L-ottimizzazzjoni tal-Kontroll tal-Motori Industrjali: Rinnovament tal-Inverter għal Erbagħ ta' Enerġija

Bħal l-ġilb tal-prodott industriali, is-sistemi ta’ awtomazzjoni elettrika jinfluwenzaw direttament il-kostijiet totali tal-prodott u l-impat ambientali. L-operazzjoni konstanti b’veloċità stabbili solitament tiftaħ lil ħsara tal-enerġija meta jiġu rrisposti għal domandi tal-każ differenti u tigħtalaq diffikli l-aħda tal-kontroll preċiż tal-proċess. It-teknoloġija ta’ regolazzjoni tal-veloċità b’frekwenza varjabbli, bħala metodu avvanzat ta’ kontroll tal-motor, tgħaddi s-soluzzjoni potenzjal għal dawn il-problemi. Din l-istudju tipprenda l-esempju tas-sistema ta’ awtomazzjoni elettrika ta’ impiant tal-enerġija elektrika biex toplora skema ta’ refittjar bsased fuq teknoloġija ta’ kontrol tal-veloċità b’inverter u l-effetti tagħha tal-tisbil, fl-intent li tgħaddi riferiment għall-bidla tal-effiċjenza energetika f’scenari industriali similari.

1 Stat aktwali u Rekwiżiti ta’ Refittjar ta’ Applikazzjonijiet tal-Inverter fil-Awtomazzjoni Elettrika

1.1 Eqwuipament Esegwen

Is-sistema ta’ awtomazzjoni elettrika ta’ l-impiant tal-enerġija elektrika tkonsistiwa waħed b’tliet parti: is-sistema ta’ distribuzzjoni tal-enerġija, unitajiet ta’ dritta tal-motor, u s-sistema ta’ kontrol. Is-sistema ta’ distribuzzjoni tal-enerġija tinkludi switchgear ad alt volt 10 kV, trasformaturi, u switchgear ad baż volt 400 V, disposti f’struttura arboreja għad-distribuzzjoni tal-enerġija. Il-moturi mhux sinkroni huma prinċipalment kontrolati bl-avvi dirett jew bl-avvi star-delta ridotta. Il-każ mill-pomp tat-talba magħrufa huwa l-ebda minn xi eqwuipament fuq is-sit, inkluż pumpe tal-ċiklu tal-ilma, pumpe tal-ilma tal-rarġel, u pumpe tal-ilma tal-fornitura. Dawn l-apparat operaw b’veloċità stabbili, bl-flus kontrolat permezz ta’ valvoli, bil-resultat ta’ ħsara tal-enerġija elektrika. Is-sistema egżistenti tal-arċitet­tura hija relativament decentralizzata, b’menaxxament parziali centrali. Is-sistema ta’ monitoraġġ ta’ fuq għodda tkomunikja ma’ sistemi ta’ kontrol tal-ħalqa permezz ta’ Ethernet industriale biex tmassnu data centralizzata u operazzjonijiet mid-diġà. Imma, is-sistema ta’ kontrol attwali mhuwiex provvista ta’ algoritmi avvanzati ta’ kontrol tal-veloċità b’frekwenza varjabbli, b’dan il-muħta Alla mancanza ta’ effiċjenza fi l-gestjoni tal-enerġija u l-ottimizazzjoni tal-proċess.

1.2 Rekwiżiti ta’ Refittjar

Basat fuq l-istat attwali tal-eqwuipament, ir-rekwiżiti ta’ refittjar għas-sistema ta’ awtomazzjoni elettrika se jikkonsentraw fuq l-abbetter tal-effiċjenza energetika u l-ottimizazzjoni tal-kontroll. Huwa neċessarju introdursi teknoloġija ta’ kontrol tal-veloċità b’inverter biex issebbar l-operazzjoni efettiva tal-pumpe u tal-murraji billi jiġi modifikat il-veloċità tal-motor biex timxi xieraq mal-domanda tal-każ.

