Kusimamiza Mawasiliano ya Moja kwa Moja ya Viwanda: Upandaji wa Inverter kwa Ajili ya Kuzuia Matumizi ya Nishati

Edwiin

Champu: Kituo cha umeme

China

Kama muundo wa uzalishaji, mifumo ya kimataifa ya umeme huathiri gharama za kujenga na athari ya mazingira. Uendeshaji wa kiwango chache kwa muda mrefu mara nyingi hutoa matumizi yasiyo ya faida wakati kukabiliana na maombi ya ongezeko la mizigo na kuwa na changamoto katika kudhibiti mipango kwa ufanisi. Teknolojia ya kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia tofauti ya mwanga inatoa suluhisho la bidii kwa masuala haya. Tafiti hii inatumia mfano wa mifumo ya kimataifa ya umeme ya nyumba ya umeme ili kutafuta mpangilio wa kupunguza na athari zake za kupunguza matumizi ya nishati, kusikiliza kwa mahitaji ya kupunguza matumizi ya nishati katika viwanda vingine.

1 Hali ya Sasa na Matumizi ya Inverter katika Mifumo ya Kimataifa ya Umeme

1.1 Vifaa Vipya

Mifumo ya kimataifa ya umeme ya nyumba ya umeme yanajumuisha sehemu tatu: mifumo ya kubadilisha nishati, vipimo vya upande wa moto, na mifumo ya kudhibiti. Mifumo ya kubadilisha nishati yanajumuisha vituo vya kiwango cha 10 kV, transformers, na vituo vya kiwango cha 400 V, vilivyopanuliwa kwa msimbo wa mti kwa ajili ya kubadilisha nishati. Upande wa moto unapewa kwa moto asilia kwa kutumia njia za kuanza kwa moja kwa moja au kwa kutumia njia za kuanza kwa kutumia star-delta. Mifupa ya pumpu hunajumuisha sehemu kubwa ya vifaa vya mitaa, iliyokuwa na pumpu za mizizi, pumpu za baridi, na pumpu za maji ya kuingiza. Vifaa hivi vinatofautiana kwa kiwango chache, na mzunguko unahusu kwa kutumia valves, kufanya matumizi ya nishati ikawa ngumu. Mfumo wa sasa unaonekana kuwa na usambazaji wa udhibiti mkubwa, na udhibiti wa kati wa kawaida. Mfumo wa juu unawasiliana na mfumo wa udhibiti wa mitaa kwa kutumia Ethernet ya kiwango cha umma ili kutumia data kwa kutumia eneo la kati na kutekeleza kwa umbali. Lakini, mfumo wa udhibiti wa sasa haujawahi kutumia hisabati za udhibiti za kiwango cha moto, kufanya kuvunjika katika udhibiti wa nishati na kuboresha mipango.

1.2 Matumizi ya Kuboresha

Kulingana na hali ya vifaa vya sasa, matumizi ya kuboresha kwa mifumo ya kimataifa ya umeme yanajumuisha kuboresha matumizi ya nishati na kuboresha udhibiti. Ni lazima kutumia teknolojia ya kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia inverter kwa ajili ya kufanya pumpu na mifupa iweze kuzingatia miomba ya mizigo.

Pia, kutumia pumpu za sasa na vifaa vya utaratibu, ni rahisi kutengeneza tovuti ya udhibiti ya akili inayotumia taarifa za cybersecurity ya daraja la 2. Kwa kutumia cloud computing na IoT, tovuti itaweza kutumia data kwa kutumia eneo la kati na udhibiti wa mitaa. Mfumo wa taasisi hutumia msimbo wa "tovuti ya kati + subsystems zenye usambazaji + vifaa vya kisanduku," kusaidia kutumia data kwa kutumia muda, kuboresha upanuzi, na kuhifadhi kwa usalama.

Tovuti ya kati, imeundwa kwa kutumia cluster ya servers yenye ufanisi, inatumia algorithmi za kutosha za data kwa kutumia msaada sahihi. Subsystems zenye usambazaji zinajumuisha moduli za kudhibiti hali ya vifaa, surveillance ya video, na kutokomeka data za mazingira, kusaidia kutumia zote za udhibiti wa utaratibu. Vifaa vya kisanduku, kwa kutumia programu za kisanduku, inaweza kutumia udhibiti kwa umbali na arifa kwa muda.

