变频调速系统（精选十篇）
变频调速系统 篇1
1 变频调速系统的噪声源
变频调速系统外部噪声源主要有两类:一类是外部电磁感应干扰,主要指通过电磁感应原理进入变频调速系统的干扰,如电流和电压干扰信号对变频调速系统的干扰;另一类是外部传导干扰,主要指通过传导原理经电源进入变频调速系统的干扰,如电网谐波对变频调速系统的干扰[2]。
内部噪声源也主要有两个:一个是变频器整流装置中的非线性元件产生的谐波,非线性元件产生的谐波干扰会使电网电压畸变,影响供电质量,据测试,这种干扰引起的电压畸变率为10%～40%;另一个是变频器逆变器处于开关模式并作高速切换时产生的大量耦合性噪声,这种噪声严重时会影响周围设备运行。
2 变频调速系统外部和内部噪声的危害
外部噪声的危害主要有:变频调速装置外部整流装置产生的谐波有可能会使变频器中的整流装置出现较大的反向电压,从而使设备损坏;补偿电容在投切的暂态过程中产生的电网电压峰值会使变频器中的整流元件击穿。
内部噪声的危害在变频调速器容量较小时对电网和周边设备影响不大,但如变频器容量较大或数量多时,则会对电网和周边设备造成影响。对电网的影响体现在能产生电压畸变,引起公用电网局部的并联谐振或串联谐振,使公用电网产生谐波损耗,降低设备使用率;对变压器的影响体现在使铁耗上升、温度升高,影响变压器绝缘能力,并会引起绕组与线间电容产生共振和磁通饱和。对电动机的影响体现在使电机转矩出现脉动,如电机低速运行(<2 Hz)会导致转速不均匀。另外还会产生使电容器谐振和保护装置误动作等危害。
3 变频调速系统噪声的干扰途径
变频调速系统噪声的干扰途径主要有四种:一是通过空气辐射传递噪声,这是频率很高的谐波分量的主要传递方式;二是通过电磁感应传递噪声,这是电流干扰信号的主要传递方式;三是通过静电感应传递噪声,这是电压干扰信号的主要传递方式;四是通过电路传递噪声,这是一般谐波分量的主要传递方式[3]。这四种干扰途径见图1。
4 变频调速系统的抗干扰途径及措施
构成干扰的三要素是噪声源、噪声干扰途径和受扰体。变频调速系统的抗干扰途径分别是减少和抑制噪声源、切断噪声对系统的耦合通道和降低系统对噪声的敏感性[4]。在制定抗干扰措施时,首先要找到干扰源和分析干扰发生的失效机理,再根据干扰源和干扰发生的失效机理选用合适的抗干扰措施。在分析失效机理时,首先要判别干扰类型,为选用简单有效的抗干扰措施提供依据。
下面从抗干扰的三个途径介绍一些变频调速系统的抗干扰措施。
4.1 减少和抑制噪声源
4.1.1 减少噪声源
4.1.1. 1 选用合适的安装环境
选用安装环境要按照产品说明书要求选择,如因条件限制找不到适合的安装环境,则应想办法解决因安装环境不满足要求带来的问题。如在振动较大的场合应采用橡胶垫等减振措施。在潮湿、腐蚀性气体和粉尘多的环境,控制板应尽量采用封闭式结构,并应对其采取防腐防尘处理和保证通风通畅。在温度条件达不到安装要求时,则应采取安装空调或设置加热器等措施,以满足温度要求。
4.1.1. 2 避免人为损坏元器件
造成元器件人为损坏的主要原因是人体带的静电带来的干扰,具体措施如下:将绝缘薄膜或涂耐5 k V以上的绝缘漆覆盖整个操作台和电气控制柜;使电气控制柜良好接地;线间加屏蔽,以防串扰。
4.1.1. 3 削弱变频器自身干扰产生能力
具体措施如下:逆变单元的并联多元化;整流电路的多重化;功率单元的串联多重化;改善PWM调制的方法,如采用混合式PWM,在低压、低频时,用一般的正弦PWM调制方法,在高频、高压区则采用谐波消除式PWM调制方法,正弦波PWM的高次谐波也可得到改进;探讨新的变频调制方法如电压矢量的变形调制。据有关资料介绍,采用12相脉冲整流的畸变大概是10%～15%,采用18相脉冲整流的畸变大概是3%～8%,完全满足国际标准的要求[5]。
4.1.1. 4 开发新型的变频器
现在许多厂家提出生产“绿色变频器”,该变频器内置的交流电抗器能有效抑制谐波,同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波影响。
4.1.2 抑制噪声源
4.1.2. 1 屏蔽噪声源
屏蔽干扰源是抑制噪声的最有效的办法,它可以把噪声屏蔽在噪声源内部,不对外部设备形成干扰。通常做法有:用铁壳屏蔽变频器;用铁管屏蔽输出线;信号线尽可能短(一般在20 m以内),且采用双芯屏蔽,并与主线路和控制线路分离;为提高屏蔽的有效性,应将屏蔽罩可靠接地。
4.1.2. 2 增加交直流电抗器抑制干扰
采用交直流电抗器能有效抑制冲击干扰,降低整流器件电流瞬时值,能抑制变频器对其电源所连电子设备的谐波干扰,改善电源侧功率因数。但在抑制干扰能力方面,交流电抗器优于直流电抗器,据有关资料介绍在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器,大约能降低进线电流波形畸变30%～50%,是不加电抗器谐波电流的一半左右,如图2所示。图中实线为实际的相电流波形,灰线为理想状态相电流波形。
4.2 切断干扰对系统的耦合通道
4.2.1 接地
接地是抑制噪声和防止干扰的一种重要手段,良好的接地不仅可以抑制外来干扰,还可以减少设备自身对外界的干扰,是抑制干扰的一种好办法。其中变频器主回路端子PE的正确接地是提高变频器抑制干扰能力和减少变频器干扰的重要手段,在实践中应予以重视,具体措施如下:变频器接地点不能与其它动力设备接地点共地;接地线长度最好控制在20 m以内,截面积应大于25 mm2;接地电阻值应小于100Ω;合理选择接地极位置。
4.2.2 隔离
干扰隔离是指用隔离变压器将干扰源和易受干扰的电路分隔开,使它们之间没有电气上的联系,从而起到抗干扰的作用。使用这种办法可以将来自电源的绝大多数传导干扰阻隔在装置外部,是切断干扰路径的好办法。在变频调速系统中通常的做法是在电源和放大电路之间的电源线上安装隔离变压器,电源变压器最好采用噪声隔离变压器,如图3所示。
4.2.3 滤波
设置滤波器目的是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少这两种干扰可通过在变频器输出侧和输入侧设置滤波器。若线路中有敏感电子设备,可在电源线上设置电源噪声滤波器,以免传导干扰。这种办法主要用于削弱较高频率经传导进来的谐波干扰。
4.2.4 合理布线
对于通过感应方式传播的干扰信号,可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法有:设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线;其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行;降低系统对干扰的敏感性。
4.3 减少系统对噪声的敏感性
4.3.1 选用具有开关电源的低压电器
选用控制系统的电源设备或控制电器时,应尽量采用具有开关电源的电器,这是因为在开关电源的内部采用了滤波器,具有开关电源的低压设备抗电源传导干扰的能力都比较强的缘故。
4.3.2 软件滤波
在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中,编写软件时,可以通过在检测信号和输出控制部分加上软件滤波,以提高控制系统的抗干扰能力。
以上的抗干扰措施可根据变频调速系统的抗干扰要求合理选用。图4是某个变频调速系统主电路的抗干扰措施。
图中主要的抗干扰措施有增加交直流电抗器抑制干扰(抑制噪声源)、通过滤波器进行滤波(切断干扰对系统的耦合通道)和通过对输出线进行屏蔽来抑制干扰(屏蔽噪声源)。变压器后面的线路中加了接地是用来抑制外来干扰信号的。线路屏蔽是用铁管屏蔽。
5 结语
通过研究可以发现,变频调速系统在没有采用各种抗干扰措施时自身很容易受到来自外界的干扰信号的影响,使系统运行受到影响,因此需采取各种抗干扰措施来防护各种干扰信号的影响,具体的抗干扰途径可从构成干扰的三要素着手,分别是减少和抑制噪声源、切断噪声对系统的耦合通道和降低系统对噪声的敏感性,具体措施有屏蔽噪声源、增加交直流电抗器抑制干扰、接地、隔离、滤波、合理布线、选用具有开关电源的低压电器和软件滤波等,具体在选用这些措施时要根据干扰源和干扰发生的失效机理来选用。
参考文献
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变频调速系统 篇2
由于传统的制冷系统采用定速压缩机，因此人们对制冷系统及压缩机的研究重点一直是在名义工况和额定转速下稳态工作时的效率和其它工作特性上。传统的制冷系统采用定转速压缩机，实行开关控制，利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动压缩机，从而调节蒸发温度。这种控制方式使蒸发温度波动较大，容易影响被冷却环境的温度。压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。另外这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流，引起电源电压的波动，因此应采用变频压缩机替代定转速压缩机，从而避免这种频繁的起停过程。
