Оптимизација на контролата за индустријални мотори: Ретрофитирање на инвертор за штедење на енергија
Како јадрото на индустријалната производство, електричните автоматски системи директно влијаат на целосните производствени трошоци и околинското влијание. Традиционалната операција со константна брзина често доведува до губење на енергија при одговорување на варирачки захтеви за натоварување и прави тешко да се постигне прецизно контролирање на процесот. Технологијата за регулација на фреквенција како напреден метод за контрола на моторите нуди обетована решенија на овие проблеми. Овој студија го зема електричниот автоматски систем на една електроцентрала како пример за истражување на шема за реновација базирана на технологија за контрола на брзина со инвертери и нејзините ефекти на спестирање на енергија, со цел да даде референца за подобрување на ефикасноста на енергијата во слични индустријски сценарија.
1 Сегашната состојба и барања за реновација на примените на инвертерите во електричната автоматика
1.1 Постоечи опрема
Електричниот автоматски систем на електроцентралата вградено се состои од три делови: системот за распределба на енергија, единици за привод на мотори и контролен систем. Системот за распределба на енергија вклучува високонапонски комутатори на 10 кВ, трансформатори и низконапонски комутатори на 400 В, кои се организирани во структура на дрво за распределба на енергија. Приводите на моторите се претставуваат главно асинхрони мотори кои се контролираат со методи на започнување со полна или звезда-делта намалена напонска. Натоварувањата на помпи се најголем дел од опремата на местото, вклучувајќи циркулациони помпи, помпи за хлаѓање и помпи за поднесување на водата. Овие уреди работат со константна брзина, со регулација на протокот преку клапки, што резултира во високи трошоци на енергија. Постоечкиот архитектурен систем е релативно децентрализиран, со делумно централизирано управување. Горниот ниво на системот за надзор комуницира со полеви системи за контрола преку индустриска Етернет за да овозможи централизирано прикажување на податоци и удален операција. Меѓутоа, моменталниот контролен систем недостасува напредни алгоритми за контрола на фреквенција, што доведува до недостатоци во управувањето со енергија и оптимизацијата на процесот.
1.2 Барања за реновација
На основа на сегашната состојба на опремата, барањата за реновација на електричниот автоматски систем се фокусираат главно на подобрување на ефикасноста на енергијата и оптимизација на контролата. Необходимо е да се воведе технологија за контрола на брзина со инвертери за да се овозможи ефикасна работа на помпи и вентилатори со прилагодување на брзината на моторот за да се поклони на захтевите за натоварување.
Исто така, со користење на постоечките помпни станции и производствени објекти, постои потреба за изградба на интелигентна платформа за надзор која е комплиментарна со барањата за заштита на кибернетичката безбедност на ниво 2. Центрирана на облачното пресметување и интегрирана со технологијата на интернет на работни предмети, оваа платформа ќе овозможи беспрекината интеграција помеѓу управувањето на компанијата и полевиот контрол. Архитектурата на системот го прифаќа трите нивоа на "централна платформа + дистрибутивни подсистеми + мобилни терминали", осигурувајќи реално време на собирање на податоци, ефикасна обработка и сигурно складирање.
Централната платформа, изградена на високоперформансен серверски кластер, деплоира напредни алгоритми за анализа на податоци за да даде точна поддршка за одлуки. Дистрибутивните подсистеми вклучуваат модули за мониторинг на состојбата на опремата, видеонадзор и собирање на еколошки параметри, што ги покрива сите аспекти на производствените операции. Мобилните терминали, преку прилагодени апликации, овозможуваат удален мониторинг и моментални известувања.
2 Теоретска основа на ефекти на спестирање на енергија
Анализата на ефекти на спестирање на енергија на технологијата за контрола на брзина со инвертери во овој студија е главно базирана на законите за афинитет на вентилаторите и помпите и принципите на преврт на енергија на регулација на фреквенција. Според оперативната состојба на опремата на објектот, голем број на помпи и вентилатори работат со константна брзина со регулација на протокот преку клапки, што резултира во значителни губења на енергија. На спротив, регулацијата на брзина со променлива фреквенција прилагодува брзината на моторот за да се поклони на захтевите за натоварување, со тоа постигнувајќи спестирање на енергија. Законите за афинитет на вентилаторите и помпите се формирани на основа на односите помеѓу протокот, напорот и моќта, со соодветни формули за пресметка како следува:
каде Q е протокот (м³/ч); n е брзината на враќање (обр./мин); H е напорот (м); P е моќта (кВ), со P1 која претставува номиналната моќ и P2 моќта при намалена брзина. Формулата за преврт на енергија за регулација на фреквенција е:
На основа на горенаведените теоретски односи, кога захтевите за протокот на системот намалуваат, моторот автоматски намалува брзината преку контрола на фреквенција, значително намалувајќи потрошуването на енергија и постигнувајќи спестирање на енергија. Ова дава теоретска основа за последователната дизајн на реновација и евалуација на спестирање на енергија.
