變頻調(diào)速典型控制系統(tǒng)（二）

馬小亮

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

第2講 通用機(jī)械的節(jié)能調(diào)速［1－3］

節(jié)能調(diào)速主要用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械的傳動(dòng)。它們?cè)静徽{(diào)速，交流電動(dòng)機(jī)直接接電網(wǎng)，恒速工作。在工廠設(shè)計(jì)時(shí)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備容量按最大可能的壓力和流量選取，并為今后發(fā)展預(yù)留適當(dāng)余量，工作時(shí)通常不需要這么大，只好借助閥門(mén)或擋板來(lái)把它們調(diào)到需要值，浪費(fèi)了大量能量。改用調(diào)速傳動(dòng)后，可以把閥門(mén)或擋板開(kāi)到最大，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)壓力或流量，把閥門(mén)或擋板浪費(fèi)的能量省下，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。改用調(diào)速傳動(dòng)后，節(jié)能效果取決于電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率，負(fù)荷率越低，節(jié)能效果越好，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)能1／3，效果顯著，因此被廣泛推廣應(yīng)用。

這類傳動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例，功率與轉(zhuǎn)速3次方成比例，當(dāng)轉(zhuǎn)速降到1／2時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩只有1／4，功率僅剩1／8，所以它對(duì)調(diào)速范圍的要求一般≤2。這類傳動(dòng)原本不調(diào)速，流量和壓力調(diào)節(jié)過(guò)程較慢，負(fù)載也比較平穩(wěn)，因此它對(duì)調(diào)速的精度和響應(yīng)的時(shí)間也沒(méi)什么特殊要求，只要能調(diào)速就行。針對(duì)這不高的調(diào)速要求，通常采用V／f控制的標(biāo)量控制系統(tǒng)，對(duì)于大功率傳動(dòng)，為改善啟動(dòng)性能，有時(shí)也用無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器的高性能調(diào)速系統(tǒng)（在大功率變頻器中，增加少許控制的復(fù)雜性已不影響設(shè)備成本）。

雖然這類傳動(dòng)對(duì)調(diào)速性能要求不高，但它對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性要求較高，需要一些特殊控制環(huán)節(jié)，分述于后。

2.1 “旁路變頻器”

由于這類傳動(dòng)原本是不調(diào)速的，而它對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性要求又較高，所以希望在變頻器故障時(shí)旁路變頻器，讓電動(dòng)機(jī)直接接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速回到額定轉(zhuǎn)速，仍用閥門(mén)或擋板調(diào)節(jié)壓力和流量，維持生產(chǎn)?！芭月纷冾l器”主電路示于圖1。

圖1 “旁路變頻器”主電路

圖1中K1和K2是交流接觸器。變頻器正常工作時(shí)K1閉合、K2分?jǐn)?，電?dòng)機(jī)接變頻器，按調(diào)速模式工作。在需要“旁路變頻器時(shí)”，先分?jǐn)郖1，隔離電動(dòng)機(jī)與變頻器，延時(shí)toff時(shí)間后K2閉合，電動(dòng)機(jī)接電網(wǎng)，加速至額定轉(zhuǎn)速后按恒速模式工作。在K1斷開(kāi)至K2閉合之間設(shè)置一段完全斷電時(shí)間toff的原因是等待電動(dòng)機(jī)消磁。電動(dòng)機(jī)斷電后，定子電流雖然為零，可磁鏈不能馬上消失，因?yàn)樵诖沛湝p弱過(guò)程中，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)感生電流阻礙磁鏈減小，需經(jīng)3倍轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr后才能使它降到零。在消磁過(guò)程中，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)還存在，在定子繞組中仍感生電壓，若在這個(gè)感生電壓與電網(wǎng)電壓反相時(shí)合上開(kāi)關(guān)K2，會(huì)造成大的定子電流沖擊。為避免這沖擊，要求toff＞3Tr。異步電動(dòng)機(jī)的toff和Tr可以從樣本和銘牌數(shù)據(jù)估算得出：

式中：Lr，Rr分別為轉(zhuǎn)子全電感和轉(zhuǎn)子電阻（測(cè)量值）；UN，IN，I0分別為定子額定線電壓、電流和空載電流（有效值）；fN，sN分別為額定頻率和額定轉(zhuǎn)差率。

下面給出幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)供參考：電動(dòng)機(jī)功率（kW）10…50…500，toff（s）0.7…1.6…3.6。

2.2 越過(guò)暫時(shí)失電功能和最高直流母線電壓Ud.max控制

在出現(xiàn)電網(wǎng)短時(shí)失電故障時(shí)，為保持生產(chǎn)的連續(xù)性，希望電壓型逆變器不停止工作，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，把部分動(dòng)能回饋至它的直流貯能電容，維持一個(gè)較低的直流母線電壓，使控制電路繼續(xù)工作（逆變器控制電源來(lái)自貯能電容電壓），待電網(wǎng)電壓恢復(fù)后電動(dòng)機(jī)重新加速到原轉(zhuǎn)速，這功能被稱之為越過(guò)暫時(shí)失電（ride－through），又稱動(dòng)能緩沖。

