Optimalisatie van industriële motoraandrijving: Inverter upgrade voor energiebesparing

Edwiin

Veld: Stroomschakelaar

China

Als het hart van de industriële productie hebben elektrische automatiseringssystemen directe invloed op de totale productiekosten en het milieu. Traditionele constante snelheidsbewerking leidt vaak tot energieverlies bij variërende belastingseisen en maakt nauwkeurige procescontrole moeilijk te realiseren. Variabele frequentiesnelheidsregeltechnologie biedt als een geavanceerde motorbesturingstechniek een veelbelovende oplossing voor deze problemen. Deze studie neemt het elektrische automatiseringssysteem van een elektriciteitscentrale als voorbeeld om een verbouwschema te verkennen op basis van inverter-snelheidsregeltechnologie en haar energiebesparende effecten, met als doel een referentie te bieden voor efficiëntieverbeteringen in vergelijkbare industriële scenario's.

1 Huidige situatie en verbouwvereisten van inverter-toepassingen in elektrische automatisering

1.1 Bestaande apparatuur

Het elektrische automatiseringssysteem van de elektriciteitscentrale bestaat voornamelijk uit drie delen: het stroomdistributiesysteem, motordrijfeenheden en het controle systeem. Het stroomdistributiesysteem omvat 10 kV hoogspanningscontactdozen, transformatoren en 400 V laagspanningscontactdozen, gerangschikt in een boomstructuur voor stroomdistributie. Motordrijven zijn voornamelijk asynchrone motoren die worden bestuurd door direct-aansluiting of ster-delta verminderde spanning startmethoden. Pomplasten vormen het grootste deel van de plaatselijke apparatuur, waaronder circulatiepompen, koelpompen en voedingswaterpompen. Deze apparaten werken op constante snelheid, met debiet gereguleerd via kleppen, wat leidt tot hoge energieverbruik. De bestaande systeemarchitectuur is relatief gedecentraliseerd, met gedeeltelijke centrale beheer. Het bovenliggende monitoringssysteem communiceert met veldcontrolesystemen via industrieel Ethernet om centrale datadisplay en externe bediening mogelijk te maken. Echter, het huidige controlesysteem mist geavanceerde regelalgoritmen voor variabele frequentiesnelheidsregeling, wat leidt tot tekortkomingen in energiebeheer en procesoptimalisatie.

1.2 Verbouwvereisten

Op basis van de huidige toestand van de apparatuur richten de verbouwvereisten voor het elektrische automatiseringssysteem zich vooral op het verbeteren van de energie-efficiëntie en de optimalisatie van de controle. Het is nodig om inverter-gebaseerde snelheidsregeltechnologie in te voeren om pompen en ventilatoren efficiënt te laten werken door de motorsnelheid aan te passen aan de belastingseisen.

Tegelijkertijd, met behulp van bestaande pompstations en productiefaciliteiten, is er een dringende behoefte om een slimme monitoringsplatform te bouwen dat voldoet aan de eisen van niveau 2 cybersecurity. Gebaseerd op cloudcomputing en geïntegreerd met IoT-technologie, zal dit platform naadloze integratie tussen ondernemingsbeheer en veldcontrole mogelijk maken. De systeemarchitectuur adopteert een drielaags structuur van "centraal platform + gedistribueerde subsystemen + mobiele terminals", waarbij reële tijd data-ontvangst, efficiënte verwerking en veilige opslag worden gegarandeerd.

Het centrale platform, gebouwd op een high-performance server cluster, implementeert geavanceerde data-analysealgoritmen om nauwkeurige beslissingsondersteuning te bieden. Gedistribueerde subsystemen omvatten modules voor toestandsmonitoring van apparatuur, videobewaking en milieuparameterscollectie, die alle aspecten van de productieoperaties volledig dekken. Mobiele terminals, via aangepaste applicaties, stellen externe monitoring en directe meldingen in staat.

2 Theoretische basis van energiebesparende effecten

De analyse van de energiebesparende effecten van inverter-snelheidsregeltechnologie in deze studie is voornamelijk gebaseerd op de affiniteitswetten voor ventilatoren en pompen en de energieconversieprincipes van variabele frequentiesnelheidsregeling. Volgens de werkstatus van de installatieapparatuur werken een groot aantal pompen en ventilatoren op constante snelheid met debiet gereguleerd door kleppen, wat resulteert in aanzienlijke energieverliezen. In tegenstelling daarmee past variabele frequentiesnelheidsregeling de motorsnelheid aan aan de belastingsbehoeften, waardoor energie wordt bespaard. De affiniteitswetten voor ventilatoren en pompen zijn opgesteld op basis van de relaties tussen debiet, hoofd en vermogen, met de relevante berekeningsformules als volgt:

waar $Q$ het debiet (m³/h) is; $n$ de rotatiesnelheid (r/min); $H$ het hoofd (m); $P$ het vermogen (kW), met $P_{1}$ het nominale vermogen vertegenwoordigend en $P_{2}$ het vermogen bij verminderde snelheid. De energieconversieformule voor variabele frequentiesnelheidsregeling is:

Op basis van de bovenstaande theoretische relaties, wanneer de systeemdebiet-eis afneemt, vermindert de motor automatisch de snelheid via frequentieregeling, waardoor het vermogen aanzienlijk wordt verlaagd en energie wordt bespaard. Dit biedt een theoretische basis voor het latere verbouwontwerp en de evaluatie van energiebesparing.

