بهینه‌سازی کنترل موتور صنعتی: بازسازی وارونه برای صرفه‌جویی در انرژی
به عنوان هسته تولید صنعتی، سیستم‌های خودکار برق مستقیماً بر هزینه‌های کلی تولید و تأثیرات محیطی تأثیر می‌گذارند. عملکرد ثابت سرعت معمولاً منجر به تلف شدن انرژی در پاسخ به نیازهای بار متغیر می‌شود و کنترل دقیق فرآیند را دشوار می‌کند. فناوری تنظیم سرعت با فرکانس متغیر، به عنوان یک روش پیشرفته کنترل موتور، راه حل امیدبخشی برای این مشکلات ارائه می‌دهد. این مطالعه با استفاده از سیستم خودکار برق یک نیروگاه به عنوان مثال، طرح تغییر و بهبود مبتنی بر فناوری کنترل سرعت توسط مبدل و اثرات جوانبافی آن را بررسی می‌کند تا مرجعی برای بهبود کارایی انرژی در سناریوهای صنعتی مشابه ارائه دهد.
1 وضعیت فعلی و نیازهای تغییر و بهبود کاربرد مبدل‌ها در سیستم‌های خودکار برق
1.1 تجهیزات موجود
سیستم خودکار برق نیروگاه عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: سیستم توزیع برق، واحد‌های محرک موتور و سیستم کنترل. سیستم توزیع برق شامل دستگاه‌های قطع کننده ولتاژ بالا ۱۰ کیلوولت، ترانسفورماتورها و دستگاه‌های قطع کننده ولتاژ پایین ۴۰۰ ولت است که به صورت ساختار درختی برای توزیع برق تنظیم شده‌اند. محرک‌های موتور عمدتاً موتورهای غیرهمگام هستند که با روش‌های شروع مستقیم یا شروع با کاهش ولتاژ ستاره-مثلث کنترل می‌شوند. بارهای پمپ‌ها بزرگترین بخش از تجهیزات محلی را تشکیل می‌دهند که شامل پمپ‌های حلقه، پمپ‌های سردکننده و پمپ‌های آب ورودی می‌باشند. این دستگاه‌ها با سرعت ثابت عمل می‌کنند و جریان آن‌ها از طریق دریچه‌ها تنظیم می‌شود که منجر به مصرف زیاد انرژی می‌شود. ساختار فعلی سیستم نسبتاً پراکنده است با مدیریت جزئی مرکزی. سیستم نظارتی بالادست از طریق اترنت صنعتی با سیستم‌های کنترل میدانی ارتباط برقرار می‌کند تا نمایش متمرکز داده‌ها و عملیات دوردست را فراهم کند. با این حال، سیستم کنترل فعلی الگوریتم‌های کنترل پیشرفته برای تنظیم سرعت با فرکانس متغیر را ندارد که منجر به کمبودهایی در مدیریت انرژی و بهینه‌سازی فرآیند می‌شود.
1.2 نیازهای تغییر و بهبود
بر اساس وضعیت فعلی تجهیزات، نیازهای تغییر و بهبود سیستم خودکار برق عمدتاً روی بهبود کارایی انرژی و بهینه‌سازی کنترل متمرکز شده است. لازم است فناوری کنترل سرعت مبتنی بر مبدل معرفی شود تا عملکرد موثر پمپ‌ها و موتورهای بادکنکی با تنظیم سرعت موتور به تطبیق با نیازهای بار امکان‌پذیر شود.
در عین حال، با استفاده از ایستگاه‌های پمپ‌گیری موجود و تأسیسات تولید، نیاز فوری به ساخت یک پلتفرم نظارت هوشمند مطابق با الزامات محافظت سایبری سطح ۲ وجود دارد. مبتنی بر محاسبات ابری و یکپارچه با فناوری اینترنت اشیاء، این پلتفرم ادغام بی‌درنگ بین مدیریت شرکت و کنترل میدانی را فراهم می‌کند. ساختار سیستم از سه لایه "پلتفرم مرکزی + زیرسیستم‌های پراکنده + ترمینال‌های موبایل" تشکیل شده است که ضمانت می‌کند جمع‌آوری داده‌های زنده، پردازش کارآمد و ذخیره‌سازی ایمن را فراهم کند.
پلتفرم مرکزی که بر روی یک خوشه سرور با عملکرد بالا ساخته شده است، الگوریتم‌های پیشرفته تحلیل داده‌ها را برای ارائه پشتیبانی تصمیم‌گیری دقیق به کار می‌گیرد. زیرسیستم‌های پراکنده شامل ماژول‌های نظارت بر وضعیت تجهیزات، نظارت تصویری و جمع‌آوری پارامترهای محیطی می‌باشند که به طور جامع تمام جنبه‌های عملیات تولید را پوشش می‌دهند. ترمینال‌های موبایل از طریق برنامه‌های سفارشی، نظارت دوردست و اطلاع‌رسانی فوری را ممکن می‌سازند.
