Optimizacija upravljanja industrijskim motorima: Adaptacija invertera za uštedu energije
Kao jezgra industrijske proizvodnje, električni sustavi automatskog upravljanja izravno utječu na ukupne troškove proizvodnje i utjecaj na okoliš. Tradicionalna konstantna brzina rada često dovodi do odbačivanja energije kada se odgovara varijacijama opterećenja, te teško postiže precizno upravljanje procesima. Tehnologija promjene frekvencije za regulaciju brzine, kao napredan metod upravljanja motorima, nudi obačljiv rješenje za te probleme. Ova studija uzima električni sustav automatskog upravljanja elektrane kao primjer kako bi istražila shemu nadogradnje temeljenu na tehnologiji invertera za kontrolu brzine i njegove učinke uštede energije, s ciljem pružanja referencnih informacija za poboljšanje energetske učinkovitosti u sličnim industrijskim scenarijima.
1 Trenutno stanje i zahtjevi za nadogradnjom primjene invertera u električnom automatskom upravljanju
1.1 Postojeće opreme
Električni sustav automatskog upravljanja elektrane glavno se sastoji od tri dijela: sustava raspodjele struje, pogonskih jedinica motora i sustava upravljanja. Sustav raspodjele struje uključuje visokonaponsku aparaturu od 10 kV, transformatore i niskonaponsku aparaturu od 400 V, raspoređene u strukturi stabla za raspodjelu struje. Pogonski motori su uglavnom asinhroni motori kontrolirani metodom direktnog povezivanja ili metodom smanjenog napona pri pokretanju zvijezda-delta. Opterećenja pumpi predstavljaju najveći udio opreme na mjestu, uključujući cirkulacijske vodene pumpice, hladne vode i pumpice za ulaznu vodu. Ove uređaje rade na konstantnoj brzini, s protokom reguliranim preko ventila, što rezultira visokim potrošnjama energije. Postojeća arhitektura sustava je relativno decentralizirana, s djelomičnim centraliziranim upravljanjem. Gornji nadzorni sustav komunicira s poljskim sustavima upravljanja putem industrijskog Ethernet-a kako bi omogućio centraliziranu prikazivanje podataka i daljinsko upravljanje. Međutim, trenutni sustav upravljanja nedostaje napredne algoritme upravljanja za promjenu frekvencije brzine, što dovodi do nedostataka u upravljanju energijom i optimizaciji procesa.
1.2 Zahtjevi za nadogradnjom
Na osnovu postojećeg statusa opreme, zahtjevi za nadogradnjom električnog sustava automatskog upravljanja glavno se fokusiraju na poboljšanje energetske učinkovitosti i optimizaciju upravljanja. Potrebno je uvesti tehnologiju upravljanja brzinom temeljenu na inverterima kako bi se omogućilo učinkovito funkcioniranje pumpi i ventilatora prilagođavanjem brzine motora potrebi za opterećenjem.
Uz to, iskoristeći postojeće pumpne stanice i proizvodne instalacije, postoji nužda za izgradnjom inteligentne platforme za nadzor koja odgovara zahtjevima za zaštitom na razini 2. Temeljena na cloud computing-u i integrirana s IoT tehnologijom, ova platforma će omogućiti bezprekidnu integraciju između upravljanja poduzećem i poljskog upravljanja. Arhitektura sustava usvaja trostruku strukturu "centralna platforma + distribuirani podsustavi + mobilni terminali", osiguravajući stvarno vrijeme prikupljanja podataka, učinkovitu obradu i sigurno pohranjivanje.
Centralna platforma, izgrađena na klasteru visokoproduktivnih poslužitelja, implementira napredne algoritme analize podataka kako bi pružila točnu podršku donošenju odluka. Distribuirani podsustavi uključuju module za praćenje stanja opreme, video nadzor i prikupljanje parametara okruženja, kompleksno pokrivajući sve aspekte operacija proizvodnje. Mobilni terminali, putem prilagođenih aplikacija, omogućuju daljinski nadzor i instantne obavijesti.
