संशोधित औद्योगिक मोटर नियंत्रण: ऊर्जा बचाने के लिए इनवर्टर रीट्रोफिट

उद्योगीय उत्पादन के मुख्य हिस्से के रूप में, विद्युत स्वचालन प्रणाली समग्र उत्पादन लागत और पर्यावरणीय प्रभाव पर तुल्यकालिक रूप से प्रभाव डालती है। परंपरागत नियत-गति संचालन अक्सर भिन्न लोड मांगों का प्रतिक्रिया देते समय ऊर्जा की बर्बादी का कारण बनता है और यह सटीक प्रक्रिया नियंत्रण को प्राप्त करने में कठिनाई उत्पन्न करता है। चर आवृत्ति गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी, एक उन्नत मोटर नियंत्रण विधि के रूप में, इन समस्याओं के लिए एक उम्मीदवार समाधान प्रदान करती है। यह अध्ययन एक विद्युत स्टेशन की विद्युत स्वचालन प्रणाली के उदाहरण को लेकर इनवर्टर गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी पर आधारित एक रीफिट स्कीम और इसके ऊर्जा बचाने के प्रभाव का अध्ययन करता है, उद्देश्य यह है कि समान औद्योगिक परिदृश्यों में ऊर्जा दक्षता सुधार के लिए एक संदर्भ प्रदान करना।

1 विद्युत स्वचालन में इनवर्टर अनुप्रयोगों की वर्तमान स्थिति और रीफिट आवश्यकताएँ

1.1 मौजूदा उपकरण

विद्युत स्टेशन की विद्युत स्वचालन प्रणाली मुख्य रूप से तीन भागों से मिलकर बनी है: विद्युत वितरण प्रणाली, मोटर ड्राइव इकाइयाँ, और नियंत्रण प्रणाली। विद्युत वितरण प्रणाली में 10 kV उच्च वोल्टेज स्विचगियर, ट्रांसफॉर्मर, और 400 V निम्न वोल्टेज स्विचगियर शामिल हैं, जो विद्युत वितरण के लिए एक वृक्ष संरचना में व्यवस्थित हैं। मोटर ड्राइव मुख्य रूप से डायरेक्ट-ऑन-लाइन या स्टार-डेल्टा कम-वोल्टेज शुरुआत के नियंत्रण वाले एसिंक्रोनस मोटर हैं। पंप लोड ऑन-साइट उपकरणों में सबसे बड़ा हिस्सा बनता है, जिसमें परिपथित जल पंप, शीतलन जल पंप, और फीड जल पंप शामिल हैं। ये उपकरण नियत गति पर संचालित होते हैं, जिसमें फ्लो वाल्वों द्वारा नियंत्रित होता है, जिससे ऊर्जा की अधिक खपत होती है। मौजूदा प्रणाली की वास्तुकला अपेक्षाकृत विकेन्द्रित है, जिसमें आंशिक एकीकृत प्रबंधन है। उपरि स्तरीय मॉनिटोरिंग प्रणाली औद्योगिक ईथरनेट के माध्यम से फील्ड नियंत्रण प्रणालियों से संचार करती है, जिससे केंद्रीकृत डेटा प्रदर्शन और दूरस्थ संचालन संभव होता है। हालांकि, वर्तमान नियंत्रण प्रणाली में चर आवृत्ति गति नियंत्रण के लिए उन्नत नियंत्रण एल्गोरिदम की कमी है, जिससे ऊर्जा प्रबंधन और प्रक्रिया अनुकूलन में घाटा पड़ता है।

1.2 रीफिट आवश्यकताएँ

वर्तमान उपकरणों की स्थिति के आधार पर, विद्युत स्वचालन प्रणाली के लिए रीफिट आवश्यकताएँ मुख्य रूप से ऊर्जा दक्षता में सुधार और नियंत्रण का अनुकूलन पर केंद्रित हैं। यह आवश्यक है कि पंप और पंखों के कुशल संचालन के लिए इनवर्टर-आधारित गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी को पेश किया जाए, जिससे मोटर की गति लोड मांगों के अनुसार समायोजित की जा सके।

