Оптимізація керування промисловими двигунами: модернізація інвертора для економії енергії

Поле: Перемикач живлення

China

Як основа промислового виробництва, електричні системи автоматизації безпосередньо впливають на загальні витрати на виробництво та вплив на навколишнє середовище. Традиційна постійна швидкість роботи часто призводить до витрати енергії при відповіді на змінні вимоги завантаження і ускладнює точне керування процесами. Технологія регулювання частоти для зміни швидкості, як сучасний метод керування двигунами, пропонує обіцяюче рішення цих проблем. Це дослідження використовує електричну систему автоматизації електростанції як приклад для вивчення схеми модернізації на основі технології регулювання швидкості за допомогою інвертора та її енергоефективних ефектів, спрямоване на надання посилання для покращення енергоефективності в подібних промислових сценаріях.

1 Поточний стан та вимоги до модернізації застосування інверторів в електричній автоматизації

1.1 Наявне обладнання

Електрична система автоматизації електростанції включає три основні частини: систему розподілу електроенергії, блоки керування моторами та систему керування. Система розподілу електроенергії включає комутаційне обладнання високого напруги 10 кВ, трансформатори та комутаційне обладнання низької напруги 400 В, розташовані в деревоподібній структурі для розподілу електроенергії. Мотори-приводи в основному представлені асинхронними моторами, керованими методами пуску прямо на мережу або методом зменшення напруги зірка-трикутник. Найбільшу частину обладнання на місці становлять насоси, включаючи циркуляційні, охолоджувальні та питомі насоси. Ці пристрої працюють з постійною швидкістю, з регулюванням потоку за допомогою клапанів, що призводить до високих витрат енергії. Існуюча архітектура системи є відносно децентралізованою, з частковим централізованим управлінням. Верхній рівень системи моніторингу зв'язується з полевими системами керування через промисловий Ethernet для забезпечення централізованого відображення даних та віддаленого управління. Однак поточна система керування не має сучасних алгоритмів керування змінною частотою, що призводить до недоліків в управлінні енергією та оптимізації процесів.

1.2 Вимоги до модернізації

На основі поточного стану обладнання, основні вимоги до модернізації електричної системи автоматизації полягають у покращенні енергоефективності та оптимізації керування. Необхідно впровадити технологію регулювання швидкості за допомогою інвертора, щоб забезпечити ефективну роботу насосів та вентиляторів, регулюючи швидкість мотора відповідно до вимог завантаження.

Однак, використовуючи існуючі насосні станції та виробничі об'єкти, є гостра потреба у створенні інтелектуальної платформи моніторингу, яка відповідає вимогам захисту на рівні 2. Зосереджена на обчислювальних можливостях хмарних технологій та інтегрована з IoT-технологіями, ця платформа забезпечує безперебійну інтеграцію між управлінням підприємством та полевим контролем. Архітектура системи використовує трьохрівневу структуру "центральна платформа + розподілені підсистеми + мобільні термінали", забезпечуючи реальність отримання даних, ефективну обробку та безпечне зберігання.

Центральна платформа, побудована на високопродуктивному серверному кластері, використовує передові алгоритми аналізу даних для надання точного підтримки прийняття рішень. Розподілені підсистеми включають модулі для моніторингу стану обладнання, відеоспостереження та збору параметрів середовища, повністю охоплюючи всі аспекти виробничих операцій. Мобільні термінали, за допомогою спеціальних програм, дозволяють віддалений моніторинг та моментальне сповіщення.

2 Теоретичні основи енергоефективних ефектів

Аналіз енергоефективних ефектів технології регулювання швидкості за допомогою інвертора в цьому дослідженні базується переважно на законі афінності для вентиляторів та насосів та принципах перетворення енергії при регулюванні частоти. Відповідно до робочого стану обладнання заводу, велика кількість насосів та вентиляторів працює з постійною швидкістю, з регулюванням потоку за допомогою клапанів, що призводить до значних втрат енергії. Натомість, регулювання швидкості за допомогою інвертора змінює швидкість мотора відповідно до вимог завантаження, що призводить до економії енергії. Закони афінності для вентиляторів та насосів базуються на зв'язках між потоком, напором та потужністю, з відповідними розрахунковими формулами, які наведені нижче:

де $Q$ — це потік (м³/год); $n$ — це кутова швидкість (об/хв); $H$ — це напір (м); $P$ — це потужність (кВт), де $P_{1}$ представляє номінальну потужність, а $P_{2}$ — потужність при зниженій швидкості. Формула перетворення енергії при регулюванні частоти:

На основі вищезазначених теоретичних зв'язків, коли вимоги до потоку системи зменшуються, мотор автоматично зменшує швидкість за допомогою контрольної частоти, значно знижуючи витрати енергії та досягаючи економії. Це забезпечує теоретичну основу для подальшого проектування модернізації та оцінки енергоефективності.