Fl-istess ħin, qabel il-posta esistenti tal-pumpe u l-fabbrichi, huwa urgenti l-ibdat ta’ piattaforma ta’ monitoraġġ intelligenti konformi mal-livell 2 ta’ protezzjoni tal-cybersicurezza. Bāsata fuq kompjuting tal-cloud u integrata mat-teknoloġija IoT, din il-piattaforma tassenistra l-integrazzjoni seamless bejn il-management tal-impresa u l-kontroll tal-ħalqa. Il-struttura tas-sistema tadopta struttura tal-trilja "piattaforma sentrali + subsistemi distributi + terminali mobbili", assikuranti l-acquisizzjoni ta’ data real-time, l-elaborazzjoni efettiva, u l-storja sigura.

Il-piattaforma sentrali, mbnejja fuq klaster ta’ serveri ta’ alto prestazza, deploys algoritmi avvanzati ta’ analisi ta’ data biex jipprovdu sostegnu ta’ deċizjoni preċiż. Is-subsistemi distributi inkluqu moduli ta’ monitoraġġ ta’ kondizzjoni tal-eqwuipament, sorveglianza video, u kollezzjoni ta’ parametri ambientali, kopruddu aspetti kollha tal-operazzjonijiet tal-prodott. It-terminali mobbili, permezz ta’ applikazzjonijiet kostumizzati, jassenistrano l-monitoraġġ mid-diġà u notifiki instantanji.

2 Bass ta’ Teoriku ta’ l-Effetti Tisbil

L-analiżi ta’ l-effetti tisbil tal-teknoloġija ta’ kontrol tal-veloċità b’frekwenza varjabbli fid studju dan hija basata prinċipalment fuq l-affinity laws għal murraji u pumpe u l-prinċipji ta’ konverżjoni tal-enerġija ta’ regolazzjoni tal-veloċità b’frekwenza varjabbli. Skond l-status operattiv tal-eqwuipament tal-impiant, numru kbir ta’ pumpe u murraji jioperaw b’veloċità stabbili, bl-flus kontrolat permezz ta’ valvoli, bil-resultat ta’ ħsara energetika signifikanti. Fil-konfront, it-teknoloġija ta’ kontrol tal-veloċità b’frekwenza varjabbli modifika l-veloċità tal-motor biex timxi xieraq mal-domanda tal-każ, bl-resultat ta’ tisbil tal-enerġija. L-affinity laws għal murraji u pumpe huma stabiliti fuq ir-riżultati bejn l-flus, l-head, u l-potenza, u l-formule ta’ kalkul relattivi huma sew:

fejn $Q$ huwa l-flus (m³/h); $n$ huwa l-veloċità rotatorja (r/min); $H$ huwa l-head (m); $P$ huwa l-potenza (kW), fejn P1P1 rapprisenta l-potenza nominata u P2P2 l-potenza b’veloċità ridotta. Il-formula ta’ konverżjoni tal-enerġija għal regolazzjoni tal-veloċità b’frekwenza varjabbli hi:

Skond ir-riżultati teoriku sew, meta l-domanda tal-flus tas-sistema tiżdied, il-motor jirridukxi automatikament il-veloċità permezz tal-kontroll tal-frekwenza, bil-resultat ta’ riduzzjoni signifikanti tal-konsum tal-enerġija u l-assigurazzjoni tal-tisbil. Dan jagħti l-bass teoriku għad-disinn tal-refittjar u l-valutazzjoni tal-tisbil successiva.

