電氣自動(dòng)化控制中變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用探討

金家國(guó)

（山東華特環(huán)保科技有限公司 山東濟(jì)南 250101）

隨著人們物質(zhì)生活的逐漸改善，其對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力提出了越來(lái)越高的要求，而變頻調(diào)速方式已經(jīng)在諸多領(lǐng)域獲得良好的應(yīng)用成效。為加強(qiáng)電氣自動(dòng)化管理，電氣技術(shù)人員積極利用變頻調(diào)速方法，由此促進(jìn)電氣技術(shù)公司取得長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

1 電氣自動(dòng)化管理方面變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行原理

1.1 運(yùn)行原理

電氣自動(dòng)化管控環(huán)節(jié)，技術(shù)人員能合理利用變頻調(diào)速方式。運(yùn)行原理：軟啟動(dòng)器降耗、功率因數(shù)補(bǔ)償和變頻調(diào)速降耗等。

第一，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行原理。運(yùn)行電源的輸入頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，它的等式是：

n=60f(1 -s)/p

式中，n表示轉(zhuǎn)速，f表示輸入頻率，s表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率，p表示電機(jī)極對(duì)數(shù)。依靠電機(jī)運(yùn)行電源頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果電機(jī)整體運(yùn)行效率不變，其控制頻率不斷減小時(shí)，則轉(zhuǎn)速也將減小，從而引起功率下降。

第二，當(dāng)電氣裝置處于低功率情況下時(shí)，其裝置將出現(xiàn)發(fā)熱狀態(tài)，由此增多了電損［1］，減少其內(nèi)部電能，降低電氣裝置應(yīng)用效果及應(yīng)用壽命，還會(huì)面臨巨大的資源耗費(fèi)，在增多不必要成本的基礎(chǔ)上，會(huì)改變其工作效率。采取變頻調(diào)速技術(shù)，能有效補(bǔ)償電氣裝置的功率因數(shù)，由此減少電損。

第三，通常，電氣裝置啟動(dòng)方法大都是Y/D啟動(dòng)或直接自動(dòng)。電氣裝置啟動(dòng)的一瞬間，它的電流將快速超過(guò)額定電流，還將達(dá)到其數(shù)值的5倍以上，影響其應(yīng)用壽命。如果技術(shù)人員采取變頻調(diào)速技術(shù)，能極大降低啟動(dòng)電流，提高電機(jī)的可靠性，減小其給電網(wǎng)造成的沖擊，從而保證電氣自動(dòng)化管控效果。電機(jī)運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 電機(jī)運(yùn)行原理

1.2 變頻調(diào)速方式的功能

目前，在電氣自動(dòng)化應(yīng)用方面，變頻調(diào)速方式的使用十分普遍，是因?yàn)槠溆刑厥鈨?yōu)勢(shì)，主要包含以下幾點(diǎn)。（1）采取變頻調(diào)速方式，能有效降低電機(jī)開(kāi)啟瞬間的沖擊。以往的電機(jī)開(kāi)啟是直接開(kāi)啟模式，這在開(kāi)機(jī)瞬間將形成較強(qiáng)的電流，對(duì)電機(jī)造成沖擊，進(jìn)而損壞電機(jī)的電網(wǎng)與電源，長(zhǎng)時(shí)間如此，將降低電機(jī)利用率。但采取變頻調(diào)速方式以后，電機(jī)開(kāi)啟模式變成軟啟動(dòng)形式，電機(jī)啟動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)本身電源系統(tǒng)的破壞很小，對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)就是一種保護(hù)。（2）變頻調(diào)速方式的調(diào)速范圍很寬，令電機(jī)應(yīng)用性能更好。不同的電氣裝置與機(jī)械設(shè)備所使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)不一樣，因此，在具體生產(chǎn)使用階段，要調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使用變頻調(diào)速方式，可以大大提高電機(jī)應(yīng)用性［2］。使用變頻調(diào)速方式，能完成電機(jī)頻率0Hz至幾百Hz的調(diào)節(jié)，讓一種電機(jī)適合多個(gè)場(chǎng)景使用。（3）利用變頻調(diào)速方式后，還能有效節(jié)約電能資源，按照不同狀況調(diào)節(jié)電機(jī)電源頻率，能降低電機(jī)能耗，節(jié)省電能。