而变频调速技术主要由以下4个方面的关键技术组成：逆变器，微控制器，PWM波的生成以及变频压缩机的电机选择。
2 三种变频压缩机的研究状况
针对变频压缩机的研究，是从往复活塞机开始的，但由于其往复运动的特点，影响到变频特性的发挥;从而转到滚动转子式压缩机、涡旋压缩机等回转式压缩机上来，大大提高了压缩机的性能。总体说来，实验研究居多，而理论分析较少。
2.1 往复式活塞压缩机
日本东芝公司在1980年开发了往复式变频压缩机，又在1981年开发了转子式变频压缩机，文献[1]给出这两种机器的制冷量和总效率随频率变化的实验数据，从中可以看出往复式在频率为25~75Hz时，效率高;而转子式在30~90Hz时，效率高。并且两种机型均存在效率最高频率。在大于此频率时效率缓慢降低，小于此频率时，效率则下降很快。另外，Scalabrin测量一台可变速的开启式往复压缩机在不同转速下的制冷量和输入功率，他指出这台压缩机的容积效率在转速为1000rpm时最高，而等熵效率和制冷系数随转速的降低而增高[2]。Krueger讨论了BPM电机及变频器的设计，对转速在~5000rpm的冰箱和往复式压缩机进行了实验研究，得到压缩机的转速为3000~5000rpm时制冷系数最高;而文献[3]则给出了其对冰箱用往复式压缩机的性能试验和模拟计算结果，在其研究的转速范围内2000~4000rpm，制冷系数随转速的增加而降低。还有学者对往复式变频压缩机的热力性能进行了仿真研究，计算了压缩机内各部位的换热量和压力损失。
2.2 滚动转子式压缩机
在1984年，日本东芝公司的Sakurai和美国普渡大学的Hamilton建立了简单的滚动转子式压缩机的摩擦损失模型[4]，并选取不同的边界摩擦系数和制冷剂在油中的溶解度计算了不同的转速下的摩擦功耗。其结果与实验值相比较，偏差较大。文献[5]叙述了日立公司1983年批量生产的变频转子压缩机在结构和材料上的改进。文献[6]研究了单缸和双缸转子压缩机的转速波动，讨论了电流频率减小时，压缩机性能降低的原因。文献[7]采用低密度和铝合金制作的滑片和转子以降低高转速时滑睡瑟转子间的接触力和转子轴承承载。文献[8]简单分析了适当降低滑片的质量和厚度可以提高变频转子压缩机的效率，并给出了气缸、转子和滑处的温度及应力分布的有限元分析结果。Liu和Soedel分析了变频转子压缩机的吸气和排气气流脉动[9，10]和吸气管气缸间的传热及压缩机的温度分布[11]，讨论了影响变频转子压缩机容积效率和气缸压缩过程效率的因素，给出了他们用计算机模拟计算出的在不同转速下的容积效率和压缩过程效率，从实验数据和文献[1]的实验可以看出，其计算的容积效率随转速的增大而很快的增大。
2.3 涡旋式压缩机
涡旋式压缩机的原理早在1886年意大利的专利文献[12]论及到了，19法国工程师Creux正式提出涡旋式压缩机原理及结构，并申请美国专利[13]。涡旋式压缩机是一种新型的容积式压缩机，具有结构紧凑、效率高、可靠性强、噪声低等特点，尤其是用于变频控制运行。但由于没有数控加工技术和缺乏对轴向力平衡问题的妥善解决方法，因而长期未能完成其实用化。进入70年代，美国A.D.L公司完成富有成效的研究，首先解决了涡旋盘端部磨损补偿的密封技术。并在此基础上与瑞士合作开发了多种工质的`涡旋式压缩机样机。涡旋式压缩机的真正规模生产始于日本。1981年日本三电(SANDEN)公司开始生产用于汽车空调的涡旋式压缩机，1983年日立公司开始生产2~5Hp用于房间空调的涡旋式压缩机。此外，在美国，自Copeland公司1987年建立涡旋式压缩机生产线推出其产品后，Carrier、Trane、Tecumseh等公司也分别设厂生产高质量的涡旋式压缩机。而变频涡旋压缩机已应用于柜式空调器上，节能效果明显，制冷系数提高20%左右，成为目前涡旋压缩机的一个研究热点。
3 变频调速技术的发展及现状
变频调速技术适应于节能降耗和舒适性的要求，目前已应用于新一代的空调器上，在90年代初进入国内空调市场，其核心是：逆变器、微控制器、PWM波的生成和变频压缩机的电机。
3.1 逆变器
变频空调的核心部件是变频器，其主要电路采用交-直-交电压型方式。交-直过程一般采用单相二级管不可控直接整流，直-交过程一般采用6管三相逆变器，另有一个辅助电源，一个逆变器控制器和相应的驱动电路。
早期的变频器采用分立元件构成，整流器采用单相倍压整流电路，逆变器由6只分立的功率晶体管(GTR)构成。这种电路复杂，可靠性差。目前大部分厂家采用的逆变桥由6个绝缘栅极晶体管(IGBT)组成，其综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块(IPM)技术的发展应用，IPM正在逐步取代普通IGBT模块。由于IPM内部既有IGBT的棚极驱动和保护逻辑，又有过流、过(欠)压、短路和过热探测以及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性。另外，IPM的体积与普通IGBT模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。比较成功的产品如：日本三菱电机公司所生产的PM20CSJ060型以及日本新电元公司生产的TM系列IPM模块等。
功率因素校正(PFC)环节和逆变桥集成是新一代的空调器逆变电源技术。PFC技术的应用不但可以极大改善电网的工作环境，减少输电线的损耗，而且在变频工作时可以减小输入端电感和输出端电容器，减小模块体积。因此PFC环节和IPM逆变桥集成一体化是家用空调器发展的必然。
3.2 微控制器
微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化，从早期的模拟控制技术发展数字控制技术。目前国外一些跨国公司的微控制器产品占据着主要的市场，如：Motorola公司的MC68HC08MP16、Intel公司的80C196MC、三菱公司的M37705等。这些公司的产品性能价格比较高、功能强大，如带有A/D转换器、PWM波形发生器、LED/LCD驱动等，且一般都有OTP产品以及功耗低可长期稳定的工作。微控制器目前主要由单片机向DSP(信号处理器)过渡。以目前应用比较广泛的TI公司的TMS320C240为例，其具有：50Ns的指令周期，544字的RAM，16K的EEPROM，12个PWM通道，三个16位计数器，两个10位A/D转换，WATCHDOG，串行通讯口，串行外围接口等，采用DSP，可使控制电路简单，而且控制功能强大。
3.3 PWM波的生成
在家用空调器中，目前国内大部分厂家采用常规的SPWM方法，在国外，在部分厂家以采用磁通跟踪型SPWM生成方法，该方法以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹―理想磁通圆，即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态，以形成PWM波形，该方法电压利用率高，低频谐波转矩小，频率变化范围宽、运行稳定，具有比较好的控制性能。近期出现的PAM控制(Pulse Amplitude Modulation)不采用载波频率进行整流，而直接改变电压，减少了整流所需的能耗，提高了变频器的工作效率，满足了节电和降低高次谐波的要求，使供暖能力得到提高。
3.4 变频压缩机的电机
变频压缩机电机主要分为交流异步电动机和直流无刷电动机两种。目前国内一些大的压缩机生产厂家如：万宝、松下、上海日立、东芝万家乐等已有能力生产变频压缩机(包括交流机和直流机)，交流电动机成本低，制造工艺简单，但其节能效果较差。直流无刷电机拖动由无刷电机本身，转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极为永磁体，电枢绕组采用自控式换流，定子旋转磁场与转子磁极同步旋转，通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制，既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能，又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端，具有寿命长、可靠性高和噪声低，控制方便等优点。以三菱电机公司开发的适用于空调压缩机的节能高效直流无刷电机为例，其具有：转子上安装了8块V字型永久磁体。磁体为埋入式，转子不会在不锈钢外壳中因涡流因而产生损耗;采用了新的压缩机电机驱动方式，效率比普通的无刷电机高，但是这种压缩机电机的价格较高。
开关磁阻电动机(SRM)是80年代新推出的变速传动系统，由磁阻电动机和控制器组成，是新一代机电一体化产品。该电机结构十分简单，但是比普通磁阻电动机多了转子位置检测器(一般为光电检测)，总体上比较流异步电动机简单、坚固和便宜，又因为绕组电流是直流脉冲，只需整流，无需逆变，所以控制电路简单。目前有关SRM的理论尚不够完善，低速时，转矩有些脉动，噪声和震动较大，转速的稳态精度不够高等，有待今后进一步研究解决。
DCS系统结合变频调速应用实例 篇3
