Optimización do control de motores industriais: Retrofit de inversor para ahorro enerxético

Edwiin

Campo: Interruptor de enerxía

China

Como o núcleo da produción industrial, os sistemas de automatización eléctrica influencian directamente os custos de produción globais e o impacto ambiental. A operación a velocidade constante tradicional adoita provocar un desperdicio de enerxía ao responder ás demandas de carga variables e dificulta a realización dun control de proceso preciso. A tecnoloxía de rexulación de velocidade por frecuencia variable, como un método avanzado de control de motores, ofrece unha solución prometedora a estes problemas. Este estudo toma como exemplo o sistema de automatización eléctrica dunha central eléctrica para explorar un esquema de reforma baseado na tecnoloxía de control de velocidade por inversor e os seus efectos de aforro de enerxía, co obxectivo de proporcionar unha referencia para melloras da eficiencia energética en escenarios industriais similares.

1 Estado actual e requisitos de reforma das aplicacións de inversores na automatización eléctrica

1.1 Equipamento existente

O sistema de automatización eléctrica da central eléctrica consiste principalmente en tres partes: o sistema de distribución de enerxía, as unidades de propulsión de motores e o sistema de control. O sistema de distribución de enerxía inclúe interruptores de alta tensión de 10 kV, transformadores e interruptores de baixa tensión de 400 V, dispostos nunha estrutura en árbore para a distribución de enerxía. As propulsións de motores son principalmente motores asíncronos controlados por arranque directo ou arranque en estrela-triángulo con redución de tensión. As cargas de bombas supón a maior proporción do equipo no terreo, incluíndo bombas de circuito de refrigeración, bombas de auga de refrigeración e bombas de alimentación. Estes dispositivos funcionan a velocidade constante, co caudal rexulado mediante válvulas, resultando nun alto consumo de enerxía. A arquitectura do sistema existente é relativamente descentralizada, cunha xestión parcialmente centralizada. O sistema de monitorización superior comunica cos sistemas de control de campo mediante Ethernet industrial para permitir a visualización de datos centralizada e a operación remota. No entanto, o sistema de control actual carece de algoritmos de control avanzados para a rexulación de velocidade por frecuencia variable, lo que provoca deficiencias na xestión de enerxía e na optimización de procesos.

1.2 Requisitos de reforma

Baseándose no estado actual do equipamento, os requisitos de reforma para o sistema de automatización eléctrica centranse principalmente na mellora da eficiencia energética e na optimización do control. É necesario introducir a tecnoloxía de control de velocidade baseada en inversores para permitir unha operación eficiente das bombas e ventiladores axustando a velocidade do motor para coincidir coas demandas de carga.

Ao mesmo tempo, aproveitando as estacións de bombas existentes e as instalacións de produción, hai unha necesidade urgente de construír unha plataforma de monitorización intelixente compatible cos requisitos de protección ciberseguridade de nivel 2. Centrada en a computación en nube e integrada con a tecnoloxía IoT, esta plataforma permitirá una integración perfecta entre a xestión empresarial e o control de campo. A arquitectura do sistema adopta unha estructura de tres niveis de "plataforma central + subsistemas distribuídos + terminais móveis", asegurando a adquisición de datos en tempo real, o procesamiento eficiente e o almacenamento seguro.

A plataforma central, construída sobre un conglomerado de servidores de alto rendemento, implementa algoritmos avanzados de análise de datos para proporcionar un soporte de decisión preciso. Os subsistemas distribuídos inclúen módulos para o monitorizado do estado do equipo, videovigilancia e recolexión de parámetros ambientais, cubrindo comprehensivamente todos os aspectos das operacións de produción. Os terminais móveis, a través de aplicativos personalizados, permiten o monitorizado remoto e as notificacións instantáneas.

2 Base teórica dos efectos de aforro de enerxía

A análise dos efectos de aforro de enerxía da tecnoloxía de control de velocidade por inversor neste estudo está principalmente baseada nas leis de afinidade para ventiladores e bombas e nos principios de conversión de enerxía da rexulación de velocidade por frecuencia variable. De acordo co estado operativo do equipo da planta, un gran número de bombas e ventiladores funcionan a velocidade constante co caudal rexulado por válvulas, resultando en perdas significativas de enerxía. En contraste, o control de velocidade por frecuencia variable axusta a velocidade do motor para coincidir coas demandas de carga, logrando así un aforro de enerxía. As leis de afinidade para ventiladores e bombas están establecidas en función das relacións entre caudal, altura manométrica e potencia, con fórmulas de cálculo relevantes como as seguintes:

onde $Q$ é o caudal (m³/h); $n$ é a velocidade de rotación (r/min); $H$ é a altura manométrica (m); $P$ é a potencia (kW), con $P_{1}$ representando a potencia nominal e $P_{2}$ a potencia a velocidade reducida. A fórmula de conversión de enerxía para a rexulación de velocidade por frecuencia variable é:

Baseándose nas relacións teóricas anteriores, cando a demanda de caudal do sistema diminúa, o motor reduce automaticamente a súa velocidade mediante o control de frecuencia, reducindo significativamente o consumo de potencia e logrando un aforro de enerxía. Isto proporciona unha base teórica para o posterior deseño de reforma e a avaliación do aforro de enerxía.