2 電氣自動(dòng)化管理方式設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息收集

按照減少人員操作的設(shè)計(jì)理念，本文在信息收集模塊選擇分層全開(kāi)放形式設(shè)計(jì)，模塊由主控層與現(xiàn)地單元層構(gòu)成。主控層涉及操作作業(yè)站、以太網(wǎng)交換機(jī)、Modem，以實(shí)時(shí)監(jiān)控和收集電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息，且統(tǒng)計(jì)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)記錄，為監(jiān)督管控、HMI人機(jī)交互、信息通信等奠定基礎(chǔ)，依靠Modem完成和上級(jí)調(diào)度、電氣管理室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的通訊［3］。在現(xiàn)地管理單元層設(shè)置LCU設(shè)備與對(duì)應(yīng)線(xiàn)路監(jiān)控各電氣裝置，負(fù)責(zé)定期收集電氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及參數(shù)，對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，存儲(chǔ)在信息庫(kù)內(nèi)，用作各種計(jì)算、控制等作用體現(xiàn)的依據(jù)。

2.2 控制狀態(tài)下的數(shù)據(jù)交換

控制狀態(tài)的數(shù)據(jù)交換包含PLC和設(shè)備間及其收集系統(tǒng)和PLC 間的通信，PLC 與設(shè)備間的信息傳送選擇RS485串口通信，采取MODBUS協(xié)議，將電氣系統(tǒng)通信端口串接好后，與PLC 協(xié)議卡實(shí)現(xiàn)信息傳送。MODBUS通信協(xié)議波特率是9600Bd，涉及1位起始位、8 位信息位、1 位停止位與CRC 校驗(yàn)位。傳送信號(hào)之前，先要?jiǎng)澐中盘?hào)，將之分為正、負(fù)兩部分，且基于兩條傳送線(xiàn)分別完成傳輸。接收器接收信號(hào)后對(duì)信號(hào)作相減處理，由此得到原始信號(hào)。PLC 與信息收集系統(tǒng)間的信息傳輸單位是“幀”，信息收集發(fā)送通信信號(hào)給PLC，PLC接收后，主動(dòng)傳輸響應(yīng)幀給控制系統(tǒng)。

2.3 電氣自動(dòng)化管理比例計(jì)算

按照以上數(shù)據(jù)交換結(jié)果獲取的電氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行要求求出電氣自動(dòng)化管理比例。管理比例主要指調(diào)整電氣智能化增益的最基本管理基礎(chǔ)，所以，對(duì)智能化控制比例計(jì)算是：

Q=λq

q=r(t) -s(t)

式中，Q代表控制信號(hào)，λ代表自動(dòng)化管理比例增益，q代表控制偏差，r（t）代表參考增益量，s（t）代表管控反饋量。控制比例能迅速縮小控制誤差值，但無(wú)法消除控制穩(wěn)態(tài)偏差，管理比例作用強(qiáng)弱和誤差大小成正比關(guān)系。不同之處在于起到的作用不一樣，較小時(shí)，調(diào)控作用也很小；而加大，則管控作用加速；但超出規(guī)定范圍時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響穩(wěn)固性，所以，選擇細(xì)分控制比例高低。

2.4 借助變頻調(diào)速方式的參數(shù)管理

基于以上電氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)信息收集與計(jì)算，按照研究的電氣自動(dòng)化管理比例，采取調(diào)速系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，管理運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)裝置采取符合控制比例中的微調(diào)、行程調(diào)節(jié)等需求的交流變頻設(shè)備。選擇基于FPGA 的EP2C5Q208C8 芯片，涉及5 個(gè)構(gòu)成電路，由此體現(xiàn)星座映射、FFT、循環(huán)前綴插進(jìn)、緩沖與D/A的作用，且完成對(duì)每個(gè)系統(tǒng)功能的模擬驗(yàn)證。圖2所示是變頻調(diào)速系統(tǒng)管控原理。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)管控原理圖

變頻器搭配制動(dòng)電阻起到制動(dòng)作用，避免由于大型機(jī)械裝置高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能形成電能破壞變頻控制設(shè)備。變頻器在該控制系統(tǒng)內(nèi)采取的是矢量控制方式，調(diào)速管理交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，與基于數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的PLC設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，由此管控電動(dòng)機(jī)的開(kāi)啟、速度調(diào)換、停止，變頻管理電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的具體運(yùn)速就是依靠ZSW1向PLC設(shè)備反饋。利用控制軟件，優(yōu)化安裝變頻器，研究先進(jìn)的變頻器信息報(bào)文參數(shù)和電動(dòng)機(jī)參數(shù)，再對(duì)變頻器進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)，研究順利完成后，變頻器開(kāi)啟后能夠靈活控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，代表變頻器能夠開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻調(diào)速管理系統(tǒng)處于微調(diào)控制條件下時(shí)，主電機(jī)是微速度轉(zhuǎn)動(dòng)且能正/反運(yùn)行，滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)行程頻率為5 次/min。當(dāng)控制系統(tǒng)處在行程狀況下時(shí)，主電機(jī)僅能作正方向高速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且在持續(xù)模式下，它的滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)行程速率對(duì)應(yīng)頻率為10～15 次/min，速度持續(xù)能調(diào)，由此實(shí)時(shí)持續(xù)管控電氣裝置參數(shù)，提升其轉(zhuǎn)動(dòng)的科學(xué)性與穩(wěn)固性。

