Endüstriyel Motor Kontrolünün Optimizasyonu: Enerji Tasarrufu için Inverter Yeniden Donanım

Edwiin

Alan: Güç anahtarı

China

Endüstriyel üretimdeki çekirdek unsurlarından biri olan elektrik otomasyon sistemleri, toplam üretim maliyetlerini ve çevre etkisini doğrudan etkiler. Geleneksel sabit hızlı işlem genellikle değişken yük taleplerine yanıt verirken enerji kaybına neden olur ve hassas süreç kontrolünü zorlaştırır. Değişken frekanslı hız ayarlama teknolojisi, ileri düzey bir motor kontrol yöntemi olarak, bu sorunlara umut vadeden bir çözüm sunar. Bu çalışma, bir elektrik santralinin elektrik otomasyon sisteminin örnek alınarak inverter hız kontrol teknolojisine dayalı bir yeniden donatma şemasını ve enerji tasarrufu etkilerini incelemeyi amaçlar, benzer endüstriyel senaryolarda enerji verimliliği iyileştirmeleri için bir referans sağlamak üzere.

1 Elektrik Otomasyonunda Inverter Uygulamalarının Mevcut Durumu ve Yeniden Donatma İhtiyacı

1.1 Mevcut Ekipman

Elektrik santralinin elektrik otomasyon sistemi, güç dağıtım sistemi, motor sürüş birimleri ve kontrol sistemi olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Güç dağıtım sistemi, 10 kV yüksek gerilim anahtar panosu, transformatörler ve 400 V düşük gerilim anahtar panosunu içermekte olup, ağac yapılı güç dağıtım için düzenlenmiştir. Motor sürücülerinin çoğu, doğrudan veya yıldız-delta indirilmiş gerilimli başlama yöntemleri ile kontrol edilen asenkron motordur. Saha ekipmanlarının büyük çoğunluğunu pompalar oluşturmaktadır, bunlar arasında dolaşım suyu pompaları, soğutma suyu pompaları ve besleme suyu pompaları bulunmaktadır. Bu cihazlar sabit hızda çalışırken, akış kanıtları aracılığıyla düzenlenir, bu da yüksek enerji tüketimine neden olur. Mevcut sistem mimarisi, kısmi merkezi yönetimle göreceli olarak dağıtılmıştır. Üst düzey izleme sistemi, alan kontrol sistemleriyle endüstriyel Ethernet üzerinden iletişim kurarak, merkezi veri gösterimi ve uzaktan işleme olanak tanır. Ancak, mevcut kontrol sistemi, değişken frekanslı hız kontrolü için gelişmiş kontrol algoritmalarına sahip değildir, bu da enerji yönetimi ve proses optimizasyonu açısından eksiklikler ortaya çıkarır.

1.2 Yeniden Donatma İhtiyacı

Mevcut ekipman durumuna dayanarak, elektrik otomasyon sisteminin yeniden donatma gereklilikleri, enerji verimliliğini artırmaya ve kontrole optimize etmeye odaklanmaktadır. Pompaların ve fanların verimli işletimini sağlamak için motor hızını yük taleplerine uygun şekilde ayarlamak üzere inverter tabanlı hız kontrol teknolojisinin tanıtılmaması gerekir.

Aynı zamanda, mevcut pompalama istasyonları ve üretim tesislerini kullanarak, Seviye 2 siber güvenlik koruma gerekliliklerine uygun bir akıllı izleme platformunun oluşturulması acil bir ihtiyaçtır. Bulut hesaplama üzerine kurulmuş ve IoT teknolojisiyle entegre bu platform, işletme yönetimi ile alan kontrolü arasındaki sorunsuz entegrasyonu sağlayacaktır. Sistem mimarisi, "merkezi platform + dağıtılmış alt sistemler + mobil uç cihazlar" üç katmanlı yapıyı benimser, gerçek zamanlı veri toplamayı, verimli işleme ve güvenli depolamayı sağlar.