关键词：DCS；PID组态；变频调速；自动控制
中图分类号：TH445 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0036-02
1 DCS系统结合变频调速运行的原理
目前大型工业锅炉自动控制使用的DCS系统能够在线实时采集过程参数，实时对系统信息进行加工处理，结果能迅速反馈给系统，完成自动调节和控制。组态软件系统中各功能块的组合可精确实现偏差运算、PID运算、调节器等功能，与变频调速装置及压力测量反馈配合能构成高稳定性的闭环控制系统，可实现跟踪负荷的变化，根据目标值自动调节变频器的运行频率给定值。
2 DCS系统控制变频风机恒压运行方案的设计
2.1 控制对象
灰库，容积300 m3，由于储存的物料为粉状物，因此要求库内压力维持在-800 Pa左右的负压，以利于输送管道里的物料顺利进入。
2.2 执行机构
调速变频器及负压风机电机，变频器选用ABB ACS 800—04P—0025—3+P901适配通用电机，功率25 kW额定电流49 A。一般用于连续运行的变频器容量的选择基本方法是，变频器额定输出电流约等于1.03倍电机的额定电流。 电机功率 22 kW，额定电流：42.2 A。
2.3 传感器
压力变送器（PT），选用罗丝蒙特3051型-1.5～1.5 kPa，用于检测灰库压力，将压力信号变换成4～20 mA的标准电流信号反馈给DCS系统的Dev模块。
3 DCS系统组态的设计
DCS系统能对实时数据处理并输出测点的节点称为DPU，DPU可用类似CAD方式的图形组态工具进行组态，组态针对一个DPU进行，组态内容包括DPU内部的控制策略，内部点与I/O卡及端子板等硬件的对应关系及内部点与全局点之间的对应关系等。
3.1 控制外部设备和测点信号采集
系统控制外部设备和测点信号反馈、采集等都必须由端子板硬件模块I/O板来完成，根据信号的不同性质选择相对应的端子模块。如启动信号反馈，远方/就地等属于开关量输入信号，应选用开关量输入端子模块即DI板，用于变频启/停信号是属于开关量输出信号，相应选用开关量输出端子模块，即DO板。
3.2 DPU组态功能模块设置
DPU是DCS的一种功能，而并不具体到什么硬件，可以通过I/O驱动与不同的I/O硬件连接，本项目的DPU组态思路。变频器的启动，模块中的Out 1点是风机启动停止指令输出点。
3.3 变频自动控制DCS逻辑图
变频器的频率给定控制是按照闭环控制系统（closed-loop control system），如图1所示。
如图所示，变频器运行频率的给定有两种方式，手动及自动控制方式，并且手自动的切换实行无扰切换。由AO摸块模拟量页间输入模块37引用，通过AO板端子输出4～20 mA电流信号作为变频器频率给定，控制变频器运行。
变频器运行频率的给定有两种方式，手动及自动控制方式，并且手自动的切换实行无扰切换。图中灰库风压给定和灰库风压反馈两个值分别送入Dev（偏差运算模块）的X1、X2输入点，Dev模块将两个值进行比较求出偏差，其偏差值由Y点送出至Epid（PID运算模块）的E点输入，Epid模块中TR点是被跟踪量设置、Kp点是放大系数设定、Ti是积分时间设置、Td是微分设置。
以上几个参数是根据厂家推荐的经验值结合凑试法得出的参数设置。凑试时先调比例系数，将参数由小变大并观察系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。
在调整积分时，先将积分设定在一个较大的值，然后略为调小比例系数，再减少积分时间，使系统得到良好的动态响应，且静差得到消除。
以上调整已能满足要求，微分可不须调整设置为0。偏差信号经Epid模块运算后由Y点送出至ES/MA（模拟软手操器摸块）的X点，M/A站输入，作为模拟软手操器的自动调节信号。SP点是负压给定值打包控制点输出，信息送至模拟量上网模块31供实时网共享，其信息被Dev模块的X1点灰库风压给定引用。ES/MA模块的FB点是变频频率反馈，S点是手动自动无扰切换点，Y点是M/A站输出，属于被控量输出，送至模拟量页间输出模块37。
由AO摸块模拟量页间输入模块37引用，通过AO板端子输出4～20 mA电流信号作为变频器频率给定，控制变频器运行。 4 变频器的选择
4.1 现在较常用的交流调速传动
主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，即变频调速。交流调速传动控制技术是电力电子器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），包括半控型和全控型器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。
4.2 交-直-交变频器
变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。本课题中所用变频器即为交-直-交变频器。
4.3 交-直-交变频器其基本构
由主电路（包括整流器、中间直流环节）和控制电路组成，各部分作用如下所述。
4.3.1 整流器
电网侧的变流器，是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。
4.3.2 中间直流环节
由于逆变器的负载属于感性负载，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。
4.3.3 控制电路
控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的启停控制、对整流器的电压控制、对逆变器的输出频率、电压进行控制以及完成各种保护功能等，主要靠软件来完成各种功能。
5 结 语
DCS系统结合变频调速技术是利用现代先进的计算机工控技术及电力电子技术，交流调速技术达到远程控制、自动调节的目的，体现了科技就是第一生产力和以人为本的现代化生产观念。在倡导节约型社会的今天，应用变频调速也是企业改造挖潜、提高效益的一条有效的途径，同时也是国民经济可持续发展的需要。
参考文献：
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变频调速典型控制系统(六) 篇4
位置控制系统的控制目标是位置,电动机的转速和转矩则是实现该目标的从属变量。常用的位置控制系统有2类:单电动机位置控制及多电动机角同步控制。
6.1 单电动机位置控制系统[1,2]
单电动机位置控制系统又称伺服系统或随动系统,例如:各种定位、火炮自动瞄准、雷达天线跟踪等系统,它要求被控电动机的转角θ跟随其给定θ*s变化,对调速系统的基本要求是快速响应和精确跟随。
单电动机位置控制系统的结构有3种:位置单环系统;位置、转速双环系统;位置、转速、转矩三环系统。三环结构应用最广泛,它在双环(转速外环+转矩内环)基础调速系统之外,再加一个位置外环,示于图1。
三环系统的主要优点如下[2]:
1)当转速环与转矩环内部某些环节的参数发生变化或受到扰动时,转矩(电流)反馈与转速反馈能对它们起到很好的抑制作用,位置环的动态误差较小;
2)有电动机转速和转矩(电流)限制;
3)每个环都按照典型系统,依规范由内至外依次进行设计[2,3],比较简单,且易于调整。
三环系统中位置环的动态结构框图示于图2。
按相对值计算和整定θ和n(n=ω),位置环控制对象的传递函数为
它是一个积分环节,式中pTN =p/fN是θ和n采用相对值,而时间t不是相对值引入的变换系数,pTN是电动机轴转一圈所需时间(p为电动机极对数)。在绘制位置环动态结构框图时,整个转速环(基础调速系统)用一个小惯性环节来代替,其时间常数为σp ,它是转速环等效时间常数Teq.n、位置信号采样等效时间常数及位置环所有滤波时间常数之和。通常位置调节器APR选用P调节(位置超调较小),比例系数为VR.p ,则位置环开环传递函数为
它是标准的典型Ⅰ型方程,根据调节器工程设计方法(见文献[1,2]),
位置调节器APR也可以采用PI调节,这时转速调节器ASR最好用P调节。
上述三环系统存在2个问题:
1)响应较慢,因为在每次设计外环时,都把内环等效为一个小惯性,这种等效之所以能够成立,是以外环的截止频率远低于内环为条件的,这样最外面的位置环的截止频率就被限制得很低,从而限制了系统的快速性;
2)APR选用P调节后,开环传递函数为典型Ⅰ型方程,系统的稳态跟踪误差=0,但线性跟踪误差≠0。
在上述三环位置控制系统中加入转速和转矩预控可以解决这些问题,也绘于图1中。转角给定信号θ*s 经带圆角的斜坡给定环节RFG(见第3讲3.4节),输出3个信号:y为APR的位置输入信号,y=θ*;yA=dθ*/dt ;yB=d2θ*/dt2 。转速预控量Δn*和转矩预控量ΔT*为
调整系统时,空载线性增大和减小θ*,按APR输出n*≈0(变化最小)来设置转速预控系数αn ,按ASR输出T*≈0(变化最小)来设置转矩预控系数αT 。加入预控后,在动态调节过程中APR和ASR的输出都只在很小范围内变化,故加快了调节过程。由于在θ*线性变化时,n*≈0,除以VR.p后,APR的角度偏差输入信号也为0,所以线性跟踪误差≈0。受最高转速限制,转角θ不可能变化太快,故引入斜坡给定环节RFG不会影响转角跟踪速度。