3 具體應(yīng)用試驗(yàn)檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

以某300MW 機(jī)組電站的凝結(jié)水泵為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其展開(kāi)控制檢測(cè)。凝結(jié)水泵的作用就是把凝汽器熱水井中的凝結(jié)水及時(shí)地送往除氧器中，它和出口閥門(mén)、除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥等一起構(gòu)成了凝結(jié)水系統(tǒng)，承擔(dān)著凝結(jié)水的輸送、調(diào)節(jié)與維持凝汽器和除氧器正常水位的任務(wù)。該電站擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，負(fù)荷經(jīng)常在50%～100%之間變動(dòng)。該電站的凝結(jié)水模塊包含2 臺(tái)100%容量凝泵，穩(wěn)定運(yùn)行模式是一開(kāi)一備，凝泵是離心式多級(jí)立式泵，設(shè)計(jì)流量是按照最大發(fā)電負(fù)荷設(shè)計(jì)為870m3/h，揚(yáng)程是275m，軸功率790kW，泵效率83%，電機(jī)功率是1000kW，滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下電機(jī)效率是95.3%。凝結(jié)水泵定速運(yùn)行，除氧器水位依靠上水調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制，在負(fù)荷較低時(shí)，這種運(yùn)行方式存在以下弊端：一是閥門(mén)調(diào)整節(jié)流損失大，造成電能浪費(fèi)；二是依靠閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)整凝結(jié)水，凝結(jié)水泵出口壓力高，管道磨損大，長(zhǎng)期在低開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，閥門(mén)前后壓差大，加速閥門(mén)自身磨損，閥門(mén)控制特性變差，閥體密封性變差，閥門(mén)日常維護(hù)量大、維修成本高、設(shè)備使用周期短。基于以上原因，對(duì)凝結(jié)水水泵進(jìn)行了變頻調(diào)速技術(shù)改造，并且將變頻裝置的保護(hù)、監(jiān)視和聯(lián)鎖信號(hào)接入DCS系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)改造，找到不同負(fù)荷點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的負(fù)荷凝水流量及設(shè)備頻率。通過(guò)與凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行對(duì)比，機(jī)組負(fù)荷在100%～50%負(fù)荷之間變化時(shí)，凝結(jié)水泵運(yùn)行電流均比同工況下工頻運(yùn)行電流低15%～60%，節(jié)電率在15%～60%，機(jī)組負(fù)荷越低，節(jié)電效果越明顯。改造后，凝結(jié)水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，其啟動(dòng)電流遠(yuǎn)小于工頻啟動(dòng)電流，減輕了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的沖擊。變頻運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵出口閥和除氧器上水調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，運(yùn)行人員通過(guò)變頻裝置調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)除氧器的水位，調(diào)節(jié)平滑，精度高，水位波動(dòng)小，凝結(jié)水泵運(yùn)行工況大大改善，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，減少了閥門(mén)磨損，凝結(jié)水泵和閥門(mén)的維護(hù)量大大減少。

4 電氣自動(dòng)化管控方面變頻調(diào)速方法的具體運(yùn)用

4.1 V/F控制方式

這是現(xiàn)代化變頻調(diào)速方法中十分關(guān)鍵的一種，其變頻調(diào)速作用很好。調(diào)速過(guò)程中，V/F 控制方式是通過(guò)管理電機(jī)電壓來(lái)把控電機(jī)運(yùn)速，V/F 控制由壓控振蕩設(shè)備實(shí)現(xiàn)。V/F 控制原理是產(chǎn)生一種振蕩頻率電路，稱(chēng)為壓控振蕩器，它是一種受電壓變化而產(chǎn)生電容變化的壓敏電容器，當(dāng)電壓變化時(shí)，它的電容量就會(huì)發(fā)生改變。電容的變化會(huì)引起振蕩頻率的變化，產(chǎn)生頻率的變化，將此控制頻率用于輸出到電機(jī)電壓的頻率，使被控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。電氣自動(dòng)化管理環(huán)節(jié)，與V/F 控制方式相融合，自動(dòng)化管控系統(tǒng)電壓，進(jìn)而取得V/F的精確管理，調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)速。

