Оптимизация управления промышленными двигателями: модернизация инвертора для экономии энергии

Поле: Выключатель питания

China

В качестве основы промышленного производства электрические системы автоматизации напрямую влияют на общие производственные затраты и воздействие на окружающую среду. Традиционная работа с постоянной скоростью часто приводит к потере энергии при изменении нагрузки и затрудняет точное управление процессами. Технология регулирования частоты вращения, как передовой метод управления двигателями, предлагает перспективное решение этих проблем. В данном исследовании рассматривается система электрической автоматизации электростанции, чтобы изучить схему модернизации на основе технологии инверторного управления скоростью и ее энергосберегающие эффекты, с целью предоставления руководства для повышения энергоэффективности в аналогичных промышленных сценариях.

1 Состояние и требования к модернизации применения инверторов в электрической автоматизации

1.1 Существующее оборудование

Система электрической автоматизации электростанции состоит из трех основных частей: системы распределения электроэнергии, приводов двигателей и системы управления. Система распределения электроэнергии включает высоковольтные коммутационные устройства на 10 кВ, трансформаторы и низковольтные коммутационные устройства на 400 В, расположенные в виде древовидной структуры для распределения электроэнергии. Приводы двигателей в основном представлены асинхронными двигателями, управляемыми методами прямого пуска или звездо-треугольного пуска. Насосные нагрузки составляют большую часть оборудования на месте, включая циркуляционные насосы, охлаждающие насосы и питательные насосы. Эти устройства работают с постоянной скоростью, а расход регулируется с помощью клапанов, что приводит к высокому энергопотреблению. Существующая архитектура системы относительно децентрализована, с частичным централизованным управлением. Верхний уровень системы мониторинга взаимодействует с системами управления на местах через промышленный Ethernet для обеспечения централизованного отображения данных и удаленного управления. Однако текущая система управления не имеет продвинутых алгоритмов управления переменной частотой, что приводит к недостаткам в управлении энергией и оптимизации процессов.

1.2 Требования к модернизации

На основе текущего состояния оборудования, основные требования к модернизации системы электрической автоматизации направлены на улучшение энергоэффективности и оптимизацию управления. Необходимо внедрить технологию управления скоростью на основе инверторов, чтобы эффективно управлять насосами и вентиляторами, регулируя скорость двигателя в соответствии с потребностями нагрузки.

Кроме того, используя существующие насосные станции и производственные объекты, необходимо срочно создать интеллектуальную платформу мониторинга, соответствующую требованиям уровня 2 защиты кибербезопасности. Основанная на облачных вычислениях и интегрированная с технологией IoT, эта платформа обеспечит бесшовную интеграцию между управлением предприятием и управлением на местах. Архитектура системы использует трехуровневую структуру "центральная платформа + распределенные подсистемы + мобильные терминалы", обеспечивая оперативное сбор данных, эффективную обработку и безопасное хранение.

Центральная платформа, построенная на базе высокопроизводительного кластера серверов, развертывает передовые алгоритмы анализа данных для предоставления точной поддержки принятия решений. Распределенные подсистемы включают модули для мониторинга состояния оборудования, видеонаблюдения и сбора параметров окружающей среды, охватывая все аспекты производственных операций. Мобильные терминалы, через специализированные приложения, обеспечивают удаленное мониторинг и моментальные уведомления.

2 Теоретические основы энергосберегающих эффектов

Анализ энергосберегающих эффектов технологии инверторного управления скоростью в данном исследовании основан на законах сходства для вентиляторов и насосов и принципах преобразования энергии при переменной частоте. Согласно эксплуатационному состоянию оборудования завода, большое количество насосов и вентиляторов работает с постоянной скоростью, регулируя расход с помощью клапанов, что приводит к значительным потерям энергии. В отличие от этого, управление скоростью с помощью инверторов позволяет адаптировать скорость двигателя к требованиям нагрузки, тем самым достигая экономии энергии. Законы сходства для вентиляторов и насосов основаны на отношениях между расходом, напором и мощностью, с соответствующими расчетными формулами следующего вида:

где $Q$ - расход (м³/ч); $n$ - скорость вращения (об/мин); $H$ - напор (м); $P$ - мощность (кВт), где $P_{1}$ представляет собой номинальную мощность, а $P_{2}$ - мощность при снижении скорости. Формула преобразования энергии для управления частотой вращения:

На основе вышеуказанных теоретических отношений, когда потребность в расходе системы уменьшается, двигатель автоматически снижает скорость с помощью управления частотой, значительно снижая потребление энергии и достигая экономии. Это предоставляет теоретическую основу для последующего проектирования модернизации и оценки энергосбережения.

3 Схема модернизации технологии управления скоростью на основе инверторов

3.1 Обновление системы распределения электроэнергии

Для эффективного внедрения технологии управления скоростью на основе инверторов, в данном исследовании была модернизирована существующая система распределения электроэнергии. Для высоковольтной системы 10-киловольтное коммутационное устройство было усилено установкой интеллектуальных вакуумных выключателей с номинальным током не менее 1250 А и номинальной короткозамкнутой мощностью 31,5 кА. Были интегрированы микропроцессорные реле защиты, обеспечивающие многофункциональную защиту, включая защиту от перегрузки, короткого замыкания и заземления, с временем реакции менее 20 мс. Также была внедрена система мониторинга качества электроэнергии, использующая датчики класса A высокой точности для реального времени мониторинга таких параметров, как содержание гармоник, колебания напряжения и трехфазное несоответствие, обеспечивая стабильность системы.

Для низковольтной системы фокус был сделан на обновление 400-вольтовой системы. К существующей системе были добавлены специальные линии питания инверторов, используя независимые шкафы питания, оснащенные интеллектуальными пластиковыми выключателями. Номинальный ток был выбран в диапазоне от 400 до 630 А в зависимости от требований нагрузки, с электронными блоками отключения для точной защиты от перегрузки и короткого замыкания. Каждая линия инвертора оснащена выключателем-разъединителем, соответствующим номинальному току выключателя, и имеет видимый разрыв для удобства технического обслуживания оборудования.

Для смягчения гармоник на входе инвертора установлены активные фильтры мощности (APF) с конкретными характеристиками, указанными в таблице 1.

Для оптимизации систем заземления в этом исследовании был использован метод проводки TN-S, отделяющий нейтральную линию (N) от защитной заземляющей линии (PE) начиная с распределительного шкафа. Главная PE-линия использует медные проводники с сечением не менее 95 мм², чтобы обеспечить сопротивление заземления менее 1 Ом. В критических местах оборудования, таких как инверторы и двигатели, были добавлены шины равного потенциала, используя медные проводники с сечением более 16 мм². Это эффективно подавляет общемодовое помехи и улучшает ЭМС системы [21].

3.2 Выбор и оптимизация параметров инверторного оборудования

Выбор инверторов основан на точном совпадении характеристик нагрузки и требований процесса. Для насосных нагрузок выбираются векторные инверторы, с их номинальной мощностью строго соответствующей двигателю, и перегрузочной способностью 150%/1 мин. В этом исследовании был выбран инвертор серии ABB ACS880, который использует технологию DTC (Direct Torque Control) с временем реакции момента менее 5 мс и точностью управления скоростью ±0,01%. Учитывая условия на месте, был использован герметичный инвертор с классом защиты IP54, оборудованный системой принудительного воздушного охлаждения, обеспечивающей поток воздуха не менее 1 м³/(мин·кВт).

