Optimizacija industrijskega motorne kontrole: Nadgradnja inverterja za energijske prihranke

Kot jedro industrijske proizvodnje, električni avtomatski sistemi neposredno vplivajo na skupne stroške proizvodnje in okoljsko obremenjenost. Tradicionalna konstantna hitrost delovanja pogosto vodi do odpadanja energije pri odzivu na spremenjene zahteve po obremenitvi in težavam pri natančnem upravljanju procesov. Tehnologija spreminjanja frekvence za regulacijo hitrosti, kot napredna metoda nadzora motorjev, ponuja obetavno rešitev teh problemov. Ta študija uporablja električni avtomatski sistem elektrarne kot primer za raziskovanje sheme prenove na podlagi tehnologije nadzora hitrosti z pretvorniki in njegovih učinkov na varčevanje energije, s ciljem ponuditi referenco za izboljšave učinkovitosti energije v podobnih industrijskih situacijah.

1 Trenutno stanje in zahteve za prenovo uporabe pretvornikov v električni avtomatiki

1.1 Obstojno opremo

Električni avtomatski sistem elektrarne se glavno sestoji iz treh delov: sistema distribucije energije, enot pogona motorjev in kontrolnega sistema. Sistem distribucije energije vključuje visokonapetostno preklopnico 10 kV, transformatorje in nizkonapetostno preklopnico 400 V, ki so razpostavljene v drevesni strukturi za distribucijo energije. Pogoni motorjev so predvsem asinhroni motorji, ki so nadzirani z direktnim vklopom ali zmanjšanim zaganjanjem z zvezdasto-trikotno topologijo. Na mestu je največ pump, vključno s cirkulacijskimi, hladičnimi in vodnimi pumpami. Ti napravi delujejo na konstantni hitrosti, s protokom, ki je reguliran z ventili, kar vodi do visokih stroškov energije. Obstojna arhitektura sistema je relativno decentralizirana, z delno centraliziranim upravljanjem. Gornji nadzorno-sledilni sistem komunicira z terenskimi kontrolovnimi sistemi preko industrijskega Etherneta, da omogoči centralizirano prikazovanje podatkov in oddaljeno upravljanje. Trenutni kontrolni sistem pa manjka naprednim algoritmom za nadzor spremenljive frekvence, kar vodi do pomanjkljivosti v upravljanju energije in optimizaciji procesov.

1.2 Zahteve za prenovo

Na podlagi trenutnega stanja opreme se zahteve za prenovo električnega avtomatskega sistema osredotočajo predvsem na izboljšanje učinkovitosti energije in optimizacijo nadzora. Nujno je potrebno uvesti tehnologijo nadzora hitrosti z pretvorniki, da bi omogočili učinkovito delovanje pump in ventilatorjev s prilagajanjem hitrosti motorja zahtevam obremenitve.

Sedanji pumpne postaje in proizvodne instalacije nujno zahtevajo gradnjo inteligentne sledilne platforme, ki je v skladu s zahtevami za varnost ravni 2. Osnovana na oblaku in združena z IoT tehnologijo bo ta platforma omogočila brezhibno integracijo med poslovno upravljanjem in terenskim nadzorom. Sistemsko arhitekturo sestavlja trije nivoji "centralna platforma + distribuirani podsistemi + mobilni terminali", ki zagotavljajo hiter zajem podatkov, učinkovito obdelavo in varno shranjevanje.

Centralna platforma, zgrajena na visoko zmogljivem klasterju strežnikov, namesti napredne algoritme za analizo podatkov, da zagotovi natančne podatke za odločanje. Distribuirani podsistemi vključujejo module za spremljanje stanja opreme, videospremljanje in zbiranje okoljskih parametrov, ki celovito pokrivajo vse vidike proizvodnih operacij. Mobilni terminali, preko prilagojenih aplikacij, omogočajo oddaljeno spremljanje in takojšnja obvestila.

