Optimizacija kontrole industrijskih motora: Retrogradna postavka invertera za uštedu energije

Edwiin

Polje: Prekidač struje

China

Kao jezgro industrijske proizvodnje, električne automatizovane sisteme direktno utiču na ukupne troškove proizvodnje i ekološki uticaj. Tradična konstantna brzina rada često dovodi do odbačenja energije prilikom odgovora na promenljive zahteve za opterećenjem i teško postiže preciznu kontrolu procesa. Tehnologija regulacije frekvencije brzine, kao napredni metod kontrole motora, nudi obetavajuće rešenje za ove probleme. Ova studija uzima električni automatizovani sistem termoelektrane kao primer da bi istražila shemu nadogradnje baziranu na tehnologiji regulacije brzine inverterom i njen efekat u smislu uštede energije, sa ciljem da pruži referentnu tačku za poboljšanja energetske učinkovitosti u sličnim industrijskim scenarijima.

1 Trenutno stanje i zahtevi za nadogradnjom primene invertera u električnoj automatizaciji

1.1 Postojeće opreme

Električni automatizovani sistem termoelektrane se uglavnom sastoji od tri dela: sistema raspodele struje, jedinica pogona motora i kontrolnog sistema. Sistem raspodele struje uključuje visokonaponsku aparaturu na 10 kV, transformatore i niskonaponsku aparaturu na 400 V, raspoređenu u drvo-strukturu za raspodelu struje. Pogoni motora su uglavnom asinhroni motori kontrolirani metodom direktnog ulaska u rad ili metodom redukcije napona zvijezda-delta. Opterećenje pumpa predstavlja najveći deo opreme na terenu, uključujući cirkulacione vodene pompe, hladne vodene pompe i prelivne pompe. Ovi uređaji rade na konstantnoj brzini, sa protokom regulisanim preko ventila, što dovodi do visokih potrošnji energije. Postojeća arhitektura sistema je relativno decentralizovana, sa delimičnim centralizovanim upravljanjem. Gornji nivo nadzornog sistema komunicira sa poljskim kontrolnim sistemima putem industrijskog Etherneta kako bi omogućio centralizovan prikaz podataka i daljinsko upravljanje. Međutim, trenutni kontrolni sistem nedostaje napredne algoritme kontrole promenljive frekvencije, što dovodi do nedostataka u upravljanju energijom i optimizaciji procesa.

1.2 Zahtevi za nadogradnjom

Na osnovu trenutnog stanja opreme, zahtevi za nadogradnjom električnog automatizovanog sistema se uglavnom fokusiraju na poboljšanje energetske učinkovitosti i optimizaciju kontrole. Potrebno je uvesti tehnologiju regulacije brzine baziranu na inverteru kako bi se omogućio efikasan rad pumpi i ventilatorima prilagođavanjem brzine motora potrebi za opterećenjem.

Uz to, koristeći postojeće pumpne stanice i proizvodne objekte, postoji urgencija za izgradnjom inteligentne nadzorne platforme u skladu sa zahtevima za zaštitom nivoa 2. Centrirana na cloud računanje i integrisana sa IoT tehnologijom, ova platforma će omogućiti bezprekidnu integraciju između upravljanja preduzećem i poljske kontrole. Arhitektura sistema usvaja trostruku strukturu "centralna platforma + distribuirani podsistemi + mobilni terminali", obezbeđujući stvarno-vremensko prikupljanje podataka, efikasnu obradu i sigurno čuvanje.

Centralna platforma, izgrađena na visoko performantnom klasteru servera, implementira napredne algoritme analize podataka kako bi pružila tačnu podršku donošenju odluka. Distribuirani podsistemi uključuju module za monitoring stanja opreme, video nadzor i prikupljanje parametara okruženja, kompletno pokrivajući sve aspekte proizvodnih operacija. Mobilni terminali, kroz prilagođene aplikacije, omogućavaju daljinski monitoring i instantne obaveštenja.