Для оптимизации параметров акцент делается на настройке параметров ПИД-регулятора и использовании встроенных алгоритмов автоподстройки инвертора. С помощью теста переходного процесса определяются оптимальные коэффициенты пропорциональности $K_{p}$ , интегрального коэффициента $K_{i}$ и дифференциального коэффициента $K_{d}$ . Формула выхода ПИД-регулятора $u (t)$ следующая:

Встроенный алгоритм автоподстройки инвертора используется для автоматического расчета оптимального коэффициента пропорциональности $K_{p}$ (диапазон: 0,1–100), интегрального времени $T_{i}$ (диапазон: 0,1–3600 с) и дифференциального времени $T_{d}$ (диапазон: 0–10 с) через тест переходного процесса. Время ускорения установлено на 10–30 с, а время замедления на 15–45 с, чтобы эффективно предотвратить гидравлический удар. Ограничение момента включено с настройкой 120% от номинального момента двигателя, чтобы предотвратить перегрузку. Для вентиляторных нагрузок активирован энергосберегающий режим инвертора: при легкой нагрузке (нагрузка < 50%) выходное напряжение автоматически снижается, с максимальным снижением до 20%. Одновременно оптимизируется V/F-кривая, увеличивая выходное напряжение в диапазоне низких скоростей (0–10 Гц) для обеспечения достаточного пускового момента.

Настроена функция сна-пробуждения: если рабочая частота остается ниже 10 Гц в течение 60 с, инвертор переходит в режим сна; он автоматически просыпается, когда давление в системе падает на 5%, что дополнительно повышает эффективность системы. В базовых настройках инвертора частота несущей установлена на 4 кГц. На основе фактических требований электростанции пороги защиты от перенапряжения и понижения напряжения установлены на 418 В и 304 В соответственно. Кроме того, настроены номинальные параметры двигателя и настройки многоскоростного режима, как подробно указано в таблице 2.

Формулы для ограничения тока и оптимизации минимального тока следующие:

где $I_{lim}$ - максимальное ограничение тока; $I_{n}$ - номинальный ток двигателя; $I_{smin}$ - минимальный статорный ток; $I_{dopt}$ - оптимальный возбуждающий ток; и $I_{q}$ - компонент тока момента. Благодаря использованию стратегий ограничения тока и оптимизации минимального тока достигается детализированное управление работой двигателя. Настройки защиты от перенапряжения и понижения напряжения обеспечивают работу двигателя в безопасном диапазоне. Защита от заклинивания и меры ограничения тока эффективно предотвращают перегрузку. Кроме того, этот метод управления поддерживает связь через протокол Modbus-RTU, что позволяет осуществлять удаленный мониторинг и настройку параметров, значительно повышая уровень интеллектуальности системы.

3.3 Обновление и интеграция системы управления

Обновление системы управления использует программируемые логические контроллеры (ПЛК) серии Siemens S7-1500, в частности модель CPU 1517-3 PN/DP, которая имеет скорость битовых операций 2 нс и словесных операций 40 нс. ПЛК оснащен 1,6 ГБ оперативной памяти и 32 МБ памяти загрузки, поддерживающими протоколы связи, включая PROFINET, PROFIBUS и OPC UA. Система использует распределенную архитектуру с модулями удаленного ввода-вывода серии ET 200SP, обеспечивая цикл связи 250 мкс через PROFINET.

Программная архитектура основана на интегрированной среде разработки TIA Portal V16. Программа ПЛК включает функциональные блоки (FB) для связи с инверторами, управления ПИД, прогнозного управления (MPC), предварительной обработки сбора данных и управления тревогами. Подробная структура системы представлена на рисунке 1.

4 Анализ энергосберегающего эффекта

Энергосберегающие преимущества технологии управления скоростью с помощью инверторов в основном проявляются в снижении потребления энергии и повышении эффективности системы. Сравнивая данные о потреблении энергии до и после модернизации, можно количественно оценить энергосберегающую производительность. Данные системы после модернизации в этом исследовании собирались следующими методами:

Система учета энергии: Умные счетчики были установлены на линиях питания основного электрического оборудования для сбора данных о потреблении электроэнергии до и после модернизации. Модель счетчика Schneider PM5560, класс точности 0,2S, интервал выборки 15 минут.
Встроенные функции инвертора: Использовалась встроенная функция мониторинга энергии инвертора ABB ACS880 для записи времени работы, выходной мощности и потребления энергии. Данные передавались в центральный пункт управления через протокол Modbus-RTU.
<