3 Шема за реновација на технологијата за контрола на брзина со инвертери
3.1 Ажурирање на системот за распределба на енергија
За ефективна имплементација на технологијата за контрола на брзина со инвертери, овој студија ажурираше постоечката система за распределба на енергија. За високонапонскиот систем, комутаторите на 10 кВ беа подобрираани со инсталација на интелигентни вакуумски прекинувачи со номинална стрuja од не помалку од 1,250 A и номинална капацитет за прекинување на кратки поврзувања од 31.5 кA. Интегрирани беа микропроцесорски реле за заштита, што нуди многуфункционална заштита вклучувајќи прекомерна struja, кратки поврзувања и грешки на земја, со време на одговор под 20 ms. Така исто беше воведен систем за мониторинг на квалитетот на електричната енергија, користејќи класа A-градусни сензори за реално време мониторинг на параметри како содржина на хармонии, флуктуации на напонот и несбалансирање на трифази, за да се осигура стабилноста на системот.
За низконапонскиот систем, системот на 400 В беше фокус на ажурирање. Додадени беа специјализирани цеви за инвертери на постоечкиот систем користејќи независни кабинети за предавање со интелигентни обликиски прекинувачи. Номиналната struja беше избрана меѓу 400 A и 630 A врз основа на захтевите за натоварување, со електронски уреди за прекинување за прецизна заштита против прекомерна struja и кратки поврзувања. Секој цев за инвертер е опремен со прекинувач со видлив прекин соодветен со номиналната struja на прекинувачот и вклучува функција за видлив прекин за да се олесни одржуването на опремата.
За намалување на хармонии, активни филтри на моќ (APF) се инсталирани на входот на инвертерот, со специфични спецификации како што се наведени во Табела 1.
За оптимизација на системите за земја, овој студија го прифати методот TN-S, кој разделя нейтралната линија (N) од заштитната земјска линија (PE) почнувајќи од кабинетот за распределба. Главната PE линија користи медни проводници со површина на пресек од не помалку од 95 мм² за да се осигура отпор на земја под 1 Ω. Додадени беа равновесни барови на критични локации на опремата како што се инвертерите и моторите, користејќи медни проводници со површина на пресек поголема од 16 мм². Ова ефективно супримира интерференцијата на заеднички мод и подобрува EMC перформансата [21].
3.2 Избор и оптимизација на параметри на опремата за инвертери
Изборот на инвертери е основан на прецизно подобрување на карактеристиките на натоварување и барањата на процесот. За натоварувањето на помпи, избран се векторски контролни инвертери, со нивната номинална моќ строго соодветна на моторот, и превишена капацитет од 150%/1 мин. Овој студија избрал инвертерот ABB ACS880 серија, кој има DTC (Direct Torque Control) технологија, со време на одговор на момента под 5 ms и прецизност на контрола на брзина од ±0.01%. Со оглед на околинската средина, користен е инвертер со заштита IP54, опремен со систем за силно хладење, што осигурува проток на воздух од не помалку од 1 м³/(мин·кВ).
За оптимизација на параметрите, фокусот е на прилагодување на PID контролни параметри и користење на алгоритамот за автоматско подобрување вграден во инвертерот. Преку тест на одговор на чекор, оптималната пропорционална добивка Kp, интегрална добивка Ki и диференцијална добивка Kd се автоматски пресметуваат. Формулата за излезот на PID контролерот u(t) е:
Вградениот алгоритам за автоматско подобрување на инвертерот се користи за автоматско пресметување на оптималната пропорционална добивка Kp (дијапазон: 0.1–100), временски период за интеграција Ti (дијапазон: 0.1–3600 s) и временски период за деривација Td (дијапазон: 0–10 s) преку тест на одговор на чекор. Времето за забрзување е поставено на 10–30 s, а времето за забавување на 15–45 s за да се ефективно предотвратат ефектите на ударот на водата. Ограничувањето на момента е активирано со поставување на 120% од номиналниот момент на моторот за да се предотврати прекомерна натовареност. За натоварувањето на вентилаторите, е активиран енергетски режим на инвертерот: под услови на лесна натовареност (степен на натовареност < 50%), излезниот напон е автоматски намален, со максимално намалување до 20%. Во истиот време, V/F кривата е оптимизирана со зголемување на излезниот напон во нискоскоростен дијапазон (0–10 Hz) за да се осигура доволен почетен момент.
Конфигурирана е функција за спиење и будење: кога оперативната фреквенција останува под 10 Hz за 60 s, инвертерот влегува во режим на спиење; автоматски се буди кога системскиот притисок се намали за 5%, што дополнително го подобрува ефективноста на системот. Во основните подесувања на инвертерот, носителската фреквенција е поставена на 4 kHz. На основа на фактичките барања на електроцентралата, праговите за заштита од прекомерен и недостаточен напон се поставени на 418 V и 304 V, соодветно. Повторно, номиналните параметри на моторот и подесувањата за работа на повеќе брзини се конфигурирани како детално наведено во Табела 2.
Формулите за пресметка на ограничување на struja и оптимизација на минимална struja се соодветно како следува:
каде Ilim е максималното ограничување на struja; In е номиналната struja на моторот; Ismin е минималната статорска struja; Idopt е оптималната екситационска struja; и Iq