越過(guò)暫時(shí)失電（動(dòng)能緩沖）功能用Ud．min控制實(shí)現(xiàn)，框圖示于圖2a，Ud．min控制波形示于圖2b。Ud．min控制的核心是Ud．min調(diào)節(jié)器1AUdR，它的輸入是逆變器直流母線電壓Ud與其最小值設(shè)定之差，輸出是高性能調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的附加轉(zhuǎn)矩輸入正常工作時(shí)1AUdR本應(yīng)輸出正值，但由于調(diào)節(jié)器正限幅＝0，所以對(duì)調(diào)速系統(tǒng)工作無(wú)影響，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩T＞0。在t＝t1時(shí)，電網(wǎng)開(kāi)始失電，Ud開(kāi)始下降。在t≥t2后，Ud略小于1AUdR退出正限幅控制開(kāi)始工作，把轉(zhuǎn)矩T從正值拉到負(fù)值，電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入再生狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)械的部分動(dòng)能回饋至直流貯能電容，維持不變，使逆變器控制系統(tǒng)能繼續(xù)工作。在t＝t3時(shí)電網(wǎng)恢復(fù)，來(lái)自電網(wǎng)中的能量使Ud升高1AUdR又正限幅控制退出工作，逆變器恢復(fù)正常，轉(zhuǎn)速回升至給定值。圖2b中TRT是失電跨越時(shí)間。如果調(diào)速系統(tǒng)是V／f控制系統(tǒng)，則1AUdR的輸出是V／f曲線發(fā)生器的附加頻率輸入在1AUdR工作期間，減小逆變器輸出的電壓和頻率，使電動(dòng)機(jī)工作于再生狀態(tài)，維持如果沒(méi)有Ud．min控制環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)失電后，Ud將下降至Ud．off，逆變器停止工作，電動(dòng)機(jī)自由停車，如圖2b中Ud波形之虛線所示。

圖2 Ud．min控制框圖和波形

在電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，電機(jī)和負(fù)載的動(dòng)能將回饋至直流母線，使其電壓Ud升高。如果減速較快及電機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大（例如風(fēng)機(jī)傳動(dòng)），送到直流母線的能量不能全部被吸收或饋回電網(wǎng)，則Ud將升至過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作值，導(dǎo)致停機(jī)。為保持生產(chǎn)的連續(xù)性，許多現(xiàn)場(chǎng)希望避免這種非事故停機(jī)發(fā)生，為此引入最高直流母線電壓Ud．max控制環(huán)節(jié)，示于圖3。Ud．max控制的核心是Ud．max調(diào)節(jié)器2AUdR，它的輸入是逆變器直流母線電壓Ud與其最大值設(shè)定之差，輸出是高性能調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的附加轉(zhuǎn)矩輸入正常工作時(shí)，2AUdR本應(yīng)輸出負(fù)值，但由于調(diào)節(jié)器負(fù)限幅＝0，所以，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)工作無(wú)影響。在Ud升至略大于后，2AUdR退出負(fù)限幅控制開(kāi)始工作。電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，加入后，減速轉(zhuǎn)矩值下降，回饋至直流母線的能量減小，維持Ud≈，從而避免過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致的非事故停機(jī)發(fā)生。如果調(diào)速系統(tǒng)是V／f控制系統(tǒng)，則2AUdR的輸出是V／f曲線發(fā)生器的附加頻率輸入在2AUdR工作期間，減小逆變器輸出電壓和頻率的下降速率，使電動(dòng)機(jī)工作于再生狀態(tài)，減小回饋至直流母線的能量，維持

圖3 Ud.max控制框圖

2.3 轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng)

轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng)功能用于啟動(dòng)正在旋轉(zhuǎn)中的電動(dòng)機(jī)。泵和風(fēng)機(jī)傳動(dòng)有時(shí)會(huì)遇到在變頻器投入工作前電動(dòng)機(jī)已在旋轉(zhuǎn)的情況，例如：?jiǎn)?dòng)前在風(fēng)道或管道中存在壓力，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；大型風(fēng)機(jī)的機(jī)械慣量大，自由停車時(shí)間很長(zhǎng)，在電動(dòng)機(jī)尚未停止前又需要恢復(fù)工作；“旁路變頻器”后，變頻器故障排除，希望恢復(fù)調(diào)速工作模式等。電動(dòng)機(jī)在這種情況下接至變頻器，如果變頻器的輸出頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不匹配，轉(zhuǎn)差率大，將導(dǎo)致電流沖擊。要解決這問(wèn)題，需根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)置變頻器的初始頻率，而泵和風(fēng)機(jī)傳動(dòng)通常都無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器，因此希望變頻器能自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，據(jù)此設(shè)置初始頻率，這就是轉(zhuǎn)速跟蹤啟動(dòng)。

