Ottimizzazione del controllo dei motori industriali: retrofit dell'inverter per risparmio energetico
Come nucleo della produzione industriale, i sistemi di automazione elettrica influenzano direttamente i costi complessivi di produzione e l'impatto ambientale. L'operazione a velocità costante tradizionale spesso porta a sprechi di energia quando si risponde a richieste di carico variabili e rende difficile il controllo preciso del processo. La tecnologia di regolazione della velocità a frequenza variabile, come metodo avanzato di controllo del motore, offre una soluzione promettente a questi problemi. Questo studio prende in esame il sistema di automazione elettrica di una centrale elettrica per esplorare un piano di riconversione basato sulla tecnologia di controllo della velocità mediante inversore e i suoi effetti di risparmio energetico, con l'obiettivo di fornire un riferimento per miglioramenti di efficienza energetica in scenari industriali simili.
1 Stato attuale e requisiti di riconversione delle applicazioni degli inversori nell'automazione elettrica
1.1 Attrezzature esistenti
Il sistema di automazione elettrica della centrale elettrica è principalmente composto da tre parti: il sistema di distribuzione dell'energia, le unità di azionamento dei motori e il sistema di controllo. Il sistema di distribuzione dell'energia include apparati di interconnessione ad alta tensione a 10 kV, trasformatori e apparati di interconnessione a bassa tensione a 400 V, disposti in una struttura ad albero per la distribuzione dell'energia. Gli azionamenti dei motori sono principalmente motori asincroni controllati da avviamento diretto o da avviamento a stella-triangolo. I carichi di pompe rappresentano la maggior parte delle apparecchiature sul sito, inclusi pompe di circolazione, pompe di raffreddamento e pompe di alimentazione. Questi dispositivi operano a velocità costante, con il flusso regolato tramite valvole, risultando in un elevato consumo energetico. L'attuale architettura del sistema è relativamente decentralizzata, con una gestione parzialmente centralizzata. Il sistema di monitoraggio superiore comunica con i sistemi di controllo sul campo tramite Ethernet industriale per consentire la visualizzazione centralizzata dei dati e l'operazione remota. Tuttavia, il sistema di controllo attuale manca di algoritmi di controllo avanzati per la regolazione della velocità a frequenza variabile, portando a carenze nella gestione dell'energia e nell'ottimizzazione del processo.
1.2 Requisiti di riconversione
In base allo stato attuale delle attrezzature, i requisiti di riconversione per il sistema di automazione elettrica si concentrano principalmente sull'aumento dell'efficienza energetica e sull'ottimizzazione del controllo. È necessario introdurre la tecnologia di controllo della velocità basata su inversori per consentire l'operazione efficiente di pompe e ventilatori regolando la velocità del motore in base alle esigenze del carico.
Nel frattempo, sfruttando le attuali stazioni di pompaggio e le strutture produttive, c'è un urgente bisogno di costruire una piattaforma di monitoraggio intelligente conforme ai requisiti di protezione cibernetica di livello 2. Centrata sul calcolo cloud e integrata con la tecnologia IoT, questa piattaforma consentirà un'integrazione senza soluzione di continuità tra la gestione aziendale e il controllo sul campo. L'architettura del sistema adotta una struttura a tre livelli di "piattaforma centrale + sottosistemi distribuiti + terminali mobili", garantendo l'acquisizione in tempo reale, l'elaborazione efficiente e lo stoccaggio sicuro dei dati.
La piattaforma centrale, costruita su un cluster di server ad alte prestazioni, dispiega algoritmi avanzati di analisi dei dati per fornire supporto decisionale accurato. I sottosistemi distribuiti includono moduli per il monitoraggio dello stato dell'attrezzatura, sorveglianza video e raccolta di parametri ambientali, coprendo in modo completo tutti gli aspetti delle operazioni produttive. I terminali mobili, attraverso applicazioni personalizzate, consentono il monitoraggio remoto e le notifiche istantanee.
