變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用

摘要：由于電力傳動特性復雜，電動機頻繁正、反向運行，經常處于過負荷運轉和電動、制動不斷轉換的狀態中；它的安全性、可靠性亦是至關重要，交流電動機變頻技術已日趨完善，變頻調速器用于交流異步電動機調速，已成為電動機調速節能最主要的技術。本文主要探討變頻調速在工業電氣自動化控制中的運行。

關鍵詞：變頻調速，節能，電動機

20世紀70年代初，德國學者Blaschke提出了矢量控制理論，采用現代控制理論的參數重構和狀態重構對交流電動機的強耦合對象實行解耦，仿照直流調速原理進行矢量變換，使交流調速的靜、動態性能達到了直流調速的水平。80年代中期，德國學者Depenbrock又提出了直接轉矩控制原理，避免了矢量控制中繁雜的坐標變換。該方法是在電壓型逆變器的工作過程中，通過控制定子磁鏈與轉子磁鏈的夾角，完成對電動機轉矩的直接控制。這一方法的控制過程簡單并對電動機模型參數依賴少。近年來，矢量控制和直接轉矩控制的交流調速系統中引人了自適應控制、模糊控制、神經元與神經網絡控制、模糊神經網絡控制等，取得了更好的控制效果。交流調速從20世紀70年代的定子調壓調速、繞線式轉子串極調速、電磁轉差離合器調速到80年代的變頻調速，各種技術已發展到實用階段。隨著交流調速的可靠性越來越高，價格越來越低，取代直流調速已成必然趨勢。

1.變頻器與節能

異步電動機在基頻以下調速時，通常采用恒壓頻比帶定子壓降補償的控制方式；基頻以上調速，則通常采用恒壓變頻的控制方式。把以上兩種情況結合起來，可得到異步電動機變壓變頻調速控制特性。與DIT算法相對應，根據對稱原理，如果在時域把x（n）分解成前后兩組，那么在頻域就會使X（k）形成奇偶抽選分組，據此形成了另一種普遍采用的FFT結構，稱為頻域抽選FFT（DIF-FFT）算法，由于它是由桑德（Sande）和圖基（Turky）首先提出的，所以通常也稱為Sande-Turky算法。

通用變頻器中的制動電路是為了滿足異步電動機制動的需要而設置的。在變頻器調速系統中，為了使異步電動機減速和停機，可以采用逐漸減小通用變頻器輸出頻率的方法降低異步電動機的同步轉速，從而達到使電動機減速的目的，在異步電動機減速過程中，由于同步轉速低于異步電動機的實際轉速，轉子電流的相位將相反，使異步電動機中產生制動轉矩，即處于再生制動狀態。對于大、中容量的通用變頻器來說為了節約能源，·般采用電源再生單元將上述能量回饋給供電電源。而對于小容量通用變頻器來說，則通常采用制動電路，將異步電動機回饋回來的能量在制動電路上消耗掉。工程上對再生制動能量的處理，根據通用變頻器的容量及應用場合不同，一般有儲存、回饋回電網、電阻泄放等方法。

2.變頻調速技術在電氣自動化控制中的應用

2.1.變頻調速的特點

所有的Cyclone II 器件都采用300mm晶圓，并且基于TSMC 90nm、低K工藝制造，確保其高速及低成本。由于使用了最小化的硅區，Cyclone II系列設備可以僅用一個芯片來支持復雜的數字系統，而其成本僅相當于一個專用集成電路。高性能通用變頻器是為了滿足不同的工程需要，有幾種硬件結構：獨立式變頻器、公共直流母線式變頻器和帶能量回饋單元的變頻器。獨立式變頻器是將整流單元和逆變單元放置在一個機殼內，是目前應用最多的變頻器，一般只驅動一臺電動機，用于一般的工業負載。采用的配置方式是JTAG與AS相結合的配置方法，所以配置電路必須既滿足AS配置方式也滿足JTAG方式。其中配置芯片采用EPCS1。根據上文的配置方式的具體連接方式和各引腳特性。圖中串行配置芯片（Serial Configuration Device）采用EPCS1，右側的10針頭插口用于JTAG方式的配置，下側的用于AS方式的配置。 。高性能通用變頻器驅動電梯、升降機、可逆軋機等負載時，都要求四象限運行，所以必須配置能量回饋單元。能量回饋單元的功能是將電動機制動時產生的再生能量回饋給電網。

2.2.變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用

（1）自適應電動機模型單元。自適應電動機模型單元的作用是通過檢測輸入電動機的電壓和電流來自動識別電動機的基本參數。該電動機模型是直接轉矩控制的關鍵單元。對于大多數工業應用場合，如果轉速控制精度大于0.5%可用閉環轉速反饋。（3）轉矩比較器和磁通比較器。這類比較器的作用是將反饋值分別與其參考值每20ms比較一次，通過用兩點式滯環調節器來輸出轉矩或磁場的狀態。（4）脈沖優化選擇器。選用Cyclone II EP2C5Q208C8芯片處理信息，然后設計OFDM 調制方式的信號源的FPGA實現，編寫了由 5個模塊組成了電路，主要實現了星座映射、FFT、插入循環前綴、緩沖模塊和D＼A的功能，設計了OFDM 信號源，對各個模塊的功能進行仿真驗證。最后完成了OFDM信號源，包括軟件仿真和FPGA 硬件驗證。因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們承受的電壓不等，因此，在電容旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻來消除離散性的影響。為了避免在電源接通瞬間流經電容器的充電電流（浪涌電流）過人而燒壞整流電路及造成其他影響，存電路中還加了抑制浪涌電流的措施。

結論

節能降耗是降低生產成本的重要手段，降成本是提高產品競爭力的有效手段。除了這些需要添加這些功能模塊之外，在設計過程中還需要不斷地對已經完成的設計做優化，進一步提升性能和節約資源，以期實現在一塊FPGA芯片內實現整個系統，起到顯著的節能效果，并且達到改善工藝條件的目的。

參考文獻：

[1] 馬良河，楊潔浩，葉建強. 交流電機變頻調速性能試驗系統的研究[J]. 電機與控制應用，2010（01）：79-81

[2] 韓旺，楊文劍. 淺談異步電機變頻調速[J]. 企業技術開發，2011（11）：190-192.

[3] 胡應占，趙德申，劉志剛，汪小志. 基于BP神經網絡整定PID智能調速控制系統研究[J]. 電氣開關，2007（04）：115-116.

[4] 彭少武，王立德. 基于DSP的交流變頻調速系統的設計[J]. 科教文匯（上旬刊），2007（08）：153-155.