بهینه‌سازی کنترل موتور صنعتی: تجهیز مجدد با وارتنر برای صرفه‌جویی در انرژی

به عنوان هسته تولید صنعتی، سیستم‌های اتوماسیون برق مستقیماً بر هزینه‌های کلی تولید و تأثیرات محیط زیست تأثیر می‌گذارند. عملکرد ثابت سرعت معمولاً در پاسخ به نیازهای بار متغیر منجر به تلف شدن انرژی می‌شود و کنترل دقیق فرآیند را دشوار می‌سازد. فناوری تنظیم سرعت با فرکانس متغیر به عنوان یک روش پیشرفته کنترل موتور، راه حل خوبی برای حل این مشکلات ارائه می‌دهد. این مطالعه با استفاده از سیستم اتوماسیون برق یک نیروگاه به عنوان مثال، یک طرح به‌روزرسانی بر اساس فناوری کنترل سرعت با آینورتر و اثرات صرفه‌جویی در انرژی آن را بررسی می‌کند تا مرجعی برای بهبود کارایی انرژی در سناریوهای صنعتی مشابه ارائه دهد.

1 وضعیت فعلی و نیازهای به‌روزرسانی کاربرد آینورتر در اتوماسیون برق

1.1 تجهیزات موجود

سیستم اتوماسیون برق نیروگاه عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: سیستم توزیع برق، واحد‌های موتوری و سیستم کنترل. سیستم توزیع برق شامل قطع‌کننده‌های بالابر فشار 10 kV، ترانسفورماتورها و قطع‌کننده‌های فشار پایین 400 V است که به صورت ساختار درختی برای توزیع برق تنظیم شده‌اند. موتورهای الکتریکی عمدتاً موتورهای مزدوج هستند که با روش‌های شروع مستقیم یا ستاره-مثلث کنترل می‌شوند. بارهای پمپ‌ها بزرگ‌ترین بخش از تجهیزات محلی را تشکیل می‌دهند که شامل پمپ‌های چرخان آب، پمپ‌های خنک‌کننده و پمپ‌های آب ورودی می‌باشند. این دستگاه‌ها با سرعت ثابت عمل می‌کنند و جریان آن‌ها با استفاده از شیرها تنظیم می‌شود که منجر به مصرف بالای انرژی می‌شود. ساختار فعلی سیستم نسبتاً پراکنده است با مدیریت جزئی مرکزی. سیستم نظارتی بالادست با سیستم‌های کنترل میدانی از طریق اترنت صنعتی ارتباط برقرار می‌کند تا نمایش متمرکز داده‌ها و عملیات دوردست را فراهم کند. با این حال، سیستم کنترل فعلی شامل الگوریتم‌های کنترل پیشرفته برای تنظیم سرعت با فرکانس متغیر نیست که منجر به نقص در مدیریت انرژی و بهینه‌سازی فرآیند می‌شود.

1.2 نیازهای به‌روزرسانی

بر اساس وضعیت فعلی تجهیزات، نیازهای به‌روزرسانی سیستم اتوماسیون برق عمدتاً روی بهبود کارایی انرژی و بهینه‌سازی کنترل متمرکز شده است. لازم است فناوری کنترل سرعت مبتنی بر آینورتر معرفی شود تا عملکرد کارآمد پمپ‌ها و فن‌ها با تنظیم سرعت موتور برای تطبیق با نیازهای بار امکان‌پذیر شود.

در عین حال، با استفاده از ایستگاه‌های پمپ‌سازی و تأسیسات تولید موجود، نیاز فوری به ساخت یک پلتفرم نظارت هوشمند مطابق با الزامات حفاظت سایبری سطح 2 وجود دارد. این پلتفرم با تمرکز بر محاسبات ابری و یکپارچه شدن با فناوری اینترنت اشیاء، ادغام بی‌وقفه بین مدیریت شرکت و کنترل میدانی را فراهم می‌کند. ساختار سیستم از سه لایه "پلتفرم مرکزی + زیرسیستم‌های توزیع شده + دستگاه‌های موبایل" تشکیل شده است که ضمانت می‌کند جمع‌آوری داده‌های زنده، پردازش کارآمد و ذخیره‌سازی امن را فراهم کند.

