工業電氣自動化控制中變頻調速技術分析

彭瑤

摘要：在工業電氣自動化應用中控制設備大多數耗電量都比較大，而且消耗材料也比較多，以供水行業及數控機床為例，為了能夠有效的解決這一問題，用戶經常采用的方法是工頻方式，這種方法有一定的效果，但是因為其劣勢比較明顯，啟動電流大對電機和同電網內其它設備會產生影響，且不能進行變頻調速，所以并不提倡使用，經過研究，相關人員在數控機床中使用了變頻調速技術，其效果非常好，不僅避免了工頻技術的劣勢，還提高了作業效率與質量，有效地達到了節能的目的。

關鍵詞：變頻調速技術；工業；電氣自動化；控制

一、變頻調速技術

1.1變頻調速技術的產生及發展

變頻調速技術是隨著技術研究的深入和實際工作的需要而產生的，最早出現在上個世紀80年代，自該技術產生以來，在工業領域得到應用，并且其應用范圍不斷擴大，其性能也得到不斷的提升，從最初的電壓頻率基本控制，到后來矢量轉矩控制的誕生，變頻調速技術在不斷地進步，對整個工業生產領域產生重要影響。

1.2變頻調速技術的主要組成部件

a.自適應電動機模型單元。該單元是不可缺少的重要組成部件，在具體應用過程中，它的主要作用是檢測輸入電動機的電壓和電流，以達到識別電動機基本參數的目的，也有業內人士稱之為電機自學習，有分動態或者靜態自學習。就該電動機模型來說，它具有著重要的作用，是進行轉矩直接控制的關鍵單元。工業領域應用變頻調速技術時，通常情況下當轉速控制精度大于0.5%時，可運用閉環轉速進行反饋，從而達到高精度控制的目的。

b.脈沖優化選擇器。具體應用時可選用CycloneIIEP2C5Q208C8芯片處理信息，選擇完成之后，設計OFDM調制方式的信號源，并編寫5個模塊組成的電路，分別實現不同的功能，主要包括星座映射、FFT、插入循環前綴、緩沖模塊、D/A功能。為了驗證這些模塊的功能，通過OFDM信號源進行仿真驗證。當上述工作完成之后，接下來進行最后一項任務，設計完成OFDM信號源，具體工作包括軟件仿真和FPGA硬件驗證。需要注意的是，電解電容器的容量具有很強的離散性，可能會導致他們承受的電壓出現不相等的情況出現，對整個系統的正常運行帶來不利影響，要采取措施對此進行改進和優化，從而達到消除離散性影響的目的。常用的處理辦法是：在電容旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻。

c.轉矩和磁通比較器。這兩類比較器的作用是將反饋值與參考值分別進行對比，并且每20ms比較一次。比較完成后，通過滯環調節器輸出轉矩或者磁場狀態，從而能夠及時掌握轉矩狀態和磁場狀態，為采取相應的措施提供依據。

二、變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用

2.1礦井提升設備深度指示器保護

煤礦井下提升設備在運行的過程中需要設置多重保護機制，以確保整個提升設備安全運行，其中深度指示器發揮至關重要的作用，一旦其失效將導致其他多重保護措施的失效，危及設備正常工作。在設置變頻調速設備的過程中，啟動電機之后，將采樣周期內的各個編碼器發出的脈沖數目疊加處理，并將采樣前后的數值進行對比，若沒有發生變化，則判斷深度指示設備已經失效。這時，變頻調速設備要確認提升設備是否已經進入到爬行區，若沒有進入爬行區，則變頻調速設備發出對應的告警信號，提醒操作人員注意；若提升設備進入到爬行區，則主動發出緊急制動信號。

