大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠儀表大隊(duì) 蕭煜元

電氣自動(dòng)化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的有效運(yùn)用分析

大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠儀表大隊(duì) 蕭煜元

變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。通常而言，電機(jī)運(yùn)行中需要利用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，借助于變頻調(diào)速技術(shù)，可以對(duì)電機(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，提高電氣自動(dòng)化控制效率，順應(yīng)了節(jié)能降耗發(fā)展潮流。本文重點(diǎn)從變頻調(diào)速技術(shù)出發(fā)，就其在電氣自動(dòng)化控制中的有效運(yùn)用展開了分析，以供參考。

電氣自動(dòng)化控制；變頻調(diào)速技術(shù)；運(yùn)用

通常而言,電氣自動(dòng)化控制相關(guān)設(shè)備耗電量很大,所消耗材料很多,例如數(shù)控機(jī)床等,為了有效地解決該問題,可以借助于變頻調(diào)速技術(shù),不僅能夠有效提高了運(yùn)行效率與質(zhì)量,還避免了傳統(tǒng)工頻技術(shù)所存在的諸多問題,因而在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)用。

1 變頻器概述

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)于基頻以下加以調(diào)速的過程中,常采用的是恒壓頻比帶定子壓降補(bǔ)償方式加以控制,當(dāng)于基頻以上加以調(diào)速時(shí),常采用的是恒壓變頻方式加以控制。若將上述兩類情況加以結(jié)合,即實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。同DIT算法一樣,結(jié)合對(duì)稱原理,若在時(shí)域?qū)(n)加以分解,成為前后兩組,則頻域會(huì)使X(k)形成相應(yīng)的奇、偶抽選組,并形成了FFT結(jié)構(gòu),即所謂的“DIF-FFT算法”,也被成為Sande-Turky算法[1]。

就通用變頻器而言,其制動(dòng)電路用以滿足電動(dòng)機(jī)制動(dòng)需求所設(shè)置。為了控制電動(dòng)機(jī)減速、停機(jī),變頻調(diào)速系統(tǒng)通過逐步減小變頻器輸出頻率,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低,繼而使電動(dòng)機(jī)逐步減速。電動(dòng)機(jī)減速時(shí),同步轉(zhuǎn)速較其實(shí)際轉(zhuǎn)速低,轉(zhuǎn)子電流相位相反,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。就大型、中型容量變頻器而言,為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,通常利用電源再生單元,將能量回饋于電源,就小容量變頻器而言,則利用制動(dòng)電路,在制動(dòng)電路上,將電動(dòng)機(jī)所回饋的能量進(jìn)行消耗。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)用

變頻調(diào)速技術(shù)的產(chǎn)生,順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)及電氣自動(dòng)化控制的需要,在各行各業(yè),各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)可知,其具有傳統(tǒng)工頻技術(shù)等難以比擬的優(yōu)勢(shì),下文結(jié)合具體實(shí)例,針對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的有效運(yùn)用進(jìn)行分析。

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1 自適電動(dòng)機(jī)模型單元

負(fù)責(zé)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓、電流等加以檢測(cè),以便對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。電動(dòng)機(jī)模型對(duì)于轉(zhuǎn)矩直接控制而言,屬于關(guān)鍵性的單元。通常工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí),若轉(zhuǎn)速控制精度超過0.5%,利用閉環(huán)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)反饋,達(dá)到有效運(yùn)用的目的[2]。

2.1.2 脈沖優(yōu)化選擇器

運(yùn)用過程中,多采用的是Cyclone IIEP 2C5Q 208C8芯片對(duì)信息加以處理,并對(duì)OFDM 調(diào)制信號(hào)源進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)五大模塊所構(gòu)成的電路進(jìn)行編寫,以便實(shí)現(xiàn)各自對(duì)應(yīng)的功能,如星座映射、緩沖模塊、FFT、D/A、插入循環(huán)前綴等功能[3]。對(duì)此類模塊功能加以驗(yàn)證時(shí),需要利用OFDM信號(hào)源,對(duì)驗(yàn)證加以仿真。最后需要OFDM信號(hào)源進(jìn)行設(shè)計(jì),如軟件仿真、驗(yàn)證FPGA硬件等。應(yīng)注意的是,電解電容器容量離散性極強(qiáng),可能造成承受電壓不相等等一系列問題,繼而影響系統(tǒng)有效運(yùn)行。必須采取有效的措施加以優(yōu)化,對(duì)離散性影響加以消除。通常采用在電容旁分別并聯(lián)阻值相同的均壓電阻的方法來解決,此外,為避免整流電路被燒毀,還需要對(duì)浪涌電流進(jìn)行抑制,以保證電路運(yùn)行過程的可靠性。

