變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動化控制中的應(yīng)用解析

【摘 要】變頻調(diào)速技術(shù)是一種新的技術(shù)，具有多方面的優(yōu)勢，滿足了電氣自動化控制的需要，其應(yīng)用效果良好。本文對變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用進行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速；電氣自動化控制；應(yīng)用

1.變頻器與節(jié)能

異步電動機在基頻以下調(diào)速時，通常采用恒壓頻比帶定子壓降補償?shù)目刂品绞?；基頻以上調(diào)速，則通常采用恒壓變頻的控制方式。把以上兩種情況結(jié)合起來，可得到異步電動機變壓變頻調(diào)速控制特性。與DIT算法相對應(yīng)，根據(jù)對稱原理，如果在時域把x（n）分解成前后兩組，那么在頻域就會使X（k）形成奇偶抽選分組，據(jù)此形成了另一種普遍采用的FFT結(jié)構(gòu)，稱為頻域抽選FFT（DIF-FFT）算法，由于它是由桑德（Sande）和圖基（Turky）首先提出的，所以通常也稱為Sande-Turky算法。 通用變頻器中的制動電路是為了滿足異步電動機制動的需要而設(shè)置的。在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，為了使異步電動機減速和停機，可以采用逐漸減小通用變頻器輸出頻率的方法降低異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，從而達到使電動機減速的目的，在異步電動機減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速低于異步電動機的實際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流的相位將相反，使異步電動機中產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，即處于再生制動狀態(tài)。對于大、中容量的通用變頻器來說為了節(jié)約能源，一般采用電源再生單元將上述能量回饋給供電電源。而對于小容量通用變頻器來說，則通常采用制動電路，將異步電動機回饋回來的能量在制動電路上消耗掉。

2.變頻主驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)的性能及設(shè)計

變壓變頻（VVVF）主驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)的主要性能與特點如下：

（1）變頻調(diào)速使電梯的啟動加速和制動減速過程非常平穩(wěn)、舒適。電梯按距離制動， 直接?？?，平層準確度可保持在±5mm之內(nèi)。

（2）由于驅(qū)動系統(tǒng)不僅可以工作在電動狀態(tài)（即工作在第Ⅰ、Ⅲ象限），也可以工作在再生發(fā)電狀態(tài)（即工作在第Ⅱ、Ⅳ象限），因此可以說這種、VVVF的主驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)可工作在“四個象限”內(nèi)。這樣使得系統(tǒng)的電能消耗進一步降低。再加上驅(qū)動系統(tǒng)完全用電力半導體器件，而使驅(qū)動系統(tǒng)工作在高效率狀態(tài)?？傊?，VVVF系統(tǒng)是高效率、低損耗的電梯驅(qū)動系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)全部使用半導體集成器件或大規(guī)模集成電路、微機系統(tǒng)及大功率、高導通頻率的驅(qū)動模塊，不但縮小體積、降低噪聲，而且系統(tǒng)工作十分可靠。

（4）VVVF系統(tǒng)維持了磁通與轉(zhuǎn)矩恒定的靜態(tài)穩(wěn)定關(guān)系，尤其是脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)發(fā)明和應(yīng)用以來，WVF調(diào)速系統(tǒng)的性能得到極大地改善，甚至完全趕上或超過了直流調(diào)速系統(tǒng)。

3.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動化控制中的應(yīng)用

3.1.變頻調(diào)速的特點

所有的Cyclone II 器件都采用300mm晶圓，并且基于TSMC 90nm、低K工藝制造，確保其高速及低成本。由于使用了最小化的硅區(qū)，Cyclone II系列設(shè)備可以僅用一個芯片來支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，而其成本僅相當于一個專用集成電路。高性能通用變頻器是為了滿足不同的工程需要，有幾種硬件結(jié)構(gòu)：獨立式變頻器、公共直流母線式變頻器和帶能量回饋單元的變頻器。獨立式變頻器是將整流單元和逆變單元放置在一個機殼內(nèi)，是目前應(yīng)用最多的變頻器，一般只驅(qū)動一臺電動機，用于一般的工業(yè)負載。