2 Teorijska osnova učinka uštede energije
Analiza učinka uštede energije tehnologije upravljanja brzinom invertera u ovoj studiji glavno se temelji na zakonima afiniteta za ventilatore i pompe i principima pretvorbe energije varijabilne frekvencijske regulacije brzine. Prema statusu rada opreme elektrane, veliki broj pumpi i ventilatora radi na konstantnoj brzini s protokom reguliranim preko ventila, što rezultira značajnim gubitcima energije. U suprotnom, varijabilna frekvencijska kontrola brzine prilagođava brzinu motora potrebama za opterećenjem, time ostvarujući uštedu energije. Zakoni afiniteta za ventilatore i pompe su postavljeni na osnovu odnosa između protoka, visine i snage, s relevantnim izračunskim formulama kao što slijedi:
gdje Q je protok (m³/h); n je rotacijska brzina (okr/min); H je visina (m); P je snaga (kW), gdje P1 predstavlja nominalnu snagu, a P2 snagu na smanjenoj brzini. Formula za pretvorbu energije varijabilne frekvencijske regulacije brzine je:
Na osnovu gore navedenih teorijskih odnosa, kada se potreba za protokom sustava smanji, motor automatski smanjuje brzinu putem kontrole frekvencije, značajno smanjujući potrošnju energije i ostvarujući uštedu. To pruža teorijsku osnovu za kasniju dizajniranu nadogradnju i procjenu uštede energije.
3 Shema nadogradnje tehnologije upravljanja brzinom invertera
3.1 Nadogradnja sustava raspodjele struje
Za efikasnu implementaciju tehnologije upravljanja brzinom invertera, ova studija nadograđuje postojeći sustav raspodjele struje. Za visokonaponski sustav, 10 kV aparatura je unaprijedila instalacijom pametnih vakuumskih presjeka s nominalnim strujom od barem 1,250 A i nominalnom kapacitetom za prekid kratkog spoja od 31.5 kA. Integrirani su mikroprocesorski zaštitni relé, pružajući više funkcionalnosti zaštite, uključujući prekomjernu struju, kratak spoj i zemljni grešak, s vremenskom reakcijom ispod 20 ms. Uveden je i sustav za praćenje kvalitete struje, koristeći senzore visoke preciznosti klase A za stvarno vrijeme praćenja parametara poput harmoničkog sadržaja, fluktuacija napona i nebalansiranosti tri faze, osiguravajući stabilnost sustava.
Za niskonaponski sustav, fokus nadogradnje bio je na 400 V sustav. Dodate su posebne šarže za invertere u postojeći sustav korištenjem nezavisnih ormara za šaržu opremljenih pametnim modeliranim presjekom. Nominalna struja bila je odabrana između 400 A i 630 A na osnovu potreba za opterećenjem, s elektroničkim trip unitima za preciznu zaštitu od prekomjerne struje i kratkog spoja. Svaka šarža invertera opremljena je s presjekom za izolaciju koji odgovara nominalnoj struji presjeka i uključuje vidljivi prekid za olakšanje održavanja opreme.
Za smanjenje harmonika, aktivni filtrirajući napajanje (APF) su instalirani na ulazu invertera, s specifičnim specifikacijama popisanim u Tablici 1.
Za optimizaciju sustava zemljenja, ova studija usvaja metodu provođenja TN-S, odvajajući neutralnu liniju (N) od zemljenja (PE) od ormarice za raspodjelu. Glavna PE linija koristi bakrene vodove s površinom preseka od najmanje 95 mm² kako bi se osiguralo otporno zemljenje manje od 1 Ω. Na ključnim lokacijama opreme, poput invertera i motora, dodati su ravni jednakog potencijala, koristeći bakrene vodove s površinom preseka većom od 16 mm². To učinkovito smanjuje zajednički mod interferencije i poboljšava EMC performanse [21].
3.2 Odabir i optimizacija parametara opreme invertera
Odabir invertera temelji se na preciznom uparivanju karakteristika opterećenja i zahtjeva za procesom. Za opterećenja pumpi, odabrani su inverteri s vektorskom kontrolom, s njihovom nominalnom snagom strogo odgovarajućom motoru, i prekomjernom sposobnošću od 150%/1 min. Ova studija je odabrala seriju invertera ABB ACS880, koji ima DTC (Direct Torque Control) tehnologiju, s vremenskom reakcijom torza manjom od 5 ms i preciznošću kontrole brzine ±0.01%. Uzimajući u obzir okruženje na mjestu, koristio se zatvoreni inverter s IP54 zaštitom, opremljen sistemom prisilnog hlađenja zrakom, osiguravajući protok hladnog zraka od najmanje 1 m³/(min·kW).