位置控制所需的转速和位置传感器大多采用编码器(光电或磁性)或旋转变压器(Resolver),经变换后它们都能产生转速和位置2个信号。
有的定位系统在加减速及稳速运行时采用转速控制,只是在停车前定位时才投入位置环,变为位置控制,设计时应注意2种系统切换过程的平滑过渡。
位置控制还可用于宽调速系统,极低转速时在原有双环转速控制系统外加入位置环,转速给定经积分变成转角给定,位置环使实际转角跟随其给定缓慢转动。注意防止位置计数器满位清零带来错误转角差信号。
6.2 多电动机角同步控制系统
某些多电动机传动设备,各电动机之间无机械联系,但要求运行中它们的转角保持同步,称这类调速系统为多电动机角同步系统。例如无机械联轴的双吊点提升传动,2个吊点各由1台电动机拖动,它们之间无机械轴,为保证被起吊的重物平衡,要求两电动机在起吊过程中转角相同。有3种同步模式:转角相同;转角差固定角度;两转角之比为固定值。
多电动机角同步控制系统采用主从控制结构,框图示于图3。主系统为双环转速控制系统(基础调速系统)。从系统在双环调速系统(基础调速系统)基础上,增加1个位置调节器APR,它的输入为两电动机转角差信号(Δθ=θ1-θ2),输出是从系统转速微调信号Δn*2,从系统的主转速输入与主系统相同,都是n*。在θ1≠θ2时,APR输出的转速微调信号Δn*2≠0,通过改变从电动机转速来减小转角差,直至θ1=θ2。和上节介绍的三环位置控制系统一样,APR调节器也采用P调节,设计方法也相同。
为实现θ1和θ2差为固定值的工作模式,需在计算APR的转角差输入信号Δθ时加入偏置值θb,
Δθ=θ1-θ2+θb (5)
为实现两电动机转角之比θ1/θ2为固定值的模式,需要修改从系统的转速和转角反馈系数,使之与主系统不同。
参考文献
[1]陈伯时,仲明振,中国电气工程大典编委会.中国电气工程大典:第15卷.电气传动自动化[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
变频调速系统的发展现状与前景展望 篇5
摘要：详细介绍了目前变频调速领域研究的热点问题，分析了最新技术发展对变频调速系统产业化所带来的影响，并对变频调速系统的发展前景进行了预测。
关键词：变频调速系统；现状；展望
一、在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。
目前，研究较多的大功率逆变电路有：
多电平电压型逆变器
变压器耦合的多脉冲逆变器
交交变频器
双馈交流变频调速系统
（1）多电平电压型逆变器
日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（Neutral Point Clamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。
多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：
1.更适合大容量、高电压的场合。
2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。
3.电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。
4.效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。
（2）变压器耦合的多脉冲逆变器
变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：
1.不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；
2.模块化程度好，维修方便；
3.对相同电平数而言，所需器件数目最少；
4.无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；
5.控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。
当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。
（3）交交变频器
交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。
（4）双馈交流变频调速系统
双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。
二、高性能交流调速系统
V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：
（1）磁通的准确估计或观测
（2）无速度传感器的控制方法
（3）电机参数的在线辨识
（4）极低转速包括零速下的电机控制
（5）电压重构与死区补偿策略
（6）多电平逆变器的高性能控制策略
三、展望
在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对
人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。
参考文献：
[1]王树.变频调速系统设计与应用.机械工业出版社,2005
[2]丁斗章.变频调速技术与系统应用.机械工业出版社,2005
PLC变频调速恒压供水系统 篇6
社会经济的发展以及人民生活水平的提高，人们对供水的质量与供水系统的稳定性也有了更高的要求，设计与选用高性能且适应广的恒压供水系统成了当今的发展趋势。利用 PLC，运用不同功能的传感器和网管的压力，变频器进而对水泵的速度进行调节，达到水管中的压力保持在一定的范围。
一、控制电机变频调速系统的构成
PLC、变频器、电机及电机测速系统共同构成了PLC 控制电机变频调速系统。
二、PLC 变频调速恒压供水系统
供水泵组由PLC 与变频调速技术控制。变频调速系统的一个特殊应用即恒压供水系统。它具有效率高、控制效果好的优点。
1、PLC 变频调速恒压供水系统的工作原理
恒压供水系统工作原理图
压力检测转换装置、控制系统和水泵共同构成了这个供水系统。管网的实际压力与给定压力进行比对，管网压力不足时，水泵转速在变频器增大输出频率的情况下，就会加快，管网压力在供水量的压力下就会上升。同样，供水量减小致使水泵转速减慢，管网压力相对下降，供水就会保持在恒定状态。变频器的输出频率通过压力检测转换装置对管道压力进行检测，检测到的信号会转换成0-5伏或4-20毫安的电信号，调节器通过运算并与设定值进行比较后，进行控制变频器。通过水泵的转速来调节管道的水压在系统的控制下达到恒定。同時，变频器具有软启动的功能，对电机有一定的保护功能。平滑无扰动切换和控制的实现，是因为变频器输出频率受到了检测。
2、PLC 变频调速恒压供水系统的硬件构成
中心控制装置由压力传感器、PLC 和变频器组成，所有功能均能实现。管网干线上的压力传感器对管网的水压进行检测，同时把压力转化为4-20毫安的电流信号，发送至PLC 与变频器。水泵电机的控制设备就是变频器，它能将0-5赫兹的频率信号，根据水压恒定的需要，传送给水泵电机，对它的转速进行调整。泵站供水的实际情况与需求，应该有三台水泵并用一台变频器，不仅要改变水泵电机的转速，而且水压的恒定也需要增减运行泵的台数进行维持，因为运行泵不能达到恒压的要求时，下一台水泵就要投入运行。压力在变频器输出频率降至最小后依然过高，就要停止一台运行泵，这就要求不仅对开关量进行控制，还要对数据进行处理。PLC 自动采样，将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，通过数据处理指令调用，数据接触器随时接受指定的数据。压力传感器电流信号和变频器输出频率信号，都可以通过它被转换成数字量，提供给PLC，同时与恒压对应电流值、频率上限、频率下限进行比对，从而泵的切换与转换的变化可以实现。水泵在变频器和工频电网之间的切换过程在系统进行设计时就应该提高其速度，从而保证水能连续供应，尽可能减小水压的波动，使供水的质量提高。同时，硬件上必须设置闭锁保护防止故障的发生。
三、变频恒压供水系统控制流程
接收到有效的自控系统启动信号，系统通电启动变频器，变频泵M1开始工作，变频器的输出频率通过由压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差，进行调节，进而控制Ml的转速，供水量与用水量相平衡时，转速就会稳定在这个定值状态。
压力变送器在用水量增加水压减小时，就会反馈水压减小信号，进而PLC的输出信号因偏差变大而变大，继而变频器的输出频率变大，水泵的转速与供水量就会增大，这时水泵的转速就会达到一个新的稳定值。同样道理，水泵的转速在用水量减少水压增加时，压力闭环又会出现一个新的稳定值。
用户管网的实际压力，在用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统在变频循环式的控制方式下，将在PLC的控制下自动投入水泵M2，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