इसके साथ ही, मौजूदा पंप स्टेशन और उत्पादन सुविधाओं का लाभ उठाते हुए, साइबर सुरक्षा संरक्षण स्तर 2 की आवश्यकताओं के अनुसार एक बुद्धिमत्ता-समर्थित मॉनिटोरिंग प्लेटफ़ॉर्म का निर्माण करने की तीव्र आवश्यकता है। क्लाउड कंप्यूटिंग केंद्रित और IoT प्रौद्योगिकी के साथ एकीकृत, यह प्लेटफ़ॉर्म उद्यम प्रबंधन और फील्ड नियंत्रण के बीच निर्बाध एकीकरण को सक्षम करेगा। प्रणाली की वास्तुकला "केंद्रीय प्लेटफ़ॉर्म + वितरित उपप्रणाली + मोबाइल टर्मिनल" की तीन-स्तरीय संरचना का उपयोग करती है, जिससे वास्तविक समय का डेटा एकीकरण, कुशल प्रक्रिया, और सुरक्षित संचयन सुनिश्चित होता है।

केंद्रीय प्लेटफ़ॉर्म, उच्च प्रदर्शन वाले सर्वर क्लस्टर पर बनाया गया है, जिसमें उन्नत डेटा विश्लेषण एल्गोरिदम तैनात किए गए हैं, जो सटीक निर्णय समर्थन प्रदान करते हैं। वितरित उपप्रणालियाँ उपकरण स्थिति मॉनिटोरिंग, वीडियो सर्वेलिंस, और पर्यावरणीय पैरामीटर संग्रह के मॉड्यूलों को शामिल करती हैं, जो उत्पादन संचालन के सभी पहलुओं को व्यापक रूप से शामिल करती हैं। मोबाइल टर्मिनल, अनुकूलित एप्लिकेशनों के माध्यम से दूरस्थ मॉनिटोरिंग और तत्काल सूचनाओं को सक्षम करते हैं।

2 ऊर्जा बचाने के प्रभावों का सैद्धांतिक आधार

इस अध्ययन में इनवर्टर गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी के ऊर्जा बचाने के प्रभावों का विश्लेषण मुख्य रूप से पंप और पंखों के लिए प्रेक्षण नियमों और चर आवृत्ति गति नियंत्रण के ऊर्जा रूपांतरण सिद्धांतों पर आधारित है। प्लांट के उपकरणों की संचालन स्थिति के आधार पर, बड़ी संख्या में पंप और पंख नियत गति पर संचालित होते हैं, जिनका फ्लो वाल्वों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिससे उच्च ऊर्जा की हानि होती है। इसके विपरीत, चर आवृत्ति गति नियंत्रण मोटर की गति को लोड आवश्यकताओं के अनुसार समायोजित करता है, जिससे ऊर्जा बचाने की प्राप्ति होती है। पंप और पंखों के लिए प्रेक्षण नियम फ्लो दर, हेड, और शक्ति के बीच के संबंधों पर आधारित हैं, जिनके संबंधित गणना सूत्र निम्नलिखित हैं:

जहाँ $Q$ फ्लो दर (m³/h) है; $n$ घूर्णन गति (r/min) है; $H$ हेड (m) है; $P$ शक्ति (kW) है, जिसमें P1P1 अंकित शक्ति और P2P2 कम गति पर शक्ति है। चर आवृत्ति गति नियंत्रण के ऊर्जा रूपांतरण सूत्र हैं:

उपरोक्त सैद्धांतिक संबंधों के आधार पर, जब प्रणाली की फ्लो मांग कम होती है, तो मोटर आवृत्ति नियंत्रण के माध्यम से गति को स्वचालित रूप से कम करता है, जिससे शक्ति खपत में बहुत बड़ी कमी आती है और ऊर्जा बचाने की प्राप्ति होती है। यह आगे के रीफिट डिजाइन और ऊर्जा बचाने की मूल्यांकन के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है।