2 Base teorica degli effetti di risparmio energetico
L'analisi degli effetti di risparmio energetico della tecnologia di controllo della velocità a frequenza variabile in questo studio si basa principalmente sulle leggi di affinità per ventilatori e pompe e sui principi di conversione energetica della regolazione della velocità a frequenza variabile. In base allo stato operativo delle attrezzature della centrale, un gran numero di pompe e ventilatori opera a velocità costante con il flusso regolato da valvole, causando significative perdite di energia. Al contrario, il controllo della velocità a frequenza variabile regola la velocità del motore in base alle esigenze del carico, conseguendo così risparmi energetici. Le leggi di affinità per ventilatori e pompe sono stabilite in base alle relazioni tra portata, salita idraulica e potenza, con le formule di calcolo pertinenti seguenti:
dove Q è la portata (m³/h); n è la velocità di rotazione (giri/min); H è la salita idraulica (m); P è la potenza (kW), con P1 che rappresenta la potenza nominale e P2 la potenza a velocità ridotta. La formula di conversione energetica per la regolazione della velocità a frequenza variabile è:
In base alle relazioni teoriche sopra menzionate, quando la domanda di flusso del sistema diminuisce, il motore riduce automaticamente la velocità tramite il controllo della frequenza, abbassando significativamente il consumo di energia e conseguendo risparmi energetici. Questo fornisce una base teorica per la successiva progettazione di riconversione e la valutazione del risparmio energetico.
3 Piano di riconversione della tecnologia di controllo della velocità a frequenza variabile
3.1 Aggiornamento del sistema di distribuzione dell'energia
Per implementare efficacemente la tecnologia di controllo della velocità a frequenza variabile, questo studio ha aggiornato il sistema di distribuzione dell'energia esistente. Per il sistema ad alta tensione, l'apparato di interconnessione a 10 kV è stato migliorato installando interruttori intelligenti a vuoto con corrente nominale non inferiore a 1.250 A e capacità di spegnimento a corto circuito nominale di 31,5 kA. Sono stati integrati relè di protezione a microprocessore, fornendo protezioni multifunzione incluse sovracorrente, cortocircuito e guasto a terra, con un tempo di risposta inferiore a 20 ms. È stato introdotto anche un sistema di monitoraggio della qualità dell'energia elettrica, utilizzando sensori di alta precisione di classe A per monitorare in tempo reale parametri come il contenuto armonico, le fluttuazioni di tensione e l'imbilanciamento trifase, assicurando la stabilità del sistema.
Per il sistema a bassa tensione, il sistema a 400 V è stato l'oggetto principale dell'aggiornamento. Sono state aggiunte linee di alimentazione dedicate all'inversore al sistema esistente utilizzando armadi di alimentazione indipendenti dotati di interruttori a tripolare intelligenti. La corrente nominale è stata selezionata tra 400 A e 630 A in base alle esigenze del carico, con unità di scatto elettroniche per una protezione precisa contro sovraccarico e cortocircuito. Ogni linea di inversore è dotata di un interruttore isolante compatibile con la corrente nominale dell'interruttore e include una funzione di interruzione visibile per facilitare la manutenzione dell'attrezzatura.
Per la mitigazione degli armonici, sono stati installati filtri attivi di potenza (APF) sul lato d'ingresso dell'inversore, con specifiche specifiche elencate nella Tabella 1.
Per l'ottimizzazione dei sistemi di messa a terra, questo studio ha adottato il metodo di cablaggio TN-S, separando la linea neutra (N) dalla linea di protezione a terra (PE) a partire dall'armadio di distribuzione. La linea PE principale utilizza conduttori di rame con sezione non inferiore a 95 mm² per garantire una resistenza a terra inferiore a 1 Ω. Sono stati aggiunti barre di connessione a potenziale equipotenziale in posizioni chiave come inversori e motori, utilizzando conduttori di rame con sezione superiore a 16 mm². Ciò sopprime efficacemente le interferenze in comune e migliora le prestazioni EMC del sistema [21].