系统在用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，工频泵M2将被关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。如上转换在用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将会继续发生，将另一台工频泵M3关掉。
四、水泵切换条件分析
50赫兹成为频率调节的上限频率，是因为电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制。同时，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0赫兹。然而，变频器的输出频率在实际应用中，是不会降到0赫兹的。当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩。在一定程度上，水压会阻止源水池中的水进入管网，所以，水泵在电机运行频率下降到一个值时，就不会抽出水。同时，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。水泵在电机运行频率下降到抽不出水时的值，就是电机运行的下限频率，一般在20赫兹左右。选择50赫兹和20赫兹作为水泵机组切换的上下限频率，就是这个原因。
供水压力在输出频率达到上限频率时，在设定压力上下波动。当设定压力大于反馈压力时，机组就会进行切换。供水压力在增加了一台机组运行时，就会快速超过设定压力。特殊情况下，实际供水压力在运行组增加后，就会超过设定供水压力，这时在变频器的下限频率运行的新增加机组，达到了机组切换的停机条件，工频状态下运行的机组有一个会停掉。这种情况会导致系统经常处于不稳定状态，增大了机组的切换频率。相应的判别条件在实际应用中是通过对上面两个判别条件的修改得到的，增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
五、系统软件设计分析
工作泵组数量管理分析。启动第二台水泵是为了恒定水压。一台水泵水压降落，变频器的输出频率升高，不能满足恒压时，就会启动第二台水泵。变频器的输出频率达到设定的上限值是启动下一台水泵的前提。
泵组管理规范。只有制定了管理规范，才能实现各台水泵必须交替使用以及软启动电动机。一台泵连续变频运行不得超过3小时，就应进行切换变频泵。现行运行的变频器从变频器上切除，同时接上工频电源运行，变频器复位并用于新运行泵的启动，并实行泵的工作循环控制。
变频调速恒压供水系统不仅具有节能和安全的特点，而且能够提供高质量的水。同时，运用PLC 作为控制器，降低了成本，实现了水泵电机无级调速，系统的运行参数能够依据用水量的变化进行自动调节，进而通过保持水压的恒定，在用水量发生变化时满足供水的需求。
PLC控制变频调速系统设计 篇7
1 硬件系统组成
控制系统包括信号采集和PLC控制两部分, 主要由变频器、可编程控制器、旋转编码器和位移控制电路构成。
1.1 VS-616G5变频器
变频器闭环工作, 即给所使用的电机装置设速度检出器 (PG) , 将实际转速反馈给控制装置进行控制的。对于电梯, 要求调速精度比较高, 即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合, 故采用具有PG反馈功能的变频器。VS-616G5变频器, 在使用矢量控制的时候, 能自动设定电动机参数。由于可以进行矢量控制运行, 因此从专用电动机到通用电动机, 都可发挥最大限度的作用。
1.2 可编程控制器 (PLC)
可编程控制器简称PLC, 是以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点, 已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。PLC采用三菱FX2N-64MR型机, 考虑输入输出点的要求, 还增加了FX-8EYT、FX-16EYR、FX-8EYR三个扩展模块和FX2-40AW双绞线通信适配器, 用于系统串行通信。
2 PLC与变频器的配合使用
用PLC控制变频器有两种方法:一是模拟量控制, 该方法很直观而且简单, 利用变频器的I/O端子, 将变频器的跟随速度设置为某个模拟量输入即可实现对变频器的控制, 但是每个变频器占用一个模拟量通道;二是通信, 该方法不仅实现了对变频器的控制, 还能够获取变频器的运行状态, 只要简单地把变频器当成一个设备, 用PLC来通信, 读写这些变频器内部寄存器, 就可以实现对变频器的控制。变频器中也存在一些数值型 (如频率、电压等) 指令信号的输入, 可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定:模拟输入则通过接线端子由外部给定, 通常通过0~10V/5V的电压信号或0/4~20m A的电流信号输入[2]。由于接口电路因输入信号而异, 因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。
接在PLC的4个输入点作为控制电梯行程开关, 当电梯经过霍尔开关时, 开关输出为0信号。。6个按钮用来电梯的上下呼叫, 它还具有显示功能。七段LED用来显示电梯当前所在电梯层数。电梯有上升控制和下降控制, 其控制要求如下。 (1) 电梯停于某层, 当有高层某一信号呼叫时, 电梯上升到呼叫层停止。例如电梯在1楼, 4梯呼叫, 则电梯上升到4楼停止。 (2) 电梯停于某层, 当有高层多个信号同时呼叫时, 电梯先上升到低的呼叫层, 停8s后继续上升到高的呼叫层。例如电梯在1楼, 若2、3、4层同时呼叫, 则电梯先上升到2楼, 停止8s后继续上升到3楼, 到达后再停8s上升到4楼停止。
当变频器和PLC的电压信号范围不同时, 如变频器的输入信号为0~10V而PLC的输出电压范围为0~5V时, 或PLC一侧的输出信号电压范围为0~10V而变频器的输入电压信号范围为0~5V时, 由于变频器和PLC的输入、输出端晶体管的允许电压、电流等因素的限制, 需用串联的方式接入限流电阻及分压方式, 以保证开闭时不超过PLC和变频器的输入、输出端允许容量。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号, 电信号的范围通常为0~l0V/5V (电压) 及0/4~20m A (电流) 。在应用中应依据PLC一侧的输入阻抗的大小, 保证电路中电压和电流不超过电路的允许值, 以提高系统的可靠性和减小误差。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰, 为保证PLC不因变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障, 将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点。 (1) 对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地, 而且应注意避免和变频器使用共同的接地线。 (2) 当电源条件不太好时, 应在PLC的电源模块及输入、输出模块的电源线上接入噪声滤波器和降低噪声用的变压器等。另外, 若有必要, 在变频器一侧也应采取相应的措施[3]。 (3) 当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时, 应尽可能使与变频器有关的导线和与PLC有关的导线分开。 (4) PLC和变频器连接时, 由于二者涉及用弱电控制强电, 因此, 应该注意连接时出现的干扰, 避免由于干扰造成变频器的误动作, 或者由于连接不当导致PLC或变频器损坏, 其连线应使用屏蔽线和双绞线以提高抗噪声干扰的水平。
3 结论
本次介绍的利用PLC控制交流变频调速电梯具有可靠性高、编程直观、接线简单、扩展容易等特点, 且电梯运行平稳, 舒适感好。PLC变频器电梯系统是比较好的一种实现方式, 其运行效果是很不错的。但是对于多台群控电梯, 则有些力不从心, 可以采用微机串行通信网络系统和多微机光缆, 才能取得满意的运行和使用效果。
摘要：本设计用PLC、变频器改造原有的控制系统, 应用变频器完成电梯拖动控制, 采用PLC作为信号控制单元, 完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定, 实现电梯的自动调度和运行功能。本文主要探讨PLC控制变频调速系统设计的原理及其应用。
关键词：PLC,变频器,调速系统
参考文献
[1]陈忠平, 周少华, 侯玉宝, 等.三菱FX/Q系列PLC自学手册[M].人民邮电出版社, 2009.06.[1]陈忠平, 周少华, 侯玉宝, 等.三菱FX/Q系列PLC自学手册[M].人民邮电出版社, 2009.06.
