การเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรม: การปรับเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์เพื่อประหยัดพลังงาน
ในฐานะหัวใจของการผลิตอุตสาหกรรม ระบบอัตโนมัติทางไฟฟ้ามีผลโดยตรงต่อค่าใช้จ่ายในการผลิตโดยรวมและผลกระทบที่มีต่อสิ่งแวดล้อม การทำงานที่ความเร็วคงที่แบบดั้งเดิมมักทำให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานเมื่อตอบสนองต่อความต้องการโหลดที่เปลี่ยนแปลงและทำให้การควบคุมกระบวนการอย่างแม่นยำเป็นไปได้ยาก เทคโนโลยีการปรับความเร็วโดยใช้ความถี่แปรผัน ซึ่งเป็นวิธีการควบคุมมอเตอร์ขั้นสูง นำเสนอทางออกที่น่าสนใจสำหรับปัญหาเหล่านี้ การศึกษาครั้งนี้ใช้ระบบอัตโนมัติทางไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าเป็นตัวอย่างเพื่อสำรวจแผนการปรับปรุงตามเทคโนโลยีการควบคุมความเร็วด้วยอินเวอร์เตอร์และการประหยัดพลังงาน เพื่อให้เป็นแนวทางในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานในสถานการณ์อุตสาหกรรมที่คล้ายคลึงกัน
1 สถานะปัจจุบันและความต้องการในการปรับปรุงของการใช้อินเวอร์เตอร์ในระบบอัตโนมัติทางไฟฟ้า
1.1 อุปกรณ์ที่มีอยู่
ระบบอัตโนมัติทางไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าประกอบด้วยสามส่วนหลัก ได้แก่ ระบบจ่ายไฟฟ้า หน่วยขับเคลื่อนมอเตอร์ และระบบควบคุม ระบบจ่ายไฟฟ้าประกอบด้วยสวิตช์แรงดันสูง 10 กิโลโวลต์ เครื่องแปลงไฟฟ้า และสวิตช์แรงดันต่ำ 400 โวลต์ จัดวางในโครงสร้างรูปต้นไม้เพื่อกระจายพลังงาน มอเตอร์ขับเคลื่อนส่วนใหญ่เป็นมอเตอร์อะซิงโครนัสที่ควบคุมโดยวิธีการเริ่มการทำงานโดยตรงหรือการเริ่มการทำงานลดแรงดันแบบดาว-ดอลลาร์ โหลดปั๊มน้ำเป็นอุปกรณ์ที่มีจำนวนมากที่สุดบนไซต์ รวมถึงปั๊มน้ำหมุนเวียน ปั๊มน้ำเย็น และปั๊มน้ำ пит ซึ่งทำงานที่ความเร็วคงที่ โดยปรับปริมาณน้ำผ่านวาล์ว ส่งผลให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานสูง โครงสร้างระบบปัจจุบันมีการกระจายอย่างมาก พร้อมการจัดการแบบรวมศูนย์บางส่วน ระบบตรวจสอบระดับบนสุดสื่อสารกับระบบควบคุมภาคสนามผ่าน Ethernet ทางอุตสาหกรรม เพื่อให้แสดงข้อมูลรวมศูนย์และดำเนินการระยะไกลได้ แต่ระบบควบคุมปัจจุบันขาดอัลกอริธึมควบคุมขั้นสูงสำหรับการควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผัน ทำให้เกิดข้อบกพร่องในการจัดการพลังงานและการปรับปรุงกระบวนการ
1.2 ความต้องการในการปรับปรุง
ตามสภาพอุปกรณ์ปัจจุบัน ความต้องการในการปรับปรุงระบบอัตโนมัติทางไฟฟ้าเน้นที่การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการปรับปรุงการควบคุม เป็นจำเป็นต้องนำเทคโนโลยีการควบคุมความเร็วด้วยอินเวอร์เตอร์มาใช้เพื่อให้ปั๊มและพัดลมสามารถทำงานอย่างมีประสิทธิภาพโดยปรับความเร็วมอเตอร์ให้ตรงกับความต้องการโหลด
