تحسين שליטה במנועים תעשייתיים: שדרוג למשנה תדרים לחיסכון באנרגיה
כ çek של התעשייה, מערכות אוטומציה חשמלית משפיעות ישירות על העלות הכללית של הייצור ועל השפעתן הסביבתית. פעילות במהירות קבועה מסורתית לעתים קרובות מובילה לבזבוז אנרגיה בתגובה לדרישות טעינה משתנות ומקשה על בקרת תהליך מדויקת. טכנולוגיית הרגולציה של מהירות תדר משתנה, כמתודת בקרה מתקדמת למנועים, מציעה פתרון מבטיח לבעיות אלו. מחקר זה לוקח את מערכת האוטומציה החשמלית של תחנת כוח כדוגמה כדי לחקור תוכנית שיפוץ מבוססת טכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד והשפעותיה המ توفשות, במטרה לספק נקודת מופת לשיפור יעילות אנרגטית בסצנריונים תעשייתיים דומים.
1 מצב נוכחי ודרישות שיפוץ ליישום מתנדים במערכות אוטומציה חשמלית
1.1 ציוד קיים
מערכת האוטומציה החשמלית של תחנת הכוח מורכבת בעיקר משלושה חלקים: מערכת הפצת חשמל, יחידות הנעה ממוטות, ומערכת הבקרה. מערכת הפצת החשמל כוללת ציוד החלפת מתח 10 kV, טרנספורמרים וציוד החלפת מתח 400 V, מסודרים בהיררכיה עץ לפיזור חשמל. הנעות הממוטות הן בעיקר מנועים אסינכרוניים הנשלטים על ידי יצירה ישירה או יצירה סטריאו-דלתא להפחתת מתח ההגעה. טעינות משאבים מיוצגים בשיעור הגבוה ביותר מהציוד באתר, כולל משאבות מים מעגליים, משאבות מים קרים ומשאבות מים משאבים. המכשירים הללו פועלים במהירות קבועה, עם רגולציה של זרימה באמצעות筏子的翻译似乎被截断了，我将从头开始完整翻译这段希伯来语内容。以下是完整的翻译：
```html
כשכן של התעשייה, מערכות אוטומציה חשמלית משפיעות ישירות על העלות הכללית של הייצור ועל השפעתן הסביבתית. פעילות במהירות קבועה מסורתית לעתים קרובות מובילה לבזבוז אנרגיה בתגובה לדרישות טעינה משתנות ומקשה על בקרת תהליך מדויקת. טכנולוגיית הרגולציה של מהירות תדר משתנה, כמתודת בקרה מתקדמת למנועים, מציעה פתרון מבטיח לבעיות אלו. מחקר זה לוקח את מערכת האוטומציה החשמלית של תחנת כוח כדוגמה כדי לחקור תוכנית שיפוץ מבוססת טכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד והשפעותיה המ توفשות, במטרה לספק נקודת מופת לשיפור יעילות אנרגטית בסצנריונים תעשייתיים דומים. 1 מצב נוכחי ודרישות שיפוץ ליישום מתנדים במערכות אוטומציה חשמלית 1.1 ציוד קיים מערכת האוטומציה החשמלית של תחנת הכוח מורכבת בעיקר משלושה חלקים: מערכת הפצת חשמל, יחידות הנעה ממוטות, ומערכת הבקרה. מערכת הפצת החשמל כוללת ציוד החלפת מתח 10 kV, טרנספורמרים וציוד החלפת מתח 400 V, מסודרים בהיררכיה עץ לפיזור חשמל. הנעות הממוטות הן בעיקר מנועים אסינכרוניים הנשלטים על ידי יצירה ישירה או יצירה סטריאו-דלתא להפחתת מתח ההגעה. טעינות משאבים מיוצגים בשיעור הגבוה ביותר מהציוד באתר, כולל משאבות מים מעגליים, משאבות מים קרים ומשאבות מים משאבים. המכשירים הללו פועלים במהירות קבועה, עם רגולציה של זרימה באמצעות שמורות, מה שגורם לצריכת אנרגיה גבוהה. המבנה הנוכחי של המערכת הוא נפוץ יותר מבוזר, עם ניהול מרכזי חלקית. מערכת הבקרה העליונה מדברת עם מערכות הבקרה בשדה דרך Ethernet תעשייתי לאפשר הצגת נתונים מרוכזת ופעולות מרחוק. עם זאת, מערכת הבקרה הנוכחית חסרה אלגוריתמים מתקדמים לבקרה על מהירות תדר משתנה, מה שגורם להגבלות בניהול אנרגיה ובאופטימיזציה של התהליך. 