[2]冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州:华南理工大学出版社, 2002:45-47.[2]冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州:华南理工大学出版社, 2002:45-47.
交流异步电机变频调速系统研究综述 篇8
在上个世纪七十年代以前, 高性能的可调速系统通常都采用直流电机, 而不变速传动或简单调速传动则采用交流电机, 主要是因为直流传动具有优越的可控制性能[1]。直到二十世纪七十年代, 人们成功地开发出了高效的交流变频器, 使得交流笼型电机进入了可调速领域, 由于其具有结构简单、成本低廉、维护方便、工作可靠、转动惯量小和效率高等优点, 交流电机很快成为可调速传动的主流。
在最初研究和应用交流调速时, 人们只能从交流电机的稳态模型出发来探讨调速方法, 对其动态模型还不十分清楚。接着出现了恒压频比的控制方法, 它被普遍应用于风机、水泵调速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。分析异步电机稳态模型可知, 当磁通恒定时, 采用转速闭环的转差频率来控制, 可使调速变得平滑而稳定, 从而获得较高的调速范围, 大大提高了交流异步电机的调速性能。1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制理论 (Direct-Self-Control, DSC) 。此外, 一些学者继续加大这方面的研究, 将现代控制理论一些成果应用于交流传动系统的控制, 例如状态观测器、模型参考自适应控制、滑模变结构控制等, 以提高交流传动系统的性能。
目前, 变频调速技术受到交流调速技术和微机控制技术发展的影响, 其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、极高转速的交流变频调速方向发展。交流异步电机被广泛应用于提升机、离心机、机床和压缩机等工业设备当中, 所以研究一些高性能的交流异步变频调速系统就显得尤其重要。
2 交流异步电机变频调速原理
据电机学理论, 交流异步电动机的转速表达式为[2]:n=60f (1-s) /p (1
其中n为电机转速, f为电源频率, s为转差率, p为电动机极对数。转速受后三者的影响, 但能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率f的方法, 即变频调速。
我们知道, 交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感应电动势, 可用下式计算其有效值:
其中U和E为电压, K为电动机的一个电压不变, 则磁通Φ随着频率f的提高而减小, 使得电动机的动力不足而过载能力下降, Φ随频率f的减小而增加, 使励磁电流上升, 增加了铁损, 从而降低了电动机的效率。可见, 只有使气隙磁通Φ为一常量的条件下, 改变频率f的同时协调的改变定子电压U, 才能使电动机获得较好的工作性能。
要保证Φ=C为一常数, 就必须在将频率f从基频fsn向下调节时, 同时降低E, 即满足:E/F=Φ=C (3)
上式说明在频率降低过程中能保证Φ=C, 从而使转矩Tc=Tcmax=C, 取得较好控制效果。
在基频fsn以上调速时, 频率可增大, 但是端电压U最多只能维持在额定值Um, 这会造成磁通与频率成反比的下降。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流, 这时电机运行转矩基本上随磁通变化, 即在基频以下为恒转矩调速, 以上为恒功率调速。
3 异步电机变频调速技术
为了较好地实现交流电动机的无极调速, 可通过改变电源频率和电压来完成, 但这需要一套交流变频电源。目前异步交流电机的调速控制方案主要有以下几种。
3.1 恒压频比控制
这种控制方法就是通过变频器, 来维持电压与频率的比值恒定, 即U/ω=const。此法虽然在控制上较易于实现, 但它在低速时性能较差, 需要通过低频电压补偿来获得性能的改善, 因此它只是广泛的应用在一些对于调速性能要求不高的场合。但如果在低速时电压补偿效果不佳的话, 就很容易造成磁场的欠励或过励, 进而使电机转速极不稳定, 在一定的低速范围内振荡, 甚至还有可能造成电机与变频器之间形成共振, 对设备造成损坏[3]。目前恒压频比控制最常用的方法是将转速通过PI调节器得到转差频率, 实际上就是通过调节转差频率来控制转速的。
3.2 磁场定向控制
电动机调速的实质在于对转矩的控制, 但要对转矩进行直接控制是不现实的, 因为交流电机本身是一个非线性和多变量的时变系统。磁场定向控制理论为实现对交流电动机转矩的高性能控制提供了可能。其方法是在磁场定向坐标上, 将交流电流矢量分解成互相垂直并且相互独立的直流的励磁电流分量id和转矩电流分量iq, 然后对二者分别进行调节, 这从原理和特性不仅可以对转矩进行实时控制, 还能避免电流的瞬态突变。但在磁场定向控制中转子电阻会随着温度和频率的变化而变动, 而且电机转速测量也存在误差, 这些因素都容易引起转子磁链的误差, 这就使磁场定向控制的效果不理想。
3.3 直接转矩控制
Depenbrock教授提出的直接转矩控制理论跳出了传统的交流传动技术研究思维框框, 在瞬时空间矢量理论的基础上, 通过检测到的定子电压和电流来计算电机的磁链和转矩, 比较给定值所得差值, 以此来实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下对磁链和转矩进行控制, 以得到快速的转矩响应, 一般由于定子电阻的变化比较容易得到补偿, 而只要知道定子电阻就可观测出定子磁链, 所以直接转矩控制对电机参数的变化不敏感。它还避免了复杂的坐标变换和参数运算, 使系统线路变得十分简单, 容易实现, 其控制效果要优于前两种方法。
4 结语
随着交流异步电机变频调速的优势越来越明显, 其在工业机械中的应用也越来越广泛, 对它的研究也变得更有意义。尽管在这方面的研究已经取得了一些成果, 但仍有许多地方有待改进, 相信在不久的将来, 调速性能更加优良、节能效果更加理想的交流电机调速系统将会诞生, 从而促进电机调速技术的又一次飞跃。
摘要：本文对交流异步电机变频调速作了一个综述简介, 首先介绍了交流异步电机变频调速技术的发展概况, 然后分析了其变频调速的原理, 最后介绍了异步电机变频调速的几种技术。
关键词：异步电机,变频调速,综述
参考文献
[1]李德华.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[2]陈伯时, 陈敏逊, 交流调速系统.[M].北京:机械工业出版社, 1998.
