Tối ưu hóa Điều khiển Động cơ Công nghiệp: Cải tạo Bộ biến tần để Tiết kiệm Năng lượng

Là lõi của sản xuất công nghiệp, hệ thống tự động hóa điện ảnh hưởng trực tiếp đến tổng chi phí sản xuất và tác động môi trường. Việc vận hành với tốc độ không đổi thường dẫn đến lãng phí năng lượng khi đáp ứng nhu cầu tải thay đổi và làm cho việc kiểm soát quy trình chính xác khó đạt được. Công nghệ điều chỉnh tốc độ biến tần, như một phương pháp điều khiển động cơ tiên tiến, cung cấp giải pháp hứa hẹn cho những vấn đề này. Nghiên cứu này lấy hệ thống tự động hóa điện của nhà máy điện làm ví dụ để khám phá phương án cải tạo dựa trên công nghệ điều khiển tốc độ bằng biến tần và hiệu quả tiết kiệm năng lượng, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho cải thiện hiệu quả năng lượng trong các tình huống công nghiệp tương tự.

1 Tình trạng hiện tại và yêu cầu cải tạo của ứng dụng biến tần trong tự động hóa điện

1.1 Thiết bị hiện có

Hệ thống tự động hóa điện của nhà máy điện chủ yếu bao gồm ba phần: hệ thống phân phối điện, đơn vị điều khiển động cơ và hệ thống điều khiển. Hệ thống phân phối điện bao gồm thiết bị đóng cắt điện áp cao 10 kV, biến áp và thiết bị đóng cắt điện áp thấp 400 V, được bố trí theo cấu trúc cây để phân phối điện. Động cơ chủ yếu là động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng cách khởi động trực tiếp hoặc khởi động giảm áp bằng cách nối sao tam giác. Tải bơm chiếm tỷ lệ lớn nhất trong thiết bị hiện trường, bao gồm bơm tuần hoàn, bơm làm mát và bơm cấp nước. Các thiết bị này hoạt động với tốc độ không đổi, với lưu lượng được điều chỉnh thông qua van, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao. Cấu trúc hệ thống hiện tại khá phân tán, với quản lý tập trung một phần. Hệ thống giám sát cấp trên giao tiếp với hệ thống điều khiển hiện trường thông qua Ethernet công nghiệp để cho phép hiển thị dữ liệu tập trung và điều khiển từ xa. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển hiện tại thiếu các thuật toán điều khiển tiên tiến cho điều chỉnh tốc độ biến tần, dẫn đến thiếu sót trong quản lý năng lượng và tối ưu hóa quy trình.

1.2 Yêu cầu cải tạo

Dựa trên tình trạng thiết bị hiện tại, yêu cầu cải tạo cho hệ thống tự động hóa điện chủ yếu tập trung vào việc cải thiện hiệu quả năng lượng và tối ưu hóa điều khiển. Cần phải giới thiệu công nghệ điều khiển tốc độ dựa trên biến tần để cho phép vận hành hiệu quả của bơm và quạt bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ để phù hợp với nhu cầu tải.

Trong khi đó, tận dụng các trạm bơm và cơ sở sản xuất hiện có, cần xây dựng khẩn cấp một nền tảng giám sát thông minh tuân thủ yêu cầu bảo vệ an ninh mạng cấp 2. Dựa trên công nghệ điện toán đám mây và tích hợp công nghệ IoT, nền tảng này sẽ cho phép tích hợp liền mạch giữa quản lý doanh nghiệp và điều khiển hiện trường. Cấu trúc hệ thống áp dụng cấu trúc ba tầng "nền tảng trung tâm + các hệ thống con phân tán + thiết bị di động", đảm bảo thu thập dữ liệu theo thời gian thực, xử lý hiệu quả và lưu trữ an toàn.

Nền tảng trung tâm, được xây dựng trên cụm máy chủ hiệu suất cao, triển khai các thuật toán phân tích dữ liệu tiên tiến để cung cấp hỗ trợ quyết định chính xác. Các hệ thống con phân tán bao gồm các mô-đun giám sát tình trạng thiết bị, giám sát video và thu thập thông số môi trường, bao quát tất cả các khía cạnh của hoạt động sản xuất. Thiết bị di động, thông qua các ứng dụng tùy chỉnh, cho phép giám sát từ xa và thông báo tức thì.

