Að optima vera stýringu á verkviðavélum: Uppfærsla á inverteri til sparna á orku

Edwiin

Svæði: Raforkarafur

China

Sem ekki eðli vinnslu er ker hjarðvinnslu og hefur beint áhrif á heildarvinnslukostnað og umhverfisáhrif. Sýnileg staðbundið hraða keyrsla getur oft leitt til orkunotkunar við að svara breytandi hleðsluveifum og gert nákvæm stjórnun erfðar að ná. Breytan hraða stjórnunartækni, sem er framleiðandi motorstjórnunaraðferð, býður upp á ljós lausn á þessum málefnum. Þetta rannsókn tekur elektrískar sjálfvirkar kerfi af orkustöð sem dæmi til að rannsaka uppfærsluáætlun byggða á inverter-hraðastjórnunartækni og orkunotkunar áhrif, með tilliti til að veita viðmóti fyrir orkunotkunaraukningu í líklegum jarðvísindalegum atburðum.

1 Staða og uppfærsluþarfir inverter-notkunar í elektrískum sjálfvirkum kerfum

1.1 Núverandi tæki

Elektrískt sjálfvirkar kerfi orkustöðar er aðallega samsett af þremur hlutum: orkuröðunarkerfi, motorörvaraeiningum og stjórnunarkerfi. Orkuröðunarkerfi inniheldur 10 kV háspennuhlutar, spennafræðara og 400 V lágspeannhlutar, raðað í tréstruktúru fyrir orkuröðun. Motorörvar eru aðallega ósamfallandi motorar stýrðir með beinri virkjun eða stjärnu-delta lagdreifingu. Púmpulag einkenna flestar á staðnum, þar með talin endurmótspúmpur, kjölavatnspúmpur og vatnsinsprengipúmpur. Þessi tæki keyra á fastu hraða, með dreifingu regluð með völum, sem valdar mikilli orkunotkun. Núverandi kerfisskipulag er aðallega skipt í hluta, með hlutdeildar stjórnun. Efsta stig stjórnkerfisins tengist sviðs stjórnkerfum með verkseðlis Ethernet til að leyfa miðjuð gagnasýning og fjartengda virkjun. En núverandi stjórnunarkerfi vantar framleiðandi stjórnunaraðferðir fyrir breytan hraða stjórnun, sem valdar vandamál í orkustjórnun og ferli aukningu.

1.2 Uppfærsluþarfir

Byggt á núverandi tækistöðu, uppfærsluþarfir fyrir elektrískar sjálfvirkar kerfi eru aðallega átt við að bæta orkunotkun og stjórnun. Þarf að koma inn inverter-hraðastjórnunartækni til að leyfa hagnýtt keyrsla púmpa og blása með að stilla motorhraða til að passa hleðsluveifum.

Samtímis, með nota af núverandi púmpastöðum og framleiðsluvæðum, er bráðskemma að byggja snertilega stjórnunarefni samkvæmt 2. stigi kerfisöryggishæfni. Miðað við skyfaldatafla og sameinað við IoT-teknologi, mun þetta efni leyfa óhætt tengsl milli fyrirtækis stjórnun og sviðs stjórnun. Kerfisskipulag notar þriggja stiga struktúru "miðjuð efni + dreifðar undirkerfi + snértæk," sem tryggir rauntíma gagnasafnun, hagnýtt meðferð og örugg geymslu.

Miðjuð efni, byggt á hágæða tölvukerfi, setur upp frambúðar gagnagreiningaraðferðir til að veita nákvæm ákvörðunarskyldu. Dreifðar undirkerfi innihalda einingar fyrir tækja stöðu stjórnun, myndteikningar og umhverfisparametra safnun, sem fullkomlega dekkja allar framleiðslu aðgerðir. Snértæk, með sérsniðnar forrit, leyfa fjartengd stjórnun og flutt skilaboð.