3 इनवर्टर गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी का रीफिट योजना

3.1 विद्युत वितरण प्रणाली का अपग्रेड

इनवर्टर गति नियंत्रण प्रौद्योगिकी को प्रभावी रूप से लागू करने के लिए, यह अध्ययन मौजूदा विद्युत वितरण प्रणाली को अपग्रेड किया। उच्च वोल्टेज प्रणाली के लिए, 10 kV स्विचगियर को बुद्धिमत्ता-समर्थित वैक्यूम सर्किट ब्रेकरों के साथ विकसित किया गया, जिनकी अंकित धारा कम से कम 1,250 A और अंकित छोटे सर्किट ब्रेकिंग क्षमता 31.5 kA है। माइक्रोप्रोसेसर-आधारित संरक्षण रिले समाविष्ट किए गए, जो ओवरकरंट, छोटे सर्किट, और ग्राउंड फ़ॉल्ट सहित बहु-कार्य संरक्षण प्रदान करते हैं, जिनका प्रतिक्रिया समय 20 ms से कम है। विद्युत गुणवत्ता मॉनिटोरिंग प्रणाली भी पेश की गई, जो क्लास A-ग्रेड उच्च-परिशुद्धता सेंसरों का उपयोग करके हार्मोनिक सामग्री, वोल्टेज उतार-चढ़ाव, और तीन-फेज असंतुलन जैसे पैरामीटरों को वास्तविक समय में मॉनिटर करती है, जिससे प्रणाली की स्थिरता सुनिश्चित होती है।

निम्न वोल्टेज प्रणाली के लिए, 400 V प्रणाली पर अपग्रेड का ध्यान केंद्रित किया गया। मौजूदा प्रणाली में स्वतंत्र फीडर कैबिनेटों से लैस विशेष इनवर्टर फीडर सर्किट जोड़े गए, जिनमें बुद्धिमत्ता-समर्थित मोल्डेड-केस सर्किट ब्रेकर शामिल हैं। लोड आवश्यकताओं के आधार पर अंकित धारा 400 A और 630 A के बीच चुनी गई, जिसमें इलेक्ट्रॉनिक ट्रिप यूनिट्स शामिल हैं, जो ओवरलोड और छोटे सर्किट संरक्षण के लिए उचित परिशुद्धता प्रदान करते हैं। प्रत्येक इनवर्टर सर्किट में सर्किट ब्रेकर की अंकित धारा के अनुसार मेल खाते हुए एक अलग-अलग इसोलेटिंग स्विच शामिल है, जिसमें दृश्य ब्रेक विशेषता शामिल है, जो उपकरण की रखरखाव को सुविधाजनक बनाती है।

हार्मोनिक कम करने के लिए, इनवर्टर इनपुट पक्ष पर सक्रिय विद्युत फ़िल्टर (APF) इनस्टॉल किए गए हैं, जिनकी विशिष्ट विशेषताएँ सारणी 1 में सूचीबद्ध हैं।

ग्राउंडिंग प्रणाली के अनुकूलन के लिए, यह अध्ययन TN-S वायरिंग विधि का उपयोग करता है, जिसमें न्यूट्रल लाइन (N) और प्रोटेक्टिव अर्थ लाइन (PE) वितरण कैबिनेट से अलग की जाती हैं। मुख्य PE लाइन के लिए कॉपर चालक का उपयोग किया गया है, जिसका क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र कम से कम 95 mm² है, जिससे ग्राउंड रेझिस्टेंस 1 Ω से कम रहता है। इनवर्टर और मोटर जैसे महत्वपूर्ण उपकरणों के स्थानों पर इक्वल पोटेंशियल बंडिंग बार जोड़े गए हैं, जिनमें क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र 16 mm² से अधिक का कॉपर चालक का उपयोग किया गया है। यह सामान्य मोड इंटरफ़ेरेंस को प्रभावी रूप से दबाता है और प्रणाली की EMC प्रदर्शन को बढ़ाता है [21]।

3.2 इनवर्टर उपकरणों का चयन और पैरामीटर अनुकूलन

इनवर्टरों का चयन लोड विशेषताओं और प्रक्रिया आवश्यकताओं के सटीक मेल के आधार पर किया जाता है। पंप लोडों के लिए, वेक्टर नियंत्रण इनवर्टर चुने जाते हैं, जिनकी अंकित शक्ति मोटर की अंकित शक्ति के तुल्य होती है, और ओवरलोड क्षमता 150%/1 मिनट होती है। इस अध्ययन में ABB ACS880 श्रृंखला इनवर्टर का चयन किया गया, जिसमें DTC (Direct Torque Control) प्रौद्योगिकी है, जिसका टोक रिस्पॉन्स समय 5 मिलीसेकंड से कम है और गति नियंत्रण परिशुद्धता ±0.01% है। ऑन-साइट परिवेश को ध्यान में रखते हुए, IP54 सुरक्षा रेटिंग वाला एक बंद इनवर्टर उपयोग किया गया, जिसमे