ในขณะเดียวกัน ด้วยการใช้สถานีปั๊มและสิ่งอำนวยความสะดวกในการผลิตที่มีอยู่ มีความจำเป็นเร่งด่วนในการสร้างแพลตฟอร์มการตรวจสอบอัจฉริยะที่ปฏิบัติตามข้อกำหนดการป้องกันไซเบอร์ระดับ 2 บนพื้นฐานของคอมพิวเตอร์คลาวด์และเทคโนโลยี IoT แพลตฟอร์มนี้จะทำให้การเชื่อมโยงระหว่างการจัดการองค์กรและการควบคุมภาคสนามเป็นไปอย่างราบรื่น โครงสร้างระบบใช้โครงสร้างสามชั้น "แพลตฟอร์มกลาง + ระบบย่อยที่กระจาย + เครื่องมือเคลื่อนที่" เพื่อให้มั่นใจว่าการรวบรวมข้อมูล การประมวลผล และการจัดเก็บข้อมูลอย่างปลอดภัยเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
แพลตฟอร์มกลาง ซึ่งสร้างขึ้นบนกลุ่มเซิร์ฟเวอร์ประสิทธิภาพสูง ทำการติดตั้งอัลกอริธึมการวิเคราะห์ข้อมูลขั้นสูงเพื่อให้การสนับสนุนการตัดสินใจที่แม่นยำ ระบบย่อยที่กระจายรวมถึงโมดูลสำหรับการตรวจสอบสภาพอุปกรณ์ การตรวจสอบภาพ และการรวบรวมพารามิเตอร์สภาพแวดล้อม ครอบคลุมทุกด้านของการดำเนินงานการผลิต เครื่องมือเคลื่อนที่ ผ่านแอปพลิเคชันที่ปรับแต่งเฉพาะ ทำให้สามารถตรวจสอบระยะไกลและแจ้งเตือนทันท่วงทีได้
2 หลักการทฤษฎีของการประหยัดพลังงาน
การวิเคราะห์ผลประหยัดพลังงานจากการใช้เทคโนโลยีการควบคุมความเร็วด้วยอินเวอร์เตอร์ในงานวิจัยนี้มีพื้นฐานมาจากกฎความสัมพันธ์ของพัดลมและปั๊ม และหลักการการแปลงพลังงานจากการควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผัน ตามสถานะการทำงานของอุปกรณ์ในโรงไฟฟ้า ปั๊มและพัดลมจำนวนมากทำงานที่ความเร็วคงที่โดยปรับปริมาณน้ำผ่านวาล์ว ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างมาก ในทางตรงกันข้าม การควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผันปรับความเร็วมอเตอร์ให้ตรงกับความต้องการโหลด ทำให้สามารถประหยัดพลังงานได้ กฎความสัมพันธ์ของพัดลมและปั๊มถูกสร้างขึ้นจากความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหล หัวน้ำ และกำลัง พร้อมสูตรคำนวณดังต่อไปนี้:
ที่ Q คือ อัตราการไหล (ลบ.ม./ชม.); n คือ ความเร็วในการหมุน (รอบ/นาที); H คือ หัวน้ำ (เมตร); P คือ กำลัง (กิโลวัตต์) โดย P1 แทนกำลังที่ระบุและ P2 คือ กำลังที่ความเร็วลดลง สูตรการแปลงพลังงานสำหรับการควบคุมความเร็วด้วยความถี่แปรผันคือ:
ตามความสัมพันธ์ทฤษฎีข้างต้น เมื่อความต้องการการไหลของระบบลดลง มอเตอร์จะลดความเร็วโดยอัตโนมัติผ่านการควบคุมความถี่ ทำให้การใช้กำลังลดลงอย่างมากและประหยัดพลังงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานทฤษฎีสำหรับการออกแบบการปรับปรุงและการประเมินการประหยัดพลังงานในภายหลัง