2 Theoretísk grunnur orkunotkunar áhrifa

Rannsóknin á orkunotkunar áhrifa inverter-hraðastjórnunartækni byggir aðallega á afleiðslu lögum fyrir blása og púmpa og orkubreytingarreglum fyrir breytan hraða stjórnun. Samkvæmt keyrslustöðu verks tækja, keyra margar púmpur og blása á fastu hraða með dreifingu regluð með völum, sem valdar mikilli orkunotkun. Í mótsögn, breytan hraða stjórnun stillir motorhraða til að passa hleðsluveifum, sem gerir orkunotkun. Afleiðslu lög fyrir blása og púmpa eru sett upp á grundvelli sams varma, hæð og orku, með eftirfarandi reikningsformúlum:

þar sem $Q$ er dreifingu (m³/h); $n$ er snúningshraða (o/min); $H$ er hæð (m); $P$ er orka (kW), með $P_{1}$ sem merkt orka og $P_{2}$ orka við lægra hraða. Orkubreytingarformúlan fyrir breytan hraða stjórnun er:

Samkvæmt ofangreindum theoretískum sams, þegar kerfis dreifingu biðni lækkar, lækkar motorinn sjálfkrafa hraða með tíðni stjórnun, sem valdar mjög lækkun orkunotkunar og orkunotkun. Þetta veitir theoretískan grunn fyrir næstu uppfærslu hönnun og orkunotkunar einkunn.

3 Uppfærsluáætlun inverter-hraðastjórnunartækni

3.1 Uppfærsla orkuröðunarkerfs

Til að hagnýtt implementera inverter-hraðastjórnunartækni, uppfærði þetta rannsókn núverandi orkuröðunarkerfi. Fyrir háspennakerfi, var 10 kV spennuhluti aukinn með setningu intelligent vakuum stöðugjaldara með merkt straum ekki minna en 1,250 A og merkt kortstöðugjaldara 31.5 kA. Með mikroprocessor-based verndarmikilvægi, sem gefa margföld vernd, her meðal yfirstraum, kortstöðu og jörðu villu, með svarið tíma undir 20 ms. Var einfaldað orku gæði stjórnunarkerfi, með A-grada hápræci sensorar til að stjórna parametrar eins og harmonics, spennu sveiflingar og þríhneta ójöfnu í rauntíma, sem tryggir kerfisstöðu.

Fyrir lágspeanna kerfi, var 400 V kerfi fokus á uppfærslu. Sérstök inverter feeder circuits voru bætt við núverandi kerfi með óháð feeder skapar með intelligent molded-case circuit breakers. Merkt straum var valin á bilinu 400 A til 630 A eftir hleðslu kröfur, með electronic trip units fyrir nákvæm yfirstraum og kortstöðu vernd. Hver inverter circuit er búið út með isolating switch passa circuit breaker's merkt straum og inniheldur sýnilega bili til að auðvelda tækja viðhald.

Fyrir harmonic mitigation, eru active power filters (APF) sett upp á inverter input side, með sérstökar specifikationar eins og listið í Töflu 1.

Fyrir aukningu jörðakerfa, náði þetta rannsókn TN-S víraskema, með að skipta neutral line (N) frá protective earth line (PE) frá distribution cabinet. Hlutverk PE lína notar copper conductors með cross-sectional area ekki minna en 95 mm² til að tryggja ground resistance undir 1 Ω. Equal potential bonding bars voru bætt við á kritísku tækja stað, eins og inverters og motors, með copper conductors með cross-sectional area yfir 16 mm². Þetta efektískt dæmir common-mode interference og aukar kerfisins EMC performance [21].

3.2 Val og parameter optimization af inverter tæki

Valið af inverters byggir á nákvæmum match af hleðslueiginleika og ferli kröfur. Fyrir pumpa hleðslur, er valið vector control inverters, með merkt orka strengur samsvarandi motorinn, og overload capacity 150%/1 min. Þetta rannsókn valdi ABB ACS880 series inverter, sem hefur DTC (Direct Torque Control) teknologi, með torque response time undir 5 ms og speed control accuracy ±0.01%. Með tilliti til staðar umhverfis, var notað sealed inverter með IP54 protection rating, búið út með forced air cooling system, sem tryggir cooling airflow ekki minna en 1 m³/(min·kW).