煤泥泵变频调速控制系统设计 篇9
目前, 煤炭洗选技术正在由粗放型向高效节能型转变。洗煤厂水洗煤泥保持排放的顺畅, 关系到洗煤厂的高效运转。其中的煤泥泵即是煤泥排放过程中的核心设备, 其能否正常工作关系到洗煤效率。某洗煤厂用1台135 k W的水泵来排放煤泥。由于煤泥比较稠密、质量大且带有粘性, 导致其被排放时非常困难。该煤泥泵的实际工作功率将远远大于135 k W。原先该泵采用星三角降压启动, 星三角转换时间为6 s, 瞬间启动的实际电流高达1 200 A, 以致于短时间内烧坏数台水泵。针对这种现状, 需要设计一种合理的软启动控制系统, 以解决煤泥泵高负荷启动的难题, 同时为了适应节能减排需要, 应兼并变频调速的功能[1]。
1 系统控制回路设计
变频器是该系统的核心设备, 也是系统的执行机构。由它来控制煤泥泵的转速大小, 可以达到调节排泥排放快慢的目的。根据该洗煤厂中煤泥泵的铭牌数据, 以设备的稳定、节能及可靠性为最终目的, 参考市场中各类变频器的性价比, 综合考虑后决定选用西门子MM430系列中160 k W级变频器。利用PLC、继电器、断路器、指示灯等低压电器[2], 设计了一套多功能变频调速控制系统。其实际控制电路如图1所示。
QA1.变频运行接触器;QA2.工频运行接触器;ST.手动停止按钮;SK.手动启动按钮;JT.集控停止按钮;JK.集控启动按钮;KF.自保继电器;SD、JK.分别为操作回路中转换开关手动和集控;BP、GP.分别为运行回路中转换开关变频和工频;HL1.变频指示灯;HL2.工频指示灯;HL3.电源指示;DDBE.电机综保;QF.断路器;FU.熔断器。
现场手动控制:当断路器QF闭合后, 如需要现场手动控制煤泥泵, 需要旋转操作回路中的转换开关到SD档, 按下点动按钮SK就可以启动煤泥泵了。回路中的中间继电器KF实现自保持。点动按钮ST为手动停止按钮。在现场通过手动控制方式来调节变频器的输出频率。
远程集中控制:当断路器QF闭合后, 如需要远程集中控制煤泥泵, 需要旋转操作回路中的转换开关到JK档。将通过PLC远程控制启动开关JK和停车开关JT的通断。通过PLC, 远程调节变频器的输出频率, 实现集控控制。
当操作回路已启动, KF得电后, 常开接点闭合实现自保持, 同时接通下面的控制回路。控制回路中, 由转换开关来选择性接通变频或工频的接触器, 决定煤泥泵的输入电源。另外, 变频接触器QA1和工频接触器QA2实现互锁, 确保提供煤泥泵唯一的电源。正常情况下, 煤泥泵以变频方式启动和运行, 只有当变频器出现紧急情况时才切换到工频方式工作。
2 变频调速控制
2.1 控制器选型
由于该系统采用西门子变频器, 为了通讯的可靠性, 该系统选用西门子S7-300系列型号为313C-2DP的PLC。相对于高端设备来说, 该系列PLC具有较高的可靠性和稳定性, 功能强大, 具有较高的性价比。
2.2 变频调速原理
交流异步电动机的同步转速公式为[3]:
式中, n为电机转速, r/min;f为电动机的电流频率, Hz;s为转差率%;P为电动机磁极对数。
电动机的转速n与转差率s成反比、与电流频率f成正比。通常转差率很小, 可以忽略不计。
煤泥泵电机转速决定着煤泥排放速度。当煤泥量大时, 可以调大变频器频率输出, 就可以实现更快速的排放煤泥;而当煤泥量小时, 调低变频器频率输出, 实现低转速排放煤泥, 实现节能。
2.3 PLC与变频器的通讯
(1) 依靠PLC的数字量输出控制变频器的启停, 依靠PLC的模拟量输出控制变频器的速度给定。不过这种方式受硬件影响较大, 布线复杂, 容易产生干扰和噪声, 适合短距离的简单数据交换。
(2) 通过PROFIBUS网络通讯。PLC通过PROFIBUS现场总线与智能从站MM430实现通讯。PLC通过发送启动、停止、正反转、速度设定等指令来控制变频器。变频器可将运行速度、运行频率等参数回馈到PLC, 在STEP7上在线监测。该通讯方式简单, 易操作, 抗干扰能力强, 得到了广泛应用。本系统则采用PROFIBUS网络进行通讯。
3 系统软件设计
3.1 PLC程序设计
PLC通常采用结构化编程, 即将系统中各个独立功能的应用程序编写成不同的功能块, 主程序依次对这些功能块进行组织和调用。这种编程方法适用于复杂的工程项目, 所编写的程序具有程序标准化、部分功能程序实现通用、易于修改和调试、结构清晰适合于后期维护等优点。该系统也采用这种编程程序, 所有功能块都在主程序中调用, 结构如图2所示。
3.2 上位机组态设计
煤泥泵变频调速控制系统的上位机软件是该系统的眼睛, 直观地显示煤泥泵的实时运行状态。因此, 设计简洁、美观、易操作的上位机软件系统也是该系统的重要组成部分。
该系统采用了西门子变频器和PLC, 为了通讯的可靠性, 该系统采用西门子组态软件WINCC来编写上位机监控软件。在编写好的上位机程序上可以进行煤泥泵的启停、正反转、频率调节, 无需时时刻刻在现场进行操作。通过上位机控制, 可以优化控制现场作业, 提高生产效率。
4 系统运行
该系统已经在该洗煤厂投入运行。运行3个月以来, 系统运行良好, 解决了诸多难题。
该系统解决了煤泥泵的高负载启动问题。煤泥泵的额定功率为135 k W, 属于大型水泵。用该泵来排放稠密的煤泥, 使其实际负荷远远高于其额定功率。当其工频启动时, 瞬间电流值可高达1 200 A, 不仅严重威胁电机的生存, 也对电网造成巨大的浪涌电流。在安装了变频调速控制系统后, 应用变频器软启动该泵, 电流限制在额定值以下, 电机转速缓慢增加至额定转速, 有效地解决了高负载启动问题, 保护了电动机。
实现了多种控制方式。该系统具有手动和集控两种控制方式。采用集控工作, 工作人员在集控室中操作, 通过人机界面与PLC通讯, 下达启停、调频等命令给PLC;PLC经过综合分析后, 下达相应控制命令给变频器, 实现远程控制。而手动控制, 非常有利于培训新员工, 对进一步掌握煤泥泵的特性、学习变频器相关知识时具有特殊意义。
实现了多种运行方式。通常情况下, 煤泥泵采用变频运行方式。这种方式下煤泥泵工作稳定、可控性强、节能。当变频器或者控制网络出现故障时, 可以选择煤泥泵工频运行, 不至于耽误洗煤进度。待故障排除后, 再调整到变频运行。
5 结论
针对洗煤厂煤泥泵高负荷启动的问题, 提出并设计了此一基于变频器和PLC的远程变频调速控制系统。该系统对煤泥泵进行远程实时监测和控制, 能够有效解决煤泥泵高负荷启动困难的问题, 并且一定程度上提高了煤泥泵的工作效率, 节能运行。随着远程监控系统的投入运行, 节约了劳动力的同时也有助于设备的统一管理。在提高洗煤厂自动化、智能化等方面具有重要意义。
参考文献
[1]杨九生.采掘工作面局扇变频调速装置的应用[J].中国西部科技, 2010 (8) :45-46.
