變頻器智能化在提高驅動效率中的應用

摘 要：高性能智能變頻器可以提高機械傳動驅動效率，首先對高性能變頻器的硬、軟件布置進行了闡述，對其在提高工廠設備具體應用方面進行了分析，為變頻器智能化研究進程提供了相關思路。

關鍵詞：變頻器；驅動；智能化

引言

由于具備高效的頻率轉換和節能作用，變頻器在機械領域得到了相當廣泛的應用，是基礎技術因公用主體，尤其是在選煤廠以水泵和皮帶為主體的驅動機械設備中，應用數字化智能變頻器更是能夠提高工作效率，降低使用成本。目前我國經濟高速增長但能源利用率卻和發達國家相比還有差距，將技術優勢應用于變頻器設計，綜合性推進高性能變頻器智能化發展，可以從根本上改變洗煤廠生產的應用水平。變頻器智能化的終極目標，是可以改善經濟增長所帶來的能源消耗、降低生產成本。

1 變頻器智能化開發

近年來，電子信息技術和計算機應用水平不斷提高，在機械傳動領域，也同時面臨著重要深刻的技術變革，利用交流電動機變頻器加強工業產品制造效率具有很重要的意義，利用變頻器的變頻調速技術[1]，可以優化設備結構，使電氣設備在自我調整和節能的狀態下運行。在洗煤廠應用領域，包括水泵運行、利用皮帶進行機械傳動、給煤機運行、加壓過濾方面，都有變頻器的大量參與。作為高新技術領域的重要組成部分，開發、研究和制造具有高度數字化、智能化高性能的變頻器勢在必行，衡量變頻器的指標很多，但綜合來說，主要是質量結構上的可靠性，抗外界干擾能力和性價比方面。

總體上，變頻器由硬件和軟件組成，如圖1所示，為變頻器整體運行簡圖。

硬件的核心是電路系統，電路系統包括主程序控制電路、工作過程檢測電路、鍵盤控制電路、顯示器控制電路和附加功能擴展電路。高性能變頻器內部還包括智能化扁平器，可以達到優化控制電機的功能，同時可以進行故障診斷和自我處理維修。變頻器的技術發展始終趨于機電一體化，智能化進程由電氣和軟件進行整體控制，在發達國家的驅動控制方面，90%以上都是通過變頻調節。

在人工智能和大數據控制的驅動下，變頻器身上所擁有的技術理論更趨于成熟，可以配置更高水平的控制能力，還需要高速數字控制的精確性，模擬仿真技術的發展也會帶動變頻器智能化進程。之所以是智能化，將是自動控制、電氣自動化、電子技術、人工智能、模糊控制和自適應控制幾個角度對變頻器的總體支撐，提高工作效率，減少能源排放。

2 智能變頻器仿真驅動效率

對于變頻器來說，最為直觀的設計是外部硬件，首先來考慮電路系統設計研究，整流電路的良好配置會首先減少排放和成本，因此高性能變頻器多用半控型整流電路，如圖2所示便是半控型整流電路的電路圖，輸入電流為右上角正極，輸出為右下腳負極，圖右側部分的整流電路可以削弱電源的高次諧波干擾，并且可以修正電流相位，對電流的有功功率部分也可以進行補償，直流電壓的波動部分也會得到相應的抑制。

自動控制原理也在智能化變頻器中得到了應用，在洗煤廠廠房的各類傳動機械使用過程中，自動控制補償可以體現在以下幾個方面，首先是系統模塊化處理，利用自己設計的軟件，將以變頻器為基礎的調節系統整合在一起[2]，包括電機、水泵和皮帶，其次需要將使用應用和模糊理論相結合，簡化控制算法，在控制上達到更高精度的研究。在變頻器整體應用中，要考慮機械和結構上的可靠性和系統的配合情況，一般可以應用卡爾曼濾波器算法，變頻器輸出的狀態變量可以通過無參數進行估計，自適應控制可以對系統故障進行檢測。另外，需要在變頻器上安裝傳感器，利用振動測試和電路測試，結合數字信號處理算法，將物理信號轉化成可以進行軟件處理的電信號，可以對變頻器的工作狀態、使用效率，具體的輸入輸出進行監控。還可以將三相6開關整流技術應用到系統設計中，雙向的流動可以實現能量互通，這樣便可以更好的發揮變頻器的節能優勢。