Fyrir parameter optimization, er focus á að stilla PID control parameters og nota self-tuning algorithm built-in inverter. Með step response testing, eru optimal proportional gain $K_{p}$ , integral gain $K_{i}$ , and derivative gain $K_{d}$ automatically calculated. Reikningsformúlan fyrir PID controller output $u (t)$ er:

Built-in auto-tuning algorithm of the inverter is used to automatically calculate the optimal proportional gain $K_{p}$ (range: 0.1–100), integral time $T_{i}$ (range: 0.1–3600 s), and derivative time $T_{d}$ (range: 0–10 s) through a step response test. Acceleration time is set to 10–30 s and deceleration time to 15–45 s to effectively prevent water hammer effects. Torque limiting is enabled with a setting of 120% of the motor's rated torque to prevent overload. For fan loads, the inverter's energy-saving mode is activated: under light-load conditions (load rate < 50%), the output voltage is automatically reduced, with a maximum reduction of up to 20%. Meanwhile, the V/F curve is optimized by increasing the voltage output in the low-speed range (0–10 Hz) to ensure sufficient starting torque.

A sleep-wake function is configured: when the operating frequency remains below 10 Hz for 60 s, the inverter enters sleep mode; it automatically wakes up when the system pressure drops by 5%, further improving system efficiency. In the basic inverter settings, the carrier frequency is set to 4 kHz. Based on the actual requirements of the power plant, the overvoltage and undervoltage protection thresholds are set to 418 V and 304 V, respectively. Additionally, the motor's rated parameters and multi-speed operation settings are configured as detailed in Table 2.

The calculation formulas for current limitation and minimum current optimization are respectively as follows:

where $I_{lim}$ is the maximum current limit; $I_{n}$ is the motor rated current; $I_{smin}$ is the minimum stator current; $I_{dopt}$ is the optimal excitation current; and $I_{q}$ is the torque current component. By incorporating current limiting and minimum current optimization strategies, fine-grained control of motor operation is achieved. Overvoltage and undervoltage protection settings ensure the motor operates within a safe range. Stall protection and current limiting measures effectively prevent overload. Additionally, this control method supports communication via the Modbus-RTU protocol, enabling remote monitoring and parameter adjustment, thereby significantly enhancing the system's intelligence level.

3.3 Control System Upgrade and Integration

The control system upgrade employs the Siemens S7-1500 series PLC, specifically the CPU 1517-3 PN/DP model, which features a 2 ns bit operation speed and a 40 ns word operation speed. The PLC is equipped with 1.6 GB of working memory and 32 MB of load memory, supporting communication protocols including PROFINET, PROFIBUS, and OPC UA. The system adopts a distributed architecture with ET 200SP series remote I/O modules, achieving a 250 μs communication cycle via PROFINET.

The software architecture is based on the TIA Portal V16 integrated development environment. The PLC program includes function blocks (FBs) for inverter communication, PID control, Model Predictive Control (MPC), data acquisition preprocessing, and alarm management. The detailed system framework is illustrated in Figure 1.

4 Energy-Saving Effect Analysis

The energy-saving benefits of inverter speed control technology are primarily reflected in reduced power consumption and improved system efficiency. By comparing energy consumption data before and after the retrofit, the energy-saving performance can be quantitatively evaluated. The post-retrofit system data in this study were collected using the following methods:

Energy Metering System: Smart meters were installed on the power supply lines of major electrical equipment to collect electricity consumption data before and after the retrofit. The meter model is Schneider PM5560, with an accuracy class of 0.2S and a sampling interval of 15 minutes.
Inverter Built-in Functions: The built-in energy monitoring function of the ABB ACS880 inverter was used to record operating time, output power, and energy consumption. Data were transmitted to the central control room via the Modbus-RTU protocol.
SCADA System: A real-time data acquisition and storage system was built using the Siemens WinCC V7.5 platform. Key parameters such as motor speed, load rate, output voltage/current, and power factor were monitored with a 1-second sampling cycle.
On-site Testing: The Fluke 435 II power quality analyzer was used to conduct spot measurements under various load conditions, capturing instantaneous power, harmonics, and power factor data.

Based on the measured data, the annual average load rate was calculated. By comparing energy consumption before and after the retrofit, the power-saving rates under different load conditions were determined, as shown in Table 3.