2 Teoretična podlaga učinkov varčevanja energije

Analiza učinkov varčevanja energije tehnologije nadzora hitrosti z pretvorniki v tej študiji je predvsem temeljita na zakonih sorazmerja za ventilatore in pompe in na principih prenosa energije pri regulaciji hitrosti z spremenljivo frekvenco. Glede na operativno stanje opreme v elektrarni veliko pump in ventilatorjev deluje na konstantni hitrosti z regulacijo protoka z ventili, kar vodi do znatnih izgub energije. Nasprotno, nadzor hitrosti z spremenljivo frekvenco prilagaja hitrost motorja zahtevam obremenitve, s čimer doseže ušparje energije. Zakoni sorazmerja za ventilatore in pompe so vzpostavljeni na podlagi odnosov med protokom, vznosom in močjo, z relevantnimi računskimi formulami, kot sledi:

kjer je $Q$ protok (m³/h); $n$ hitrost vrtenja (ob/min); $H$ vznos (m); $P$ moč (kW), kjer P1P1 predstavlja nominalno moč in P2P2 moč pri znižani hitrosti. Formula za prenose energije pri regulaciji hitrosti z spremenljivo frekvenco je:

Na podlagi zgornjih teoretičnih odnosov, ko se zahteva za protokom sistema zmanjša, motor samodejno zniža hitrost z nadzorom frekvence, kar znatno zmanjša porabo energije in doseže ušparje energije. To ponuja teoretično podlago za nadaljnje oblikovanje prenove in ocenjevanje ušparnosti energije.

3 Shema prenove tehnologije nadzora hitrosti z pretvorniki

3.1 Posodobitev sistema distribucije energije

Za učinkovito izvedbo tehnologije nadzora hitrosti z pretvorniki je ta študija posodobila obstoječi sistem distribucije energije. Za visokonapetostni sistem je 10 kV preklopnica bila izboljšana z namestitvijo pametnih vakuumskih prekinitvenih preklopnikov z nominalnim tokom, ki ni manjši od 1.250 A in nominalno kapaciteto za prekinjanje kratkih krmeljnih tokov 31,5 kA. Bile so integrirane mikroprocesorske zaščitne rele, ki zagotavljajo večfunkcijsko zaščito, vključno z prekomernim tokom, kratkimi krmelji in zemlji, z odzivnim časom pod 20 ms. Uveden je bil tudi sistem za spremljanje kakovosti električne energije, ki uporablja senzorje visoke natančnosti razreda A za realnočasno spremljanje parametrov, kot so harmonični vsebini, nihanja napetosti in neuravnoteženost treh faza, s tem da zagotavlja stabilnost sistema.

Za nizkonapetostni sistem je bil fokus posodobitve na 400 V sistemu. K obstoječemu sistemu so bile dodane posebne vodilnice za pretvornike z uporabo neodvisnih vodilnih kabinetov, opremljenih z pametnimi levljivimi preklopniki. Nominalni tok je bil izbran med 400 A in 630 A glede na zahteve za obremenitev, z elektronskimi trip enotami za natančno zaščito pred prekomernim tokom in kratkimi krmelji. Vsaka vodilnica pretvornika je opremljena z odvoznim preklopnikom, ki se ujema z nominalnim tokom preklopnika in vključuje vidno prekid, da olajša vzdrževanje opreme.

Za zmanjšanje harmonik so na vhodu pretvornika nameščeni aktivni filtri moči (APF), z določenimi specifikacijami, kot je navedeno v Tabeli 1.

Za optimizacijo sistemov zemljenja je ta študija uporabila metodo priključevanja TN-S, ki loči neutralno vodilo (N) od zaščitnega zemljenega vodila (PE) od distribucijskega kabinetа. Glavno PE vodilo uporablja bakrene vodiče s premerom vsaj 95 mm², da zagotovi upornost zemljenja manjšo od 1 Ω. Dodani so bili enakopotencialni spojni traki na ključnih lokacijah opreme, kot so pretvorniki in motorji, z uporabo bakrenih vodil s premerom večjim od 16 mm². To učinkovito zmanjša skupne modusne motnje in izboljša EMC zmogljivost [21].

3.2 Izbor in optimizacija parametrov opreme pretvornikov

Izbor pretvornikov temelji na točnem prilagajanju karakteristik obremenitve in zahtev procesa. Za obremenitve pump so izbrani pretvorniki s vektorskim nadzorom, s svojo nominalno močjo, ki strogostopnjo ustrezata motorju, in prekomerno zmogljivostjo 150% / 1 min. Ta študija je izbrala serijo pretvornikov ABB ACS880, ki ima tehnologijo DTC (Direct Torque Control) z časom odziva torza manjšim od 5 ms in natančnostjo nadzora hitrosti ±0,01%. Glede na lokalno okolje je bil uporabljen zaprti pretvornik z stopnjo zaščite IP54, opremljen z prisilnim hladilnim sistemom, ki zagotavlja hladilni tok zraka, ki ni manjši od 1 m³/(min·kW).