3 Esquema de reforma da tecnoloxía de control de velocidade por inversor

3.1 Actualización do sistema de distribución de enerxía

Para implementar eficazmente a tecnoloxía de control de velocidade por inversor, este estudo actualizou o sistema de distribución de enerxía existente. Para o sistema de alta tensión, o armario de interrupción de 10 kV foi mellorado mediante a instalación de interruptores de vacío inteligentes con unha corrente nominal non inferior a 1.250 A e unha capacidade de interrupción de cortocircuito nominal de 31,5 kA. Foi integrado un relé de protección basado en microprocesador, proporcionando protección multifuncional, incluíndo sobrecorrente, cortocircuito e fallo a tierra, con un tempo de resposta inferior a 20 ms. Tamén se introduciu un sistema de monitorización da calidade da enerxía eléctrica, utilizando sensores de alta precisión de clase A para monitorizar en tempo real parámetros como o contido harmónico, as fluctuacións de tensión e o desequilibrio trifásico, asegurando a estabilidade do sistema.

Para o sistema de baixa tensión, o sistema de 400 V foi o foco da actualización. Foron engadidos circuitos alimentadores dedicados de inversor ao sistema existente, utilizando armarios alimentadores independentes equipados con interruptores automáticos moldeados inteligentes. A corrente nominal foi seleccionada entre 400 A e 630 A en función das necesidades de carga, destacándose as unidades de disparo electrónico para a protección precisa de sobrecorrente e cortocircuito. Cada circuito de inversor está equipado cun interruptor de separación que coincide coa corrente nominal do interruptor e inclúe unha característica de interrupción visible para facilitar a mantención do equipo.

Para a mitigación de harmónicos, foron instalados filtros activos de potencia (APF) no lado de entrada do inversor, con especificacións específicas como se listan na Táboa 1.

Para a optimización dos sistemas de aterramento, este estudo adoptou o método de cableado TN-S, separando a liña neutra (N) da liña de terra protexida (PE) a partir do armario de distribución. A liña PE principal utiliza conductores de cobre con unha sección transversal non inferior a 95 mm² para asegurar unha resistencia a terra inferior a 1 Ω. Foron engadidas barras de conexión de potencial igual en locais críticos, como inversores e motores, utilizando conductores de cobre con unha sección transversal superior a 16 mm². Isto suprime eficazmente a interferencia de modo común e melhora o rendemento EMC do sistema [21].

3.2 Selección e optimización de parámetros do equipo de inversores

A selección de inversores está baseada na correspondencia precisa das características de carga e os requisitos de proceso. Para cargas de bombas, escóllense inversores de control vectorial, cunha potencia nominal que corresponde estritamente á do motor, e unha capacidade de sobrecarga do 150%/1 min. Este estudo seleccionou a serie de inversores ABB ACS880, que presenta a tecnoloxía DTC (Control Directo de Par), cun tempo de resposta de par inferior a 5 ms e unha precisión de control de velocidade de ±0,01%. Considerando o entorno no terreo, utilizouse un inversor selado con unha clasificación de protección IP54, equipado cun sistema de refrigeración forzada, asegurando un fluxo de aire de refrigeración non inferior a 1 m³/(min·kW).

Para a optimización de parámetros, o enfoque está en axustar os parámetros de control PID e utilizar o algoritmo de autotuneo incorporado no inversor. A través de pruebas de resposta ao paso, o ganho proporcional óptimo $K_{p}$ , o ganho integral $K_{i}$ e o ganho derivativo $K_{d}$ son calculados automaticamente. A fórmula de cálculo para a saída do controlador PID $u (t)$ é:

O algoritmo de autotuneo incorporado no inversor se usa para calcular automáticamente o ganho proporcional óptimo $K_{p}$ (intervalo: 0,1–100), o tempo integral $T_{i}$ (intervalo: 0,1–3600 s) e o tempo derivativo $T_{d}$ (intervalo: 0–10 s) a través dunha proba de resposta ao paso. O tempo de aceleración se establece entre 10 y 30 s e o tempo de deceleración entre 15 y 45 s para prevenir eficazmente o efecto martillo de auga. A limitación de par se activa con un ajuste do 120% do par nominal do motor para evitar la sobrecarga. Para cargas de ventiladores, se activa o modo de ahorro de energía del inversor: en condiciones de carga ligera (tasa de carga < 50%), se reduce automáticamente el voltaje de salida, con una reducción máxima de hasta el 20%. Al mismo tiempo, se optimiza la curva V/F aumentando la salida de voltaje en el rango de baja velocidad (0–10 Hz) para garantizar un par de arranque suficiente.