自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)速任務(wù)通過(guò)頻率搜索實(shí)現(xiàn)，其工作原理是：在逆變器輸出頻率與轉(zhuǎn)速相匹配時(shí)（fs＝np／60，p 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)），電動(dòng)機(jī)功率最小。頻率搜索框圖見(jiàn)圖4，圖4中SFS是搜索頻率給定，輸出一個(gè)從1.0（對(duì)應(yīng)于50Hz）逐漸降至0的頻率給定信號(hào)f＊（t），經(jīng)V／f曲線發(fā)生器得到定子頻率和電壓給定fs＊和us＊，為防止搜索過(guò)程中電流太大，令（5%～20%）us＊作為PWM發(fā)生器的電壓輸入。在搜索過(guò)程中檢測(cè)逆變器直流輸入電流或用電動(dòng)機(jī)電壓、電流瞬時(shí)值計(jì)算功率，當(dāng)它們小于某門(mén)檻值時(shí)便停止搜索，并把這頻率值設(shè)置為逆變器初始頻率。從最高工作頻率開(kāi)始搜索的原因是，在頻率高于轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)值時(shí)轉(zhuǎn)差率為正，電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，不必?fù)?dān)心再生功率使直流母線電壓升高問(wèn)題。如果正方向搜索沒(méi)找到所需頻率，則需從反方向最高頻率開(kāi)始反向搜索。

圖4 頻率搜索框圖

注意，為防止搜索過(guò)程中過(guò)電流，要求原V／f控制系統(tǒng)中的電流限制環(huán)節(jié)有效工作。

2.4 效率優(yōu)化控制

對(duì)于泵和風(fēng)機(jī)傳動(dòng)，隨轉(zhuǎn)速降低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩按平方減小，低速時(shí)電動(dòng)機(jī)工作于負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小的工況，這時(shí)若仍維持額定磁鏈，鐵損大，效率低。如果隨轉(zhuǎn)速降低，適當(dāng)減小電動(dòng)機(jī)磁鏈，能降低鐵損，提高效率，電動(dòng)機(jī)噪聲小。

減小磁鏈后，鐵損減少，銅損增加，磁鏈減弱多少合適，有個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。從損耗分析知，若磁鏈與轉(zhuǎn)速成比例，能取得效率優(yōu)化結(jié)果為

式中：Ψ，n為磁鏈和轉(zhuǎn)速相對(duì)值。

由于定子電壓相對(duì)值us≈Ψn，所以

當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速（n＝1.0）降至半速（n＝0.5）時(shí)，磁鏈也應(yīng)從額定（Ψ＝1.0）減弱至一半（Ψ＝0.5），定子電壓從額定（us＝1.0）減至1／4（us＝0.25）。

效率優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)方法：對(duì)于高性能調(diào)速系統(tǒng)，按式（2）設(shè)置磁鏈給定值（圖5a）；對(duì)于V／f控制調(diào)速系統(tǒng)，按式（3），把V／f曲線從線性改為二次曲線（圖5b）。

圖5 效率優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

注意：節(jié)能調(diào)速的調(diào)速范圍一般≤2，即nmin≥0.5，圖5中n＊（或f＊）≤0.5段不用；效率優(yōu)化控制只用于負(fù)載較平穩(wěn)，變化慢的場(chǎng)合。

2.5 工藝閉環(huán)控制

某些節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)要求工藝閉環(huán)控制，例如：擠壓機(jī)傳動(dòng)要求壓力閉環(huán)控制；泵傳動(dòng)要求液位閉環(huán)控制；風(fēng)機(jī)傳動(dòng)要求風(fēng)量閉環(huán)控制等，為此在許多通用變頻器中都設(shè)有供自由選用的工藝控制功能塊，示于圖6。

圖6 工藝控制功能塊

工藝控制功能塊的核心是工藝調(diào)節(jié)器TCR，它是1個(gè)PID調(diào)節(jié)器，其輸入是工藝設(shè)定量和工藝反饋量。工藝設(shè)定量可人為設(shè)定或來(lái)自上級(jí)數(shù)字控制器，一般是數(shù)字量。反饋量來(lái)自工藝參數(shù)傳感器，例如壓力計(jì)、液位計(jì)、流量計(jì)等，一般是4～20mA的模擬量或數(shù)字量。TCR的輸出是附加轉(zhuǎn)速給定Δn＊，它與轉(zhuǎn)速主設(shè)定n＊相加后，送至調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定輸入端。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］中國(guó)電氣工程大典，第15卷（電氣傳動(dòng)自動(dòng)化）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［3］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

（未完待續(xù)）