3 Verbouwschema van inverter-snelheidsregeltechnologie

3.1 Upgraden van het stroomdistributiesysteem

Om de inverter-snelheidsregeltechnologie effectief te implementeren, werd in deze studie het bestaande stroomdistributiesysteem geüpgraded. Voor het hoogspanningsysteem werd de 10 kV contactdoos versterkt door intelligente vacuümschakelaars te installeren met een nominale stroom van minstens 1.250 A en een nominale kortsluitbrekcapaciteit van 31,5 kA. Microprocessor-gebaseerde beschermingsrelais werden geïntegreerd, die multifunctionele bescherming bieden, inclusief overstroming, kortsluiting en aardingfout, met een reactietijd onder 20 ms. Een elektrisch energiekwaliteitsmonitoringsysteem werd ook ingevoerd, gebruikmakend van klasse A-high-precision sensoren om parameters zoals harmonische inhoud, spanningsschommelingen en driefasenonevenwichtigheid in realtime te monitoren, zodat de systeemstabiliteit wordt gewaarborgd.

Voor het laagspanningsysteem was de 400 V systeem het focus van de upgrade. Specifieke invertervoeder circuits werden toegevoegd aan het bestaande systeem met behulp van onafhankelijke voederkasten uitgerust met intelligente gevormde-case schakelaars. De nominale stroom werd gekozen tussen 400 A en 630 A, afhankelijk van de belastingsbehoeften, met electronische trip-units voor precieze overlast- en kortsluitingsbescherming. Elk invertercircuit is uitgerust met een isolatieschakelaar die overeenkomt met de nominale stroom van de schakelaar en heeft een zichtbaar breukpunt om het onderhoud van de apparatuur te vergemakkelijken.

Voor harmonische beperking worden actieve filterapparaten (APF) geïnstalleerd aan de inverter-ingangsseite, met specifieke specificaties zoals vermeld in Tabel 1.

Voor de optimalisatie van aardingsystemen, werd in deze studie de TN-S bedradingsmethode geadopteerd, waarbij de neutrale lijn (N) vanaf de distributiekast wordt gescheiden van de aardingslijn (PE). De hoofd PE-lijn gebruikt koperleiders met een doorsnede van ten minste 95 mm² om een aardweerstand van minder dan 1 Ω te garanderen. Potentiële gelijkmakingsbalken werden toegevoegd op cruciale locaties van apparatuur zoals inverters en motoren, met koperleiders met een doorsnede groter dan 16 mm². Dit onderdrukt effectief gemeenschappelijke modus-interferentie en verhoogt de EMC-prestaties van het systeem [21].

3.2 Selectie en parameteroptimalisatie van inverter-apparatuur

De selectie van inverters is gebaseerd op nauwkeurige matching van belastingskenmerken en procesvereisten. Voor pompbelastingen worden vectorcontrole-inverters gekozen, waarvan het nominale vermogen strikt overeenkomt met dat van de motor, en een overbelastingscapaciteit van 150%/1 min. In deze studie werd de ABB ACS880 serie inverter geselecteerd, die DTC (Direct Torque Control) technologie kenmerkt, met een torkreactietijd van minder dan 5 ms en een snelheidscontrole precisie van ±0,01%. Met inachtneming van de ter plaatse omgeving, werd een afgesloten inverter met een IP54 beschermingsgraad gebruikt, uitgerust met een gedwongen luchtverkoelsysteem, waarmee een verkoelluchtstroom van minstens 1 m³/(min·kW) wordt gegarandeerd.