3 Skema ta’ Refittjar tal-Teknoloġija ta’ Kontroll tal-Veloċità b’Inverter

3.1 Aġġornament tas-Sistema ta’ Distribuzzjoni tal-Enerġija

Biex issebbar l-implementazzjoni efettiva tal-teknoloġija ta’ kontrol tal-veloċità b’inverter, dan l-istudju aġġornawa s-sistema ta’ distribuzzjoni tal-enerġija esistente. Għas-sistema ad alt volt, l-switchgear ad 10 kV ġie miżjud b’interruptori vakuum intellegenti b’kurrent nominat mhux inferjuri għal 1,250 A u kapacita ta’ spezzatura tal-kurt-kurtur nominati ta’ 31.5 kA. Relays ta’ protezzjoni b’microprocessuri ġew integrati, providendo protezzjoni multifunzionale inkludenti l-overcurrent, l-kurt-kurtur, u l-fault tal-terra, b’temp ta’ risposta infeġġer minn 20 ms. Sistem ta’ monitoraġġ tal-qualità tal-enerġija elektrika ġie introdott ukoll, użandu sensuri ta’ alta preċiżjoni tal-Klass A biex jmonitorjaw parametri kif l-harmonici, l-fluttuazzjonijiet tal-volt, u l-disbilank tal-tri fasi real-time, assikuranti l-stabilità tas-sistema.

Għas-sistema ad baż volt, is-sistema ad 400 V kienet l-oggettiv ta’ l-aġġornament. Fid sistema esistente, ġie aġġunti sirkuwit ta’ fornitur speċifiċi għal inverter użandu kabinet tal-fornitur indipendenti equippati b’interruptori ta’ circuit moulded intellegenti. Il-kurrent nominat ġie selezzjonat bejn 400 A u 630 A skont l-ebda tal-każ, karatterizzati b’unitajiet ta’ trip elektroniku għal protezzjoni preċiża tal-overload u tal-kurt-kurtur. Kull sirkuwit ta’ inverter huwa equippat b’interruptur ta’ isolazzjoni tal-matchi tal-kurrent nominati tal-interruptur u inkludiv funzjonalità ta’ break visibil biex ifassel l-manutenzjoni tal-eqwuipament.

Għal mitigazzjoni tal-harmonici, filtri ta’ potenza attivi (APF) ġew installati fis-silġ tal-inverter, b’speċifikazzjonijiet speċifiċi kif elenkat fit-Tavola 1.

Għal l-ottimizazzjoni tas-sistema ta’ grounding, dan l-istudju adopra metodu ta’ cablaggio TN-S, separand il-linea neutral (N) mill-linea protettiva tal-terra (PE) mill-kabinet tal-distribuzzjoni. Il-linea PE prinċipali tuża kondutturi ta’ ram tal-cross-sectional area mhux infeġġer minn 95 mm² biex tassigura rezistanza tal-terra infeġġer minn 1 Ω. Bars ta’ bonding ta’ equal potential ġew aġġunti f’lokalizzazzjonijiet kritika tal-eqwuipament kif linverteri u l-moturi, użandu kondutturi ta’ ram tal-cross-sectional area akbar minn 16 mm². Dan tassenistra l-suppressjoni tal-interferenza ta’ common-mode u tassenra l-prestazza ta’ EMC tas-sistema [21].

3.2 Selezzjoni u Ottimizazzjoni ta’ Parametri tal-Eqwuipament tal-Inverter

Il-selezzjoni tal-inverter hija bsata fuq l-abbinament preċiż tal-caratteristiki tal-każ u l-ebda ta’ proċess. Għal l-każ tal-pumpe, inverteri ta’ kontrol vettoriali huma scelti, kun il-potenza nominata tagħhom strettament korrispondenti mal-motor, u kapacita ta’ overload ta’ 150%/1 min. Dan l-istudju selezzjonaw is-serie ta’ inverter ABB ACS880, li jinkludu teknoloġija DTC (Direct Torque Control), b’temp ta’ risposta ta’ torċa infeġġer minn 5 ms u preċiżjoni ta’ kontrol tal-veloċità ta’ ±0.01%. Skont l-ambjent on-site, inverter sealed b’protezzjoni IP54 ġie użat, equippat b’sistema ta’ raffreddament tal-air forzat, assikuranti fluss ta’ raffreddament tal-air infeġġer minn 1 m³/(min·kW).

