Optimalisering av industriell motorstyring: Inverteroppgradering for energibesparelse

Edwiin

Felt: Strømskru

China

Som kjerne i industriell produksjon har elektriske automatiseringssystemer direkte innvirkning på totale produksjonskostnader og miljøpåvirkning. Tradisjonell konstantfartshåndtering fører ofte til energiforbruk når det svarer på varierte lastbehov og gjør nøyaktig prosesskontroll vanskelig å oppnå. Variabel frekvenshastighetsreguleringsteknologi, som en avansert motorkontrollmetode, gir et lovende løsning til disse problemene. Denne studien tar elektrisk automatiseringssystemet i en kraftverk som eksempel for å utforske en ombyggingsskjema basert på inverter-hastighetskontrollteknologi og dens energibesparende effekter, med mål om å gi en referanse for energieffektivitetsforbedringer i lignende industrielle scenarier.

1 Nåværende situasjon og ombyggingstilpasninger for inverterapplikasjoner i elektrisk automatisering

1.1 Eksisterende utstyr

Elektrisk automatiseringssystemet i kraftverket består hovedsakelig av tre deler: strømforsyningssystem, motordriftsenheter og kontrollsystemet. Strømforsyningssystemet inkluderer 10 kV høyspenningsbrytere, transformatorer og 400 V lavspenningsbrytere, organisert i et trærstruktur for strømforsyning. Motordrivere er primært asynkrone motorer kontrollert ved direkte start eller stjernedeltredusert spenning. Pumpebelastninger utgjør den største andelen av lokalt utstyr, inkludert sirkulasjonsvannpumper, kjølevannspumper og fôrvannspumper. Disse enhetene opererer med konstant hastighet, med flyt reguleres via ventil, som resulterer i høyt energiforbruk. Det eksisterende systemarkitektur er relativt desentralisert, med delvis sentralisert administrasjon. Det øvre overvåkingssystemet kommuniserer med feltkontrollsystemer via industriell Ethernet for å muliggjøre sentralisert datavisning og fjernoperasjon. Imidlertid mangler det nåværende kontrollsystemet avanserte kontrollalgoritmer for variabel frekvenshastighetsregulering, noe som fører til mangler i energiadministrasjon og prosessoptimalisering.

1.2 Ombyggingstilpasninger

Basert på status for eksisterende utstyr, fokuserer ombyggingstilpasningene for elektrisk automatiseringssystem hovedsakelig på å forbedre energieffektivitet og optimalisere kontroll. Det er nødvendig å introdusere inverterbasert hastighetskontrollteknologi for å muliggjøre effektiv drift av pumper og ventilatorer ved å justere motorhastighet for å matche lastbehov.

Samtidig, ved å utnytte eksisterende pumpestasjoner og produksjonsanlegg, er det akutt behov for å bygge en intelligent overvåkingsplattform i samsvar med nivå 2 sikkert beskyttelseskrav. Sentrert rundt skyberegning og integrert med IoT-teknologi, vil denne plattformen muliggjøre seemless integrasjon mellom bedriftsledelse og feltkontroll. Systemarkitekturen bruker en trestruktur av "sentral plattform + distribuerte subsystemer + mobilt terminal", som sikrer sanntidsdatainnsamling, effektiv behandling og sikker lagring.

Den sentrale plattformen, bygget på et høyytelses serverkluster, deployer avanserte dataanalysealgoritmer for å gi nøyaktig beslutningsstøtte. Distribuerte subsystemer inkluderer moduler for utstyrstillstandsovervåking, videosovervåking og miljøparameterinnsamling, som dekker alle aspekter av produksjonsoperasjoner. Mobilt terminal, gjennom tilpassede applikasjoner, tillater fjernovervåking og umiddelbar varsling.

2 Teoretisk grunnlag for energibesparende effekter

Analyse av energibesparende effekter av inverter-hastighetskontrollteknologi i denne studien er hovedsakelig basert på affinitetslover for ventilatorer og pumper og energiomsettningsprinsippene for variabel frekvenshastighetsregulering. I henhold til driftsstatus for anleggets utstyr, opererer et stort antall pumper og ventilatorer med konstant hastighet med flyt reguleres ved hjelp av ventil, noe som fører til betydelige energitap. I motsetning til dette, justerer variabel frekvenshastighetskontroll motorhastighet for å matche lastbehov, noe som fører til energibesparelse. Affinitetslover for ventilatorer og pumper er etablert basert på forholdet mellom flyt, høyde og effekt, med relevante beregningsformler som følger:

der $Q$ er flyten (m³/h); $n$ er rotasjonshastigheten (o/min); $H$ er høyden (m); $P$ er effekten (kW), med $P_{1}$ som representerer den nominelle effekten og $P_{2}$ effekten ved redusert hastighet. Energioversettelsesformelen for variabel frekvenshastighetsregulering er:

Basert på ovennevnte teoretiske forhold, når systemflytbehovet reduseres, reduserer motoren automatisk hastigheten via frekvenskontroll, noe som betydelig senker effektforbruket og oppnår energibesparelse. Dette gir et teoretisk grunnlag for den etterfølgende ombyggingdesign og energibesparelsesevaluering.

