Pengoptimuman Kawalan Motor Industri: Pembaharuan Inverter untuk Penghematan Tenaga

Edwiin

Medan: Peralihan kuasa

China

Sebagai inti dalam pengeluaran industri, sistem automasi elektrik secara langsung mempengaruhi kos pengeluaran keseluruhan dan impak alam sekitar. Operasi pada kelajuan tetap secara tradisional sering menyebabkan pembaziran tenaga apabila menanggapi permintaan beban yang berubah-ubah dan membuat kawalan proses yang tepat sukar dicapai. Teknologi penyesuaian kelajuan frekuensi berubah-ubah, sebagai kaedah kawalan motor yang canggih, menawarkan penyelesaian yang menjanjikan kepada isu-isu ini. Kajian ini mengambil sistem automasi elektrik sebuah loji kuasa sebagai contoh untuk meneroka skema penyemakan semula berdasarkan teknologi kawalan kelajuan inverter dan kesannya dalam menghemat tenaga, bertujuan untuk memberikan rujukan bagi peningkatan kecekapan tenaga dalam skenario industri yang serupa.

1 Status Semasa dan Keperluan Penyemakan Semula Aplikasi Inverter dalam Automasi Elektrik

1.1 Peralatan Sedia Ada

Sistem automasi elektrik loji kuasa terutamanya terdiri daripada tiga bahagian: sistem pengagihan kuasa, unit pemanduan motor, dan sistem kawalan. Sistem pengagihan kuasa merangkumi peralatan pemutus litar tegangan tinggi 10 kV, transformator, dan peralatan pemutus litar tegangan rendah 400 V, disusun dalam struktur pokok untuk pengagihan kuasa. Pemanduan motor kebanyakannya adalah motor asinkron dikawal dengan kaedah permulaan langsung atau permulaan bintang-delta. Beban pam merupakan sebahagian besar peralatan di tapak, termasuk pam air sirkulasi, pam air pendingin, dan pam air umpan. Peranti-peranti ini beroperasi pada kelajuan tetap, dengan aliran dikawal melalui klep, mengakibatkan penggunaan tenaga yang tinggi. Struktur sistem sedia ada agak terselerak, dengan pengurusan bersentral secara separa. Sistem pemantauan aras atas berkomunikasi dengan sistem kawalan lapangan melalui Ethernet industri untuk membolehkan paparan data bersentral dan operasi jarak jauh. Walau bagaimanapun, sistem kawalan semasa kurang algoritma kawalan canggih untuk penyesuaian kelajuan frekuensi berubah-ubah, menyebabkan kekurangan dalam pengurusan tenaga dan pengoptimuman proses.

1.2 Keperluan Penyemakan Semula

Berdasarkan status peralatan semasa, keperluan penyemakan semula sistem automasi elektrik terutamanya fokus kepada peningkatan kecekapan tenaga dan pengoptimuman kawalan. Perlu diperkenalkan teknologi kawalan kelajuan berdasarkan inverter untuk membolehkan operasi efisien pam dan kipas dengan menyesuaikan kelajuan motor untuk mencocokkan permintaan beban.

Sementara itu, dengan menggunakan stesen pam dan kemudahan pengeluaran sedia ada, terdapat keperluan mendesak untuk membina platform pemantauan pintar yang sesuai dengan keperluan perlindungan siber tahap 2. Berpusat pada komputasi awan dan terintegrasi dengan teknologi IoT, platform ini akan membolehkan integrasi tanpa sempang antara pengurusan perusahaan dan kawalan lapangan. Struktur sistem mengambil struktur tiga tingkat "platform pusat + sub-sistem tersebar + terminal mudah alih," memastikan pengumpulan data masa nyata, pemprosesan yang cekap, dan penyimpanan yang selamat.

Platform pusat, dibina pada kluster pelayan prestasi tinggi, menempatkan algoritma analisis data maju untuk menyediakan sokongan keputusan yang tepat. Sub-sistem tersebar merangkumi modul pemantauan keadaan peralatan, pengawasan video, dan pengumpulan parameter persekitaran, secara menyeluruh merangkumi semua aspek operasi pengeluaran. Terminal mudah alih, melalui aplikasi khusus, membolehkan pemantauan jarak jauh dan pemberitahuan segera.

2 Asas Teori Kesannya dalam Menghemat Tenaga

Analisis kesan menghemat tenaga teknologi kawalan kelajuan inverter dalam kajian ini terutamanya berdasarkan undang-undang afiniti untuk kipas dan pam serta prinsip pertukaran tenaga penyesuaian kelajuan frekuensi berubah-ubah. Berdasarkan status operasi peralatan loji, banyak pam dan kipas beroperasi pada kelajuan tetap dengan aliran dikawal oleh klep, mengakibatkan kerugian tenaga yang signifikan. Sebaliknya, kawalan kelajuan frekuensi berubah-ubah menyesuaikan kelajuan motor untuk mencocokkan keperluan beban, dengan demikian mencapai penghematan tenaga. Undang-undang afiniti untuk kipas dan pam ditetapkan berdasarkan hubungan antara kadar aliran, kepala, dan kuasa, dengan formula pengiraan berkaitan seperti berikut:

di mana $Q$ adalah kadar aliran (m³/jam); $n$ adalah kelajuan putaran (r/min); $H$ adalah kepala (m); $P$ adalah kuasa (kW), dengan $P_{1}$ mewakili kuasa dinamakan dan $P_{2}$ kuasa pada kelajuan berkurang. Formula pertukaran tenaga untuk penyesuaian kelajuan frekuensi berubah-ubah adalah:

Berdasarkan hubungan teori di atas, apabila permintaan aliran sistem berkurang, motor secara automatik mengurangkan kelajuan melalui kawalan frekuensi, mengurangkan penggunaan kuasa secara signifikan dan mencapai penghematan tenaga. Ini memberikan asas teori untuk reka bentuk penyemakan semula seterusnya dan penilaian penghematan tenaga.

3 Skema Penyemakan Semula Teknologi Kawalan Kelajuan Inverter

3.1 Peningkatan Sistem Pengagihan Kuasa

Untuk melaksanakan teknologi kawalan kelajuan inverter secara efektif, kajian ini meningkatkan sistem pengagihan kuasa sedia ada. Untuk sistem tegangan tinggi, peralatan pemutus litar 10 kV ditingkatkan dengan pemasangan pemutus litar vakum pintar dengan arus dinamakan tidak kurang dari 1,250 A dan kapasiti pemutusan pendek rangkaian dinamakan 31.5 kA. Relai pelindung berdasarkan mikropemproses diintegrasikan, menyediakan pelindungan multifungsi termasuk laluan arus berlebihan, pendek rangkaian, dan gangguan tanah, dengan masa respons di bawah 20 ms. Sistem pemantauan kualiti kuasa juga diperkenalkan, menggunakan sensor presisi tinggi kelas A untuk memantau parameter seperti kandungan harmonik, fluktuasi voltan, dan ketidakseimbangan tiga fasa secara masa nyata, memastikan kestabilan sistem.

Untuk sistem tegangan rendah, sistem 400 V menjadi fokus peningkatan. Litar pemberi makan inverter khusus ditambah ke sistem sedia ada menggunakan kabinet pemberi makan independen dilengkapi dengan pemutus litar plastik pintar. Arus dinamakan dipilih antara 400 A hingga 630 A berdasarkan keperluan beban, dengan unit trip elektronik untuk perlindungan beban berlebihan dan pendek rangkaian yang tepat. Setiap litar inverter dilengkapi dengan pemutus isolasi yang sepadan dengan arus dinamakan pemutus litar dan termasuk ciri putus yang boleh dilihat untuk memudahkan pemeliharaan peralatan.

Untuk mitigasi harmonik, filter kuasa aktif (APF) dipasang di sisi input inverter, dengan spesifikasi tertentu seperti yang disenaraikan dalam Jadual 1.

Untuk pengoptimuman sistem grounding, kajian ini mengambil kaedah pengiringan TN-S, memisahkan barisan neutral (N) dari barisan tanah pelindung (PE) bermula dari kabinet pengagihan. Barisan PE utama menggunakan konduktor tembaga dengan luas rentasan tidak kurang dari 95 mm² untuk memastikan rintangan tanah kurang dari 1 Ω. Bar penghubung potensial sama ditambah pada lokasi peralatan penting seperti inverter dan motor, menggunakan konduktor tembaga dengan luas rentasan lebih dari 16 mm². Ini secara efektif menekan gangguan mod bersama dan meningkatkan prestasi EMC sistem [21].

3.2 Pilihan dan Pengoptimuman Parameter Peralatan Inverter

Pilihan inverter berdasarkan padanan tepat ciri beban dan keperluan proses. Untuk beban pam, inverter kawalan vektor dipilih, dengan kuasa dinamakan mereka secara ketat sepadan dengan motor, dan kapasiti beban berlebihan 150%/1 min. Dalam kajian ini, inverter siri ABB ACS880 dipilih, yang menampilkan teknologi DTC (Direct Torque Control), dengan masa respons tork kurang dari 5 ms dan ketepatan kawalan kelajuan ±0.01%. Mengambil kira persekitaran tapak, inverter tertutup dengan rating perlindungan IP54 digunakan, dilengkapi dengan sistem pendinginan udara paksa, memastikan aliran udara pendingin tidak kurang dari 1 m³/(min·kW).