2 Teorijska osnova efekata uštede energije

Analiza efekata uštede energije tehnologije regulacije brzine inverterom u ovoj studiji se uglavnom zasniva na afinitetnim zakonima za ventilatore i pompe i principima pretvorbe energije promenljive frekvencije. Na osnovu stanja rada opreme u elektranama, veliki broj pumpi i ventilatora radi na konstantnoj brzini sa protokom regulisanim preko ventila, što dovodi do značajnih gubitaka energije. U suprotnosti, regulacija brzine inverterom prilagođava brzinu motora potrebi za opterećenjem, time ostvarujući uštedu energije. Afinitetni zakoni za ventilatore i pompe su utvrđeni na osnovu odnosa između protoka, pogađaja i snage, sa relevantnim formulama za izračunavanje kao što su:

gde $Q$ predstavlja protok (m³/h); $n$ predstavlja rotacionu brzinu (ob/min); $H$ predstavlja pogađaj (m); $P$ predstavlja snagu (kW), gde $P_{1}$ predstavlja nominalnu snagu, a $P_{2}$ snagu na smanjenoj brzini. Formula za pretvorbu energije promenljive frekvencije je:

Na osnovu gorenavedenih teorijskih odnosa, kada se zahtev za protokom sistema smanji, motor automatski smanjuje brzinu putem kontrole frekvencije, značajno smanjujući potrošnju energije i ostvarujući uštedu. Ovo pruža teorijsku osnovu za kasnije dizajn nadogradnje i procenu uštede energije.

3 Shema nadogradnje tehnologije regulacije brzine inverterom

3.1 Unapređenje sistema raspodele struje

Da bi se efikasno implementirala tehnologija regulacije brzine inverterom, ova studija unapredila je postojeći sistem raspodele struje. Za visokonaponski sistem, 10 kV aparatura je unapređena instalacijom pametnih vakuumskih prekidača sa nominalnim tokom od najmanje 1,250 A i nominalnom kapacitetom prekidača kratkog spoja od 31.5 kA. Integrirani su mikroprocesorski zaštitni releji, koji nude multifunkcionalnu zaštitu uključujući prekomerni tok, kratak spoj i zemljni grešak, sa vremenom odziva ispod 20 ms. Uveden je i sistem monitoringa kvaliteta struje, koristeći senzore visoke preciznosti klase A za stvarno-vremenski monitoring parametara poput harmonijskog sadržaja, fluktuacija napona i nebalans tri-faznog sistema, obezbeđujući stabilnost sistema.

Za niskonaponski sistem, fokus nadogradnje bio je na 400 V sistem. Dodati su posebni feeder kola za invertere u postojeći sistem, koristeći nezavisne feeder ormare opremljene pametnim plastifikovanim prekidačima. Nominalni tok je odabran između 400 A i 630 A na osnovu zahteva za opterećenjem, sa elektronskim trip jedinicama za preciznu zaštitu od preopterećenja i kratkog spoja. Svako inverter kolo je opremljeno prekidačem za izolaciju koji se poklapa sa nominalnim tokom prekidača i uključuje vidljiv prekid kako bi olakšao održavanje opreme.

Za smanjenje harmonika, instalirani su aktivni filteri moći (APF) na ulazu invertera, sa specifičnim specifikacijama navedenim u Tabeli 1.

Za optimizaciju sistema zemljanja, ova studija usvojila je TN-S metodu žičenja, razdvajajući neutralnu liniju (N) od zemljane linije zaštite (PE) počevši od distribucijskog ormara. Glavna PE linija koristi bakrene provodnike sa presečnim poprečnjem od najmanje 95 mm² kako bi se osigurala otpornost na zemlju manja od 1 Ω. Dodate su ravne potencijalne vezivanja na ključnim lokacijama opreme, poput invertera i motora, koristeći bakrene provodnike sa presečnim poprečnjem većim od 16 mm². Ovo efektivno smanjuje zajednički mod interferencije i poboljšava EMC performanse [21].

3.2 Izbor i optimizacija parametara inverter opreme

Izbor invertera zasniva se na preciznom podudaranju karakteristika opterećenja i zahteva procesa. Za opterećenja pumpi, izabrani su vektorski kontrolirani inverteri, sa njihovom nominalnom snagom strogo odgovarajućom motoru, i prekomernom kapacitetom od 150%/1 min. Ova studija izabrala je seriju invertera ABB ACS880, koja poseduje DTC (Direct Torque Control) tehnologiju, sa vremenom odziva momenta manjim od 5 ms i preciznošću kontrole brzine od ±0.01%. Uzimajući u obzir okruženje na mestu, korišćen je zatvoreni inverter sa IP54 zaštitom, opremljen sistemom prisilnog hlađenja vazduhom, obezbeđujući hlađeni protok vazduha od najmanje 1 m³/(min·kW).