2.1.3 轉(zhuǎn)矩、磁通比較器

這兩類比較器可對(duì)反饋值、參考值加以對(duì)比,且每隔20ms進(jìn)行一次比較,然后借助于滯環(huán)調(diào)節(jié)器,將磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩狀態(tài)進(jìn)行輸出,以便及時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行掌握,從而及時(shí)采取有效措施。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

2.2.1 實(shí)例1

本文結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)在數(shù)控機(jī)床節(jié)能改造中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析。在該實(shí)例中,由于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床所需消耗的電能很多,不利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗,不僅導(dǎo)致企業(yè)電能消耗開支巨大,而且造成了不必要的能源浪費(fèi)。為了提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,數(shù)控機(jī)床操作人員通常采用的是工頻運(yùn)行方式,雖然取得了一定效果,但也存在諸多問題,如齒輪主軸速度可選范圍大,齒輪變速式主軸有30段速度可供選擇,尤其是恒線速度,因而難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制;利用工頻技術(shù)也難以確保機(jī)械由始至終保持穩(wěn)定、有效地運(yùn)行,因而需要定期維修維護(hù)設(shè)備離合器;雖然所采用的主軸屬于直流類型,可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,但后期維護(hù)維修工作不便,且運(yùn)行中主軸難以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速,因而導(dǎo)致總體效果不理想。為此,利用變頻調(diào)速技術(shù)可以有效解決上述問題,對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改造,以便有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo),減少企業(yè)能耗成本費(fèi)用,提高運(yùn)行效率及生產(chǎn)質(zhì)量。由數(shù)控機(jī)床技術(shù)人員對(duì)方案加以確定,重點(diǎn)針對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、功能加以改造,優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu),節(jié)約了所需要的金屬材料,簡(jiǎn)化了操作,降低了機(jī)械損耗程度與維修次數(shù),進(jìn)一步拓展了數(shù)控機(jī)床的控制范圍,提高了控制精度和效率。

借助于變頻調(diào)速技術(shù),避免了傳統(tǒng)工頻技術(shù)存在的問題,極大地提高了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率,并明顯降低了設(shè)備消耗電能,減少了企業(yè)能耗支出,取得了良好的效果。利用變頻調(diào)速技術(shù),有效提高了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)及加工質(zhì)量,較傳統(tǒng)工頻技術(shù)而言,顯著提高了生產(chǎn)效率及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,就數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域及其他工業(yè)領(lǐng)域而言,均具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2 實(shí)例2

下文以變頻調(diào)速技術(shù)在保護(hù)礦井提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的運(yùn)用為例進(jìn)行分析。變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果必須結(jié)合其負(fù)載加以決定,對(duì)于恒功率負(fù)載而言,轉(zhuǎn)矩通常同速度成反比,提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有多重保護(hù),包括過卷保護(hù)、超速保護(hù)、制動(dòng)油過壓保護(hù)、制動(dòng)保護(hù)以及低速保護(hù)等,在運(yùn)行過程中,始終針對(duì)提升機(jī)始運(yùn)行過程的安全性進(jìn)行監(jiān)控,一旦存在不正常情況,會(huì)立即發(fā)出警報(bào)聲光信號(hào),并自動(dòng)開啟緊急制動(dòng)裝置,保障提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行。具體而言,變頻調(diào)速技術(shù)有如下運(yùn)用:

(1)保護(hù)深度指示器,以防其失效。礦井提升機(jī)所有保護(hù)技術(shù)均結(jié)合作業(yè)行程展開的。就深度指示器而言,一旦出現(xiàn)失效問題,會(huì)直接導(dǎo)致各種保護(hù)裝置失效,為此,應(yīng)采用變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)深度指示器進(jìn)行設(shè)置,具體而言,當(dāng)電機(jī)發(fā)動(dòng)之后,系統(tǒng)針對(duì)不同采樣周期之內(nèi),旋轉(zhuǎn)編碼器所發(fā)出的脈沖數(shù)量加以累計(jì),在采樣前、后針對(duì)該數(shù)值加以對(duì)比,若該值不存在變化,則表明深度指示器出現(xiàn)失效問題,在出現(xiàn)失效故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)對(duì)提升容器進(jìn)入爬行區(qū)與否加以判斷,若還未進(jìn)入,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào),對(duì)司機(jī)進(jìn)行提醒。若已進(jìn)入,則實(shí)施安全制動(dòng),并發(fā)出相應(yīng)的聲光警報(bào)信號(hào);

(2)對(duì)等速段超速進(jìn)行保護(hù)。就提升機(jī)系統(tǒng)而言,等速段超速保護(hù)過程如下:當(dāng)速度檢測(cè)器對(duì)提升速度的檢測(cè)超出額定速度的15%時(shí),會(huì)引發(fā)等速超速繼電器發(fā)生動(dòng)作,將安全回路成功斷開,實(shí)現(xiàn)對(duì)等速段超速的緊急制動(dòng)。由于等速段提升機(jī)容器的運(yùn)行速度相對(duì)較快,因此,當(dāng)進(jìn)行緊急制動(dòng)過程中,極易產(chǎn)生較大的沖擊力,對(duì)于提升機(jī)系統(tǒng)具有較大的危害性。為此,在對(duì)等速段保護(hù)進(jìn)行設(shè)置的過程中,應(yīng)分別從兩個(gè)階段入手:一是若超速10%,且已經(jīng)超出所設(shè)定時(shí)間,則系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)聲光警報(bào)信號(hào),提醒提升機(jī)司機(jī)盡快啟動(dòng)制動(dòng);二是若運(yùn)行速度逐步降低,至恢復(fù)正常速度時(shí),聲光警報(bào)信號(hào)將解除;如果司機(jī)沒有及時(shí)采取相應(yīng)的制動(dòng)措施,提升速度還未有效降低,反而超速進(jìn)行時(shí),系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算判斷,而且超過了所設(shè)定的時(shí)間,則將自動(dòng)啟動(dòng)安全繼電器,實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng),能夠有效降低緊急制動(dòng)可能帶來的危害性。

(3)對(duì)減速段超速加以保護(hù)。在提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中減速段也十分關(guān)鍵,多數(shù)事故均發(fā)生在減速之后的行程段內(nèi),為了確保提升機(jī)可以安全、順利地到達(dá)指定位置,必須開始減速之刻,結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)提升容器減速過程中的運(yùn)行速度加以連續(xù)采樣,并結(jié)合采樣速度,與內(nèi)部已給定速度加以對(duì)比,若采樣速度較給定速度超出10%,此時(shí),系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警,并對(duì)提升系統(tǒng)加以安全制動(dòng)。

3 結(jié)束語

總而言之,變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)及其他領(lǐng)域電氣自動(dòng)化控制中具有越來越廣泛的應(yīng)用。借助于變頻調(diào)速技術(shù),可以有效提高電氣自動(dòng)化控制效果及質(zhì)量,提高電氣自動(dòng)化控制的精度,與此同時(shí),還有效精簡(jiǎn)了控制結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗的目的,降低了電氣自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的耗損,節(jié)約了企業(yè)成本開支,間接提高了經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前,變頻調(diào)控技術(shù)的運(yùn)用仍有待進(jìn)一步深入推廣,因此,必須加強(qiáng)研究,逐步提高變頻調(diào)控技術(shù)的運(yùn)用效果。

［1］張禮崇,郜祥,王焱,李興.電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.技術(shù)與市場(chǎng),2012,12(01):139-143.

［2］熱米娜·帕爾哈提.變頻調(diào)速在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)行探討［J］.科技致富向?qū)?2012,12(08):193-197.

［3］馬良河,楊潔浩,葉建強(qiáng).交流電機(jī)變頻調(diào)速性能試驗(yàn)系統(tǒng)的研究［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用,2010(01):79-81.