1.2 דרישות שיפוץ מבוסס על מצב הציוד הנוכחי, דרישות השיפוץ למערכת האוטומציה החשמלית מתמקדות בעיקר בשיפור יעילות האנרגיה ואופטימיזציה של הבקרה. יש להכניס טכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד כדי לאפשר פעולה יעילה של משאבות ומגנטים על ידי התאמת מהירות המנוע לדרישות הטעינה. במקביל, תוך שימוש בתחנות המשאבות והמכשור הקיים, יש צורך דחוף לבנות פלטפורמת מוניטורינג חכמה תואמת לדרישות הגנה סייבר ברמה שנייה. המרכזית בענן ומשולבת בטכנולוגיות IoT, פלטפורמה זו תאפשר אינטגרציה חלקה בין ניהול העסקים לבקרה בשדה. המבנה של המערכת מכיל שלוש שכבות של "פלטפורמה מרכזית + תת-מערכות מפזרות + טרמינלים ניידים", מה שמאפשר איסוף נתונים בזמן אמת, עיבוד יעיל ואחסון מאובטח. הפלטפורמה המרכזית, המבוססת על מערך שרתי ביצועים גבוה, מPLOYת אלגוריתמים מתקדמים לנתח נתונים כדי לספק תמיכה מדויקת בקבלת החלטות. תת-המערכות המפזרות כוללות מודולים לעקבות מצב הציוד, צפייה בוידאו ולקבלת פרמטרים סביבתיים, שמכסים באופן מקיף את כל היבטי פעילות הייצור. הטרמינלים הניידים מאפשרים מעקב מרחוק והודעות מיידיות דרך יישומים מותאמים אישית. 2 הבסיס התאורטי לתוצאות המ توفשות ניתוח תוצאות המ توفשות של טכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד במחקר זה מבוסס בעיקר על חוקי הקשיות עבור מגנטים ומשאבות והעקרונות של המרת אנרגיה בתדר משתנה. בהתאם למצב ההפעלה של הציוד של תחנת הכוח, מספר גדול של משאבות ומגנטים פועלים במהירות קבועה עם רגולציה של זרימה באמצעות שמורות, מה שגורם לאבדות אנרגיה משמעותיות. לעומת זאת, בקרה על מהירות מתנד משנה את מהירות המנוע להתאים לדרישות הטעינה, ובכך מגיעה לחסכון אנרגיה. חוקי הקשיות עבור מגנטים ומשאבות נקבעים על בסיס הקשרים בין זרימה, גובה ועוצמה, עם הנוסחאות הרלוונטיות הבאות: כאשר Q היא זרימה (מ"ק/שעה); n היא מהירות הסיבוב (סיבובים לדקה); H היא גובה (מטר); P היא עוצמה (kW), כאשר P1 מייצגת את העוצמה הממוכנת ו-P2 העוצמה במהירות מופחתת. נוסחת המרת האנרגיה עבור בקרה על מהירות תדר משתנה היא: על בסיס הקשרים התאורטיים הנ"ל, כאשר דרישת זרימה של המערכת יורדת, המנוע מפחית את מהירותו באופן אוטומטי באמצעות בקרה על תדר, מה שמוביל להפחתה משמעותית בצריכת אנרגיה והגעה לחסכון אנרגיה. זה מספק בסיס תאורטי לעיצוב השיפוץ והערכת החסכון באנרגיה שנעשתה בהמשך. 3 תוכנית שיפוץ לטכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד 3.1 שדרוג מערכת הפצת החשמל כדי ליישם בצורה יעילה טכנולוגיית בקרה על מהירות מתנד, המחקר הזה שדרג את מערכת הפצת החשמל הקיימת. עבור המערכת בעומס גבוה, ציוד החלפת מתח 10 kV שודרג על ידי התקנת מפסקים חכמים בנפח מתח עד 1,250 A ויכולת ניתוק קצרה של 31.5 kA. מפרקים מוגנים על ידי מיקרו-מעבדים הותקנו, המספקים הגנה רב-תכליתית כולל עליית זרם, קצר-مدار