3 แผนการปรับปรุงด้วยเทคโนโลยีการควบคุมความเร็วด้วยอินเวอร์เตอร์
3.1 การปรับปรุงระบบจ่ายไฟฟ้า
เพื่อให้สามารถใช้เทคโนโลยีการควบคุมความเร็วด้วยอินเวอร์เตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยนี้ได้ปรับปรุงระบบจ่ายไฟฟ้าที่มีอยู่ สำหรับระบบแรงดันสูง ได้เสริมสวิตช์แรงดัน 10 กิโลโวลต์ด้วยวงจรตัดกระแสไฟฟ้าสุญญากาศอัจฉริยะที่มีกระแสเรตติ้งไม่น้อยกว่า 1,250 A และความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร 31.5 kA รวมถึงการติดตั้งวงจรป้องกันที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ให้การป้องกันหลายฟังก์ชัน รวมถึงการป้องกันกระแสเกิน กระแสลัดวงจร และการป้องกันการลัดวงจรดิน พร้อมเวลาตอบสนองต่ำกว่า 20 มิลลิวินาที ระบบตรวจสอบคุณภาพไฟฟ้าได้ถูกนำมาใช้ โดยใช้เซ็นเซอร์ความแม่นยำสูงระดับ A ในการตรวจสอบพารามิเตอร์ เช่น ความเข้มข้นของฮาร์มอนิก การเปลี่ยนแปลงแรงดัน และความไม่สมดุลของเฟสในเวลาจริง เพื่อให้แน่ใจว่าระบบมีความเสถียร
สำหรับระบบแรงดันต่ำ ระบบ 400 V เป็นจุดสำคัญของการปรับปรุง ได้เพิ่มวงจรป้อนอินเวอร์เตอร์เฉพาะในระบบปัจจุบันโดยใช้ตู้ป้อนอิสระที่ติดตั้งวงจรตัดกระแสไฟฟ้าแบบแม่พิมพ์อัจฉริยะ กระแสเรตติ้งถูกเลือกระหว่าง 400 A ถึง 630 A ตามความต้องการของโหลด พร้อมหน่วยทริปอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการป้องกันการโอเวอร์โหลดและกระแสลัดวงจรที่แม่นยำ วงจรแต่ละวงจรของอินเวอร์เตอร์มีสวิตช์แยกที่ตรงกับกระแสเรตติ้งของวงจรตัดกระแสและมีคุณสมบัติการตัดที่มองเห็นได้เพื่อให้การบำรุงรักษาอุปกรณ์เป็นไปได้สะดวก
เพื่อลดฮาร์มอนิก ได้ติดตั้งตัวกรองพลังงานแบบแอคทีฟ (APF) ที่ด้านป้อนอินเวอร์เตอร์ พร้อมรายละเอียดตามตาราง 1
ในการปรับปรุงระบบกราวด์ งานวิจัยนี้ใช้วิธีการเชื่อมต่อ TN-S แยกสายกลาง (N) จากสายกราวด์ป้องกัน (PE) ตั้งแต่ตู้จ่ายไฟฟ้า สาย PE หลักใช้สายทองแดงที่มีพื้นที่ตัดขวางไม่น้อยกว่า 95 ตารางมิลลิเมตร เพื่อให้ความต้านทานกราวด์ต่ำกว่า 1 โอห์ม ได้เพิ่มแท่งเชื่อมต่อความเท่าเทียมกันที่ตำแหน่งอุปกรณ์สำคัญ เช่น อินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ โดยใช้สายทองแดงที่มีพื้นที่ตัดขวางมากกว่า 16 ตารางมิลลิเมตร ซึ่งสามารถยับยั้งการรบกวนโหมดร่วมและเพิ่มประสิทธิภาพ EMC ของระบบได้ [21]
3.2 การเลือกและปรับแต่งพารามิเตอร์ของอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์