Za optimizaciju parametara, fokus je na prilagođavanju PID kontrolnih parametara i korištenju samoodgovoarajućeg algoritma ugrađenog u inverter. Kroz testiranje korakom-odgovorom, optimalni proporcionalni koeficijent Kp, integralni koeficijent Ki i derivativni koeficijent Kd automatski se izračunavaju. Izračunska formula za izlaz PID kontrolera u(t) je:
Ugrađeni samoodgovarajući algoritam invertera koristi se za automatsko izračunavanje optimalnog proporcionalnog koeficijenta Kp (raspon: 0.1–100), integralnog vremena Ti (raspon: 0.1–3600 s) i derivativnog vremena Td (raspon: 0–10 s) putem testiranja korakom-odgovorom. Vrijeme ubrzavanja postavljeno je na 10–30 s, a vrijeme usporavanja na 15–45 s kako bi se učinkovito sprečili efekti vodene čekić. Omogućena je ograničenja torza s postavkom od 120% nominalnog torza motora kako bi se spriječilo preopterećenje. Za opterećenja ventilatora, aktiviran je energoshranjivački mod invertera: pod laganim opterećenjem (stopa opterećenja < 50%), automatski se smanjuje izlazni napon, s maksimalnim smanjenjem do 20%. Uz to, optimizirana je V/F krivulja povećanjem izlaznog napona u niskobrzinskom rasponu (0–10 Hz) kako bi se osiguralo dovoljno početno torzo.
Konfigurirana je funkcija spavanka-budilica: kada radna frekvencija ostane ispod 10 Hz tijekom 60 s, inverter ulazi u režim spavanka; automatski se probuditi kada se pritisak sustava smanji za 5%, dodatno poboljšavajući učinkovitost sustava. U osnovnim postavkama invertera, nosna frekvencija postavljena je na 4 kHz. Na osnovu stvarnih potreba elektrane, pragovi zaštite od previsokog i premaloga napona postavljeni su na 418 V i 304 V, redom. Također su konfigurirani nominalni parametri motora i postavke višestruke brzine, kao što je detaljno navedeno u Tablici 2.
Izračunske formule za ograničenje struje i optimizaciju minimalne struje su redom sljedeće:
gdje Ilim je maksimalno ograničenje struje; In je nominalna struja motora; Ismin je minimalna struja statora; Idopt je optimalna struja namagnetičenja; i Iq je komponenta struje torza. Uključivanjem strategija ograničenja struje i optimizacije minimalne struje, dostiže se fino upravljanje radom motora. Postavke zaštite od previsokog i premaloga napona osiguravaju da motor radi u sigurnom rasponu. Zaštita od zastojanja i mjere ograničenja struje učinkovito sprečavaju preopterećenje. Također, ovaj način upravljanja podržava komunikaciju putem Modbus-RTU protokola, omogućujući daljinski nadzor i prilagodbu parametara, time značajno poboljšavajući razinu inteligencije sustava.
3.3 Nadogradnja i integracija sustava upravljanja
Nadogradnja sustava upravljanja koristi Siemens S7-1500 seriju PLC, posebno model CPU 1517-3 PN/DP, koji ima brzinu operacije bita od 2 ns i brzinu operacije riječi od 40 ns. PLC je opremljen 1.6 GB radne memorije i 32 MB memorije za učitavanje, podržavajući komunikacijske protokole uključujući PROFINET, PROFIBUS i OPC UA. Sustav usvaja distribuiranu arhitekturu s ET 200SP serijom udaljenih I/O modula, ostvarujući komunikacijski ciklus od 250 μs putem PROFINET-a.
Softverska arhitektura temelji se na TIA Portal V16 integriranom okruženju za razvoj. Program PLC uključuje funkcionalne blokove (FBs) za komunikaciju invertera, PID upravljanje, Model Predictive Control (MPC), pripremu podataka za prikupljanje i upravljanje alarmima. Detaljna struktura sustava ilustrirana je na Slici 1.