Se configura una función de sueño-despertar: cuando la frecuencia de operación permanece por debajo de 10 Hz durante 60 s, el inversor entra en modo de sueño; se despierta automáticamente cuando la presión del sistema disminuye en un 5%, mejorando aún más la eficiencia del sistema. En las configuraciones básicas del inversor, la frecuencia portadora se establece en 4 kHz. Según los requisitos reales de la central eléctrica, los umbrales de protección contra sobretensión y sub tensión se establecen en 418 V y 304 V, respectivamente. Además, se configuran los parámetros nominales del motor y las configuraciones de operación a múltiples velocidades, como se detalla en la Tabla 2.

Las fórmulas de cálculo para la limitación de corriente y la optimización de corriente mínima son, respectivamente, las siguientes:

donde $I_{lim}$ es el límite máximo de corriente; $I_{n}$ es la corriente nominal del motor; $I_{smin}$ es la corriente mínima del estator; $I_{dopt}$ es la corriente de excitación óptima; y $I_{q}$ es el componente de corriente de par. Al incorporar estrategias de limitación de corriente y optimización de corriente mínima, se logra un control detallado de la operación del motor. Las configuraciones de protección contra sobretensión y sub tensión aseguran que el motor opere dentro de un rango seguro. La protección contra bloqueo y las medidas de limitación de corriente previenen eficazmente la sobrecarga. Además, este método de control admite la comunicación a través del protocolo Modbus-RTU, permitiendo el monitoreo remoto y el ajuste de parámetros, lo que mejora significativamente el nivel de inteligencia del sistema.

3.3 Actualización e integración do sistema de control

La actualización del sistema de control emplea la serie PLC S7-1500 de Siemens, específicamente el modelo CPU 1517-3 PN/DP, que cuenta con una velocidad de operación de bit de 2 ns y una velocidad de operación de palabra de 40 ns. El PLC está equipado con 1,6 GB de memoria de trabajo y 32 MB de memoria de carga, admitiendo protocolos de comunicación como PROFINET, PROFIBUS y OPC UA. El sistema adopta una arquitectura distribuida con módulos I/O remotos de la serie ET 200SP, logrando un ciclo de comunicación de 250 μs a través de PROFINET.

La arquitectura de software se basa en el entorno de desarrollo integrado TIA Portal V16. El programa del PLC incluye bloques de funciones (FBs) para la comunicación con inversores, control PID, control predictivo de modelos (MPC), preprocesamiento de adquisición de datos y gestión de alarmas. El marco del sistema se ilustra en la Figura 1.

4 Análisis de los efectos de ahorro de energía

Los beneficios de ahorro de energía de la tecnología de control de velocidad por inversor se reflejan principalmente en la reducción del consumo de energía y la mejora de la eficiencia del sistema. Comparando los datos de consumo de energía antes y después de la reforma, se puede evaluar cuantitativamente el rendimiento de ahorro de energía. Los datos del sistema post-reforma en este estudio se recopilaron utilizando los siguientes métodos:

Sistema de medición de energía: Se instalaron medidores inteligentes en las líneas de suministro de energía de los principales equipos eléctricos para recopilar datos de consumo de electricidad antes y después de la reforma. El modelo del medidor es Schneider PM5560, con una clase de precisión de 0,2S y un intervalo de muestreo de 15 minutos.
Funciones integradas del inversor: Se utilizó la función de monitoreo de energía integrada del inversor ABB ACS880 para registrar el tiempo de operación, la potencia de salida y el consumo de energía. Los datos se transmitieron a la sala de control central a través del protocolo Modbus-RTU.
Sistema SCADA: Se construyó un sistema de adquisición y almacenamiento de datos en tiempo real utilizando la plataforma Siemens WinCC V7.5. Se monitorearon parámetros clave como la velocidad del motor, la tasa de carga, el voltaje/corriente de salida y el factor de potencia con un ciclo de muestreo de 1 segundo.
Pruebas en sitio: Se utilizó el analizador de calidad de energía Fluke 435 II para realizar mediciones puntuales bajo diversas condiciones de carga, capturando datos de potencia instantánea, armónicos y factor de potencia.