[2]王永华.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
交流变频调速系统仿真软件的研究 篇10
近年来,计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用,其在变流技术的研究应用和产品研发中有重要的作用。与此同时,适用于电力系统的各类通用仿真软件越来越多,但它们对用户计算机语言的要求较高,而且对一些复杂的系统,这些软件的仿真效率和仿真精度也不理想。为了解决这些问题,研究和开发针对交流变频调速系统的仿真平台具有十分重要的意义。
1 电力电子系统的通用仿真软件概况
目前,电力电子技术迅猛发展,电力电子电路的仿真研究越来越受到重视,在国际上,电力电子变流技术仿真软件得到广泛应用,美国Analogy公司研发的Saber模拟和混合信号仿真软件,是全球最先进的系统仿真软件之一,它能够在多技术、多领域的系统中进行仿真研究。美国Mathwork公司推出的MATLAB软件包,具有效率高、功能强、便于进行工程和科学计算的特点,其使用直译式语言进行编程。MATLAB软件包中的Simulink是该软件中最重要的功能模块之一,能够进行模块化、交互式建模和仿真。在电力电子领域,通过Simulink构建电力电子系统的模型,并可直接对控制器进行设计和仿真。Simulink对C语言提供了很好的支持,因此它既可以在交互式图形环境下工作,也可以在MATLAB指令语言模式的批处理模式下工作。
不难看出,电力电子系统通用仿真软件不仅具有基本的通用电路仿真功能,而且因其应用领域的不同而各具特色,在使用中可根据控制要求的不同,选用不同的电力电子电机变频调速系统,但在具体分析不同调速系统的功能模块时发现其种类很有限。此类仿真软件的优点是大而全,它们多数使用面向器件或面向电路的仿真算法,有效解决变频调速系统变拓扑结构的建模问题,因此,用户要根据需要建立所仿真的系统。对于电机变频调速控制系统而言,组成电机控制系统的器件数量大,如果仍采用上述面向线路的建模与仿真方法,将使系统的分析十分复杂,仿真时间过长。
2 交流变频调速系统仿真软件
国内对于交流变频调速系统的数字仿真研究已做了大量工作,但大多数研究较零散,不成系统,因此研制并开发一种专用的交流变频调速系统仿真平台具有重要意义。该平台的功能是不仅为用户提供一个具体的电力电子电机系统的仿真模型,而且还具有构成这些系统的各个功能模块,同时允许用户根据控制要求对这些功能模块任意连接,从而构成用户所需的具体系统。一套完整的、高效的、通用的电力电子电机系统仿真软件包,应包括以下三个特点:(1)具有良好的用户图形界面,用户不需专门培训,就可以简单直观地构成所需的仿真系统;(2)通用性强,能满足不同要求的建模与仿真,以及满足不同用户的要求;(3)能处理交流调速系统中存在的特殊问题,包括时刚性、变拓扑、非线性和系统优化等。
交流变频调速系统仿真软件包就是以上述思路为基础研制的,计算机软、硬件及网络技术的不断发展为仿真软件的设计与开发提供了良好的环境和工具。目前,对于仿真方法的研究大体有以下3个方向。
2.1 采用C++高级语言直接进行编程
目前,利用C++高级语言开发的仿真软件有EESimulator3.0和交直流传动系统CAD软件包。EESimulator3.0是采用Visual C++6.0面向对象的程序语言对软件进行设计和编制的,有效地解决了仿真效率和仿真精度的问题,在分析多电平变频调速系统的仿真问题时,克服了仿真中出现的非线性、变拓扑等问题。交直流传动系统CAD软件包是在Windows环境下利用BORLAND C++语言开发而成的,在开发过程中充分利用了面向对象语言的先进特性,解决了复杂非线性反馈控制系统的仿真和设计问题。由于变频调速电机系统是高阶、非线性、多变量的复杂系统,采用C++高级语言直接进行仿真软件的开发需要对系统进行建模,这将导致编程工作量庞大,费时费力,而且难以产生可靠稳定的结构。因此,采用工具语言进行仿真研究往往要对系统做大量简化,并难以从编程上实现对系统的动态仿真计算。
2.2 采用MATLAB/Simulink通用工具软件
Matlab具有易学易用、扩展性强、高效性等特点,是一套可视化和高性能的数值计算软件。Matlab软件包中的Simulink为调速系统提供了非常方便的仿真平台,但它也有不足之处。首先,Matlab是一种解释性语言,因此它的实时效率是相当差的;其次,Matlab程序必须依赖于环境运行,所以它不能用于开发商用软件;最后,Matlab程序可以直接看到应用程序的源代码,不利于数据和算法的保密性。利用该方法进行仿真软件开发时,采用了图形化的开发工具,所以开发速度快而灵活便捷。但是,为此付出的代价就是仿真运行速度慢和仿真只能在其单一的工作环境中运行,而且它也不能为用户提供简便、友好的交互界面,因此必须使用一种面向对象的编程语言。
2.3 采用MATLAB和Visual C++联合编程
通过对以上两种方法的分析论述可知,C++高级语言虽然在数值处理分析、算法工具、编程效率和准确方便地绘制数据图形等方面远低于Matlab语言,但它采用编译方式运行,运行速度快,特别是它强大的程序接口,能方便地实现端口操作等特点,使其在编制各种特殊用途的程序时具有独特的优势。因此,若能将两者结合运用,混合编程,实现了两种语言的优势互补,将会给编制复杂程序带来极大的方便。基于上述分析,Matlab是功能强大的数学软件,Visual C++是高效率的程序开发工具。通过Matlab和Visual C++联合应用,即以Visual C++作为系统前端开发环境,而以Matlab作为后端仿真工具,通过Visual C++和Matlab的接口将仿真软件转换成可直接在Windows环境下独立执行的应用程序。用户可以自己构建特制系统,也可调出软件包提供的典型系统,修改参数后进行仿真。使用者不用编程序,只要用鼠标拖拉和点击,就可完成全部计算机辅助设计的任务。
3 交流变频调速系统仿真软件的前景展望
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术已经渗透到经济领域的所有部门,有着广泛的应用前景,因此对交流传动系统CAD软件包的开发已经越来越受到关注,它既可以用于科研项目的辅助设计,又能用于自动控制专业及相关专业课程的辅助教学。随着我国变频调速技术的迅速发展,我们需要将集中精力考虑控制算法,并对各种算法的控制效果能够准确认识,因此对相应软件功能的继续开发和完善成了下一步研究的重点。对软件的改进和提高主要在软件的适用范围和实用性方面下功夫,主要有以下几个方面:
(1)进行系统仿真模块的开发,进一步扩大软件的应用范围;
(2)随着科技的发展,新元件的不断出现,应不断充实和完善模型库的内容;
(3)完善系统的编辑模块,对复杂的系统仿真框图也能清晰完整地绘制。
4 结论
随着对电力电子电机系统研究得不断深入,对由电力电子系统和电机组成的变频调速系统的仿真分析软件的研究开始引人瞩目。本文对目前的电力电子系统的通用仿真软件进行了介绍和分析,在此基础上对交流变频调速系统仿真软件进行了研究开发,该软件可以支持仿真研究的全过程,并将有效地将高效性和通用性进行融合,提高了仿真的性能,为交流变频调速系统的设计和分析提供了有效的仿真工具。
参考文献
[1]缪波涛,孙旭东,等.多电平变频调速系统仿真软件[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(3):373-376.
[2]尔桂花,窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2002.
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