Industria motore kontrolaren optimizazioa: Energia erresurtzeko inbertsore aldaketa

Industria prozesuaren bihurtzaile gisa, elektrikoa automatizatutako sistemak eragin handia dute ekoizpen kostuen eta ingurumen-eraginen gainean. Arrunta den abiadura konstanteko funtzionamenduan, karga desberdinetarako erantzun egitean energia asko galdu ohi da, eta prozesu kontrola zehatzra iritsi oso zaila da. Aldaketazko maiztasuneko abiadura-regulazio teknologia, aurreratua motore-kontrol metodoa bezala, hauetako arazoetarako soluzio adierazgarri bat eskaintzen du. Ikerketa honetan, elektrikoa automatizatutako sistema bat hartuta adibidez, inbertsoreko abiadura-regulazio teknologiaren oinarritutako berrikuspen esquematik eta energiaren aurrekontzeptu-egin efektuetatik hitz egiten da, helburu horretan industriaren kasu berekoetan erreferentzia bat ematea.

1 Inbertsoreen aplikazioen egoera uneko eta berrikuspen beharreko eskaerak elektrikoa automatizatutako sistemetan

1.1 Ondoren dauden tresnak

Elektrikoa automatizatutako sistema honek hiru zati nagusi ditu: energia banaketa sistema, motore-impulso unitateak eta kontrol sistema. Energia banaketa sistemak 10 kVko tenperatura altuko switchgear, transformator eta 400 Vko tenperatura baxuko switchgear ditu, zuhaitz egitura baten bidez banatzen. Motore-impulsuak asinkronoko motoreak dira, direkto-line edo estrella-delta behera-tensioneko hastapenen bidez kontrolatzen. Ekipamendu ondoren daudenetan, pompa kargak dituzte gehienetan, zirkulazioa, zerbitzua eta jarioa dituzten pomparekin. Dispositibo hauek abiadura konstanteko funtzionamenduan dagozkie, fluxua balioz kontrolduta, hainbat energia gastatzen. Sistemaren egitura oraindik zaharkituta dago, parte-hartze zentralizatua. Gora mailako monitorizazio sistema industria ethernet bidez komunikatzen da eremuko kontrol sistemaekin, datuak bistaratzeko eta urrundiko ekintza egiteko. Hala ere, kontrol sistemaren oraindik ez du aldatzen maiztasuneko abiadura-regulazio algoritmo aurreratu, hau dela energia kudeaketan eta prozesu optimizazioan defektuak sortzen ditu.

1.2 Berrikuspen beharreko eskaerak

Ondoren dauden tresna egoerari oinarrituz, elektrikoa automatizatutako sistemaren berrikuspen beharreko eskaerak oso zentratzen dira energia efizientziaren hobekuntzan eta kontrolaren optimizazioan. Beharrezkoa da inbertsoreko abiadura-regulazio teknologia sartzea, pomparen eta zorroiren funtzionamendua doinu egokiak bete dadin.

Bereiz, leku ondoren dauden pompa-geltokietan eta ekoizpen instalazioetan, urgentea da bigarren mailako cibersegurtasuna betetzen duen intelektual monitorizazio plataforma bat eraiki. Cloud computingaren eta IoT teknologian oinarrituta, plataformak enpresen kudeaketaren eta eremuko kontrolaren arteko integrazioa lortzen du. Sistema egitura "zentroko plataforma + banatutako azpiegitasunak + mugikor terminalak" triki egiturarekin, datuak gorde, prozesatu eta segurtasunez gordetzeko ahalmena ematen du.

Zentroko plataforma, prestazio altuko zerbitzari multzo batean, ahalmen handiko datu-analisi algoritmoak garatzen ditu, erabakitzailearen laguntza zehatz emateko. Banatutako azpiegitasunak tresnen egoera kontrol moduluak, bideo ikusketa eta ingurumen parametroen bildura dituzte, ekoizpen prozesu guztiak barne hartuz. Mugikor terminalak, aplikazio pertsonalizatu bidez, urrundiko monitorizazioa eta jakinarazpen instantaneoak ahalbidetzen ditu.