پلتفرم مرکزی که بر روی یک خوشه سرور با عملکرد بالا ساخته شده است، الگوریتم‌های پیشرفته تحلیل داده را به کار می‌برد تا پشتیبانی تصمیم‌گیری دقیق ارائه دهد. زیرسیستم‌های توزیع شده شامل ماژول‌های نظارت بر وضعیت تجهیزات، نظارت تصویری و جمع‌آوری پارامترهای محیطی می‌باشند که به طور کامل تمام جنبه‌های عملیات تولید را پوشش می‌دهند. دستگاه‌های موبایل از طریق برنامه‌های سفارشی، نظارت دوردست و اعلانات فوری را فراهم می‌کنند.

2 پایه نظری اثرات صرفه‌جویی در انرژی

تحلیل اثرات صرفه‌جویی در انرژی فناوری کنترل سرعت با فرکانس متغیر در این مطالعه عمدتاً بر اساس قوانین وابستگی برای فن‌ها و پمپ‌ها و اصول تبدیل انرژی تنظیم سرعت با فرکانس متغیر است. بر اساس وضعیت عملیاتی تجهیزات نیروگاه، تعداد زیادی از پمپ‌ها و فن‌ها با سرعت ثابت و تنظیم جریان با شیرها عمل می‌کنند که منجر به تلفات انرژی قابل توجه می‌شود. در مقابل، کنترل سرعت با فرکانس متغیر سرعت موتور را برای تطبیق با نیازهای بار تنظیم می‌کند و بنابراین صرفه‌جویی در انرژی را به دست می‌آورد. قوانین وابستگی برای فن‌ها و پمپ‌ها بر اساس روابط بین دبی، فشار و توان برقرار شده‌اند، با فرمول‌های محاسباتی مربوطه به صورت زیر:

که در آن $Q$ دبی (متر مکعب/ساعت)؛ $n$ سرعت چرخش (دور/دقیقه)؛ $H$ فشار (متر)؛ $P$ توان (kW) است، با P1P1 نشان‌دهنده توان اسمی و P2P2 توان در سرعت کاهش یافته. فرمول تبدیل انرژی برای تنظیم سرعت با فرکانس متغیر به صورت زیر است:

بر اساس روابط نظری فوق، هنگامی که تقاضای جریان سیستم کاهش می‌یابد، موتور به صورت خودکار سرعت خود را از طریق کنترل فرکانس کاهش می‌دهد، که منجر به کاهش قابل توجه مصرف توان و صرفه‌جویی در انرژی می‌شود. این پایه نظری برای طراحی به‌روزرسانی بعدی و ارزیابی صرفه‌جویی در انرژی را فراهم می‌کند.

3 طرح به‌روزرسانی فناوری کنترل سرعت با آینورتر

3.1 به‌روزرسانی سیستم توزیع برق

برای اجرای مؤثر فناوری کنترل سرعت با آینورتر، این مطالعه سیستم توزیع برق موجود را به‌روزرسانی کرد. برای سیستم فشار بالا، قطع‌کننده‌های بالابر فشار 10 kV با نصب قطع‌کننده‌های خلاء هوشمند با جریان اسمی حداقل 1,250 A و ظرفیت قطع کوتاه‌مداری 31.5 kA تقویت شد. رله‌های محافظ مبتنی بر میکروپروسسور یکپارچه شدند که محافظت‌های چندمنظوره از جمله بیش از جریان، کوتاه‌مداری و خطای زمین را با زمان واکنش کمتر از 20 میلی‌ثانیه فراهم می‌کنند. یک سیستم نظارتی کیفیت برق نیز معرفی شد که با استفاده از سنسورهای پرتکیه‌ای کلاس A پارامترهایی مانند محتوای هارمونیک، نوسانات ولتاژ و عدم تعادل سه‌فاز را به صورت زنده نظارت می‌کند و پایداری سیستم را تضمین می‌کند.