Untuk pengoptimuman parameter, fokusnya adalah pada penyesuaian parameter kawalan PID dan penggunaan algoritma penyetelan sendiri yang terbina dalam inverter. Melalui ujian respon langkah, keuntungan proporsional optimum $K_{p}$ , keuntungan integral $K_{i}$ , dan keuntungan derivatif $K_{d}$ dihitung secara automatik. Formula pengiraan output pengawal PID $u (t)$ adalah:

Algoritma penyetelan sendiri yang terbina dalam inverter digunakan untuk menghitung secara automatik keuntungan proporsional optimum $K_{p}$ (julat: 0.1–100), masa integral $T_{i}$ (julat: 0.1–3600 s), dan masa derivatif $T_{d}$ (julat: 0–10 s) melalui ujian respon langkah. Masa percepatan ditetapkan antara 10–30 s dan masa perlambatan antara 15–45 s untuk mencegah kesan palu air. Pembatasan tork diaktifkan dengan penyetelan 120% tork dinamakan motor untuk mencegah beban berlebihan. Untuk beban kipas, mod penghematan tenaga inverter diaktifkan: dalam keadaan beban ringan (tingkat beban < 50%), voltan output dikurangkan secara automatik, dengan penurunan maksimum hingga 20%. Sementara itu, kurva V/F dioptimumkan dengan meningkatkan output voltan dalam julat kelajuan rendah (0–10 Hz) untuk memastikan tork permulaan yang mencukupi.

Fungsi tidur-bangun dikonfigurasikan: apabila frekuensi operasi kekal di bawah 10 Hz selama 60 s, inverter memasuki mod tidur; ia bangun secara automatik apabila tekanan sistem turun sebanyak 5%, lebih meningkatkan kecekapan sistem. Dalam tetapan inverter asas, frekuensi pembawa ditetapkan pada 4 kHz. Berdasarkan keperluan sebenar loji kuasa, ambang pengawal overvoltage dan undervoltage ditetapkan pada 418 V dan 304 V masing-masing. Selain itu, parameter dinamakan motor dan tetapan operasi multi-kelajuan dikonfigurasikan seperti yang dirincikan dalam Jadual 2.

Formula pengiraan untuk pembatasan arus dan pengoptimuman arus minimum masing-masing adalah seperti berikut:

di mana $I_{lim}$ adalah had arus maksimum; $I_{n}$ adalah arus dinamakan motor; $I_{smin}$ adalah arus stator minimum; $I_{dopt}$ adalah arus eksitasi optimum; dan $I_{q}$ adalah komponen arus tork. Dengan menggabungkan strategi pembatasan arus dan pengoptimuman arus minimum, kawalan halus operasi motor dapat dicapai. Tetapan pengawal overvoltage dan undervoltage memastikan motor beroperasi dalam lingkungan yang selamat. Perlindungan terhadap terhenti dan pembatasan arus secara efektif mencegah beban berlebihan. Selain itu, kaedah kawalan ini menyokong komunikasi melalui protokol Modbus-RTU, membolehkan pemantauan jarak jauh dan penyesuaian parameter, dengan demikian meningkatkan tahap kecerdasan sistem secara signifikan.

3.3 Peningkatan dan Integrasi Sistem Kawalan

Peningkatan sistem kawalan menggunakan PLC siri Siemens S7-1500, khususnya model CPU 1517-3 PN/DP, yang mempunyai kelajuan operasi bit 2 ns dan kelajuan operasi kata 40 ns. PLC dilengkapi dengan 1.6 GB memori kerja dan 32 MB memori muat, menyokong protokol komunikasi termasuk PROFINET, PROFIBUS, dan OPC UA. Sistem mengambil struktur tersebar dengan modul I/O jauh siri ET 200SP, mencapai siklus komunikasi 250 μs melalui PROFINET.

Struktur perisian berdasarkan persekitaran pembangunan terintegrasi TIA Portal V16. Program PLC merangkumi blok fungsi (FB) untuk komunikasi inverter, kawalan PID, Kawalan Prediktif Model (MPC), pra-pemrosesan pengumpulan data, dan pengurusan alarm. Kerangka sistem yang terperinci ditunjukkan dalam Gambar 1.

4 Analisis Kesannya dalam Menghemat Tenaga

Manfaat penghematan tenaga teknologi kawalan kelajuan inverter terutamanya tercermin dalam penggunaan kuasa yang berkurang dan peningkatan kecekapan sistem. Dengan membandingkan data penggunaan tenaga sebelum dan selepas penyemakan semula, prestasi penghematan tenaga boleh dinilai secara kuantitatif. Data sistem selepas penyemakan semula dalam kajian ini dikumpulkan menggunakan kaedah-kaedah berikut:

Sistem Pengukuran Tenaga: Meter pintar dipasang pada laluan bekalan kuasa peralatan elektrik utama untuk mengumpulkan data penggunaan tenaga sebelum dan selepas penyemakan semula. Model meter adalah Schneider PM5560, dengan kelas ketepatan 0.2S dan selang sampel 15 minit.
Fungsi Terbina dalam Inverter: Fungsi pemantauan tenaga terbina dalam inverter ABB ACS880 digunakan untuk merekod masa operasi, kuasa output, dan penggunaan tenaga. Data ditransmisikan ke bilik kawalan pusat melalui protokol Modbus-RTU.
Sistem SCADA: Sistem pengumpulan dan penyimpanan data masa nyata dibina menggunakan platform Siemens WinCC V7.5. Parameter utama seperti kelajuan motor, tingkat beban, voltan/output arus, dan faktor kuasa dipantau dengan selang sampel 1 saat.
Pengujian di Tapak: Penganalisis kualiti kuasa Fluke 435 II digunakan untuk melakukan pengukuran