2.2電機等速區間超速保護

電機拉動設備處于等速運行區間的超速保護對避免提升系統過載尤為重要，同時也是速度檢測設備對提升設備運行速度進行測量的根據。若設備運行速度超出額定速度15%，則變頻系統的繼電設備動作將比安全回路速度慢，將安全回路斷開，通過緊急制動措施降低設備運行速度，避免過載而造成提升系統故障。為了減少等速區間超速帶來的沖擊危害，實際控制過程中將速度分為兩個保護階段：①運行速度超過額定速度的10%時，系統發出聲光告警信號，提醒操作人員采取限速措施；②當速度恢復正常運行后，系統將自動恢復正常狀態，確保整個系統處于穩定運行狀態。

2.3電機減速區段的低速保護

減速區間段是提升設備運行穩定性的重要階段，同時也是減速點之后提升機事故的多發區間段。從減速開始直到提升設備安全到達設定位置/停車，是整個減速過程中極為重要的環節。變頻設備通過PLC實現對提升設備運行速度的實時采樣，并將采集得到的速度有設定值進行對比，一旦超過設定的速度，PLC控制系統將自動發出警報，并對提升設備進行制動、減速。當然，變頻設備本身也可以通過直流制動、失速保護、零速轉矩控制等功能實現對整個系統的保護。

三、變頻調速技術應用技術分析

3.1負荷匹配技術

變頻調速設備的型號、容量以及實際載荷等，要與電機功率相匹配，通常裕量應該控制在10%以內，以保證系統處于安全穩定運行狀態。

3.2變頻調速系統的抗干擾處理技術

3.2.1隔離技術

在變頻調速傳動系統當中，一般在電源與放大器的連接線纜之間使用隔離變壓器來避免傳導過程中出現干擾，電源隔離變壓器可使用噪聲隔離變壓器進行隔離控制。同時，通過增加受干擾電路、設備和裝置與干擾源之間的距離也是一種降低干擾的有效方式。但是，這通常容易受到場地的限制，需要在實際的處理過程中結合場地情況。

3.2.2屏蔽技術

對于電氣屏蔽技術，一般是將相關的電路、元器件、設備安裝在由鋁、銅或者是磁性材料制成的屏蔽箱中，確保電場、磁場不會穿過這些屏蔽箱。但是，在相關場合中，信號不但受到點噪聲的影響，而且還受到周圍較強的交變磁場影響，尤其是在重型機械廠、冶煉廠等環境下，這時不但需要考慮磁屏蔽，還應該考慮使用鐵、鎳等導磁能力較好的導體進行屏蔽處理。

3.2.3接地技術

（1）保護接地。保護接地即將變頻調速控制系統中不帶電的金屬部分與地面的良好導體相連，從而保護設備和人身安全。在這個過程中，也能夠有效防止靜電的積聚，有效抑制信號干擾問題。

（2）工作接地。工作接地即為了保證變頻調速系統及相關的測量設備的精度達到要求而進行接地，通常包括機器邏輯地、信號回路接地和屏蔽接地等處理方法。

3.3脈沖優化選擇器

變頻調速技術在工業電氣自動化中在對信息進行處理時應用的是 Cyclone IIEP2C5Q208C8芯片，其信號源 FPGA的實現是基于 OFDM 的設計而調制成的，若是實現星座映射的話，需要編寫 5個模塊來組成電路，依據信號源的建立來對各個模塊的性能進行驗證，最后實現對軟件仿真以及 FPGA硬件等的驗證。致使它們所要承受的電壓各不相同，其主要原因在于電容器容量在電解時具有較大的離散性，因此需要在每一個電容的旁邊并聯一個與其阻值一致的電阻來清除其離散性，以免造成更大的影響對系統。

四、總結

在保證生產安全和質量的前提下降低生產的成本是企業或者工廠取得高效益的重要的手段，所以目前各個生產的領域都采用了變頻調速器，滿足在生產當中節能降耗的要求，所以在變頻調速器中要增加具有上述所述的功能的模塊之外，在調速器的設計過程當中還需要根據實際的生產要求不斷的將調速器的功能和作用加以創新和完善，使變頻調速器在工業電氣自動化的應用領域進一步的提高其節能的價值，改善工業生產的條件，為生產創造更多的便利條件，適應科技快速發展的形勢。

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