การเลือกอินเวอร์เตอร์ขึ้นอยู่กับการจับคู่ที่แม่นยำของลักษณะโหลดและข้อกำหนดของกระบวนการ สำหรับโหลดปั๊ม ได้เลือกอินเวอร์เตอร์ควบคุมเวกเตอร์ ที่มีกำลังเรตติ้งตรงกับมอเตอร์อย่างเคร่งครัด และมีความสามารถในการโอเวอร์โหลด 150%/1 นาที งานวิจัยนี้เลือกอินเวอร์เตอร์ ABB ACS880 ซึ่งมีเทคโนโลยี DTC (Direct Torque Control) ด้วยเวลาตอบสนองแรงบิดน้อยกว่า 5 มิลลิวินาที และความแม่นยำในการควบคุมความเร็ว ±0.01% พิจารณาจากสภาพแวดล้อมในสถานที่ ได้ใช้อินเวอร์เตอร์ที่ปิดผนึกด้วยการป้องกัน IP54 พร้อมระบบทำความเย็นด้วยอากาศบังคับ ทำให้การไหลของอากาศทำความเย็นไม่น้อยกว่า 1 ลบ.ม./(นาที·กิโลวัตต์)
ในการปรับแต่งพารามิเตอร์ ความสำคัญคือการปรับพารามิเตอร์การควบคุม PID และการใช้อัลกอริธึมการปรับตั้งเองที่ติดตั้งไว้ในอินเวอร์เตอร์ ผ่านการทดสอบการตอบสนองแบบขั้นตอน ได้คำนวณค่าความสัดส่วนที่เหมาะสม Kp ความสัดส่วนการสะสม Ki และความสัดส่วนการอนุพันธ์ Kd อย่างอัตโนมัติ สูตรคำนวณเอาต์พุตของตัวควบคุม PID u(t) คือ:
ใช้อัลกอริธึมการปรับตั้งเองที่ติดตั้งไว้ในอินเวอร์เตอร์เพื่อคำนวณค่าความสัดส่วนที่เหมาะสม Kp (ช่วง: 0.1–100) ระยะเวลาการสะสม Ti (ช่วง: 0.1–3600 วินาที) และระยะเวลาการอนุพันธ์ Td (ช่วง: 0–10 วินาที) ผ่านการทดสอบการตอบสนองแบบขั้นตอน ตั้งเวลาเร่งเป็น 10–30 วินาที และเวลาชะลอเป็น 15–45 วินาที เพื่อป้องกันผลกระทบจากแรงกระแทกของน้ำ ได้เปิดใช้งานการจำกัดแรงบิดที่ 120% ของแรงบิดเรตติ้งของมอเตอร์เพื่อป้องกันการโอเวอร์โหลด สำหรับโหลดพัดลม ได้เปิดใช้งานโหมดประหยัดพลังงานของอินเวอร์เตอร์: ในกรณีที่โหลดน้อย (อัตราโหลด < 50%) แรงดันเอาต์พุตจะลดลงโดยอัตโนมัติ ด้วยการลดลงสูงสุดถึง 20% นอกจากนี้ ได้ปรับปรุงเส้นโค้ง V/F โดยเพิ่มแรงดันเอาต์พุตในช่วงความเร็วต่ำ (0–10 Hz) เพื่อให้มั่นใจว่ามีแรงบิดเริ่มต้นเพียงพอ
ได้กำหนดคุณสมบัติการนอนหลับและตื่น: เมื่อความถี่การทำงานคงที่ต่ำกว่า 10 Hz เป็นเวลา 60 วินาที อินเวอร์เตอร์จะเข้าสู่โหมดนอนหลับ และจะตื่นขึ้นโดยอัตโนมัติเมื่อดันของระบบลดลง 5% ทำให้ประสิทธิภาพของระบบดีขึ้น ในการตั้งค่าอินเวอร์เตอร์พื้นฐาน ความถี่Carrier ถูกตั้งค่าเป็น 4 kHz ตามความต้องการจริงของโรงไฟฟ้า ได้ตั้งค่าขีดจำกัดการป้องกันแรงดันสูงและต่ำเป็น 418 V และ 304 V ตามลำดับ นอกจากนี้ ได้กำหนดพารามิเตอร์เรตติ้งของมอเตอร์และการตั้งค่าการทำงานหลายความเร็วตามรายละเอียดในตาราง 2
สูตรคำนวณสำหรับการจำกัดกระแสและการปรับปรุงกระแสขั้นต่ำคือดังนี้:
ที่ Ilim คือ ขีดจำกัดกระแสสูงสุด; In คือ กระแสเรตติ้งของมอเตอร์; Ismin คือ กระแสสเตเตอร์ขั้นต่ำ; Idopt คือ กระแสฟลักซ์ที่เหมาะสม; และ Iq
