Ipari motorirőlés optimalizálása: Inverter cseréje energiafelhasználás csökkentése érdekében

Mint az ipari termelés központi eleme, az elektromos automatizálási rendszerek közvetlenül befolyásolják az összes termelési költséget és a környezeti hatást. A hagyományos állandó sebességű működés gyakran energiavesztést okoz változó terhelési igényekre adva, és nehézzé teszi a pontos folyamat-irányítást. A frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzési technológia, mint egy fejlett motor-irányítási módszer, ígéretes megoldást kínál ezekre a problémákra. Ez a tanulmány egy erőmű elektromos automatizálási rendszerét veszi példaként, hogy feltárja a frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzési technológián alapuló modernizálási tervet és annak energiahatékonyságát, célul tenni egy referenciaérték létrehozását hasonló ipari alkalmazásokban.

1 Jelenlegi helyzet és a frekvencia-változtatók alkalmazásának modernizálási igényei az elektromos automatizálásban

1.1 Meglévő berendezések

Az erőmű elektromos automatizálási rendszere főleg három részből áll: a tápegység elosztó rendszere, a motordrive egységek, és az irányítási rendszer. A tápegység elosztó rendszere tartalmaz 10 kV magfeszültségi kapcsolót, transzformátort, és 400 V alacsonyfeszültségi kapcsolót, fát szerkezetben elrendezve a tápegység elosztásához. A motordrive egységek főleg aszinkron motorekből állnak, amelyek közvetlen indítással vagy csillag-delta redukált feszültségű indítással vannak ellenőrizve. A pumpa-terhelések képezik a legnagyobb arányt a helyszíni berendezések között, beleértve a cirkuláló vízpumpákat, hűtővízpumpákat és beszállító pumpákat. Ezek a berendezések állandó sebességgel működnek, a szabályozás csapattal történik, ami nagy energiaszükségletet jelent. A meglévő rendszerarchitektúra viszonylag decentralizált, részlegesen központilag kezelhető. A felső szintű figyelőrendszer ipari Etherneten keresztül kommunikál a mezői irányítási rendszerekkel, lehetővé téve a központi adatmegjelenítést és távoli műveleteket. Azonban a jelenlegi irányítási rendszer hiányzik a frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzéshez szükséges fejlett ellenőrzési algoritmusai, ami hiányosságokat okoz az energiakezelésben és a folyamatoptimalizálásban.

1.2 Modernizálási igények

A jelenlegi berendezések állapotának alapján az elektromos automatizálási rendszer modernizálási igényei elsősorban az energiahatékonyság javítására és az ellenőrzés optimalizálására koncentrálódnak. Szükséges bevezetni a frekvencia-változtató alapú sebesség-ellenőrzési technológiát, hogy a pumpák és szárnyak hatékony működését biztosítsa a motor sebességének a terhelési igényekhez való igazításával.

Ugyanakkor a meglévő pumpállomások és gyártóüzemek felhasználásával sürgős, hogy Level 2 ciberbiztonsági védelmi követelményekkel összhangban intelligens figyelőplatformot építsünk. Felhőszámítás és IoT technológia integrációjával ezen platform lehetővé teszi a vállalati menedzsment és a mezői ellenőrzés zökkenőmentes integrációját. A rendszerarchitektúra "központi platform + elosztott alrendszer + mobil terminál" háromszintű struktúráját alkalmazza, garantálva a valós idejű adategyesítést, hatékony feldolgozást és biztonságos tárolást.

A központi platform, amely nagy teljesítményű kiszolgálókészleten van építve, fejlett adatelemző algoritmusokat telepít, hogy pontos döntési támogatást nyújtson. Az elosztott alrendszerek tartalmazzák a berendezések állapotának monitorozását, videófigyelést, és környezeti paraméterek gyűjtését, komplexen lefedve a termelési műveletek minden aspektusát. A mobil terminálok, egyéni alkalmazásokon keresztül, lehetővé teszik a távoli monitorozást és az azonnali értesítéseket.

2 Energiahatékonyság elméleti alapjai

Ebben a tanulmányban a frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzési technológia energiahatékonyságának elemzése elsősorban a szárnyak és pumpák affinitás-törvényeire, valamint a frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzés energiaátalakítási elveire alapszik. A berendezések működési állapota alapján, a számos pumpa és szárnya állandó sebességgel működik, a csapat segítségével szabályozva a mennyiségűt, ami jelentős energiavesztést okoz. Ellenben, a frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzés a motor sebességét a terhelési igényekhez igazítja, így energiatakarékosabb működést biztosít. A szárnyak és pumpák affinitás-törvényei a mennyiségi áram, fejlődési magasság és teljesítmény közötti összefüggésekre épülnek, a releváns számítási formulák a következők:

ahol $Q$ a mennyiségi áram (m³/h); $n$ a fordulatszám (ford/min); $H$ a fejlődési magasság (m); $P$ a teljesítmény (kW), ahol P1P1 a nominális teljesítményt, P2P2 pedig a csökkentett sebességű teljesítményt jelenti. A frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzés energiaátalakítási képlete:

A fenti elméleti összefüggések alapján, amikor a rendszer mennyiségi igénye csökken, a motor automatikusan csökkenti a sebességét a frekvencia-ellenőrzés révén, jelentősen csökkentve a teljesítményfelhasználást és energiahatékonyságot. Ez szolgál a további modernizálási tervezés és energiahatékonyság-elemzés elméleti alapjaként.

3 Frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzési technológia modernizálási terv

3.1 Tápegység elosztó rendszer frissítése

A frekvencia-változtató sebesség-ellenőrzési technológia hatékony implementálása érdekében ebben a tanulmányban a meglévő tápegység elosztó rendszert fejlesztettük. A magfeszültségi rendszer esetén a 10 kV kapcsolót inteligens vakuum-kapcsolókkal látottunk el, amelyek nominális árammal legalább 1 250 A, és nominális rövidzárlat-felbontó kapacitással 31,5 kA. Integráltuk a mikroprocesszor-alapú védelmi relékkel, amelyek több funkciójú védelmet nyújtanak, beleértve a túlmenő áram, rövidzárlat és földkapcsolat védelmét, 20 ms-nél rövidebb válaszidővel. Bevezettük a villamos energiáminőség figyelőrendszert is, amely A-osztályú nagy pontosságú szenzorokkal figyeli a harmonikus tartalom, feszültség-ingadozás, és háromfázis egyensúlytalanság paramétereit valós időben, biztosítva a rendszer stabilitását.

Az alacsonyfeszültségi rendszer esetén a 400 V rendszer volt a frissítés fókuszpontja. A meglévő rendszert kiegészítettük dedikált frekvencia-változtató tápellátási ágakkal, független tápellátási szekrényekkel, amelyekben intelligens formált keretű átkapcsolók találhatók. A nominális áram 400 A és 630 A közötti terhelési igények alapján lett kiválasztva, elektronikus utasítási egységekkel, amelyek pontos túlmenő áram és rövidzárlat védelmet nyújtanak. Minden frekvencia-változtató ágon egy isoláló kapcsoló található, amely a kapcsoló nominális árammal egyezik, és látható szakadás jellemzővel rendelkezik, amely segít a berendezések karbantartásában.