4.2 自適應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)模塊

自適應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)模塊是變頻調(diào)速技術(shù)中比較常用的模塊，主要作用在于有效測(cè)試變頻器輸入與輸出的電流及電壓，以保障變頻器輸入與輸出的電流與電機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)相一致［4］。自適應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)模塊屬于一種電氣智能化管控模塊，既可以實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)電壓，也可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣可以在最大程度上調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)速，體現(xiàn)自動(dòng)變速作用。自適應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)模塊是現(xiàn)今變頻調(diào)速方法和現(xiàn)代化電氣管理平臺(tái)的集成引用，自適應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)模塊實(shí)際運(yùn)用中，其能達(dá)到電機(jī)的變頻調(diào)速精度超過(guò)0.5%，既能提高變頻調(diào)控效率，還能直接提高變頻調(diào)速精確性。

4.3 加強(qiáng)減速區(qū)段低速防護(hù)

電氣自動(dòng)化管理系統(tǒng)內(nèi)，使用變頻調(diào)速方法還表現(xiàn)在減速區(qū)間管理上。當(dāng)電氣自動(dòng)化管理設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備穩(wěn)固性是一項(xiàng)關(guān)鍵的評(píng)估指標(biāo)，只有保障設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，才可更好保障設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)高效性。而為了確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，電氣自動(dòng)化管理設(shè)備正常運(yùn)行階段，有必要加強(qiáng)設(shè)備減速區(qū)間管理，設(shè)備在減速區(qū)間降速運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)格管控電機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)在很大程度上提高設(shè)備穩(wěn)固性。使用變頻調(diào)速方法時(shí)，變頻設(shè)備和PLC設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控速度采樣，且實(shí)時(shí)監(jiān)控比較設(shè)備轉(zhuǎn)速安全值，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備在具體運(yùn)行環(huán)節(jié)，存在即將達(dá)到運(yùn)速臨界值或是已超出運(yùn)速臨界值的現(xiàn)象，需立刻采取PLC智能系統(tǒng)調(diào)整變頻調(diào)速軟件運(yùn)行，讓整個(gè)電力裝置處于減速區(qū)段低速防護(hù)狀態(tài)下，采取科學(xué)的減速措施來(lái)加強(qiáng)電氣設(shè)備的防護(hù)［5］。在電氣自動(dòng)化管理系統(tǒng)內(nèi)融入變頻調(diào)速方法，既能有效調(diào)節(jié)電氣裝置運(yùn)行效率，也能保護(hù)整個(gè)電氣裝置，確保電機(jī)可以高效、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.4 等速區(qū)間超速管理防護(hù)

電氣自動(dòng)化管理方面，在變頻調(diào)控方法的使用過(guò)程中，電機(jī)拖動(dòng)裝置與等速區(qū)間防護(hù)也是十分關(guān)鍵的工作內(nèi)容。等速區(qū)間防護(hù)和微速區(qū)間防護(hù)基本原理一樣，均是采取電氣自動(dòng)化系統(tǒng)管控變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而更好管控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，由此加強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)維護(hù)。電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用期間，很可能產(chǎn)生電機(jī)拖動(dòng)裝置超載應(yīng)用現(xiàn)象，電機(jī)拖動(dòng)裝置超載應(yīng)用狀態(tài)下，電機(jī)本身的運(yùn)速已超出規(guī)定的界定運(yùn)速值，在長(zhǎng)時(shí)間超速運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)既會(huì)出現(xiàn)故障，還將影響電機(jī)利用效率［6］，而且，電機(jī)拖動(dòng)裝置也會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行故障。但是，變頻調(diào)速系統(tǒng)和電氣自動(dòng)化系統(tǒng)相統(tǒng)一，能夠加強(qiáng)等速區(qū)間超速管理，例如，在具體的系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置電機(jī)與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度不得大于最大運(yùn)行速度的10%，如果產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行速度大于最大運(yùn)行速度10%的現(xiàn)象，等速區(qū)間維護(hù)系統(tǒng)將開(kāi)啟智能防護(hù)，自動(dòng)控制軟件聯(lián)動(dòng)變速調(diào)整平臺(tái)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，保障電機(jī)在安全轉(zhuǎn)速以?xún)?nèi)，由此加強(qiáng)電機(jī)與電機(jī)拖動(dòng)裝置的防護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的普遍使用滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝對(duì)電機(jī)的調(diào)速需要，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)能耗，節(jié)約了成本。采取變頻調(diào)速方式，能有效提高電氣中各種模塊的穩(wěn)固性，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，增加企業(yè)的社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)利益。