2 Cơ sở lý thuyết về hiệu quả tiết kiệm năng lượng

Phân tích hiệu quả tiết kiệm năng lượng của công nghệ điều khiển tốc độ biến tần trong nghiên cứu này chủ yếu dựa trên các luật tương quan cho quạt và bơm và các nguyên tắc chuyển đổi năng lượng của điều chỉnh tốc độ biến tần. Theo tình trạng hoạt động của thiết bị nhà máy, một số lượng lớn bơm và quạt hoạt động với tốc độ không đổi và lưu lượng được điều chỉnh bằng van, dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể. Trái lại, điều khiển tốc độ biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ để phù hợp với nhu cầu tải, do đó đạt được tiết kiệm năng lượng. Các luật tương quan cho quạt và bơm được thiết lập dựa trên mối quan hệ giữa lưu lượng, đầu và công suất, với các công thức tính toán liên quan như sau:

trong đó $Q$ là lưu lượng (m³/h); $n$ là tốc độ quay (vòng/phút); $H$ là đầu (m); $P$ là công suất (kW), với P1P1 đại diện cho công suất định mức và P2P2 là công suất ở tốc độ giảm. Công thức chuyển đổi năng lượng cho điều chỉnh tốc độ biến tần là:

Dựa trên các mối quan hệ lý thuyết trên, khi nhu cầu lưu lượng hệ thống giảm, động cơ tự động giảm tốc độ thông qua điều khiển tần số, giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng và đạt được tiết kiệm năng lượng. Điều này cung cấp cơ sở lý thuyết cho thiết kế cải tạo và đánh giá tiết kiệm năng lượng sau này.

3 Phương án cải tạo công nghệ điều khiển tốc độ biến tần

3.1 Nâng cấp hệ thống phân phối điện

Để thực hiện hiệu quả công nghệ điều khiển tốc độ biến tần, nghiên cứu này đã nâng cấp hệ thống phân phối điện hiện có. Đối với hệ thống điện áp cao, thiết bị đóng cắt 10 kV đã được nâng cấp bằng cách lắp đặt các cầu chì chân không thông minh có dòng định mức không nhỏ hơn 1.250 A và khả năng cắt ngắn mạch định mức 31,5 kA. Các rơle bảo vệ dựa trên vi xử lý đã được tích hợp, cung cấp bảo vệ đa chức năng bao gồm quá dòng, ngắn mạch và lỗi đất, với thời gian phản hồi dưới 20 ms. Hệ thống giám sát chất lượng điện cũng được giới thiệu, sử dụng các cảm biến chính xác cấp A để theo dõi các tham số như hàm lượng谐波、电压波动和三相不平衡等参数，确保系统的稳定性。

对于低压系统，升级重点是现有的400V系统。在现有系统中增加了专用的变频器馈电电路，使用配备智能塑壳断路器的独立馈电柜。根据负载需求选择额定电流在400A至630A之间，并具有电子脱扣单元，以实现精确的过载和短路保护。每个变频器电路都配备了与断路器额定电流相匹配的隔离开关，并包括可见断点功能，以便于设备维护。

为了抑制谐波，在变频器输入侧安装了有源电力滤波器（APF），具体规格如表1所示。

为了优化接地系统，本研究采用了TN-S接线方法，从配电柜开始将中性线（N）与保护地线（PE）分开。主PE线采用截面积不小于95 mm²的铜导体，以确保接地电阻小于1 Ω。在变频器和电机等关键设备位置增加了等电位连接条，使用截面积大于16 mm²的铜导体。这有效地抑制了共模干扰并增强了系统的EMC性能[21]。

3.2 变频器设备的选择和参数优化

变频器的选择基于负载特性和工艺要求的精确匹配。对于泵负载，选择了矢量控制变频器，其额定功率严格对应电机的额定功率，并且过载能力为150%/1分钟。本研究选择了ABB ACS880系列变频器，该变频器采用直接转矩控制（DTC）技术，转矩响应时间小于5毫秒，速度控制精度为±0.01%。考虑到现场环境，使用了IP54防护等级的密封变频器，并配备了强制风冷系统，确保冷却气流不低于1 m³/(min·kW)。

对于参数优化，重点在于调整PID控制参数，并利用变频器内置的自整定算法。通过阶跃响应测试，自动计算最佳比例增益KpKp（范围：0.1–100）、积分时间TiTi（范围：0.1–3600秒）和微分时间TdTd（范围：0–10秒）。加速时间设置为10–30秒，减速时间设置为15–45秒，以有效防止水锤效应。启用扭矩限制，设置为电机额定扭矩的120%，以防止过载。对于风扇负载，激活变频器的节能模式：在轻负载条件下（负载率<50%），输出电压自动降低，最大可降低20%。同时，通过增加低速范围（0–10 Hz）的电压输出来优化V/F曲线，以确保足够的启动转矩。