采用的配置方式是JTAG與AS相結(jié)合的配置方法，所以配置電路必須既滿足AS配置方式也滿足JTAG方式。其中配置芯片采用EPCS1。根據(jù)上文的配置式的具體連接方式和各引腳特性。其中串行配置芯片（Serial Configuration Device）采用EPCS1，右側(cè)的10針頭插口用于JTAG方式的配置，下側(cè)的用于AS方式的配置。高性能通用變頻器驅(qū)動電梯、升降機、可逆軋機等負載時，都要求四象限運行，所以必須配置能量回饋單元。能量回饋單元的功能是將電動機制動時產(chǎn)生的再生能量回饋給電網(wǎng)。

3.2.變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用

（1）自適應(yīng)電動機模型單元。自適應(yīng)電動機模型單元的作用是通過檢測輸入電動機的電壓和電流來自動識別電動機的基本參數(shù)。該電動機模型是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵單元。對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場合，如果轉(zhuǎn)速控制精度大于0.5%可用閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋。（3）轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器。這類比較器的作用是將反饋值分別與其參考值每20ms比較一次，通過用兩點式滯環(huán)調(diào)節(jié)器來輸出轉(zhuǎn)矩或磁場的狀態(tài)。（4）脈沖優(yōu)化選擇器。選用Cyclone II EP2C5Q208C8芯片處理信息，然后設(shè)計OFDM 調(diào)制方式的信號源的FPGA實現(xiàn)，編寫了由 5個模塊組成了電路，主要實現(xiàn)了星座映射、FFT、插入循環(huán)前綴、緩沖模塊和D＼A的功能，設(shè)計了OFDM 信號源，對各個模塊的功能進行仿真驗證。最后完成了OFDM信號源，包括軟件仿真和FPGA 硬件驗證。因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們承受的電壓不等，因此，在電容旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻來消除離散性的影響。為了避免在電源接通瞬間流經(jīng)電容器的充電電流（浪涌電流）過人而燒壞整流電路及造成其他影響，存電路中還加了抑制浪涌電流的措施。

4.變頻調(diào)速在礦井自動化控制中的運行

4.1 深度指示器的保護失效

礦井提升機在運作的過程中其包含的多重保護是以提升機的運作行程作為主要依據(jù)的，深度指示器起著至關(guān)重要的作用，一旦它失效會導致多種保護隨之失效，所以，對深度指示器在設(shè)計的時候，一定要設(shè)計失效保護。

4.2 等速段超速進行保護

等速段超速度保護在提升的系統(tǒng)中是速度檢測機構(gòu)對提升機速度進行測量的依據(jù)，當提升機的速度超出額定 15% 的速度時，繼電器的動作慢于安全回路的速度，則會將安全回路斷開，并實施緊急的制動措施。由于在等速段內(nèi)提升機有著較高的運行速度，在進行緊急制動實施時，會產(chǎn)生沖擊危害，所以等速段保護在設(shè)定的時候，應(yīng)該分兩個階段：當速度超過額定運作速度的 10%，系統(tǒng)需要發(fā)出聲光報警信號，提醒司機實施制動措施；當速遞恢復(fù)正常運作速遞時，系統(tǒng)自動解除報警訊號，恢復(fù)正常工作。這樣的保護設(shè)定，可以將緊急制動造成的傷害降到最低。

4.3 減速段超速進行保護

減速段在提升機整體的運行過程中是最重要的階段，同時，在減速點之后也是提升機事故的多發(fā)點。

從減速點開始就是提升機能否安全的到達所指定的停車位置的關(guān)鍵時期，按照規(guī)定在減速點進行減速是極其重要的。PLC 將對提升容器的運行速度不斷的進行采樣，并將所采集的速度同規(guī)定的速度進行差值對比，一旦采集的速度超過規(guī)定的速度，PCC 控制系統(tǒng)就會自動的發(fā)出警報，并對提升機實施安全制動措施。

總結(jié)：

變頻調(diào)速是每個廠家設(shè)備的改造與產(chǎn)品的生產(chǎn)都會需要的新產(chǎn)品、新技術(shù)，有了變頻調(diào)速就可以改造系統(tǒng)進一步節(jié)能降耗。在今后的變頻器設(shè)計上還需要對其不斷的完善與優(yōu)化，更好的提升它本身的性能，來發(fā)揮著顯著的節(jié)能效果，并達到改善工藝條件的目的。

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