2 Msingi wa Athari za Kupunguza Matumizi ya Nishati

Uchanganuzi wa athari za kupunguza matumizi ya nishati wa teknolojia ya kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia inverter kwenye tafiti hii unatumia sheria za fans na pumpu na kanuni za kubadilisha nishati. Kulingana na hali ya vifaa vya nyumba ya umeme, namba kubwa ya pumpu na fans zinatofautiana kwa kiwango chache, na mzunguko unahusu kwa kutumia valves, kufanya matumizi ya nishati ikawa ngumu. Ingawa, kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia inverter kunaweza kubadilisha kiwango cha moto kwa kutumia miomba ya mizigo, kufanya kupunguza matumizi ya nishati. Sheria za fans na pumpu zimeundwa kwa kutumia uhusiano wa mzunguko, kiwango, na nguvu, na formula za hesabu zifuatazo:

ambapo $Q$ ni mzunguko (m³/h); $n$ ni kiwango cha moto (r/min); $H$ ni kiwango (m); $P$ ni nguvu (kW), na $P_{1}$ ina maana ya nguvu imara na $P_{2}$ ni nguvu kwenye kiwango chache. Formula ya kubadilisha nishati ya kiwango cha moto ni:

Kulingana na uhusiano wa msingi huu, wakati miomba ya mzunguko yanaondoka, moto anaweza kureduce kiwango chake kwa kutumia udhibiti wa mwanga, kufanya kupunguza nguvu na kupunguza matumizi ya nishati. Hii inatoa msingi wa hisabati kwa ubora wa kuboresha udhibiti na kuchukua mchakato wa kupunguza matumizi ya nishati.

3 Mpangilio wa Kuboresha wa Teknolojia ya Kudhibiti Kiwango Cha Moto Kwa Kutumia Inverter

3.1 Kuboresha Mifumo Ya Kubadilisha Nishati

Kwa kutumia teknolojia ya kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia inverter, tafiti hii imebuni mifumo ya kubadilisha nishati. Kwa mfumo wa kiwango cha juu, vituo vya 10 kV vilikuwa viburi kwa kutumia circuit breakers za vacuum za akili na kiwango cha moto kikuu cha 1,250 A na kiwango cha moto kikuu cha kuburudisha short-circuit cha 31.5 kA. Relays za protection za microprocessor zimeunganishwa, zinatoa protection za multifunction kama vile overcurrent, short-circuit, na ground fault, na muda wa jibu chache zaidi ya 20 ms. Mfumo wa monitoring wa power quality pia ulianzishwa, kutumia sensors za A-grade za precision kwa kutumia parameters kama vile harmonic content, voltage fluctuations, na three-phase unbalance kwa muda, kusaidia ustawi wa mfumo.

Kwa mfumo wa kiwango cha chini, mfumo wa 400 V ulikuwa muhimu wa kuboresha. Circuits za inverter zimeongezwa kwa mfumo wa sasa kwa kutumia cabinets za feeder zinazokuwa na molded-case circuit breakers za akili. Kiwango cha moto kilichopewa kati ya 400 A na 630 A kulingana na miomba ya mizigo, ina trip units za electronic kwa overload na protection ya short-circuit. Kila circuit za inverter imepewa switch ya isolating inayokufanana na kiwango cha moto kikuu cha circuit breaker na ina feature ya visible break kwa shughuli za kusafisha vifaa.

Kwa kupunguza harmonics, active power filters (APF) zimeanuliwa kwenye input side ya inverter, na specifikations zinazozingatia zimeorodheshwa kwenye Meza 1.

Kwa kupunguza grounding systems, tafiti hii imeunda TN-S wiring method, kuseparate neutral line (N) na protective earth line (PE) kutoka kwa distribution cabinet. PE line kuu inatumia conductors za copper na cross-sectional area isiyohesabu chache zaidi ya 95 mm² kusaidia resistance ya ground isiyohesabu chache zaidi ya 1 Ω. Equal potential bonding bars zimeongezwa kwenye maeneo muhimu kama vile inverters na motors, kutumia conductors za copper na cross-sectional area isiyohesabu chache zaidi ya 16 mm². Hii inaweza kusababisha common-mode interference na kuboresha performance ya EMC ya mfumo [21].

3.2 Chaguzi na Kuboresha Parameters za Vifaa vya Inverter

Chaguzi ya inverter inatumia uhusiano wa kutosha wa miomba ya mizigo na miomba ya utaratibu. Kwa miomba ya pumpu, vector control inverters zimechaguliwa, na kiwango cha moto chenye uhusiano wa kidole na motor, na overload capacity ya 150%/1 min. Tafiti hii imechagua ABB ACS880 series inverter, ambayo inatumia teknolojia ya DTC (Direct Torque Control), na muda wa jibu wa torque chache zaidi ya 5 ms na accuracy ya speed control ya ±0.01%. Kutumia hali ya mitaa, inverter imefungwa kwa IP54 protection rating, imeandaliwa kwa forced air cooling system, kusaidia airflow ya chache zaidi ya 1 m³/(min·kW).