3 Ombyggingsskjema for inverter-hastighetskontrollteknologi

3.1 Oppgradering av strømforsyningssystem

For å effektivt implementere inverter-hastighetskontrollteknologi, ble det eksisterende strømforsyningssystemet oppgradert i denne studien. For høyspenningsystemet ble 10 kV brytere forbedret ved installering av intelligente vakuumkretsutslag med en nominell strøm på minst 1,250 A og en nominell kortslutningsbryterkapasitet på 31.5 kA. Mikroprosessorbaserede beskyttelsesreléer ble integrert, som gir multifunksjonell beskyttelse inkludert overstrøm, kortslutning og jordfeil, med en respons tid under 20 ms. Et elektrisk kvalitetsovervåkingssystem ble også introdusert, som bruker klasse A høypræcis sensorer for å overvåke parametre som harmonisk innhold, spenningsfluktuerasjoner og tre-fase ubalans i sanntid, for å sikre systemstabilitet.

For lavspenningsystemet var 400 V systemet fokus for oppgraderingen. Dedikerte invertermatrute ble lagt til det eksisterende systemet ved hjelp av uavhengige matrutekabinetter utstyrt med intelligente formete kretsutslag. Den nominelle strømmen ble valgt mellom 400 A og 630 A basert på lastbehov, med elektroniske tripenheter for nøyaktig overlast og kortslutningsbeskyttelse. Hver invertermatrute er utstyrt med en skilleutslag som matcher kretsutslagets nominelle strøm og inkluderer en synlig bryting for å forenkle utstyrsvedlikehold.

For harmonisk reduksjon, er aktive strømfilter (APF) installert på inverterens inngangsside, med spesifikke spesifikasjoner som listet i Tabell 1.

For optimalisering av jordingsystemer, brukte denne studien TN-S koblingsmetoden, som separerer neutralen (N) fra jordingslinjen (PE) fra distribusjonskabinet. Den hoved PE-linjen bruker kobberledere med et krysningsareal på minst 95 mm² for å sikre en jordmotstand på mindre enn 1 Ω. Likpotensialbindingstaver ble lagt til kritiske utstyrlokasjoner som inverter og motorer, ved hjelp av kobberledere med et krysningsareal større enn 16 mm². Dette demper effektivt fellesmodusstøy og forbedrer systemets EMC-ytelse [21].

3.2 Utvelgelse og parameteroptimalisering av inverterutstyr

Utvelgelsen av inverterer er basert på nøyaktig matching av lastegenskaper og prosesskrav. For pumpebelastninger velges vektorkontrollinverter, med deres nominelle effekt strengt samsvarer med motorens, og en overlastkapasitet på 150%/1 min. Denne studien valgte ABB ACS880-serien inverter, som har DTC (Direct Torque Control) teknologi, med en dreiemomentrespons tid på mindre enn 5 ms og hastighetskontrollnøyaktighet på ±0.01%. Med tanke på lokal miljø, ble en tett inverter med IP54 beskyttelsesklasse brukt, utstyrt med en tvunget luftkjølingssystem, som sikrer en kjølingluftstrøm på minst 1 m³/(min·kW).

For parameteroptimalisering, er fokuset på å justere PID-kontrollparametre og benytte den innebygde selvjusteringsalgoritmen i inverteren. Gjennom trinnrespons testing, beregnes den optimale proporsjonelle forsterkningen $K_{p}$ , integral forsterkningen $K_{i}$ og derivativ forsterkningen $K_{d}$ automatisk. Beregningsformelen for PID-kontrolleroutput $u (t)$ er:

Innebygd selvjusteringsalgoritme i inverteren brukes for å automatisk beregne den optimale proporsjonelle forsterkningen $K_{p}$ (område: 0.1–100), integrasjons tid $T_{i}$ (område: 0.1–3600 s) og derivativ tid $T_{d}$ (område: 0–10 s) gjennom en trinnrespons test. Akselerasjonstiden er satt til 10–30 s og dekelerasjonstiden til 15–45 s for å effektivt forhindre vannhammer-effekter. Dreiemomentbegrensning er aktivert med en innstilling på 120% av motorens nominelle dreiemoment for å unngå overlast. For ventilatorbelastninger, aktiveres inverterens energibesparelsesmodus: under lett belasted betingelser (lastandel < 50%), reduseres outputspenningen automatisk, med en maksimal reduksjon på opptil 20%. Samtidig optimeres V/F-kurven ved å øke spenningsoutputtet i lavhastighetsområdet (0–10 Hz) for å sikre tilstrekkelig startdreiemoment.

En sove-oppvåkningsfunksjon er konfigurert: når operasjonsfrekvensen forbli under 10 Hz i 60 s, går inverteren i sovemodus; den vekkes automatisk når systemtrykket synker med 5%, noe som ytterligere forbedrer systemeffektiviteten. I de grunnleggende inverterinnstillingene er bærebølgefrequensen satt til 4 kHz. Basert på kraftverkets faktiske krav, er overspennings- og underspenningsbeskyttelse terskler satt til henholdsvis 418 V og 304 V. I tillegg er motorens nominelle parametere og flerspillingsoperasjonsinnstillinger konfigurert som detaljert beskrevet i Tabell 2.

Beregningsformlene for strømbegrensning og minimumstrømsoptimalisering er henholdsvis som følger:

der $I_{lim}$ er maksimal strømbegrensning; $I_{n}$ er motorens nominelle strøm; $I_{smin}$ er minimum statorstrøm; $I_{dopt}$ er optimal oppmagnet strøm; og $I_{q}$ er dreiemomentstrømkomponent. Ved å integrere strømbegrensning og minimumstrømsoptimalisering strategier, oppnås fininnsiktlig kontroll av motordrift. Overspennings- og underspenningsbeskyttelsesinnstillinger sikrer at motoren fungerer innenfor et trygt område. Stoppbeskyttelse og strømbegrensningstiltak effektivt forhindrer overlast. I tillegg støtter denne kontrollmetoden kommunikasjon via Modbus-RTU protokoll, som muliggjør fjernovervåking og parameterjustering, noe som betydelig forbedrer systemets intelligensnivå.

3.3 Kontrollsystemoppgradering og integrasjon

Kontrollsystemoppgraderingen bruker Siemens S7-1500 serien PLC, spesielt CPU 1517-3 PN/DP modellen, som har en 2 ns bitoperasjonshastighet og en 40 ns ordoperasjonshastighet. PLC-en er utstyrt med 1.6 GB arbeidsminne og 32 MB lastminne, som støtter kommunikasjonsprotokoller inkludert PROFINET, PROFIBUS og OPC UA. Systemet bruker en distribuert arkitektur med ET 200SP serien remote I/O-moduler, som oppnår en 250 μs kommunikasjonssyklus via PROFINET.

Programvarearkitekturen er basert på TIA Portal V16 integrert utviklingsmiljø. PLC-programmet inkluderer funksjonsblokker (FBs) for inverterkommunikasjon, PID-kontroll, Model Predictive Control (MPC), datainnsamling forbehandling, og alarmhåndtering. Det detaljerte systemrammeverket er illustrert i Figur 1.

4 Analyse av energibesparende effekter

Energibesparende fordeler av inverter-hastighetskontrollteknologi reflekteres hovedsakelig i redusert effektforbruk og forbedret systemeffektivitet. Ved å sammenligne energiforbrukdata før og etter ombygging, kan energibesparelsesytelsen kvantitativt evalueres. Post-ombyggingssystemdata i denne studien ble samlet inn ved hjelp av følgende metoder:

Energioppgjørssystem: Smartmålere ble installert på strømforsyningssystemene til viktig elektrisk utstyr for å samle inn energiforbrukdata før og etter ombygging. Målermodellen er Schneider PM5560, med en nøyaktighetsklasse på 0.2S og en samplingintervall på 15 minutter.
Innebygde funksjoner i inverteren: Innebygd energiovervåkingsfunksjon i ABB ACS880-inverteren ble brukt til å registrere driftstid, output effekt, og energiforbruk. Data ble sendt til sentral kontrollrom via Modbus-RTU protokollen.
SCADA-system: Et sanntidsdatainnsamling og -lagringssystem ble bygget ved hjelp av Siemens WinCC V7.5-plattform. Nøkkelparam