3.2 Selezione e ottimizzazione dei parametri dell'attrezzatura inversore
La selezione degli inversori si basa su un abbinamento preciso delle caratteristiche del carico e dei requisiti del processo. Per i carichi di pompa, sono stati scelti inversori a controllo vettoriale, con la loro potenza nominale rigorosamente corrispondente a quella del motore e una capacità di sovraccarico del 150%/1 min. Questo studio ha selezionato l'inversore della serie ABB ACS880, che presenta la tecnologia DTC (Direct Torque Control), con un tempo di risposta al momento inferiore a 5 ms e una precisione di controllo della velocità di ±0,01%. Considerando l'ambiente sul sito, è stato utilizzato un inversore sigillato con grado di protezione IP54, dotato di un sistema di raffreddamento forzato, garantendo un flusso d'aria di raffreddamento non inferiore a 1 m³/(min·kW).
Per l'ottimizzazione dei parametri, l'attenzione si concentra sull'adattamento dei parametri di controllo PID e sull'utilizzo dell'algoritmo di autotuning integrato nell'inversore. Attraverso test di risposta a gradino, il guadagno proporzionale ottimale Kp, il guadagno integrale Ki e il guadagno derivativo Kd vengono calcolati automaticamente. La formula di calcolo per l'uscita del controllore PID u(t) è:
L'algoritmo di autotuning integrato nell'inversore viene utilizzato per calcolare automaticamente il guadagno proporzionale ottimale Kp (intervallo: 0,1–100), il tempo integrale Ti (intervallo: 0,1–3600 s) e il tempo derivativo Td (intervallo: 0–10 s) attraverso un test di risposta a gradino. Il tempo di accelerazione è impostato a 10–30 s e il tempo di decelerazione a 15–45 s per prevenire efficacemente l'effetto martello idraulico. Viene abilitato il limite di coppia con un'impostazione del 120% della coppia nominale del motore per prevenire il sovraccarico. Per i carichi di ventilatore, viene attivata la modalità di risparmio energetico dell'inversore: in condizioni di carico leggero (tasso di carico < 50%), la tensione di uscita viene ridotta automaticamente, con una riduzione massima fino al 20%. Nel frattempo, la curva V/F viene ottimizzata aumentando la tensione di uscita nella gamma di velocità basse (0–10 Hz) per garantire una sufficiente coppia di avviamento.
Viene configurata una funzione di sonno-riattivazione: quando la frequenza di funzionamento rimane inferiore a 10 Hz per 60 s, l'inversore entra in modalità di sonno; si riattiva automaticamente quando la pressione del sistema diminuisce del 5%, migliorando ulteriormente l'efficienza del sistema. Nelle impostazioni di base dell'inversore, la frequenza portante è impostata a 4 kHz. In base ai requisiti effettivi della centrale elettrica, le soglie di protezione per sovratensione e sotto-tensione sono impostate rispettivamente a 418 V e 304 V. Inoltre, i parametri nominativi del motore e le impostazioni di funzionamento multi-velocità sono configurati come dettagliato nella Tabella 2.
Le formule di calcolo per la limitazione di corrente e l'ottimizzazione della corrente minima sono rispettivamente le seguenti:
dove Ilim è il limite massimo di corrente; In è la corrente nominale del motore; Ismin è la corrente minima dello statore; Idopt è la corrente di eccitazione ottimale; e Iq è il componente di corrente di coppia. Incorporando strategie di limitazione di corrente e ottimizzazione della corrente minima, si ottiene un controllo dettagliato dell'operazione del motore. Le impostazioni di protezione per sovratensione e sotto-tensione garantiscono che il motore operi entro un range sicuro. Le misure di protezione contro il blocco e la limitazione di corrente preven
