산업용 모터 제어 최적화: 에너지 절감을 위한 인버터 교체

Edwiin

필드: 전원 스위치

China

산업 생산의 핵심인 전기 자동화 시스템은 전체 생산 비용과 환경 영향에 직접적인 영향을 미칩니다. 변동하는 부하 요구에 대응할 때 고정 속도 작동은 종종 에너지 낭비를 초래하고 정밀한 프로세스 제어를 어렵게 만듭니다. 가변 주파수 속도 조절 기술은 이러한 문제를 해결하기 위한 유망한 솔루션으로, 고급 모터 제어 방법입니다. 이 연구는 발전소의 전기 자동화 시스템을 예로 들어 인버터 속도 제어 기술을 기반으로 한 개조 방안과 그 에너지 절약 효과를 탐색하여 유사한 산업 상황에서 에너지 효율 개선에 대한 참고 자료를 제공합니다.

1. 인버터 응용 분야의 현황 및 개조 요구사항

1.1 기존 장비

발전소의 전기 자동화 시스템은 주로 전력 배분 시스템, 모터 구동 장치, 제어 시스템 세 부분으로 구성됩니다. 전력 배분 시스템에는 10kV 고압 스위치기어, 변압기, 400V 저압 스위치기어가 나무 구조로 배치되어 전력을 분배합니다. 모터 구동 장치는 주로 직렬 또는 별-델타 감압 시작 방법으로 제어되는 비동기 모터로 구성됩니다. 현장 장비 중 가장 큰 비중을 차지하는 펌프 부하에는 순환수 펌프, 냉각수 펌프, 급수 펌프가 포함되며, 이러한 장치들은 일정한 속도로 작동하며 밸브를 통해 유량을 조절하여 높은 에너지 소모를 초래합니다. 기존 시스템 아키텍처는 상대적으로 분산되어 있으며, 부분적으로 집중 관리를 하고 있습니다. 상위 모니터링 시스템은 산업용 이더넷을 통해 현장 제어 시스템과 통신하여 집중 데이터 표시와 원격 운영을 가능하게 합니다. 그러나 현재 제어 시스템은 가변 주파수 속도 조절을 위한 고급 제어 알고리즘이 부족하여 에너지 관리와 프로세스 최적화에 있어 결함이 있습니다.

1.2 개조 요구사항

현재 장비 상태를 기반으로, 전기 자동화 시스템의 개조 요구사항은 주로 에너지 효율 개선과 제어 최적화에 초점을 맞추고 있습니다. 펌프와 팬의 효율적인 작동을 위해 모터 속도를 부하 요구에 맞게 조정할 수 있는 인버터 기반 속도 제어 기술 도입이 필요합니다.

또한, 기존 펌프 스테이션과 생산 시설을 활용하여 2단계 사이버 보안 보호 요구 사항을 준수하는 지능형 모니터링 플랫폼 구축이 시급합니다. 클라우드 컴퓨팅을 중심으로 IoT 기술을 통합하여 기업 관리와 현장 제어 간의 원활한 통합을 가능하게 하는 이 플랫폼은 "중앙 플랫폼 + 분산 서브시스템 + 모바일 단말기"의 3단계 구조를 채택하여 실시간 데이터 수집, 효율적인 처리, 안전한 저장을 보장합니다.

중앙 플랫폼은 고성능 서버 클러스터를 기반으로 하여 정확한 의사 결정 지원을 제공하는 고급 데이터 분석 알고리즘을 배포합니다. 분산 서브시스템은 장비 상태 모니터링, 비디오 감시, 환경 매개변수 수집 모듈을 포함하여 모든 생산 운영 측면을 포괄적으로 커버합니다. 모바일 단말기는 맞춤형 애플리케이션을 통해 원격 모니터링과 즉시 알림을 가능하게 합니다.

2. 에너지 절약 효과의 이론적 근거

이 연구에서 인버터 속도 제어 기술의 에너지 절약 효과 분석은 주로 팬과 펌프의 친화 법칙과 가변 주파수 속도 조절의 에너지 변환 원칙을 기반으로 합니다. 공장 장비의 운전 상태에 따르면, 많은 수의 펌프와 팬이 밸브를 통해 유량을 조절하면서 일정한 속도로 작동하여 상당한 에너지 손실을 초래합니다. 반면, 가변 주파수 속도 제어는 부하 요구에 맞게 모터 속도를 조정하여 에너지 절약을 달성합니다. 팬과 펌프의 친화 법칙은 유량, 수두, 전력 간의 관계를 기반으로 하며, 관련 계산 공식은 다음과 같습니다:

여기서 $Q$ 는 유량 (m³/h); $n$ 는 회전 속도 (r/min); $H$ 는 수두 (m); $P$ 는 전력 (kW)이며, $P_{1}$ 는 정격 전력이고 $P_{2}$ 는 낮아진 속도에서의 전력입니다. 가변 주파수 속도 조절의 에너지 변환 공식은 다음과 같습니다:

위의 이론적 관계에 따르면, 시스템 유량 요구가 감소할 때 모터는 주파수 제어를 통해 자동으로 속도를 줄여 전력 소모를 크게 줄이고 에너지 절약을 달성합니다. 이는 후속 개조 설계와 에너지 절약 평가에 이론적 기초를 제공합니다.

