基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法

摘? 要：為提高電氣設備自動化變頻速度調節性能，提出基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法。根據滑動窗口的分配，劃分電氣設備狀態數據，利用高斯核函數監測設備運行狀態，根據雙饋調速裝置實際轉速和轉差率，計算定子繞組反電動勢，通過對反電動勢和頻率的同步控制，實現變頻速度調節。實驗結果表明，采用該文方法調節電氣設備自動化變頻速度后，在負載恒定和擾動條件下均可使電氣設備在期望轉速下運行，并且響應時間較短，提高了工作效率。

關鍵詞：雙饋調速裝置；速度調節；變頻調速；自動化；電氣設備

中圖分類號：TM933? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）08-0072-04

Abstract： In order to improve the speed regulation performance of automatic frequency conversion of electrical equipment， a speed regulation method of automatic frequency conversion of electrical equipment based on double-fed speed regulation device is proposed. According to the allocation of the sliding window， divide the state data of electrical equipment， use the Gaussian kernel function to monitor the operating state of equipment， calculate the back EMF of the stator winding according to the actual speed and slip of the double-fed speed regulating device， and realize the speed regulation of frequency conversion through the synchronous control of the back EMF and frequency. The experimental results show that the method in this paper can control the electrical equipment to run at the expected speed under the conditions of constant load and disturbance after regulating the automatic frequency conversion speed of electrical equipment， and the response time is short， improve the working efficiency.

Keywords： double-fed speed regulation device; speed regulation; frequency conversion speed regulation; automation; electrical equipment

0? 引? 言

為了提高生產效率，學者們紛紛開啟了電氣設備變頻調速的研究[1]。變頻調速是一種較為先進的節能技術，它能夠大幅度提高電氣設備的生產效率，為生產企業帶來更大的經濟效益。此外，變頻調速技術對電氣設備本身的發展具有很大的促進作用。電氣設備所需消耗的電能主要是由其自身的機械能轉化而來[2]。隨著現代工業和人們生活水平的不斷發展，人們對電力效率的要求越來越高，因此對電氣設備進行變頻調速就成為必然選擇。對電氣設備進行變頻調速能夠很好地避免電氣設備發生故障，有效減少電力資源消耗，提高電氣設備正常工作時間，同時也能夠節約電能。

劉齊等人[3]將紅外攝像技術應用到電氣設備的故障檢測中，通過提取電氣設備的紅外圖像，獲取圖像灰度與溫度之間的映射關系，在紅外熱區域，提取電氣設備的故障特征，并利用絕對溫差法來判斷電氣設備的失效程度。試驗結果表明，該方法的檢測精度高，穩定性好。李可成[4]為了解決鉆井電氣設備變頻調速方法存在的可靠性差、維護性能低等問題，將PLC技術用于鉆井電氣設備的變頻調速中。根據PLC技術的特點，建立PLC的控制系統；通過安裝1臺雙饋調速裝置，可以調整鉆機的電機扭矩；通過采用前饋技術，克服了變頻器對鉆機電氣設備靜差的影響，達到對鉆機電氣設備進行自動變頻調速的目的。可靠性分析測試及維護性能測試表明，此方法的可靠性較高，安全性較好。

1? 電氣設備自動化變頻速度調節方法設計

1.1? 監測電氣設備的運行狀態

在監測電氣設備的運行狀態時，電氣設備運行環境的復雜性，會導致電氣設備運行狀態數據出現亂碼[5]，因此需要先對電氣設備的運行狀態數據進行分類，步驟如下：

1）獲取電氣設備運行狀態監測任務Q，并通過任務解析得到監測任務的ID集合E和監測任務解析參數。

2）當電氣設備運行狀態數據屬于監測任務的ID集合E時，就可以監測到電氣設備運行狀態數據的抵達頻率f，通過對抵達數據收發時刻的差值頻率進行擬合處理，構建電氣設備運行狀態數據傳輸時延的概率密度函數g（x）。

3）根據電氣設備運行狀態監測任務的時序容錯率δ、實時性要求T和傳輸時延的概率密度函數g（x），計算出數據分類的滑動窗口緩沖時間ΔT，通過分析電氣設備運行狀態數據的抵達頻率f，獲取滑動窗口中緩沖的數據量S。

4）將滑動窗口中緩沖的數據量S作為數據分類的依據，在數據緩沖區域內，為滑動窗口分配電氣設備運行狀態監測任務，保證緩沖區域內的監測任務與滑動窗口的對應性，如果緩沖區域中沒有可以分配的閑置區域，那么就需要調整比例，對其他監測任務的緩存窗口進行分配[6]。

5）完成滑動窗口的分配之后，滑動窗口需要執行集合E的狀態數據緩存操作，將電氣設備狀態數據劃分為正常數據、失效數據和延時數據，按照一定順序，丟棄或者傳輸到上層解析部分。

假設A=（a1， a2， …， an）表示電氣設備運行狀態數據集合，其中an表示電氣設備在任意一個狀態參數下的數據信息，對其進行核密度估計，可以得到：

隨著帶寬的增加，電氣設備運行狀態數據信息的核密度估計函數越來越平滑，核密度估計函數越小，說明電氣設備運行狀態數據與密度曲線之間的擬合效果越好。

在電氣設備運行狀態的數據分布中，n表示選取的隨機變量樣本規格，利用核密度估計函數[7]，電氣設備運行狀態監測中對核函數的需求量為n，因此，利用核密度估計函數的累加特征，將權值相同的電氣設備運行狀態數據信息轉換成附帶權值的核密度估計函數，那個轉換的電氣設備運行狀態數據信息數量就是核密度估計函數的權值大小。