Za optimizacijo parametrov je fokus na prilagajanju parametrov PID nadzora in uporabi samoodpravnega algoritma, vgrajenega v pretvornik. Skozi testiranje odziva koraka, je optimalni proporcionalni koeficient KpKp, integralni koeficient KiKi in diferencialni koeficient KdKd avtomatsko izračunan. Formula za izhod PID nadzornika $u(t)$ je:

Vgrajen samoodpravni algoritem pretvornika se uporablja za avtomatsko izračunavanje optimalnega proporcionalnega koeficienta KpKp (razpon: 0,1–100), integralnega časa TiTi (razpon: 0,1–3600 s) in diferencialnega časa TdTd (razpon: 0–10 s) skozi testiranje odziva koraka. Čas ubrzanja je nastavljen na 10–30 s in čas zmanjševanja na 15–45 s, da bi učinkovito preprečili vodni udar. Omogočena je omejitev torza z nastavitvijo 120% nominalnega torza motorja, da bi preprečili prekomerno obremenitev. Za obremenitve ventilatorjev je aktiviran energetski ušparen način delovanja pretvornika: pri lahkem obremenitvi (stopnja obremenitve < 50%) je izhodna napetost avtomatsko znižana, z maksimalnim zmanjšanjem do 20%. Medtem je krivulja V/F optimizirana z povečanjem izhodne napetosti v nizkospremnem obsegu (0–10 Hz), da zagotovi zadostno začetni torz.

Konfiguriran je funkcija spanca/bdenja: ko ostane operativna frekvenca pod 10 Hz 60 s, pretvornik vstopi v način spanca; samodejno se probudi, ko se pritisk sistema zmanjša za 5%, s tem da še bolj izboljša učinkovitost sistema. V osnovnih nastavitvah pretvornika je nosilna frekvenca nastavljena na 4 kHz. Na podlagi dejanskih zahtev elektrarne so bili pragovi za zaščito pred prekomerno in premalo napetostjo nastavljeni na 418 V in 304 V, z uporabo nominalnih parametrov motorja in nastavitev za večhitrostno delovanje, kot je podrobno opisano v Tabeli 2.

Formule za omejitev toka in optimizacijo minimalnega toka so naslednje:

kjer je IlimIlim maksimalni meja toka; InIn nominalni tok motorja; IsminIsmin minimalni tok statorja; IdoptIdopt optimalni tok navzočenja; in IqIq komponenta toka torza. Z vključitvijo strategij omejitve toka in optimizacije minimalnega toka je dosežen fineren nadzor delovanja motorja. Nastavitve za zaščito pred prekomerno in premalo napetostjo zagotavljajo, da motor deluje v varnem obsegu. Zaščita pred zaustavljanjem in ukrepi za omejitev toka učinkovito preprečujejo prekomerno obremenitev. Dodatno ta način nadzora podpira komunikacijo preko protokola Modbus-RTU, s tem da omogoča oddaljeno spremljanje in prilagajanje parametrov, s tem da bistveno izboljša stopnjo inteligenčnosti sistema.

3.3 Posodobitev in integracija kontrolnega sistema

Posodobitev kontrolnega sistema uporablja PLC Siemens S7-1500 serije, konkretno model CPU 1517-3 PN/DP, ki ima hitrost bitnih operacij 2 ns in hitrost besednih operacij 40 ns. PLC je opremljen z 1,6 GB delovne pomnilnik in 32 MB naloznega pomnilnika, podpira komunikacijske protokole, vključno z PROFINET, PROFIBUS in OPC UA. Sistem uporablja distribuirano arhitekturo z oddaljenimi I/O moduli serije ET 200SP, ki doseže 250 µs komunikacijski cikel preko PROFINET.

Programska arhitektura temelji na integriranem razvojnem okolju TIA Portal V16. Program PLC vključuje funkcionalne bloke (FB) za komunikacijo z pretvorniki, PID nadzor, Prediktivni nadzor (MPC), predobdelavo zbiranja podatkov in upravljanje alarmov. Podroben sistemski okvir je prikazan na Sliki 1.