Kwa kuboresha parameters, fokus ni kwenye kubadilisha PID control parameters na kutumia self-tuning algorithm iliyoundwa kwenye inverter. Kwa kutumia step response testing, optimal proportional gain $K_{p}$ , integral gain $K_{i}$ , na derivative gain $K_{d}$ zinahesabiwa kwa kiotomatiki. Formula ya PID controller output $u (t)$ ni:

Algorithm ya built-in auto-tuning ya inverter inatumika kwa kiotomatiki kwa hesabu ya optimal proportional gain $K_{p}$ (range: 0.1–100), integral time $T_{i}$ (range: 0.1–3600 s), na derivative time $T_{d}$ (range: 0–10 s) kwa kutumia step response test. Acceleration time imepelekwa kwa 10–30 s na deceleration time kwa 15–45 s kwa kusaidia kuzuia water hammer effects. Torque limiting imeanzishwa kwa setting ya 120% ya rated torque ya motor kwa kuzuia overload. Kwa miomba ya fan, energy-saving mode ya inverter imeanzishwa: under light-load conditions (load rate < 50%), output voltage imepunguzwa kwa kiotomatiki, kwa maximum reduction of up to 20%. Pia, V/F curve imebuni kwa kuongeza output voltage kwenye low-speed range (0–10 Hz) kwa kusaidia starting torque.

Sleep-wake function imepelekwa: when the operating frequency remains below 10 Hz for 60 s, the inverter enters sleep mode; it automatically wakes up when the system pressure drops by 5%, further improving system efficiency. In the basic inverter settings, the carrier frequency is set to 4 kHz. Based on the actual requirements of the power plant, the overvoltage and undervoltage protection thresholds are set to 418 V and 304 V, respectively. Additionally, the motor's rated parameters and multi-speed operation settings are configured as detailed in Table 2.

The calculation formulas for current limitation and minimum current optimization are respectively as follows:

where $I_{lim}$ is the maximum current limit; $I_{n}$ is the motor rated current; $I_{smin}$ is the minimum stator current; $I_{dopt}$ is the optimal excitation current; and $I_{q}$ is the torque current component. By incorporating current limiting and minimum current optimization strategies, fine-grained control of motor operation is achieved. Overvoltage and undervoltage protection settings ensure the motor operates within a safe range. Stall protection and current limiting measures effectively prevent overload. Additionally, this control method supports communication via the Modbus-RTU protocol, enabling remote monitoring and parameter adjustment, thereby significantly enhancing the system's intelligence level.

3.3 Kuboresha Mifumo Ya Udhibiti Na Kuunganisha

Kuboresha mifumo ya udhibiti inatumia Siemens S7-1500 series PLC, hasa modeli CPU 1517-3 PN/DP, ambayo inatumia 2 ns bit operation speed na 40 ns word operation speed. PLC inatumia 1.6 GB ya working memory na 32 MB ya load memory, inasaidia protocols za mawasiliano kama PROFINET, PROFIBUS, na OPC UA. Mfumo unatumia msimbo wa usambazaji wa distributed architecture na ET 200SP series remote I/O modules, kufanya muda wa mawasiliano wa 250 μs kwa kutumia PROFINET.

Msimbo wa programu unatumia TIA Portal V16 integrated development environment. Programu ya PLC inajumuisha function blocks (FBs) kwa mawasiliano ya inverter, PID control, Model Predictive Control (MPC), preprocessing ya data acquisition, na udhibiti wa alarm. Mfumo wa kijamii unaelezwa kwenye Fig. 1.

4 Uchanganuzi wa Athari Za Kupunguza Matumizi Ya Nishati

Athari za kupunguza matumizi ya nishati za teknolojia ya kudhibiti kiwango cha moto kwa kutumia inverter zinapatikana kwa kupunguza matumizi ya nishati na kuboresha ufanyikazi wa mfumo. Kwa kulinganisha data ya matumizi ya nishati kabla na baada ya kuboresha, ufanyikazi wa kupunguza matumizi ya nishati unaweza kuchukuliwa kwa kihesabu. Data ya baada ya kuboresha kwenye tafiti hii zimekutwa kwa kutumia njia ifuatavyo:

Mfumo wa Metering wa Nishati: Smart meters zimeanuliwa kwenye mifumo ya mizigo ya vifaa vya umeme kubwa kwa kutumia data ya matumizi ya nishati kabla na baada ya kuboresha. Modeli ya meter ni Schneider PM5560, na daraja ya accuracy ya 0.2S na sampling interval ya 15 dakika.
Function Zilizopo Kwenye Inverter: Built-in energy monitoring function ya ABB ACS880 inverter imekutwa kwa kutumia muda wa kufanya kazi, output power, na matumizi ya nishati. Data zimepelekwa kwenye chumba kikuu cha kudhibiti kwa kutumia Modbus-RTU protocol.
Mfumo wa SCADA: Real-time data acquisition na storage system imeundwa kwa kutumia Siemens WinCC V7.5 platform. Parameters muhimu kama vile kiwango cha moto, kiwango cha mizigo, output