Yüksek performanslı sunucu kümesi üzerinde kurulan merkezi platform, doğru karar desteklemesi için gelişmiş veri analiz algoritmalarını dağıtır. Dağıtılmış alt sistemler, ekipman durum izleme, video izleme ve çevre parametre toplama modüllerini kapsayarak, üretim operasyonlarının tüm yönlerini kapsamlı olarak içerir. Mobil uç cihazlar, özelleştirilmiş uygulamalar aracılığıyla uzaktan izleme ve anlık bildirimler sağlar.

2 Enerji Tasarrufu Etkilerinin Kuramsal Temeli

Bu çalışmada, inverter hız kontrol teknolojisinin enerji tasarrufu etkilerinin analizi, fanlar ve pompalar için afinlik yasaları ve değişken frekanslı hız kontrolünün enerji dönüşüm ilkelerine dayanmaktadır. Santral ekipmanlarının işleyiş durumuna göre, birçok pompa ve fan sabit hızla çalışırken, akışı kanıtlar aracılığıyla düzenler, bu da önemli enerji kaybına neden olur. Buna karşılık, değişken frekanslı hız kontrolü, motor hızını yük gereksinimlerine uygun şekilde ayarlar, böylece enerji tasarrufu sağlanır. Fanlar ve pompalar için afinlik yasaları, akış hızı, basınç ve güç arasındaki ilişkilere dayanarak belirlenmiştir, ilgili hesaplama formülleri aşağıdaki gibidir:

burada $Q$ akış hızıdır (m³/sa); $n$ dönme hızıdır (dev/dak); $H$ basıncıdır (m); $P$ güçtür (kW), $P_{1}$ nominal gücü ve $P_{2}$ azaltılmış hızdaki gücu temsil eder. Değişken frekanslı hız kontrolünün enerji dönüşüm formülü budur:

Yukarıdaki teorik ilişkilere dayanarak, sistem akış talebi azaldığında, motor frekans kontrolü aracılığıyla otomatik olarak hızını düşürerek, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltır ve enerji tasarrufu sağlar. Bu, sonraki yeniden donatma tasarımı ve enerji tasarrufu değerlendirme için teorik bir temel sağlar.

3 Inverter Hız Kontrol Teknolojisinin Yeniden Donatma Şeması

3.1 Güç Dağıtım Sisteminin Yenilenmesi

Inverter hız kontrol teknolojisini etkili bir şekilde uygulamak amacıyla, bu çalışma mevcut güç dağıtım sistemini yükseltti. Yüksek gerilim sistemi için, 10 kV anahtar panosu, en az 1.250 A nominal akım ve 31.5 kA nominal kısa devre kesme kapasitesine sahip zeki vakum kesicilerle güçlendirildi. Mikroişlemci tabanlı koruma röleleri entegre edildi, bu da aşırı akım, kısa devre ve yerleme hatası dahil çok fonksiyonlu koruma sağlar, tepki süresi 20 ms'nin altında. Sınıf A seviyesinde yüksek hassasiyetli sensörler kullanan elektrik güç kalitesi izleme sistemi de tanıtıldı, harmonik içerik, voltaj dalgalanmaları ve üç faz dengesizliğini gerçek zamanlı olarak izler, sistem istikrarını sağlar.

Düşük gerilim sistemi için, 400 V sistemi yükseltmenin odak noktası oldu. Mevcut sisteme bağımsız besleme dolapları ile donatılmış özel inverter besleme devreleri eklendi. Yük gereksinimlerine bağlı olarak 400 A ile 630 A arasına seçilen nominal akıma sahip zeki formlü kesiciler ile donatıldı. Her inverter devresi, kesiciye eşleşen nominal akıma sahip bir yalıtım anahtarı ile donatılmıştır ve bakım işlemlerini kolaylaştıran görünür bir kesme özelliği içerir.