3. 인버터 속도 제어 기술의 개조 방안

3.1 전력 배분 시스템 업그레이드

인버터 속도 제어 기술을 효과적으로 구현하기 위해, 이 연구에서는 기존 전력 배분 시스템을 업그레이드했습니다. 고압 시스템의 경우 10kV 스위치기어를 강화하여 정격 전류가 1,250A 이상이고 정격 단락 차단 용량이 31.5kA인 지능형 진공 회로 차단기를 설치했습니다. 마이크로프로세서 기반 보호 릴레이가 통합되어 과전류, 단락, 접지 고장 등 다기능 보호를 제공하며, 응답 시간은 20ms 미만입니다. 또한 전력 품질 모니터링 시스템이 도입되어 A급 고정밀 센서를 사용하여 조화 내용, 전압 변동, 3상 불균형 등을 실시간으로 모니터링하여 시스템 안정성을 보장합니다.

저압 시스템의 경우 400V 시스템이 업그레이드의 주요 대상이었습니다. 기존 시스템에 독립적인 피더 캐비닛을 사용하여 전용 인버터 피더 회로를 추가했습니다. 지능형 성형 케이스 회로 차단기가 장착되었으며, 부하 요구에 따라 정격 전류가 400A에서 630A 사이로 선택되었습니다. 정밀한 과부하 및 단락 보호를 위한 전자 트립 유닛이 장착되어 있습니다. 각 인버터 회로는 회로 차단기의 정격 전류와 일치하는 분리 스위치를 장착하고, 유지보수를 용이하게 하기 위해 가시적인 분리 기능을 포함합니다.

조화 완화를 위해 인버터 입력 측에 활성 전력 필터 (APF)가 설치되었습니다. 특정 사양은 표 1에 나열되어 있습니다.

접지 시스템 최적화를 위해, 이 연구에서는 TN-S 배선 방법을 채택하여 분배 캐비닛부터 중성선 (N)과 보호 접지선 (PE)을 분리하였습니다. 주 PE 선은 95mm² 이상의 단면적을 가진 동 도체를 사용하여 1Ω 미만의 접지 저항을 보장합니다. 인버터와 모터와 같은 중요한 장비 위치에 동등 전위 결합 막대가 추가되어 16mm² 이상의 단면적을 가진 동 도체를 사용하여 공통 모드 간섭을 효과적으로 억제하고 시스템의 EMC 성능을 향상시킵니다 [21].

3.2 인버터 장비의 선택 및 파라미터 최적화

인버터의 선택은 부하 특성과 프로세스 요구 사항과의 정확한 매칭을 기반으로 합니다. 펌프 부하의 경우 벡터 제어 인버터를 선택하며, 그 정격 전력은 모터의 정격 전력과 엄격히 일치하고 과부하 용량은 150%/1분입니다. 이 연구에서는 DTC (Direct Torque Control) 기술을 특징으로 하는 ABB ACS880 시리즈 인버터를 선택하였으며, 토크 응답 시간은 5ms 미만이고 속도 제어 정확도는 ±0.01%입니다. 현장 환경을 고려하여 IP54 보호 등급의 밀폐형 인버터를 사용하고 강제 공기 냉각 시스템을 장착하여 1m³/(min·kW) 이상의 냉각 공기 유량을 보장합니다.

파라미터 최적화의 경우, PID 제어 파라미터 조정과 인버터 내장된 자동 튜닝 알고리즘 활용에 중점을 둡니다. 계단 응답 테스트를 통해 최적의 비례 이득 $K_{p}$ , 적분 이득 $K_{i}$ , 그리고 미분 이득 $K_{d}$ 가 자동으로 계산됩니다. PID 제어기 출력 $u (t)$ 의 계산 공식은 다음과 같습니다:

인버터 내장 자동 튜닝 알고리즘을 사용하여 최적의 비례 이득 $K_{p}$ (범위: 0.1–100), 적분 시간 $T_{i}$ (범위: 0.1–3600 s), 그리고 미분 시간 $T_{d}$ (범위: 0–10 s)를 계단 응답 테스트를 통해 자동으로 계산합니다. 가속 시간은 10–30초로 설정되고 감속 시간은 15–45초로 설정하여 물锺水锤效应。扭矩限制设置为电机额定扭矩的120%，以防止过载。对于风机负载，激活变频器的节能模式：在轻负载条件下（负载率<50%），自动降低输出电压，最大降幅可达20%。同时，通过增加低速范围（0-10 Hz）的电压输出来优化V/F曲线，以确保足够的启动转矩。配置休眠唤醒功能：当运行频率低于10 Hz持续60秒时，变频器进入休眠模式；当系统压力下降5%时自动唤醒，进一步提高系统效率。在基本变频器设置中，载波频率设置为4 kHz。根据电厂的实际需求，过压和欠压保护阈值分别设置为418 V和304 V。此外，电机的额定参数和多速操作设置如表2所示。电流限制和最小电流优化的计算公式分别为：其中Ilim是最大电流限制；In是电机额定电流；Ismin是最小定子电流；Idopt是最佳励磁电流；Iq是转矩电流分量。通过结合电流限制和最小电流优化策略，实现了对电机运行的精细控制。过压和欠压保护设置确保电机在安全范围内运行。失速保护和电流限制措施有效防止过载。此外，这种控制方法支持Modbus-RTU协议通信，实现远程监控和参数调整，从而显著提高系统的智能化水平。 **3.3 控制系统升级与集成** 控制系统升级采用西门子S7-1500系列PLC，具体型号为CPU 1517-3 PN/DP，具有2纳秒位运算速度和40纳秒字运算速度。PLC配备1.6 GB工作内存和32 MB加载内存，支持PROFINET、PROFIBUS和OPC UA通信协议。系统采用分布式架构，使用ET 200SP系列远程I/O模块，通过PROFINET实现250微秒通信周期。软件架构基于TIA Portal V16集成开发环境。PLC程序包括用于变频器通信、PID控制、模型预测控制（MPC）、数据采集预处理和报警管理的功能块（FB）。详细系统框架如图1所示。 **4 节能效果分析** 变频调速技术的节能效益主要体现在降低能耗和提高系统效率上。通过比较改造前后的能耗数据，可以定量评估节能性能。本研究中的改造后系统数据通过以下方法收集： * **电能计量系统**：在主要电气设备的供电线路上安装智能电表，收集改造前后的电能消耗数据。电表型号为施耐德PM5560，精度等级为0.2S，采样间隔为15分钟。 * **变频器内置功能**：使用ABB ACS880变频器内置的能耗监测功能记录运行时间、输出功率和能耗。数据通过Modbus-RTU协议传输到中央控制室。 * **SCADA系统**：使用西门子WinCC V7.5平台构建实时数据采集和存储系统。以1秒采样周期监控关键参数，如电机转速、负载率、输出电压/电流和功率因数。 * **现场测试**：使用Fluke 435 II电能质量分析仪在各种负载条件下进行点测量，捕获瞬时功率、谐波和功率因数数据。基于测量数据，计算了年平均负载率。通过比较改造前后的能耗，确定了不同负载条件下的节电率，如表3所示。结果表明，随着负载率的降低，节能效果逐渐增加，这符合变频调速的立方律节能原理。在满载运行下，节电率为10%，主要归功于变频器的高效率和精确控制能力，表明即使在高负载条件下，变频控制技术仍具有显著的节能潜力。在75%负载率下，节电率增加到49.4%，突显了部分负载下的变速控制优势。在50%负载下运行时，节电率达到75%，展示了其在中等负载下的出色性能。在25%负载下，节电率高达93.7%，充分展示了低负载条件下变频调速的巨大节能潜力。总体而言，年平均节电率为56.8%，表明优化后的系统在实际运行周期中实现了良好的综合节能性能。考虑到不同负载状态的时间分布，这些结果为工业电气自动化系统的能效优化提供了宝贵的指导。对于风机负载，变频器内置的节能优化功能在轻负载条件下自动调整V/F曲线。使用Fluke 435 II电能质量分析仪在不同负载率下进行测量，揭示了电压降低与能耗降低之间的关系。结果显示，在负载率范围20%-30%、30%-40%和40%-50%时，能耗降低分别为36.7%、25.3%和15.8%。这表明负载率越低，相同程度的电压调整所实现的能耗降低比例越大。对于低于20%的超轻负载条件，应考虑更积极的控制策略或设备停机，以进一步提高整体系统效率。 **5 结论** 本研究通过一个发电厂的电气自动化系统改造实践，验证了变频调速技术显著的节能效果。通过优化控制策略和系统集成，实现了大幅度的能耗降低和运行效率提升。研究结果为类似工业场景的节能改造提供了技术参考。未来的工作将进一步考虑运行时间和行程时间的不确定性，开发概率性操作资源调度模型，以更好地应对实际操作中的各种不确定性。