變頻器在某型發動機葉片水流量試驗中的應用

姚曉穎+姜雷+巴曉玉

摘要：水流量試驗需要在一定的壓力條件下進行，才能保證葉片水流量試驗數據的穩定、準確。傳統的方法是采用手動調壓閥進行調壓，本項目采用變頻器實現自動調壓，壓力給定值在變頻器中設定，反饋由壓力變送器給定，利用變頻器的PID調節功能，使壓力穩定在所需的壓力值上，滿足系統技術要求。文詳細介紹了變頻器應用于水流量試驗壓力調節中的控制方案、系統構成及工作原理，對功能及應用進行了詳細的闡述。

關鍵詞：變頻器；水流量試驗；壓力調節；

0引言

不同的葉片水流量試驗需要在一定的相應的試驗壓力下進行，因此，在試驗中保持試驗壓力的恒定，是保證水流量試驗數據真實、可靠的必要條件。傳統的水流量試驗壓力都是采用手動調節閥實現壓力調節，需要現場操作人員隨時關注壓力表壓力的變化，稍一疏忽，壓力發生變化，調節不及時，就會影響試驗數據的準確性，需要重新測量，從而影響試驗的工作效率。

變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手。在本項目中采用手動調節與自動調節相結合的方式，保留手動調節閥的功能；自動調節采用歐姆龍3G3MX2多功能變頻器，壓力目標值在變頻器中設定，反饋由壓力變送器給定，利用變頻器的PID調節功能，通過對電機速度的調節實現對管路中水壓的自動調節，無需人員干預使其穩定在所需的壓力值上，保證試驗數據的準確性，同時提高了水流量試驗的工作效率。

1 試驗壓力變頻調速控制系統

PID控制算法的輸入為給定壓力值和管壓的實測值，其輸出為電壓信號，該信號作為變頻器的控制頻率輸入信號，控制變頻器的輸出頻率， 進而控制交流電動機的轉速，使整個系統壓力維持恒。具體的控制系統如圖1所示。變頻器驅動電機拖動水泵旋轉，將水箱中的水輸送到水流量試驗管路中，管路中水的壓力為被控量，水流量試驗中需要這個壓力穩定在一定的壓力值上。安裝在管路上的壓力變送器將壓力信號變換為4～20mA的電流信號作為反饋信號輸入到變頻器的PID調節單元，與壓力給定值進行比較，PID調節單元依據比較的偏差值大小和方向進行PI調節，產生控制信號改變變頻器的頻率輸出，從而改變電機的轉速，使管路中的壓力始終維持在給定值上。系統在沒有操作者干預的情況下根據控制系統的實際響應情況，自動實現壓力調整，使系統壓力保持恒定。其中，試驗壓力的目標值，通過在變頻器中設置相應的功能參數實現。

2 系統配置

2.1 系統構成

由于本項目能夠進行三種型號規格的葉片水流量試驗，因此項目采用2個變頻器實現對其壓力調節，其中高導、低導葉片水流量試驗壓力調節通過變頻器G1實現；高渦葉片水流量試驗壓力調節通過變頻器G2實現。一般在一臺變頻器驅動一臺電機的情況下，由于變頻器內部具有十分完善的熱保功能，沒有必要接入熱繼電，因此省去了用于保護電機的熱繼電器，同時由斷路器實現對變頻器的保護，沒有接入交流接觸器，因此主電路僅有斷路器、變頻器和電機構成，結構簡單，控制方便，同時也節約了成本。

變頻器SC（L）、S1端子接繼電器KA1觸點，用于啟動變頻器G1；P2、PC端子接指示燈HL3，用于指示變頻器工作狀態；MA、MC端子接指示燈HL10，用于指示變頻器工作異常狀態，FI、SC端子接壓力變送器，用于壓力信號反饋。G2變頻器接線圖同G1變頻器。系統原理圖如圖2所示。

按下啟動按鈕SB1，KA1繼電器觸點閉合，啟動變頻器G2，高渦泵啟動，運行指示燈HL2點亮；按下停止按鈕SB2，高渦泵停止，指示燈HL2熄滅；如發生變頻器故障，過流或過載，報警指示燈HL11點亮，通過按RESET進行復位，查找故障原因排除報警。按下按鈕啟動按鈕SB3，KA2繼電器觸點閉合，啟動變頻器G1，高低導泵啟動，運行指示燈HL3點亮；按下停止按鈕SB4，高低導泵停止；如發生變頻器故障，報警指示燈HL10點亮。