Għal l-ottimizazzjoni ta’ parametri, l-enfasi huwa fuq l-adjustament tal-parametri ta’ kontrol PID u l-użu tal-algoritmu ta’ self-tuning built-in fil-inverter. Tramite test ta’ step response, il-gain proporzionali ottimali KpKp, gain integrali KiKi, u gain derivativi KdKd jkunu kalkulati awtomatikament. Il-formula ta’ kalkul għal l-output ta’ kontroljar PID $u(t)$ hi:

Il-built-in auto-tuning algorithm tal-inverter huwa użat biex jkalkula awtomatikament il-gain proporzionali ottimali KpKp (range: 0.1–100), tempo integrali TiTi (range: 0.1–3600 s), u tempo derivativi TdTd (range: 0–10 s) permezz ta’ test ta’ step response. Il-tempo ta’ accelerazzjoni huwa settjat għal 10–30 s u it-tempo ta’ decelerazzjoni għal 15–45 s biex ipprevenixx l-effett tal-water hammer. Il-limitazzjoni tal-torċa huwa attivata b’settjar ta’ 120% tal-torċa nominata tal-motor biex tipprevenixx l-overload. Għal l-każ tal-murraji, l-modalità ta’ tisbil tal-inverter hi attivata: taħt kondizzjonijiet ta’ każ legger (rat tax-xena < 50%), il-voltagg tal-output jiġi ridutt automatikament, kun il-riduzzjoni massima ta’ suġġer minn 20%. Nnifs id-daqs, il-kurva V/F tiġi ottimizzata bi l-inkrement tal-voltagg tal-output fil-range ta’ veloċità bassa (0–10 Hz) biex issebbar l-torċa sufficienti tal-avvi.

Funzjonalità ta’ sleep-wake hi konfigurata: meta l-frekwenza ta’ operazzjoni tiżom infeġġer minn 10 Hz għal 60 s, l-inverter jidħol fil-modalità ta’ sleep; jmissaw automatikament meta l-pressjoni tas-sistema tidher infeġġer minn 5%, bil-resultat ta’ tisbil addizzjonali tas-sistema. Fi l-settar tal-inverter basiljari, il-frekwenza ta’ carrier huwa settjat għal 4 kHz. Skont l-ebda reali tal-impiant, is-sogħġiġ tal-protezzjoni ta’ overvoltage u undervoltage huma settjati għal 418 V u 304 V rispettivament. Ukoll, il-parametri nominati tal-motor u l-settar ta’ operazzjoni multi-veloċità huma konfigurat kif dettagjat fit-Tavola 2.

Il-formule ta’ kalkul għal l-limitazzjoni tal-kurrent u l-ottimizazzjoni tal-kurrent minimu huma rispettivament kif segwi:

fejn IlimIlim huwa l-limitu massimu tal-kurrent; InIn huwa l-kurrent nominati tal-motor; IsminIsmin huwa l-kurrent minimu tal-stator; IdoptIdopt huwa l-kurrent ta’ excitation ottimali; u IqIq huwa l-komponent tal-kurrent ta’ torċa. Bi l-integrazzjoni ta’ strategiji ta’ limitazzjoni tal-kurrent u l-ottimizazzjoni tal-kurrent minimu, l-kontroll finementar tal-operazzjoni tal-motor jiġi raggiunt. Il-settar ta’ protezzjoni ta’ overvoltage u undervoltage assikuraw li l-motor jioperaw f’range siguru. Il-protezzjoni ta’ stall u l-misure ta’ limitazzjoni tal-kurrent ipprevenixx l-overload effettivament. Ukoll, din il-modalità ta’ kontrol supporta l-komunikazzjoni permezz ta’ protocol Modbus-RTU, allowand il-monitoraġġ mid-diġà u l-adjustament tal-parametri, bil-resultat ta’ tassenra l-livell ta’ intelligenza tas-sistema.

3.3 Aġġornament u Integrazzjoni tas-Sistema ta’ Kontroll