3 Схема модернізації технології регулювання швидкості за допомогою інвертора

3.1 Оновлення системи розподілу електроенергії

Для ефективного впровадження технології регулювання швидкості за допомогою інвертора, це дослідження оновило існуючу систему розподілу електроенергії. Для високовольтної системи комутаційне обладнання 10 кВ було вдосконалено встановленням інтелектуальних вакуумних автоматів з номінальним струмом не менше 1,250 А та номінальною потужністю короткого замикання 31,5 кА. Були інтегровані захисні реле на основі мікропроцесора, що забезпечують багатофункціональні захисти, включаючи захист від надмірного струму, короткого замикання та заземлення, з часом відгуку менше 20 мс. Також була введена система моніторингу якості електроенергії, що використовує датчики високої точності класу A для реального часу моніторингу таких параметрів, як гармонічні складові, коливання напруги та несиметрія трьохфазного напруги, забезпечуючи стабільність системи.

Для низьковольтної системи, 400 В система стала предметом оновлення. До існуючої системи були додані спеціальні лінії живлення інвертора, використовуючи незалежні шафи живлення, оснащені інтелектуальними автоматичними випадковими виключниками. Номінальний струм був вибрано від 400 А до 630 А відповідно до вимог завантаження, з електронними випадковими виключниками для точного захисту від перегрузки та короткого замикання. Кожна лінія інвертора оснащена випадковим виключником, що відповідає номінальному струму виключника, і має видимий розрив для сприяння технічному обслуговуванню обладнання.

Для зниження гармонік, на вході інвертора встановлено активні фільтри електроенергії (APF) з конкретними специфікаціями, які наведено в таблиці 1.

Для оптимізації систем заземлення, це дослідження використало метод проводки TN-S, відокремлюючи нейтральний провід (N) від захисного заземлювального проводу (PE) починаючи від шафи розподілу. Основний провід PE використовує медні провідники з площою поперечного перерізу не менше 95 мм², щоб забезпечити опір заземлення менше 1 Ом. Додані рівнопотенційні з'єднувальні рейки на ключових розташуваннях обладнання, таких як інвертори та мотори, використовуючи медні провідники з площою поперечного перерізу більше 16 мм². Це ефективно підсилює загальномодове завадження та підвищує EMC-властивості системи [21].

3.2 Вибір та оптимізація параметрів обладнання інвертора

Вибір інверторів базується на точному відповідності характеристик завантаження та вимог процесу. Для завантаження насосів вибираються векторні керовані інвертори, з їхньою номінальною потужністю, що точно відповідає мотору, і перегрузкою 150%/1 хв. У цьому дослідженні був вибраний інвертор серії ABB ACS880, який має технологію DTC (Direct Torque Control), з часом відгуку момента менше 5 мс та точністю керування швидкістю ±0,01%. враховуючи наявне середовище, був використаний герметичний інвертор з рейтингом захисту IP54, оснащений системою примусового повітрувого охолодження, що забезпечує потік повітря для охолодження не менше 1 м³/(хв·кВт).

Для оптимізації параметрів, акцент зосереджується на налаштуванні параметрів PID-керування та використанні вбудованого самонастроювального алгоритму інвертора. Через тестування реакції на крок, оптимальні пропорційний коефіцієнт $K_{p}$ , інтегральний коефіцієнт $K_{i}$ та диференційний коефіцієнт $K_{d}$ автоматично розраховуються. Формула для виводу PID-регулятора $u (t)$ є:

Використовується вбудований автоналаштовувальний алгоритм інвертора для автоматичного розрахунку оптимального пропорційного коефіцієнта $K_{p}$ (діапазон: 0,1–100), інтегрального часу $T_{i}$ (діапазон: 0,1–3600 с) та диференціального часу $T_{d}$ (діапазон: 0–10 с) через тестування реакції на крок. Час прискорення встановлюється на 10–30 с, а час сповільнення на 15–45 с, щоб ефективно запобігти ефекту водяного молота. Обмеження моменту ввімкнено з налаштуванням 120% від номінального моменту мотора, щоб запобігти перегрузці. Для завантаження вентиляторів, ввімкнено режим економії енергії інвертора: при легкому завантаженні (ставка завантаження < 50%), вихідне напруга автоматично знижується, з максимальною знижкою до 20%. Однак, крива V/F оптимізована шляхом збільшення вихідної напруги в діапазоні низької швидкості (0–10 Гц) для забезпечення достатнього моменту запуску.

Налаштовано функцію сплячого режиму: коли робоча частота залишається нижче 10 Гц протягом 60 с, інвертор переходить в сплячий режим; він автоматично прокидається, коли тиск системи знижується на 5%, що додатково підвищує ефективність системи. В основних налаштуваннях інвертора, частота несучої встановлюється на 4 кГц. Відповідно до фактичних вимог електростанції, пороги захисту від перевищень та заниження напруги встановлені на 418 В та 304 В відповідно. Також налаштовані номінальні параметри мотора та налаштування багатоступінчатої роботи, як детально наведено в таблиці 2.