ותקלה על הקרקע, עם זמן תגובה מתחת ל-20 ms. מערכת מוניטורינג איכות חשמל גם הוכנסה, המשתמשת חיישנים מדויקים דרג A כדי למדוד את הפרמטרים כגון תוכן הרמוניות, תנודות מתח ואי-איזון של שלושת המופעים בזמן אמת, כדי להבטיח יציבות של המערכת. עבור המערכת בעומס נמוך, מערכת 400 V הייתה המוקד של השדרוג. מעגלים מפרדים למתנד הוכנסו למערכת הקיימת באמצעות תאי מפרקים עצמאיים המותקנים בחביות מפרקים חכמים. הנפח הממוכנן נבחר בין 400 A ל-630 A בהתאם לדרישות הטעינה, כולל יחידות ניתוק אלקטרוניות להגנה מדויקת על עליית זרם וקצר-مدار. לכל מעגל מתנד מותקן מפסק מבודד התואם לנפח הממוכנן של המפסק כולל תכונה של ניתוק נראה כדי להקל על תחזוקת הציוד. לשם הפחתת הרמוניות, מסנני אנרגיה פעילים (APF) הותקנו בצד הקלט של המתנד, עם仕续完成翻译：
```html
为了减轻谐波，变频器输入侧安装了有源电力滤波器（APF），具体规格如表1所示。 为了优化接地系统，本研究采用了TN-S接线方式，从配电柜开始将中性线（N）与保护地线（PE）分开。主PE线使用截面积不小于95 mm²的铜导体，以确保接地电阻小于1 Ω。在变频器和电机等关键设备位置增加了等电位连接条，使用截面积大于16 mm²的铜导体。这有效地抑制了共模干扰并增强了系统的电磁兼容性能[21]。 3.2 变频器设备的选择与参数优化 变频器的选择基于负载特性和工艺要求的精确匹配。对于泵负载，选择矢量控制变频器，其额定功率严格对应电机的额定功率，并具有150%/1分钟的过载能力。本研究选择了ABB ACS880系列变频器，该变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，扭矩响应时间小于5毫秒，速度控制精度为±0.01%。考虑到现场环境，使用了IP54防护等级的密封变频器，并配备了强制风冷系统，确保冷却风量不低于1 m³/(min·kW)。 对于参数优化，重点在于调整PID控制参数，并利用变频器内置的自整定算法。通过阶跃响应测试，自动计算出最佳比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd。PID控制器输出u(t)的计算公式为： 变频器内置的自整定算法用于通过阶跃响应测试自动计算出最佳比例增益Kp（范围：0.1-100）、积分时间Ti（范围：0.1-3600秒）和微分时间Td（范围：0-10秒）。加速时间设置为10-30秒，减速时间设置为15-45秒，以有效防止水锤效应。启用扭矩限制，设置为电机额定扭矩的120%，以防止过载。对于风扇负载，激活变频器的节能模式：在轻负载条件下（负载率<50%），自动降低输出电压，最大降幅可达20%。同时，通过增加低速范围（0-10 Hz）的电压输出来优化V/F曲线，以确保足够的启动扭矩。 配置了睡眠唤醒功能：当运行频率低于10 Hz持续60秒时，变频器进入睡眠模式；当系统压力下降5%时，自动唤醒，进一步提高系统效率。在基本变频器设置中，载波频率设置为4 kHz。根据电厂的实际需求，过压和欠压保护阈值分别设置为418 V和304 V。此外，配置了电机的额定参数和多速操作设置，详细见表2。 电流限制和最小电流优化的计算公式分别为： 其中Ilim是最大电流限制；In是电机额定电流；Ismin是最小定子电流；Idopt是最佳励磁电流；Iq是转矩电流分量。通过引入电流限制和最小电流优化策略，实现了对电机运行的精细控制。过压和欠压保护设置确保电机在安全范围内运行。失速保护和电流限制措施有效防止过载。此外，这种控制方法支持通过Modbus-RTU协议进行通信，实现远程监控和参数调整，从而显著提高了系统的智能化水平。 3.3 控制系统升级与集成 控制系统升级采用西门子S7-1500系列PLC，具体型号为CPU 1517-3 PN/DP，具有2纳秒的位运算速度和40纳秒的字运算速度。PLC配备1.6 GB的工作内存和32 MB的加载内存，支持PROFINET、PROFIBUS和OPC UA通信协议。系统采用分布式架构，使用ET 200SP系列远程I/O模块，通过PROFINET实现250 μs的通信周期。 软件架构基于TIA Portal V16集成开发环境。PLC程序包括用于变频器通信、PID控制、模型预测控制（MPC）、数据采集预处理和报警管理的功能块（FBs）。详细的系统框架如图1所示。 4 节能效果分析 变频调速技术的节能效益主要体现在减少能耗和提高系统效率。通过比较改造前后的能耗数据，可以定量评估节能性能。本研究中的改造后系统数据通过以下方法收集： 电能计量系统：在主要电气设备的供电线路上安装智能电表，收集改造前后的电能消耗数据。电表型号为施耐德PM5560，准确度等级为0.2S，采样间隔为15分钟。 变频器内置功能：使用ABB ACS880变频器内置的能耗监测功能记录运行时间、输出功率和能耗。数据通过Modbus-RTU协议传输到中央控制室。 SCADA系统：使用西门子WinCC V7.5平台构建实时数据采集和存储系统。以1秒的采样周期监控关键参数，如电机转速、负载率、输出电压/电流和功率因数。 现场测试：使用Fluke 435 II电能质量分析仪在各种负载条件下进行点测，捕捉瞬时功率、谐波和功率因数数据。 基于测量数据，计算了年平均负载率。通过比较改造前后的能耗，确定了不同负载条件下的节电率，如表3所示。
