Optimering av industriell motorstyrning: Inverterretrofit för energibesparing

Edwiin

Fält: Strömbrytare

China

Som kärnan i industriell produktion påverkar elautomatiseringssystem direkt den totala produktionskostnaden och miljöpåverkan. Traditionell konstanthastighetsdrift leder ofta till energiförbrukning när det gäller att svara på varierande belastningskrav och gör det svårt att uppnå precist processstyrning. Variabelfrekvenshastighetsregleringsteknik, som en avancerad motorstyrmetod, erbjuder en lovande lösning på dessa problem. Denna studie tar elautomatiseringssystemet i en kraftverk som exempel för att utforska ett ombyggnadsprogram baserat på inverterhastighetsstyrningsteknik och dess energisparande effekter, med syftet att ge en referens för energieffektivitetsförbättringar i liknande industriella situationer.

1 Nuvarande status och ombyggnadsbehov för inverteranvändning i elautomatisering

1.1 Befintlig utrustning

Elautomatiseringssystemet i kraftverket består huvudsakligen av tre delar: elfördelningsystemet, motordrivsystem och styrsystemet. Elfördelningsystemet inkluderar 10 kV högspänningsväxlar, transformatorer och 400 V lågspänningsväxlar, arrangerade i ett trädstruktur för elfördelning. Motordriv är huvudsakligen asynkronmotorer styrd av direktstart eller stjärnatriangelreducerad spänningsstartmetoder. Pumpbelastningar utgör den största andelen av platsutrustning, inklusive cirkulationsvattenpumpar, kylvattenpumpar och förvattenpumpar. Dessa enheter drivs vid konstant hastighet, med flöde reglerat via ventil, vilket resulterar i hög energiförbrukning. Det befintliga systemarkitekturen är relativt decentraliserad, med partiell centraliserad hantering. Överliggande övervakningssystem kommunicerar med fältkontrollsystem via industriell Ethernet för att möjliggöra centraliserad datavisning och fjärrstyrning. Men det nuvarande kontrollsystemet saknar avancerade kontrollalgoritmer för variabelfrekvenshastighetsreglering, vilket leder till brister i energihantering och processoptimering.

1.2 Ombyggnadsbehov

Baserat på den nuvarande utrustningsstatusen fokuserar ombyggnadsbehoven för elautomatiseringssystemet huvudsakligen på förbättring av energieffektivitet och optimering av styrning. Det är nödvändigt att införa inverterbaserad hastighetsstyrningsteknik för att möjliggöra effektiv drift av pumpar och fläktar genom att anpassa motorhastighet till belastningskraven.

Samtidigt, genom att utnyttja befintliga pumpstationer och produktionsanläggningar, finns det ett akut behov av att bygga en intelligent övervakningsplattform som är i överensstämmelse med cybersäkerhetskrav på nivå 2. Centrerad runt molnbaserad beräkning och integrerad med IoT-teknik kommer denna plattform att möjliggöra sömlös integration mellan företagsledning och fältkontroll. Systemarkitekturen antar en trefaset struktur av "central plattform + distribuerade subsystem + mobilterminaler", vilket säkerställer realtidsdatainsamling, effektiv bearbetning och säker lagring.

Centralplattformen, byggd på ett högpresterande serverkluster, distribuerar avancerade dataanalysalgoritmer för att ge exakt beslutstöd. Distribuerade subsystem inkluderar moduler för utrustningsstatusövervakning, videövervakning och miljöparameternas insamling, vilket täcker alla aspekter av produktionsoperationer. Mobilterminaler, genom anpassade applikationer, möjliggör fjärrövervakning och omedelbara notifikationer.

2 Teoretisk grund för energisparande effekter

Analysen av energisparande effekter av inverterhastighetsstyrningsteknik i denna studie baseras huvudsakligen på affinitetslagar för fläktar och pumpar och energiomvandlingsprinciper för variabelfrekvenshastighetsreglering. Enligt driftstatus för anläggningens utrustning fungerar ett stort antal pumpar och fläktar vid konstant hastighet med flöde reglerat av ventiler, vilket resulterar i betydande energiförluster. I motsats till detta anpassar variabelfrekvenshastighetsstyrning motorhastighet för att matcha belastningskraven, vilket leder till energisparande. Affinitetslagen för fläktar och pumpar är etablerad baserat på relationerna mellan flöde, höjd och effekt, med relevanta beräkningsformler som följer:

där $Q$ är flödet (m³/h); $n$ är rotationshastigheten (om/min); $H$ är höjden (m); $P$ är effekten (kW), där $P_{1}$ representerar den nominella effekten och $P_{2}$ effekten vid reducerad hastighet. Energiomvandlingsformeln för variabelfrekvenshastighetsreglering är:

Baserat på de ovanstående teoretiska relationerna, när systemflödesbehov minskar, minskar motorn automatiskt sin hastighet genom frekvenskontroll, vilket drastiskt sänker energiförbrukningen och uppnår energisparande. Detta ger en teoretisk grund för den efterföljande ombyggnadsdesignen och energisparandebedömningen.

3 Ombyggnadsprogram för inverterhastighetsstyrningsteknik

3.1 Uppgradering av elfördelningsystem

För att effektivt implementera inverterhastighetsstyrningsteknik uppgraderades det befintliga elfördelningsystemet i denna studie. För högspänningssystemet förstärktes 10 kV växlar genom installation av intelligenta vakuumbrytare med en nominell ström på minst 1 250 A och en nominell kortslutningsavbrottskapacitet på 31,5 kA. Mikroprocessorbaserade skyddsrörelser integrerades, vilket ger multifunktional skydd inklusive överströmning, kortslutning och jordfel, med en respons tid under 20 ms. Ett elektriskt kvalitetsövervakningssystem introducerades också, med hjälp av klass A-gradens högprecisionssensorer för att övervaka parametrar som harmoniskt innehåll, spänningsfluktuationer och trefasobalans i realtid, vilket säkerställer systemets stabilitet.

För lågspänningssystemet fokuserades uppdateringen på 400 V-systemet. Speciella inverterförsörscirkuiter lades till det befintliga systemet med hjälp av oberoende försörskabiner utrustade med intelligenta formade brytare. Den nominella strömmen valdes mellan 400 A och 630 A beroende på belastningskrav, med elektroniska trip-enheter för precist överbelastnings- och kortslutningsskydd. Varje invertercirkit är utrustad med en isolerande växla som matchar brytarans nominella ström och inkluderar en synlig brytbarhet för att underlätta underhåll av utrustning.

För harmonidämpning installeras aktiva effektfilter (APF) på inverterns ingångssida, med specifika specifikationer som listas i tabell 1.

För optimering av jordningsystem använder denna studie TN-S ledningsmetoden, vilket separerar neutralledningen (N) från skyddsjordledningen (PE) från distributionskabinettet. Huvud PE-ledningen använder kopparledare med ett tvärsnitt på minst 95 mm² för att säkerställa en jordmotstånd på mindre än 1 Ω. Likpotentialbindningslinjer lades till vid kritiska utrustningsplatser såsom inverter och motorer, med kopparledare med ett tvärsnitt större än 16 mm². Detta undertrycker effektivt gemensamma lägesstörningar och förbättrar systemets EMC-prestanda [21].

3.2 Val och parameteroptimering av inverterutrustning

Val av inverter baseras på precist matchning av belastningskarakteristik och processkrav. För pumpbelastningar väljs vektorstyrda inverter, med deras nominella effekt strikt motsvarande motorns, och en överbelastningskapacitet på 150%/1 min. Denna studie valde ABB ACS880-seriens inverter, som har DTC (Direct Torque Control) teknik, med en momentrespons tid på mindre än 5 ms och hastighetsstyrningsnoggrannhet på ±0,01%. Med tanke på platsmiljön användes en sluten inverter med IP54-skyddsklass, utrustad med en tvingad luftkylningssystem, vilket säkerställer en kylningsluftflöde på minst 1 m³/(min·kW).

För parameteroptimering fokuseras på justering av PID-styrningsparametrarna och användning av den inbyggda själjusteringsalgoritmen i invertern. Genom stegsrespons testning beräknas den optimala proportionella vinsten $K_{p}$ , integralvinsten $K_{i}$ och derivativvinsten $K_{d}$ beräknas automatiskt. Beräkningsformeln för PID-regulatorns utmatning $u (t)$ är:

Den inbyggda själjusteringsalgoritmen i invertern används för att automatiskt beräkna den optimala proportionella vinsten $K_{p}$ (interval: 0,1–100), integraltid $T_{i}$ (interval: 0,1–3600 s) och derivativtid $T_{d}$ (interval: 0–10 s) genom ett stegsresponstest. Accelerationstid inställs till 10–30 s och decelerationstid till 15–45 s för att effektivt förhindra vattenhammareffekter. Momentbegränsning aktiveras med en inställning på 120% av motorns nominella moment för att förhindra överbelastning. För fläktbelastningar aktiveras inverterns energisparande läge: vid lätta belastningar (belastningsgrad < 50%) minskas utgångsspänningen automatiskt, med en maximal minskning på upp till 20%. Samtidigt optimeras V/F-kurvan genom att öka spänningsutgången i låghastighetsområdet (0–10 Hz) för att säkerställa tillräckligt startmoment.

En sovläge/vaknläge-funktion konfigureras: när driftfrekvensen håller sig under 10 Hz i 60 sekunder går invertern in i sovläge; den vaknar automatiskt när systemtrycket minskar med 5%, vilket ytterligare förbättrar systemeffektiviteten. I de grundläggande inverterinställningarna sätts bärfrekvensen till 4 kHz. Baserat på kraftverkets faktiska krav sätts överspänning och underspänningsskyddströsklar till 418 V och 304 V, respektive. Dessutom konfigureras motorns nominella parametrar och flersnabbhetsdriftsinriktningar som detaljerat i tabell 2.

Beräkningsformlerna för ström begränsning och minimal strömoptimering är respektive som följer:

där $I_{lim}$ är den maximala strömbegränsningen; $I_{n}$ är motorns nominella ström; $I_{smin}$ är den minsta statorströmmen; $I_{dopt}$ är det optimala excitationströmmen; och $I_{q}$ är momentströmkomponenten. Genom att integrera strömbegränsning och minimal strömoptimeringsstrategier uppnås finstyrd kontroll av motoroperation. Överspänning och underspänningsskyddssätt säkerställer att motorn fungerar inom ett säkert intervall. Stagnationskydd och strömbegränsningsåtgärder förhindrar effektivt överbelastning. Dessutom stöder denna styrmetod kommunikation via Modbus-RTU-protokollet, vilket möjliggör fjärrövervakning och parameterjustering, vilket betydligt förbättrar systemets intelligensnivå.

3.3 Uppgradering och integrering av styrsystem

Uppgraderingen av styrsystemet använder Siemens S7-1500-serien PLC, specifikt CPU 1517-3 PN/DP-modellen, vilken har en 2 ns bitoperationshastighet och en 40 ns ordoperationshastighet. PLC:en är utrustad med 1,6 GB arbetsminne och 32 MB lastminne, stödjer kommunikationsprotokoll inklusive PROFINET, PROFIBUS och OPC UA. Systemet använder en distribuerad arkitektur med ET 200SP-seriens fjärr I/O-moduler, vilket uppnår en 250 µs kommunikationscykel via PROFINET.

Programvaruarkitekturen baseras på TIA Portal V16-integrerade utvecklingsmiljö. PLC-programmet inkluderar funktionblock (FB) för inverterkommunikation, PID-styrning, prediktiv modellstyrning (MPC), datainsamlingsförbehandling och alarmhantering. Det detaljerade systemramverket illustreras i figur 1.

4 Analys av energisparande effekt

De energisparande fördelarna med inverterhastighetsstyrningsteknik återspeglas huvudsakligen i minskad energiförbrukning och förbättrad systemeffektivitet. Genom att jämföra energiförbrukningsdata innan och efter ombyggnaden kan energisparande prestanda kvantitativt utvärderas. Systemdata efter ombyggnaden i denna studie samlades in med följande metoder:

Energimätningssystem: Smarta mätare installerades på elförsörslinjerna för viktig elutrustning för att samla in elkonsumtionsdata innan och efter ombyggnaden. Mätarmodellen är Schneider PM5560, med noggrannhetsklass 0,2S och sampelintervallet 15 minuter.
Inverter inbyggda funktioner: Inbyggda energiövervakningsfunktionen i ABB ACS880-inverter användes för att registrera drifttid, utgångseffekt och energiförbrukning. Data överfördes till centralkontrollrummet via Modbus-RTU-protokollet.
SCADA-system: Ett realtidsdatainsamlings- och lagringssystem byggdes med hjälp av Siemens WinCC V7.5-plattform. Viktiga parametrar som motorhastighet, belastningsgrad, utgångsspän