2 پایه نظری اثرات جوانبافی
تحلیل اثرات جوانبافی فناوری کنترل سرعت مبدل در این مطالعه عمدتاً بر اساس قوانین وابستگی برای موتورهای بادکنکی و پمپ‌ها و اصول تبدیل انرژی تنظیم سرعت با فرکانس متغیر است. بر اساس وضعیت عملیاتی تجهیزات نیروگاه، تعداد زیادی از پمپ‌ها و موتورهای بادکنکی با سرعت ثابت و تنظیم جریان از طریق دریچه‌ها عمل می‌کنند که منجر به تلفات انرژی قابل توجه می‌شود. در مقابل، تنظیم سرعت با فرکانس متغیر سرعت موتور را به تطبیق با نیازهای بار تنظیم می‌کند که منجر به جوانبافی می‌شود. قوانین وابستگی برای موتورهای بادکنکی و پمپ‌ها بر اساس روابط بین دبی، ارتفاع و توان برقرار شده‌اند و فرمول‌های محاسباتی مربوط به آن‌ها به شرح زیر است:
که در آن Q دبی (متر مکعب/ساعت)؛ n سرعت دورانی (دور در دقیقه)؛ H ارتفاع (متر)؛ P توان (کیلووات)، با P1 نشان‌دهنده توان اسمی و P2 توان در سرعت کاهش یافته. فرمول تبدیل انرژی تنظیم سرعت با فرکانس متغیر به شرح زیر است:
بر اساس روابط نظری فوق، وقتی نیاز جریان سیستم کاهش یابد، موتور به صورت خودکار از طریق کنترل فرکانس سرعت خود را کاهش می‌دهد که به طور قابل توجهی مصرف توان را کاهش داده و جوانبافی را ایجاد می‌کند. این یک پایه نظری برای طراحی تغییر و بهبود بعدی و ارزیابی جوانبافی ارائه می‌دهد.
3 طرح تغییر و بهبود فناوری کنترل سرعت مبدل
3.1 به‌روزرسانی سیستم توزیع برق
برای اجرای مؤثر فناوری کنترل سرعت مبدل، این مطالعه سیستم توزیع برق موجود را به‌روزرسانی کرد. برای سیستم ولتاژ بالا، دستگاه‌های قطع کننده ولتاژ ۱۰ کیلوولت با نصب قطع کننده‌های خلاء هوشمند با جریان اسمی حداقل ۱,۲۵۰ آمپر و ظرفیت قطع کوتاه مداری ۳۱.۵ کیلوآمپر تقویت شد. رله‌های حفاظتی مبتنی بر میکروپروسسور یکپارچه شدند که حفاظت‌های چند منظوره از جمله جریان بیش از حد، کوتاه مداری و خطای زمینی را با زمان پاسخ کمتر از ۲۰ میلی‌ثانیه فراهم می‌کنند. سیستم نظارت کیفیت برق نیز معرفی شد که با استفاده از سنسورهای پرتکرار کلاس A پارامترهایی مانند محتوای هارمونیک، نوسانات ولتاژ و عدم تعادل سه‌فاز را به صورت زنده نظارت می‌کند تا پایداری سیستم را تضمین کند.
برای سیستم ولتاژ پایین، سیستم ۴۰۰ ولت نقطه تمرکز به‌روزرسانی بود. مدارهای تغذیه مخصوص مبدل به سیستم موجود با استفاده از کابینه‌های تغذیه مستقل مجهز به قطع کننده‌های خلاء هوشمند اضافه شدند. جریان اسمی بر اساس نیاز بار بین ۴۰۰ آمپر تا ۶۳۰ آمپر انتخاب شد و دارای واحد‌های قطع الکترونیکی برای حفاظت دقیق از بیش از حد و کوتاه مداری است. هر مدار مبدل با یک کلید جداکننده مطابق با جریان اسمی قطع کننده مجهز شده و دارای ویژگی قطع دیدنی برای تسهیل نگهداری تجهیزات است.
برای کاهش هارمونیک، فیلترهای توان فعال (APF) در سمت ورودی مبدل نصب شدند که مشخصات خاص آن‌ها در جدول ۱ آورده شده است.