配置了睡眠唤醒功能：当运行频率低于10 Hz持续60秒时，变频器进入睡眠模式；当系统压力下降5%时自动唤醒，进一步提高系统效率。在基本变频器设置中，载波频率设置为4 kHz。根据电厂的实际需求，设置了过压和欠压保护阈值分别为418 V和304 V。此外，还配置了电机的额定参数和多速运行设置，详见表2。

电流限制和最小电流优化的计算公式分别如下：

其中IlimIlim是最大电流限制；InIn是电机额定电流；IsminIsmin是最小定子电流；IdoptIdopt是最佳励磁电流；IqIq是转矩电流分量。通过结合电流限制和最小电流优化策略，实现了对电机运行的精细控制。过压和欠压保护设置确保电机在安全范围内运行。失速保护和电流限制措施有效防止过载。此外，这种控制方法支持通过Modbus-RTU协议进行通信，实现远程监控和参数调整，从而显著提高了系统的智能化水平。

3.3 控制系统升级与集成

控制系统升级采用西门子S7-1500系列PLC，具体型号为CPU 1517-3 PN/DP，具有2纳秒的位操作速度和40纳秒的字操作速度。PLC配备1.6 GB的工作内存和32 MB的加载内存，支持PROFINET、PROFIBUS和OPC UA通信协议。系统采用分布式架构，使用ET 200SP系列远程I/O模块，通过PROFINET实现250微秒的通信周期。

软件架构基于TIA Portal V16集成开发环境。PLC程序包括用于变频器通信、PID控制、模型预测控制（MPC）、数据采集预处理和报警管理的功能块（FB）。详细的系统框架如图1所示。

4 节能效果分析

变频调速技术的节能效益主要体现在能耗降低和系统效率提高上。通过比较改造前后的能耗数据，可以定量评估节能性能。本研究中的改造后系统数据通过以下方法收集：

• 电能计量系统：在主要电气设备的供电线路上安装智能电表，收集改造前后的用电数据。电表型号为施耐德PM5560，准确度等级为0.2S，采样间隔为15分钟。

• 变频器内置功能：使用ABB ACS880变频器内置的能量监测功能记录运行时间、输出功率和能耗。数据通过Modbus-RTU协议传输到中央控制室。

• SCADA系统：使用西门子WinCC V7.5平台构建实时数据采集和存储系统。以1秒的采样周期监控电机转速、负载率、输出电压/电流和功率因数等关键参数。

• 现场测试：使用Fluke 435 II电能质量分析仪在不同负载条件下进行现场测量，捕获瞬时功率、谐波和功率因数数据。

基于测量数据，计算出年平均负载率。通过比较改造前后的能耗，确定不同负载条件下的节电率，如表3所示。

结果显示，随着负载率的降低，节能效果逐渐增加，这符合变频调速的立方定律节能原理。在满载运行时，节电率为10%，主要归功于变频器的高效率和精确控制能力，表明即使在高负载条件下，变频控制技术仍然具有显著的节能潜力。

在75%负载率下，节电率增加到49.4%，突出了部分负载下变速控制的优势。在50%负载下运行时，节电率达到75%，显示出其在中等负载下的出色性能。在25%负载下，节电率高达93.7%，充分展示了低负载条件下变频调速的巨大节能潜力。

总体而言，年平均节电率为56.8%，表明优化后的系统在实际运行周期中实现了良好的综合节能性能。考虑到不同负载状态的时间分布，这些结果为工业电气自动化系统的能效优化提供了宝贵的指导。

对于风机负载，变频器内置的节能优化功能在轻负载条件下自动调整V/F曲线。使用Fluke 435 II电能质量分析仪在不同负载率下进行测量，揭示了电压降低与能耗降低之间的关系。

结果显示，在20%-30%、30%-40%和40%-50%的负载率范围内，能耗分别降低了36.7%、25.3%和15.8%。这表明负载率越低，相同程度的电压调整所实现的能耗降低比例越大。对于低于20%的超轻负载情况，应考虑更激进的控制策略或设备停机，以进一步提高整体系统效率。

5 结论

本研究通过一个发电厂的电气自动化系统的改造实践，验证了变频调速技术显著的节能效果。通过优化控制策略和系统集成，实现了大幅度的能耗降低和运行效率提高。研究结果为类似工业场景中的节能改造提供了技术参考。未来的工作将进一步考虑运行和行程时间的不确定性，通过开发概率性的操作资源调度模型来更好地应对实际操作中的各种不确定性。