2 Energia aurrekontzeptu-egin efektuen oinarri teorikoak

Ikerketan inbertsoreko abiadura-regulazio teknologiaren energia aurrekontzeptu-egin efektuen analisia, zorroien eta pomparen afinitateen legeen eta aldatzen maiztasuneko abiadura-regulazioaren energia-bihurtze printzipioen oinarrian dago. Instalazioaren tresnek, zenbait pompa eta zorroiek abiadura konstanteko funtzionamenduan daude, fluxua balioz kontrolatuta, hainbat energia galdu ohi da. Aldiz, aldatzen maiztasuneko abiadura-regulazioak motorearen abiadura kargaren eskerrak bete dadin aldatzen du, horrela energia aurrekontzeptu egiten du. Zorroien eta pomparen afinitateen legeak fluxu, head eta indarraren arteko harremanen oinarrian daude, hurrengo formulan:

non $Q$ fluxua (m³/h); $n$ birada (r/min); $H$ head (m); $P$ indarra (kW), non P1P1 indarra adierazten du eta P2P2 birada txikiko indarra. Aldatzen maiztasuneko abiadura-regulazioaren energia-bihurtze formula hau da:

Goiko teoriko harremanen oinarrian, sistema fluxu-eskerrak murriztenean, motoreak automataki birada txikitzen du maiztasuneko kontrol bidez, indarra askoz murriztu eta energia aurrekontzeptu egiten du. Honek oinarri teoriko bat ematen dio ondorengo berrikuspen diseinu eta energia aurrekontzeptu ebaluazioa egiteko.

3 Inbertsoreko abiadura-regulazio teknologiaren berrikuspen esquema

3.1 Energia banaketa sistema berrikuspena

Inbertsoreko abiadura-regulazio teknologia arrakasta handiz garatzeko, ikerketa honetan energia banaketa sistema berrikusten da. Tenperatura altuko sistema batentzat, 10 kVko switchgearren bidez inteligente vacuum circuit breakerak instalatzen dira, 1,250 A baino gehiagoko indarra eta 31.5 kAko short-circuit breaking kapazitatea dituztela. Microprocessor-based protection relays integratu dira, overcurrent, short-circuit eta ground fault multi-funkzio protekzioa emanda, erantzun denbora 20 ms baino gutxiagoko. Elektrikoa kalitatea monitorizatzeko sistema ere sartu da, A-grade high-precision sensorren bidez harmoniko edukia, tensionaren aldaketa eta hiru faseko desegulotasuna monitorizatzen ditu, sistema estabilitatea aseguratuz.

Tenperatura baxuko sistema batentzat, 400 Vko sistema fokuzatzen da. Sistema existentean, independent feeder cabinets bidez inbertsoreko feeders pertsonalizatuak sartzen dira, intelligent molded-case circuit breakerrek osatuta. Indarra 400 A eta 630 A artean hautatzen da kargaren arabera, electronic trip units precise overload eta short-circuit protekzioa emanda. Inbertsoreko kada linean, isolating switch bat sartzen da, circuit breakerren indarra betetzen duena, eta visible break feature bat du, tresnen mantentzea errazteko.

Harmoniko murrizteko, active power filters (APF) instalatzen dira inbertsorearen input aldetik, Taula 1.eko spezifikazioetan oinarrituta.

Grounding sistemaren optimizazioa, ikerketa honetan TN-S wiring metodoa erabili da, neutral line (N) eta protective earth line (PE) banatuta hasiera distribution cabinettik. PE line nagusia 95 mm² baino gehiagoko sekzio-areako koperrak ditu, 1 Ω baino gutxiagoko ground resistancea lortzeko. Equal potential bonding bars inbertsore eta motore puntuan gehitu dira, 16 mm² baino gehiagoko sekzio-areako koperrak dituztela. Honek common-mode interference-a murriztu eta sistema EMC performantzia hobetu [21].

3.2 Inbertsore tresna hautapena eta parametroen optimizazioa

Inbertsoreen hautapena kargaren karakteristika eta prozesu eskerrak oso zehatzekin bat dator. Pomparentzat, vector control inbertsoreak hautatzen dira, motorearen indarra betetzen dutenak, 150%/1 min overload kapazitatea dituztela. Ikerketa honetan ABB ACS880 serieko inbertsorea hautatu da, DTC (Direct Torque Control) teknologia duelako, torque response time 5 ms baino gutxiagoko eta speed control accuracy ±0.01% dituena. Egoera ondoren dauden, IP54 protection ratingko sealed invertera erabili da, forced air cooling systema duena, 1 m³/(min·kW) baino gehiagoko cooling airflowa lortzeko.