Voor parameteroptimalisatie, is de focus op het aanpassen van de PID-controleparameters en het gebruik van de in de inverter ingebouwde self-tuning-algoritme. Door staprespons-testen, worden de optimale proportionele winst $K_{p}$ , integrale winst $K_{i}$ , en differentiële winst $K_{d}$ automatisch berekend. De berekening formule voor de PID-controller output $u (t)$ is:

Het ingebouwde auto-tuning-algoritme van de inverter wordt gebruikt om de optimale proportionele winst $K_{p}$ (bereik: 0,1–100), integraaltijd $T_{i}$ (bereik: 0,1–3600 s), en differentiëltijd $T_{d}$ (bereik: 0–10 s) automatisch te berekenen via een staprespons-test. De versnellings tijd is ingesteld op 10–30 s en de afremmingstijd op 15–45 s om effectief waterhamer-effecten te voorkomen. Torkbeperking is ingeschakeld met een instelling van 120% van de nominale tork van de motor om overbelasting te voorkomen. Voor ventilatorbelastingen wordt de energiebesparingsmodus van de inverter geactiveerd: onder lichte belasting (belastingsgraad < 50%), wordt de uitvoervoltage automatisch verlaagd, met een maximale vermindering van maximaal 20%. Tegelijkertijd wordt de V/F-curve geoptimaliseerd door de voltage-output in het lage snelheidsbereik (0–10 Hz) te verhogen om voldoende starttork te waarborgen.

Een slaap-wake-functie is geconfigureerd: wanneer de werksnelheid langer dan 60 seconden onder 10 Hz blijft, gaat de inverter in slaapmodus; hij wordt automatisch gewekt wanneer de systeemdruk met 5% daalt, waardoor de systeemefficiëntie verder wordt verbeterd. In de basisingeinstellingen van de inverter is de dragersignalfrequentie ingesteld op 4 kHz. Op basis van de werkelijke eisen van de elektriciteitscentrale, zijn de drempels voor overvoltage en ondervermogensbescherming respectievelijk ingesteld op 418 V en 304 V. Daarnaast zijn de nominale parameters van de motor en de multi-speed-operatie-instellingen geconfigureerd zoals gedetailleerd in Tabel 2.

De berekening formules voor stroombeperking en minimale stroomoptimalisatie zijn respectievelijk als volgt:

waar $I_{lim}$ de maximale stroomlimiet is; $I_{n}$ de nominale stroom van de motor; $I_{smin}$ de minimale statorstroom; $I_{dopt}$ de optimale opwekkingsstroom; en $I_{q}$ de torkstroomcomponent. Door stroombeperking en minimale stroomoptimalisatiestrategieën in te voeren, wordt fijnmazige controle over de motorbedrijfsprestaties bereikt. Instellingen voor overvoltage- en ondervermogensbescherming zorgen ervoor dat de motor binnen een veilig bereik werkt. Stall-bescherming en stroombeperkingsmaatregelen voorkomen effectief overbelasting. Bovendien ondersteunt deze controle methode communicatie via het Modbus-RTU-protocol, waardoor externe monitoring en parameteraanpassing mogelijk zijn, waardoor de intelligentieniveau van het systeem aanzienlijk wordt verhoogd.

3.3 Upgrade en integratie van het controle systeem

De upgrade van het controle systeem maakt gebruik van de Siemens S7-1500 serie PLC, specifiek het CPU 1517-3 PN/DP model, met een bitbewerkingsnelheid van 2 ns en een woordbewerkingsnelheid van 40 ns. De PLC is uitgerust met 1,6 GB werkgeheugen en 32 MB belastinggeheugen, met ondersteuning voor communicatieprotocollen waaronder PROFINET, PROFIBUS en OPC UA. Het systeem adopteert een gedistribueerde architectuur met ET 200SP serie externe I/O-modules, waarmee een 250 μs communicatiecyclus via PROFINET wordt bereikt.

De softwarearchitectuur is gebaseerd op de TIA Portal V16 geïntegreerde ontwikkelomgeving. Het PLC-programma omvat function blokken (FBs) voor invertercommunicatie, PID-controle, Model Predictive Control (MPC), data-acquisitie preprocessing, en alarmmanagement. Het gedetailleerde systeemframework wordt weergegeven in Figuur 1.

4 Analyse van energiebesparende effecten

De energiebesparende voordelen van inverter-snelheidsregeltechnologie worden voornamelijk weerspiegeld in verminderd energieverbruik en verbeterde systeemefficiëntie. Door de energieverbruiksgegevens voor en na de verbouw te vergelijken, kan de energiebesparende prestatie kwantitatief worden geëvalueerd. De systeemgegevens na de verbouw in deze studie werden verzameld met behulp van de volgende methoden:

Energie metering systeem: Slimme meters werden geïnstalleerd op de voedingslijnen van belangrijk elektrisch apparaat om elektriciteitsverbruiksgegevens voor en na de verbouw te verzamelen. Het metermodel is Schneider PM5560, met een nauwkeurigheidsklasse van 0,2S en een bemonsteringsinterval van 15 minuten.
Ingebouwde functies van de inverter: De ingebouwde energie-monitoringfunctie van de ABB ACS880 inverter werd gebruikt om bedrijfstijd, uitvoervermogen en energieverbruik te registreren. Gegevens werden via het Modbus-RTU-protocol naar de centrale controlekamer verzonden.
SCADA-systeem: Een real-time gegevensacquisitie- en opslagsysteem werd opgezet met behulp van de Siemens WinCC V