Harmonik azaltma için, inverter giriş tarafına aktif güç filtreleri (APF) monte edildi, spesifik özellikleri Tablo 1'de listelenmiştir.

Topraklama sistemlerinin optimizasyonu için bu çalışma TN-S kablolama yöntemini benimsedi, dağıtım dolabından itibaren nötr hat (N) ve koruma toprak hat (PE) ayrılır. Ana PE hattı, toprak dirençsinin 1 Ω'dan küçük olmasını sağlamak için en az 95 mm² kesit alanına sahip bakır iletkenler kullanılarak oluşturuldu. Kritik ekipman konumlarında, inverterler ve motorlar gibi, bakır iletkenler kullanılarak eş potansiyel bağlama çubukları eklendi, bu iletkenlerin kesit alanı 16 mm²'den büyüktür. Bu, ortak mod interferansını etkili bir şekilde bastırır ve sistemin EMC performansını artırır [21].

3.2 Inverter Ekipmanının Seçimi ve Parametre Optimizasyonu

Inverterlerin seçilmesi, yük özelliklerine ve süreç gereksinimlerine hassas bir şekilde uyumludur. Pompa yükleri için, vektör kontrol inverterleri tercih edilir, onların nominal gücü motorun nominal gücünü sıkıca yansıtır ve %150/1 dk aşırı yükleme kapasitesine sahiptir. Bu çalışma, DTC (Doğrudan Tork Kontrol) teknolojisine sahip, tork tepki süresi 5 ms'nin altında ve hız kontrol doğruluğu ±0,01%'dir olan ABB ACS880 serisi inverteri seçti. Sahadaki çevreye göz önünde bulundurarak, IP54 koruma sınıfına sahip kapalı inverter kullanıldı, zorlanmış hava soğutma sistemi ile donatılmıştır, bu da her kW başına en az 1 m³/(dk) soğutma hava akışını sağlar.

Parametre optimizasyonu için, PID kontrol parametrelerinin ayarlanması ve inverterin içinde bulunan otomatik ayarlama algoritmasının kullanılması odak noktadır. Adım yanıtı testi aracılığıyla, en iyi orantı kazancı $K_{p}$ , integral kazancı $K_{i}$ ve türev kazancı $K_{d}$ otomatik olarak hesaplanır. PID kontrolcüsünün çıkış formülü $u (t)$ şu şekildedir:

Inverterin içindeki otomatik ayarlama algoritması, adım yanıtı testi aracılığıyla optimal orantı kazancı $K_{p}$ (0,1-100 aralığı), integral zaman $T_{i}$ (0,1-3600 s aralığı) ve türev zaman $T_{d}$ (0-10 s aralığı) değerlerini otomatik olarak hesaplar. İvme süresi 10-30 s ve yavaşlama süresi 15-45 s olarak ayarlanır, bu da su çarpma etkilerini etkili bir şekilde önler. Tork sınırlaması, motorun nominal torkunun %120'ı olarak ayarlanır, aşırı yüklenmeyi önler. Fan yükleri için, inverterin enerji tasarrufu modu etkinleştirilir: hafif yük koşullarında (yük oranı < 50%), çıkış voltajı otomatik olarak azaltılır, maksimum azaltma %20'dir. Ayrıca, düşük hız aralığındaki (0-10 Hz) voltaj çıkışını artırarak V/F eğrisi optimize edilir, bu da yeterli başlangıç torkunu sağlar.

Uyku-uyanma fonksiyonu yapılandırılır: işletim frekansı 60 saniye boyunca 10 Hz'nin altında kalırsa, inverter uyku moduna girer; sistem basıncı %5 azaldığında otomatik olarak uyanır, bu da sistem verimliliğini daha da artırır. Temel inverter ayarlarında, taşıma frekansı 4 kHz olarak ayarlanır. Güç santralinin gerçek gereksinimlerine göre, aşırı gerilim ve düşük gerilim koruma eşiği sırasıyla 418 V ve 304 V olarak ayarlanır. Ayrıca, motorun nominal parametreleri ve çok hızlı işlem ayarları Tablo 2'de detaylandırıldığı gibi yapılandırılır.