برای سیستم فشار پایین، سیستم 400 V محور به‌روزرسانی شد. مسیرهای تغذیه آینورتر اختصاصی به سیستم موجود با استفاده از کابین‌های تغذیه مستقل مجهز به قطع‌کننده‌های مولدهای مولفه‌ای هوشمند اضافه شد. جریان اسمی بین 400 A تا 630 A بر اساس نیاز بار انتخاب شد و واحدهای قطع الکترونیکی برای محافظت دقیق از بیش از جریان و کوتاه‌مداری داشت. هر مدار آینورتر با یک قطع‌کننده جداگانه مطابق با جریان اسمی قطع‌کننده مجهز شده و ویژگی قطع دیدنی برای تسهیل نگهداری تجهیزات دارد.

برای کاهش هارمونیک‌ها، فیلترهای توان فعال (APF) در سمت ورودی آینورتر نصب شدند، با مشخصات خاصی که در جدول 1 آمده است.

برای بهینه‌سازی سیستم‌های زمین‌کشی، این مطالعه از روش سیم‌کشی TN-S استفاده کرد که خط میانی (N) را از خط زمین محافظ (PE) از کابین توزیع جدا می‌کند. خط PE اصلی از هادی‌های مس با مقطع مسی حداقل 95 میلی‌متر مربع استفاده می‌کند تا مقاومت زمین کمتر از 1 اهم باشد. میله‌های پیوند هم‌پتانسیل در موقعیت‌های مهم تجهیزات مانند آینورتر و موتور با استفاده از هادی‌های مس با مقطع مسی بیش از 16 میلی‌متر مربع اضافه شدند. این امر باعث می‌شود تا ناهماهنگی‌های مود مشترک را کاهش دهد و عملکرد EMC سیستم را افزایش دهد [21].

3.2 انتخاب و بهینه‌سازی پارامترهای تجهیزات آینورتر

انتخاب آینورتر بر اساس تطابق دقیق مشخصات بار و نیازهای فرآیند است. برای بارهای پمپ، آینورترهای کنترل برداری انتخاب شده‌اند که توان اسمی آن‌ها دقیقاً با موتور مطابقت دارد و ظرفیت بیش از بار 150%/1 دقیقه دارد. در این مطالعه، آینورتر سری ABB ACS880 انتخاب شد که دارای فناوری DTC (کنترل گشتاور مستقیم) با زمان پاسخ گشتاور کمتر از 5 میلی‌ثانیه و دقت کنترل سرعت ±0.01% است. با توجه به محیط محلی، از آینورتر بسته با درجه حفاظت IP54 استفاده شد که با سیستم خنک‌سازی هوا اجباری مجهز شده و جریان هوا حداقل 1 متر مکعب/(دقیقه·kW) را تضمین می‌کند.

برای بهینه‌سازی پارامترها، تمرکز بر تنظیم پارامترهای کنترل PID و استفاده از الگوریتم خودتنظیم داخلی آینورتر است. از طریق تست پاسخ گامی، مقدار بهینه Kp (گام تناسب)، Ki (گام انتگرال) و Kd (گام مشتق) به صورت خودکار محاسبه می‌شود. فرمول خروجی کنترل‌کننده PID به صورت زیر است:

الگوریتم خودتنظیم داخلی آینورتر برای محاسبه بهینه Kp (دامنه: 0.1-100)، زمان انتگرال Ti (دامنه: 0.1-3600 ثانیه) و زمان مشتق Td (دامنه: 0-10 ثانیه) از طریق تست پاسخ گامی استفاده می‌شود. زمان شتاب‌دهی به 10-30 ثانیه و زمان کند‌کننده به 15-45 ثانیه تنظیم شده تا به طور موثر از اثرات آب‌ضربه جلوگیری کند. محدودیت گشتاور با تنظیم 120% گشتاور اسمی موتور فعال شده تا از بیش از بار جلوگیری شود. برای بارهای فن، حالت صرفه‌جویی در انرژی آینورتر فعال شده: در شرایط بار کم (نرخ بار < 50%) ولتاژ خروجی به صورت خودکار کاهش می‌یابد، با حداکثر کاهش 20%. همچنین، منحنی V/F با افزایش ولتاژ خروجی در محدوده سرعت پایین (0-10 Hz) بهینه شده تا گشتاور شروع کافی را تضمین کند.