Parametroen optimizazioa PID kontrol parametroen egokitzeko eta inbertsorearen self-tuning algoritmoa erabiliz. Step response test bidez, optimal proportional gain KpKp, integral gain KiKi, eta derivative gain KdKd automatikoki kalkulatzen dira. PID kontrolagailuaren output $u(t)$ kalkulatzeko formula hau da:

Inbertsorearen built-in auto-tuning algoritmoa erabiliz, optimal proportional gain KpKp (range: 0.1&ndash;100), integral time TiTi (range: 0.1&ndash;3600 s), eta derivative time TdTd (range: 0&ndash;10 s) step response test bidez kalkulatzen dira. Acceleration time 10&ndash;30 s eta deceleration time 15&ndash;45 s ezarritzen dira, water hammer effects-a saihesteko. Torque limiting aktibatzen da, motorren rated torque 120% ezarrita, overload-a saihesteko. Zorroientzat, inbertsorearen energia aurrekontzeptu-egin modua aktibatzen da: light-load kondizioetan (load rate < 50%), output voltage automatikoki murriztu, 20% baino gehiagoko murrizketa maximokoa. Berez, V/F kurba optimizatzen da low-speed range (0&ndash;10 Hz) baten output voltagea handituz, starting torque nahikoa lortzeko.

Sleep-wake funtzioa konfiguratzen da: operating frequency 10 Hz baino gutxiagoko 60 s baino gehiagotan dagoenean, inbertsorea sleep mode-ra pasatzen da; sistema pressure 5% baino gehiagoko murrizketan dagoenean, automatikoki ondoa da. Inbertsorearen oinarrizko ezarpenetan, carrier frequency 4 kHz ezarrita dago. Power plant-en beharrealari oinarrituz, overvoltage eta undervoltage protection thresholds 418 V eta 304 V ezarrita dira. Gainera, motorren rated parameters eta multi-speed operation settings konfiguratzen dira, Taula 2.aren xehetasunetan.

Current limitation eta minimum current optimization kalkulatzeko formulak hurrengoak dira:

non IlimIlim maximum current limit; InIn motorren rated current; IsminIsmin minimum stator current; IdoptIdopt optimal excitation current; eta IqIq torque current component. Current limiting eta minimum current optimization estrategiak motorren funtzionamendua fine-grained kontrolatzen dute. Overvoltage eta undervoltage protection settings motorrek safe range-n funtzionatzen ditu. Stall protection eta current limiting neurriak overload-a saihesten dute. Gainera, Modbus-RTU protocolaren bidez remote monitoring eta parameter adjustment ahalbidetzen ditu, sistema intelligence levela hobetuz.

3.3 Kontrol sistema berrikuspena eta integrazioa

Kontrol sistema berrikuspena Siemens S7-1500 series PLC erabiliz, CPU 1517-3 PN/DP modeluan, 2 ns bit operation speed eta 40 ns word operation speed dituena. PLC 1.6 GB working memory eta 32 MB load memory ditu, PROFINET, PROFIBUS eta OPC UA kommunikazio protokoloak sustatzen ditu. Sistema distributed architecture ET 200SP series remote I/O modules bidez, 250 &mu;s communication cycle PROFINET bidez lortzen da.

Software arkitektura TIA Portal V16 integrated development environmentan oinarrituta dago. PLC programak inverter communication, PID control, Model Predictive Control (MPC), data acquisition preprocessing eta alarm management funtzio blokeak (FBs) ditu. Sistema framework detaliatua Figure 1.ean agertzen da.

4 Energia aurrekontzeptu-egin efektuen analisia

Inbertsoreko abiadura-regulazio teknologiaren energia aurrekontzeptu-egin efektuak energia gastatze murrizketan eta sistema efizientziaren hobekuntzan agertzen dira. Berrikuspenaren aurretik eta ondoren energia gastatze datuak alderatuz, energia aurrekontzeptu-egin efektuak quantitatiboki ebaluatu daitezke. Berrikuspen ondoren sistema datuak ikerketa honetan hurrengo metodoetan bildu dira:

• Energia Metering System: Smart meters instalatu dira elektrikoa automatizatutako tresnen power supply line-en, berrikuspenaren aurretik eta ondoren energia gastatze datuak bildatzeko. Meter model Schneider PM5560 da, 0.2S accuracy class eta 15 minutuko sampling intervala dituena.

• Inverter Built-in Functions: ABB ACS880 inbertsorearen built-in energy monitoring funtzioa erabiliz, operating time, output power eta energia gastatze datuak bildu dira. Datuak Modbus-RTU protocol bidez central control room-era bidaltzen dira.

• SCADA System: Real-time data acquisition eta storage sistema eraiki da Siemens WinCC V7.5 platform bidez. Motorren abiadura, load rate, output voltage/current eta power factor key parameters monitorizatzen dira 1-second sampling cycle bidez.

• On-site Testing: Fluke 435 II power quality analyzer erabiliz, spot measurements egin dira kondizio desberdinetan, instantaneous power, harmonics eta power factor datuak bilduz.

Neurritako datuetan o