Akım sınırlandırma ve minimum akım optimizasyonu hesaplama formülleri sırasıyla şu şekildedir:

burada $I_{lim}$ maksimum akım sınırıdır; $I_{n}$ motorun nominal akımıdır; $I_{smin}$ minimum stator akımıdır; $I_{dopt}$ optimal manyetize akımıdır; ve $I_{q}$ tork akım bileşenidir. Akım sınırlandırma ve minimum akım optimizasyon stratejileri ile motorun operasyonu ince bir kontrol altında tutulur. Aşırı gerilim ve düşük gerilim koruma ayarları, motorun güvenli bir aralıkta işlemesini sağlar. Stal koruması ve akım sınırlandırma tedbirleri aşırı yüklenmeyi etkili bir şekilde önler. Ayrıca, bu kontrol yöntemi Modbus-RTU protokolü üzerinden iletişim sağlar, uzaktan izleme ve parametre ayarlamayı mümkün kılar, bu da sistemin zekâ düzeyini önemli ölçüde artırır.

3.3 Kontrol Sisteminin Yenilenmesi ve Entegrasyonu

Kontrol sisteminin yenilenmesi, Siemens S7-1500 serisi PLC kullanılarak gerçekleştirilir, özellikle CPU 1517-3 PN/DP modeli, 2 ns bit işlem hızı ve 40 ns kelime işlem hızına sahiptir. PLC, 1,6 GB çalışma belleği ve 32 MB yük belleği ile donatılmıştır, PROFINET, PROFIBUS ve OPC UA iletişim protokollerini destekler. Sistem, ET 200SP serisi uzaktan I/O modülleri ile dağıtılmış bir mimari kullanır, PROFINET aracılığıyla 250 μs iletişim döngüsüne ulaşır.

Yazılım mimarisi, TIA Portal V16 entegre geliştirme ortamına dayanır. PLC programı, inverter iletişim, PID kontrol, Model Öngörü Kontrolü (MPC), veri toplama önişlem ve alarm yönetimi için işlev blokları (FB'ler) içerir. Ayrıntılı sistem çerçevesi Şekil 1'de gösterilmiştir.

4 Enerji Tasarrufu Etkilerinin Analizi

Inverter hız kontrol teknolojisinin enerji tasarrufu faydaları, azalmış enerji tüketimi ve geliştirilmiş sistem verimliliğinde kendini gösterir. Yeniden donatmadan önce ve sonra enerji tüketimi verilerini karşılaştırarak, enerji tasarrufu performansı nicel olarak değerlendirilebilir. Bu çalışmada, yeniden donatmadan sonraki sistem verileri aşağıdaki yöntemlerle toplanmıştır:

Enerji Ölçüm Sistemi: Önemli elektrik ekipmanlarının güç tedarik hatlarına akıllı sayaçlar monte edilerek, yeniden donatmadan önce ve sonra enerji tüketimi verileri toplandı. Sayaç modeli Schneider PM5560, 0,2S doğruluk sınıfına ve 15 dakikalık örnekleme aralığına sahiptir.
Inverter İçerisindeki Fonksiyonlar: ABB ACS880 inverterin içerdiği enerji izleme fonksiyonu, işletim süresi, çıkış gücü ve enerji tüketimi kaydedilmesi için kullanıldı. Veriler, Modbus-RTU protokolü aracılığıyla merkezi kontrol odasına iletilmiştir.
SCADA Sistemi: Siemens WinCC V7.5 platformu kullanılarak gerçek zamanlı veri toplama ve depolama sistemi oluşturuldu. Motor hızı, yük oranı, çıkış voltajı/akımı ve güç faktörü gibi ana parametreler, 1 saniyelik örnekleme döngüsü ile izlendi.