良好的變頻器啟停電路應用可以實現節能效果，將電路控制在穩定無超調狀態，達到節能啟動、軟制動的響應目標。高性能變頻器內存在晶閘管調壓系統，輸入端的電壓幅值和相位的大小可以通過TPAM得到具體的調節。TPAM還可以以再生能量控制制動電路，控制參數為功率總容量和電阻大小，這樣可以有充分的時間進行反應，可以散除由于制動帶來的熱量堆積。

外部硬件上，為了加強變頻器機械控制人員使用效率，高性能變頻器內存在MSP430單片器控制電路，液晶顯示器接口和接口鍵盤功能通過組成了上位機接口電路。良好的變頻器控制軟件交互界面非常重要，可以實現信息互換、顯示和數據的輸入等方面。界面操作擁有方便安全性，多語言和多功能輸入，功能方面包括數據監控、統計查詢、轉速設定、整體運營狀態等。

智能硬件方面，高性能變頻器的電網也會受到高壓和過流的影響，自身設備也會存在熱量干擾，狀態監測和即時保護措施。電流會先被轉化為電壓信號，之后輸入測試器，形成電流檢測電路，直接串聯取樣方法簡單高效，輸出效果不失真，而且沒有電流損耗，通過長時間的使用，以達到節能效果。電壓保護主要采用霍爾傳感器高性能光耦檢測，過熱保護主要是通過閥值檢測。

高性能的變頻器的特點便在于其所使用的高超智能技術，驅動電路所使用的是IPM驅動電路。變頻器所使用的主動模塊為專用單元。電路內部包含電源鎖定保護單元、過熱保護單元、過流保護和短路保護單元，當任何一種保護功能上有所動作之時，IPM便會放出節能和故障信號對電路進行驅動保護，這樣一來就可以保護整體驅動機械系統的安全性，系統效率也會得到很大程度上的改善。裝備了IPM電路的變頻器體積很小，結構可靠，功耗也很低。如圖3所示便是IPM智能驅動電路。

智能變頻器最具備特色的模塊是基于EFK的無參數估計模塊，該設計也是高性能變頻器的應用特點，這里面要充分的考慮到系統的可靠性和性價比，在變頻器體表傳感器失效，或者傳感器的感性情況沒有達到效果之時，調用EFK的控制算法非常重要。該估計算法具有非常好的動態特性和較強的干擾能力，可以對系統故障進行自適應控制。

智能變頻器的程序設計也需要隨著具體應用人員要求的改變進行更新，主要采用在線程序檢測，來計算空占比[3]，用三角波作為載波的規則采樣方法，主程序內部設置多樣子程序，子程序包括上位機程序、抗干擾程序、串口通用程序和基本函數程序。程序和硬件之間配合良好，算法復雜但操作簡單，方便使用人員。

3 總結與展望

隨著現代控制理論、微處理器、大數據不斷發展，高性能變頻器正逐步得到高速的發展和廣泛的應用。該類變頻器應用集成化思維，硬件節能思維和軟件人性化思維，為以水泵、皮帶為基礎的驅動機械的使用提供了理想節能效果。降低了電量損耗，材料損耗，節約了大量成本。

目前，人工智能技術在很多行業中都得到了應用，在變頻器中，該技術也有很大發揮的空間，可以提高變頻器的快速性、即時性、準確性、可靠性和智能特性。未來的變頻器也亟待網絡化，不同設備的驅動變頻器之間可以通過局域網進行信息互通，降低系統的控制和維修成本，提高使用效率，進一步完善高效智能化變頻器研究和應用進程。

參考文獻

[1]陳明.基于變頻器的起重機相關機構控制設計[J].有色礦冶，

2016，37-39.

[2]何超.數字式智能變頻器的研究[D].武漢理工大學，2008.

[3]戴明宏.起重機變頻調速控制系統的設計與研究[D].西南交通大學，2004.

作者簡介：謝明浩（1986，9-），男，漢族，籍貫：安徽合肥，就職單位：淮北礦業（集團）有限責任公司 臨渙選煤廠，職稱：助理工程師，從事工作：機電車間電氣技術員。