάση των Ενεργειακών Οφελών
Η ανάλυση των ενεργειακών οφελών της τεχνολογίας ρύθμισης ταχύτητας με inverter σε αυτή τη μελέτη βασίζεται κυρίως στους νόμους της αφινιτικής για ανεμιστήρες και πάμποντες και τους αρχικούς προσανατολισμούς της μεταβαλλόμενης συχνότητας ρύθμισης ταχύτητας. Σύμφωνα με τη λειτουργία του εξοπλισμού του ηλεκτροπαραγωγού, μεγάλος αριθμός πάμποντων και ανεμιστήρων λειτουργούν σε σταθερή ταχύτητα με ρύθμιση ροής μέσω κλειδώματος, προκαλώντας σημαντικές απώλειες ενέργειας. Αντίθετα, η ρύθμιση ταχύτητας με inverter προσαρμόζει την ταχύτητα του μοτέρ στις απαιτήσεις φορτίου, επομένως επιτυγχάνοντας εξοικονόμηση ενέργειας. Οι νόμοι της αφινιτικής για ανεμιστήρες και πάμποντες εδραιώνονται με βάση τις σχέσεις μεταξύ ροής, υψομέτρου και δυναμικού, με τις αντίστοιχες τυπικές τροποποιημένες εξισώσεις ως εξής:
όπου Q είναι η ροή (m3/h); n είναι η ταχύτητα περιστροφής (r/min); H είναι το υψομέτρο (m); P είναι το δυναμικό (kW), με P1 να αντιπροσωπεύει το νομικό δυναμικό και P2 το δυναμικό σε μειωμένη ταχύτητα. Η τυπική εξίσωση για τη μεταβαλλόμενη συχνότητα ρύθμισης ταχύτητας είναι:
Βάσει των παραπάνω θεωρητικών σχέσεων, όταν η απαίτηση ροής του συστήματος μειώνεται, το μοτέρ μειώνει αυτόματα την ταχύτητα μέσω του ελέγχου συχνότητας, μειώνοντας σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και επιτυγχάνοντας εξοικονόμηση. Αυτό παρέχει θεωρητική βάση για τον επόμενο σχεδιασμό επανασχεδιασμού και την αξιολόγηση της εξοικονόμησης ενέργειας.
3 Σχέδιο Επανασχεδιασμού της Τεχνολογίας Ρύθμισης Ταχύτητας με Inverter
3.1 Ενημέρωση του Συστήματος Διανομής Ενέργειας
Για την αποτελεσματική εφαρμογή της τεχνολογίας ρύθμισης ταχύτητας με inverter, αυτή η μελέτη ενημέρωσε το υπάρχον σύστημα διανομής ενέργειας. Για το σύστημα υψηλής τάσης, το σύρμα 10 kV ενισχύθηκε με την εγκατάσταση εξελιγμένων ενεργοποιητών σε κενό με ρεύμα ρυθμισμένο με τάση τουλάχιστον 1.250 A και ρυθμισμένη δυνατότητα διακόπτεις σύντομης σύνδεσης 31,5 kA. Ολοκληρώθηκαν μικροεπεξεργαστήρια προστατευτικά ρελέ, παρέχοντας πολυλειτουργική προστασία, περιλαμβανομένης της υπερβολικής ροής, σύντομης σύνδεσης και έδρας, με χρόνο αντίδρασης κάτω από 20 ms. Εισήχθη επίσης ένα σύστημα επιτήρησης ποιότητας ενέργειας, χρησιμοποιώντας αισθητήρες υψηλής ακρίβειας κλάσης A για την επιτήρηση παραμέτρων, όπως το περιεχόμενο αρμονικών, οι κυμαίνονται τάσεις και η τριφασική ανισορροπία σε πραγματικό χρόνο, εξασφαλίζοντας τη σταθερότητα του συστήματος.
Για το σύστημα χαμηλής τάσης, το σύστημα 400 V ήταν το κύριο επίκεντρο της ενημέρωσης. Προστέθηκαν ειδικές γραμμές εφοδιασμού inverter στο υπάρχον σύστημα, χρησιμοποιώντας ανεξάρτητες γραμμές εφοδιασμού με εξελιγμένους ενεργοποιητές σε κενό. Το ρεύμα ρυθμισμένο επιλέχθηκε μεταξύ 400 A και 630 A βάσει των απαιτήσεων φορτίου, με ηλεκτρονικά τροποποιητικά μέτρα για ακριβή προστασία υπερβολικής ροής και σύντομης σύνδεσης. Κάθε γραμμή inverter είναι εξοπλισμένη με εξελιγμένο ενεργοποιητή σε κενό που ταιριάζει στο ρεύμα ρυθμισμένο του ενεργοποιητή και περιλαμβάνει μια ορατή διακοπή για να επιτρέπει την ευκολία στην διατήρηση του εξοπλισμού.
Για την αντιμετώπιση των αρμονικών, εγκαταστάθηκαν ενεργοί φίλτροι δυναμικού (APF) στην είσοδο του inverter, με συγκεκριμένες προδιαγραφές όπως είναι αποτυπωμένες στον Πίνακα 1.
Για τη βελτίωση των συστημάτων γείτονας, αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τη μέθοδο σύνδεσης TN-S, χωρίζοντας τη γραμμή neutral (N) από τη γραμμή προστασίας (PE) από το σύρμα διανομής. Η κύρια γραμμή PE χρησιμοποιεί συμπλοκές χάλυβα με διαστάσεις τουλάχιστον 95 mm2 για να εξασφαλίζει ένα αντίσταση γείτονας κάτω από 1 Ω. Προστέθηκαν ισοδυναμίες συνδεσμοί σε κρίσιμες θέσεις εξοπλισμού, όπως inverter και μοτέρ, χρησιμοποιώντας συμπλοκές χάλυβα με διαστάσεις μεγαλύτερες από 16 mm2. Αυτό επιτυγχάνει αποτελεσματικά την καταστολή της κοινής μορφής παρενόχλησης και ενισχύει την επίδοση EMC του σ