Za optimizaciju parametara, fokus je na podešavanju PID kontrolnih parametara i korišćenju ugrađenog algoritma samopodešavanja invertera. Kroz testiranje odziva na stepen, optimalni proporcionalni koeficijent $K_{p}$ , integralni koeficijent $K_{i}$ i derivativni koeficijent $K_{d}$ automatski se izračunavaju. Formula za izlaz PID kontrolera $u (t)$ je:

Ugrađeni algoritam samopodešavanja invertera koristi se za automatsko izračunavanje optimalnog proporcionalnog koeficijenta $K_{p}$ (opseg: 0.1–100), integralnog vremena $T_{i}$ (opseg: 0.1–3600 s) i derivativnog vremena $T_{d}$ (opseg: 0–10 s) putem testa odziva na stepen. Vreme ubrzavanja postavljeno je na 10–30 s, a vreme usporavanja na 15–45 s kako bi se efektivno sprečili efekti udara vode. Omogućena je ograničenja momenta sa postavkom od 120% nominalnog momenta motora kako bi se sprečilo preopterećenje. Za opterećenja ventilatora, aktiviran je režim uštede energije invertera: pod laganim opterećenjima (stopa opterećenja < 50%), izlazni napon se automatski smanjuje, sa maksimalnim smanjenjem do 20%. Uz to, V/F kriva je optimizovana povećanjem izlaznog napona u niskobrzom opsegu (0–10 Hz) kako bi se osigurao dovoljan startni moment.

Konfigurisan je funkcija spavanka-budenje: kada operativna frekvencija ostane ispod 10 Hz duž 60 s, inverter ulazi u režim spavanka; automatski se buđe kada se sistemska pritisnuta sniži za 5%, dodatno poboljšavajući učinkovitost sistema. U osnovnim postavkama invertera, nosni frekvencija je postavljena na 4 kHz. Na osnovu stvarnih zahteva elektrane, pragovi zaštitne prekomerne i premalene napona su postavljeni na 418 V i 304 V, redom. Takođe, nominalni parametri motora i postavke višestruke brzine su konfigurisani kao što je detaljno navedeno u Tabeli 2.

Formule za ograničenje struje i optimizaciju minimalne struje su redom sledeće:

gde $I_{lim}$ predstavlja maksimalno ograničenje struje; $I_{n}$ predstavlja nominalnu struju motora; $I_{smin}$ predstavlja minimalnu struju statora; $I_{dopt}$ predstavlja optimalnu magnetizacijsku struju; a $I_{q}$ predstavlja komponentu momenta struje. Uključivanjem strategija ograničenja struje i optimizacije minimalne struje, dostiže se fina kontrola rada motora. Postavke zaštitne prekomerne i premalene napona osiguravaju da motor radi u sigurnom opsegu. Zaštita od zastaivšeg rada i mere ograničenja struje efektivno sprečavaju preopterećenje. Takođe, ovaj metod kontrole podržava komunikaciju putem Modbus-RTU protokola, omogućavajući daljinski monitoring i podešavanje parametara, time značajno poboljšavajući inteligentnost sistema.

3.3 Unapređenje i integracija kontrolnog sistema

Unapređenje kontrolnog sistema koristi PLC serije Siemens S7-1500, posebno model CPU 1517-3 PN/DP, koji posjeduje brzinu bit operacija od 2 ns i brzinu rec operacija od 40 ns. PLC je opremljen 1.6 GB radne memorije i 32 MB memorijskog opterećenja, podržavajući komunikacione protokole uključujući PROFINET, PROFIBUS i OPC UA. Sistem usvaja distribuiranu arhitekturu sa udaljenim I/O modulima serije ET 200SP, ostvarujući komunikacioni ciklus od 250 μs putem PROFINET-a.

Softverska arhitektura zasniva se na integrisanom okruženju za razvoj TIA Portal V16. PLC program uključuje funkcione blokove (FB) za komunikaciju invertera, PID kontrolu, Model Predictive Control (MPC), preradu prikupljanja podataka i upravljanje alarmima. Detaljna struktura sistema ilustrovana je na Slici 1.