برای بهینه‌سازی سیستم‌های زمینی، این مطالعه از روش سیم‌کشی TN-S استفاده کرد که خط متعادل (N) را از خط زمین محافظ (PE) از کابینه توزیع جدا می‌کند. خط PE اصلی از رسانای مس با مقطع مسی حداقل ۹۵ میلی‌متر مربع استفاده می‌کند تا مقاومت زمین کمتر از ۱ اهم باشد. میله‌های اتصال پتانسیل مساوی در موقعیت‌های مهم تجهیزات مانند مبدل‌ها و موتورها اضافه شدند که از رسانای مس با مقطع بیش از ۱۶ میلی‌متر مربع استفاده می‌کنند. این به طور مؤثر تداخل مود مشترک را کاهش می‌دهد و عملکرد EMC سیستم را افزایش می‌دهد [21].
3.2 انتخاب و بهینه‌سازی پارامترهای تجهیزات مبدل
انتخاب مبدل‌ها بر اساس تطابق دقیق با مشخصات بار و نیازهای فرآیند است. برای بارهای پمپ، مبدل‌های کنترل برداری انتخاب شدند که توان اسمی آن‌ها به طور دقیق با توان موتور مطابقت دارد و ظرفیت بیش از حد ۱۵۰٪/۱ دقیقه است. این مطالعه مبدل سری ABB ACS880 را انتخاب کرد که دارای فناوری DTC (کنترل گشتاور مستقیم) است با زمان پاسخ گشتاور کمتر از ۵ میلی‌ثانیه و دقت کنترل سرعت ±۰.۰۱٪. با توجه به محیط محلی، از مبدل بسته‌بندی شده با درجه حفاظت IP54 استفاده شد که با سیستم خنک‌سازی هوا اجباری مجهز شده و جریان هوا حداقل ۱ متر مکعب/(دقیقه·کیلووات) است.
برای بهینه‌سازی پارامترها، تمرکز بر تنظیم پارامترهای کنترل PID و استفاده از الگوریتم خود تنظیمی داخل مبدل است. از طریق تست پاسخ گامی، ضریب تناسب بهینه Kp، ضریب انتگرال Ki و ضریب مشتق Kd به صورت خودکار محاسبه می‌شوند. فرمول خروجی کنترل‌کننده PID u(t) به شرح زیر است:
الگوریتم خود تنظیمی داخل مبدل برای محاسبه بهینه ضریب تناسب Kp (دامنه: ۰.۱–۱۰۰)، زمان انتگرال Ti (دامنه: ۰.۱–۳۶۰۰ ثانیه) و زمان مشتق Td (دامنه: ۰–۱۰ ثانیه) از طریق تست پاسخ گامی استفاده می‌شود. زمان شتاب‌دهی به ۱۰–۳۰ ثانیه و زمان کاهش سرعت به ۱۵–۴۵ ثانیه تنظیم شده تا به طور مؤثر از اثرات ضربه آب جلوگیری شود. محدودیت گشتاور با تنظیم ۱۲۰٪ گشتاور اسمی موتور فعال شده تا از بیش از حد جلوگیری شود. برای بارهای موتور بادکنکی، حالت جوانبافی مبدل فعال شده: در شرایط بار کم (نرخ بار < ۵۰٪)، ولتاژ خروجی به صورت خودکار کاهش می‌یابد، با حداکثر کاهش ۲۰٪. در عین حال، منحنی V/F با افزایش ولتاژ خروجی در محدوده سرعت پایین (۰–۱۰ هرتز) بهینه شده تا گشتاور شروع کافی را تضمین کند.
یک تابع خواب-بیدار تنظیم شده: وقتی فرکانس عملیاتی کمتر از ۱۰ هرتز برای ۶۰ ثانیه باقی بماند، مبدل وارد حالت خواب می‌شود؛ به طور خودکار وقتی فشار سیستم ۵٪ کاهش یابد بیدار می‌شود، که به طور مؤثر کارایی سیستم را بهبود می‌بخشد. در تنظیمات پایه مبدل، فرکانس حامل به ۴ کیلوهرتز تنظیم شده است. بر اساس نیازهای واقعی نیروگاه، آستانه‌های حفاظت از ولتاژ بالا و پایین به ترتیب به ۴۱۸ ولت و ۳۰۴ ولت تنظیم شده‌اند. علاوه بر این، پارامترهای اسمی موتور و تنظیمات عملیات چند سرعتی به طور دقیق در جدول ۲ آورده شده‌اند.
فرمول‌های محاسبه محدودیت جریان و بهینه‌سازی جریان حداقل به ترتیب به شرح زیر است:
که در آن Ilim محدودیت جریان حداکثری؛ In جریان اسمی موتور؛ Ismin