2.2變頻器

變頻器選用歐姆龍3G3MX2通用小型多功能變頻器，該變頻器體型小，安裝簡便，功能豐富，操作簡便。具有高啟動轉矩功能，在無PG矢量控制中可達到0.5HZ/200%轉矩，實現強力運行；具有安全功能，標準配備兩路安全輸入和EDM輸出；不但能夠進行較為精確的速度控制，還可以實現簡易定位功能，擁有豐富的PID調節功能，具備過電流、過電壓抑制功能。

2.3壓力變送器

壓力變送器選用沈陽儀表科學院的HB26S，變送器采用專用電信號處理電路，實現標準信號輸出，其輸出信號為二線制，24VDC供電、4-20mA輸出，量程范圍為0-500KPa。其整體結構采用不銹鋼材質，提供航空插頭接線方式，方便現場安裝接線。具有穩定性好，測量精度高、體積小、重量輕、耐腐性能好的優點。

3變頻器功能設置

3.1 PID功能設置

試驗壓力調節采用PI調節方式，比例積分（PI）調節器是同時具有比例和積分運算兩種作用的放大器，即具有比例調節器較好的動態響應特性，又具有積分調節器的靜態無差調節功。同時為防止超調，避免震蕩，應適當減小比例增益增加積分環節，能有效消除偏差。對于水流量試驗壓力調節對過渡過程時間要求不是很高，所以采用PI調節方式。

為了使變頻器PID功能在運行中實現調節作用，需要設定以下功能參數：

（1）PID使能設置。使PID調節功能有效，需要將A071參數設定為”01”；

（2）P、I、D增益參數設置。A072比例增益設定為2，A073積分增益設定為1，A074微分增益設定為0，可依據實際調試的結果更改設定值，在調試中此PI參數滿足調節需求，壓力值穩定在調節范圍之內。

（3）目標值調節范圍設置。為了避免在調節過程中頻率頻繁波動，需要對A078參數進行設定，確定以目標值為基準的可變范圍，PID輸出將被限制在目標值±（A078）的范圍內。目標值即為試驗壓力值，范圍值即為試驗壓力的誤差范圍。

3.2變頻器通用功能設置

為了保證變頻器正常工作，在運行前需要預先設定必要的功能參數，包括上下限頻率、加減速時間、升降速方式、運行模式等，下面對其參數設置進行詳細的介紹。

（1）上下限頻率。如果轉速超過額定轉速，電動機的輸出功率將超過其額定容量，因此上限頻率一般不宜超過額定頻率（50HZ）；如果轉速過低，長時間工作在低頻狀態，普通電機會嚴重發熱，影響電機的使用壽命，因此，下限頻率一般不宜低于額定頻率的80%，故下限頻率設定為40HZ。所以設A061為50HZ，A062為40HZ；

（2）加減速時間.由于在批量生產過程中，水泵可能會頻繁啟動，因此加減速時間不宜過長，但也不能為加快測量的效率而設置的過短，易導致“過流”或“過壓”，因此設定第一加速時間F002為12S，第一減速時間F003為10s；

（3）運行指令設定。設定A002參數為“01”，變頻器運行由控制電路端子臺啟動；

（4）目標頻率設定。目標頻率F001參數根據上下限頻率、壓力范圍及試驗壓力值計算得出，高導葉片水流量試驗壓力目標頻率為44HZ，低導葉片水流量試驗壓力目標頻率為43HZ，高渦葉片水流量試驗壓力目標頻率為42HZ；

5結論

本文采用歐姆龍3G3MX2變頻器實現發動機葉片水流量試驗器試驗壓力的自動調節，能夠完全滿足現場的技術要求。在變頻器中設定好相應的PID參數后，無須人工干預，能夠將試驗壓力穩定在所需的試驗壓力值上，即節省了人力，同時也提高了水流量試驗的工作效率。本項目具有一定的通用性，可以應用于公司其它設備的壓力、流量等自動控制。

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作者簡介：姚曉穎（1979-），女，遼寧阜新，高級工程師，主要從事電氣及試車臺數采系統設計工作。endprint