یک تابع خواب-بیداری تنظیم شده: هنگامی که فرکانس عملیاتی برای 60 ثانیه زیر 10 Hz باقی می‌ماند، آینورتر به حالت خواب می‌رود؛ و به صورت خودکار با کاهش 5% فشار سیستم بیدار می‌شود، که به طور موثر کارایی سیستم را افزایش می‌دهد. در تنظیمات اساسی آینورتر، فرکانس حامل به 4 kHz تنظیم شده است. بر اساس نیازهای واقعی نیروگاه، آستانه‌های محافظت از بیش‌ولتاژ و کم‌ولتاژ به ترتیب به 418 V و 304 V تنظیم شده‌اند. همچنین، پارامترهای اسمی موتور و تنظیمات عملیات چندسرعتی به صورت جزئیات در جدول 2 تنظیم شده‌اند.

فرمول‌های محاسبه محدودیت جریان و بهینه‌سازی جریان کمینه به ترتیب به صورت زیر است:

که در آن Ilim جریان محدودیت حداکثر است؛ In جریان اسمی موتور است؛ Ismin جریان کمینه ستون‌سوی است؛ Idopt جریان برانگیزش بهینه است؛ و Iq مؤلفه جریان گشتاور است. با ادغام استراتژی‌های محدودیت جریان و بهینه‌سازی جریان کمینه، کنترل دقیق عملکرد موتور به دست می‌آید. تنظیمات محافظت از بیش‌ولتاژ و کم‌ولتاژ مطمئن می‌شود که موتور در محدوده ای ایمن عمل می‌کند. محافظت از گیر کردن و محدودیت جریان به طور موثر از بیش از بار جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، این روش کنترل از پروتکل Modbus-RTU پشتیبانی می‌کند که نظارت دوردست و تنظیم پارامتر را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی سطح هوشمندی سیستم را افزایش می‌دهد.

3.3 به‌روزرسانی و یکپارچه‌سازی سیستم کنترل

به‌روزرسانی سیستم کنترل از PLC سری Siemens S7-1500، به ویژه مدل CPU 1517-3 PN/DP استفاده می‌کند که دارای سرعت عملیات بیتی 2 نانوثانیه و سرعت عملیات کلمه‌ای 40 نانوثانیه است. PLC دارای حافظه کاری 1.6 GB و حافظه بار 32 MB است و پروتکل‌های ارتباطی شامل PROFINET، PROFIBUS و OPC UA را پشتیبانی می‌کند. سیستم از یک معماری توزیع شده با ماژول‌های I/O دوردست سری ET 200SP استفاده می‌کند که با استفاده از PROFINET یک چرخه ارتباطی 250 میکروثانیه را فراهم می‌کند.

معماری نرم‌افزاری بر اساس محیط توسعه یکپارچه TIA Portal V16 است. برنامه PLC شامل بلوک‌های عملکردی (FBs) برای ارتباط آینورتر، کنترل PID، کنترل پیش‌بینی مدل (MPC)، پیش‌پردازش جمع‌آوری داده و مدیریت هشدار است. چارچوب سیستم جزئی در شکل 1 نشان داده شده است.

4 تحلیل اثرات صرفه‌جویی در انرژی

مزایای صرفه‌جویی در انرژی فناوری کنترل سرعت با آینورتر عمدتاً در کاهش مصرف توان و بهبود کارایی سیستم منعکس می‌شود. با مقایسه داده‌های مصرف انرژی قبل و بعد از به‌روزرسانی، عملکرد صرفه‌جویی در انرژی به صورت کمی ارزیابی می‌شود. داده‌های سیستم پس از به‌روزرسانی در این مطالعه با استفاده از روش‌های زیر جمع‌آوری شدند:

• سیستم اندازه‌گیری انرژی: شمارنده‌های هوشمند روی خطوط تغذیع برق تجهیزات الکتریکی اصلی نصب شدند تا داده‌های مصرف برق قبل و بعد از به‌روزرسانی را جمع‌آوری کنند. مدل شمارنده Schneider PM5560 است که دارای کلاس دقت 0.2S و فاصله نمونه‌برداری 15 دقیقه است.

• <