當電氣設備運行狀態監測的核函數符合正態分布的高斯核函數時，定義了高斯核函數，表示為：

其中，γi表示附帶權值為i的核函數，γj表示附帶值為j的核函數，Ai表示核函數γi對應的中心點，Aj表示核函數γj對應的中心， 表示權值為γi+γj的核函數， 表示權值為γi+γj的核函數中心點。

根據以上過程，利用高斯核函數，監測電氣設備的運行狀態。

1.2? 電氣設備自動化變頻速度調節的實現

以電氣設備的運行狀態為依據，利用雙饋調速裝置調節電氣設備自動化變頻速度，雙饋調速裝置具有理想的速度調節性能，可以通過改變電源頻率，調節電氣設備的變頻速度。雙饋調速裝置的結構如圖1所示。

雙饋調速裝置在運行中的實際轉速和轉差率的計算公式為：

其中，f表示定子的供電頻率，η表示轉差率，N表示極對數，n0表示雙饋調速裝置的同步轉速， 表示雙饋調速裝置在運行中的實際轉速。

由于定子繞組對旋轉的磁場進行切割會產生電動勢[8]，利用式（6）計算定子繞組的反電動勢：

其中，Mw1表示雙饋調速裝置的繞組系數，R1表示繞組匝數， 表示磁通量。

為了避免磁通量對電氣設備的性能造成影響，在調節過程中，需要考慮到定子繞組的電勢變化情況，根據定子繞組的反電動勢和頻率的同步控制，實現電氣設備自動化變頻速度調節。

2? 實驗對比分析

2.1? 實驗背景

為了驗證文中方法在電氣設備自動化變頻速度調節中的有效性，采用雙饋電動機作為調速裝置，如果調速裝置帶負載運行，當調速裝置的轉速穩定在1 500 rad/min時饋入，饋入變頻器輸出的頻率為6.5 Hz，輸出的有效電壓為19 V。電氣設備自動化變頻速度調節的過程中，變頻器輸出的頻率可以調節，增加或減少的補償均為0.2 Hz，此時變頻器輸出的電壓保持19 V不變。

2.2? 實驗數據

以某一電氣設備為研究對象，在2.1的實驗條件下，獲取變頻速度調節的實驗數據，如表1所示。

2.3? 轉速估計效果

為了驗證文中方法的優勢，引入基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC的調節方法作對比，分別在負載恒定和負載擾動的條件下測試了電氣設備轉速估計效果，結果如圖2所示。

從圖2的結果可以看出，在負載恒定的條件下，基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC的調節方法對電氣設備轉速的估計結果與實際運行轉速之間的誤差較大，且估計結果大于實際運行轉速；在負載擾動的條件下，基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC的調節方法對電氣設備轉速的估計結果與實際運行轉速之間仍然存在較大誤差，且估計結果小于實際運行轉速。但是采用基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法時，無論是在負載恒定條件下還是負載擾動條件下，估計得到的轉速與實際運行轉速都比較接近，驗證了文中方法的估計精度更高。

2.4? 變頻調速效果

同樣是在負載恒定和負載擾動的條件下，利用三種方法調節電氣設備的變頻速度，測試了電氣設備的轉速情況，結果如圖3所示。

根據圖3的結果可知，在負載恒定的條件下，采用基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC的調節方法對電氣設備的變頻速度進行調節之后，電氣設備的轉速低于期望轉速，無法滿足電氣設備在合適轉速下的運行；在負載擾動的條件下，采用基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC的調節方法對電氣設備的變頻速度進行調節之后的轉速，與電氣設備期望轉速之間的差距較大，說明其對電氣設備自動化變頻速度調節的性能較差。但是采用基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法對電氣設備的變頻速度進行調節之后，無論是在負載恒定條件下還是負載擾動條件下，調節之后的電氣設備轉速與期望轉速非常接近，說明基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法可以使電氣設備在期望轉速下運行，大大提高了工作效率。

2.5? 自動化變頻速度調節響應耗時

為了進一步驗證方法的實際應用性能，分析不同方法的變頻速度調節響應耗時，結果如圖4所示。

根據圖4數據可知，文中調節方法的響應時間低于1.0 s，而基于紅外成像技術的調節方法和基于PLC調節方法的響應時間均較高，其中前者的響應時間最低值達到了1.6 s，而后者的響應時間最低值達到了2.5 s，三種方法響應時間雖然均較小，可以滿足實際需求，但是本文方法的響應時間最短，比另外兩種方法的響應時間降低了0.6 s和1.5 s以上。由此可知，文中基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法有效降低了響應時間，該調節方法的實際性能更優。

3? 結? 論

本文提出了基于雙饋調速裝置的電氣設備自動化變頻速度調節方法，經過實驗測試發現，采用該方法對電氣設備的變頻速度進行調節之后，可以使電氣設備在期望的轉速下運行，具有更高的調節精度。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以引入抗電磁干擾技術，避免電氣設備在運行過程中受到電磁干擾，保證其運行的穩定性。

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作者簡介：劉永（1989.07—），男，漢族，山東德州人，工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動化。