變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)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(shì)，滿足了電氣自動(dòng)化控制的需要，其應(yīng)用效果良好。本文對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

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

1.變頻器與節(jié)能

異步電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，通常采用恒壓頻比帶定子壓降補(bǔ)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(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。與DIT算法相對(duì)應(yīng)，根據(jù)對(duì)稱原理，如果在時(shí)域把x（n）分解成前后兩組，那么在頻域就會(huì)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(dòng)電路是為了滿足異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)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(dòng)機(jī)減速和停機(jī)，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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到使電動(dòng)機(jī)減速的目的，在異步電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，由于同步轉(zhuǎn)速低于異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流的相位將相反，使異步電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即處于再生制動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于大、中容量的通用變頻器來(lái)說(shuō)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(duì)于小容量通用變頻器來(lái)說(shuō)，則通常采用制動(dòng)電路，將異步電動(dòng)機(jī)回饋回來(lái)的能量在制動(dòng)電路上消耗掉。

2.變頻主驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)

變壓變頻（VVVF）主驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要性能與特點(diǎn)如下：

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

（2）由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅可以工作在電動(dòng)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(shuō)這種、VVVF的主驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)可工作在“四個(gè)象限”內(nèi)。這樣使得系統(tǒng)的電能消耗進(jìn)一步降低。再加上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全用電力半導(dǎo)體器件，而使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在高效率狀態(tài)。總之，VVVF系統(tǒng)是高效率、低損耗的電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)全部使用半導(dǎo)體集成器件或大規(guī)模集成電路、微機(jī)系統(tǒng)及大功率、高導(dǎo)通頻率的驅(qū)動(dòng)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(lái)，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(guò)了直流調(diào)速系統(tǒng)。

3.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

3.1.變頻調(diào)速的特點(diǎn)

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(gè)芯片來(lái)支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，而其成本僅相當(dāng)于一個(gè)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(dú)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(dú)立式變頻器是將整流單元和逆變單元放置在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，是目前應(yīng)用最多的變頻器，一般只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，用于一般的工業(yè)負(fù)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(dòng)電梯、升降機(jī)、可逆軋機(jī)等負(fù)載時(shí)，都要求四象限運(yùn)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(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)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(dòng)化控制中的應(yīng)用

（1）自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元。自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元的作用是通過(guò)檢測(cè)輸入電動(dòng)機(jī)的電壓和電流來(lái)自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)。該電動(dòng)機(jī)模型是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵單元。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)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(guò)用兩點(diǎn)式滯環(huán)調(diào)節(jié)器來(lái)輸出轉(zhuǎn)矩或磁場(chǎng)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(jì)OFDM 調(diào)制方式的信號(hào)源的FPGA實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)了由 5個(gè)模塊組成了電路，主要實(shí)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(jì)了OFDM 信號(hào)源，對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后完成了OFDM信號(hào)源，包括軟件仿真和FPGA 硬件驗(yàn)證。因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^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(gè)阻值相等的均壓電阻來(lái)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(guò)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(dòng)化控制中的運(yùn)行

4.1 深度指示器的保護(hù)失效

礦井提升機(jī)在運(yùn)作的過(guò)程中其包含的多重保護(hù)是以提升機(jī)的運(yùn)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(huì)導(dǎo)致多種保護(hù)隨之失效，所以，對(duì)深度指示器在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要設(shè)計(jì)失效保護(hù)。

4.2 等速段超速進(jìn)行保護(hù)

等速段超速度保護(hù)在提升的系統(tǒng)中是速度檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)提升機(jī)速度進(jìn)行測(cè)量的依據(jù)，當(dāng)提升機(jī)的速度超出額定 15% 的速度時(shí)，繼電器的動(dòng)作慢于安全回路的速度，則會(huì)將安全回路斷開(kāi)，并實(shí)施緊急的制動(dòng)措施。由于在等速段內(nèi)提升機(jī)有著較高的運(yùn)行速度，在進(jìn)行緊急制動(dòng)實(shí)施時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊危害，所以等速段保護(hù)在設(shè)定的時(shí)候，應(yīng)該分兩個(gè)階段：當(dāng)速度超過(guò)額定運(yùn)作速度的 10%，系統(tǒng)需要發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒司機(jī)實(shí)施制動(dòng)措施；當(dāng)速遞恢復(fù)正常運(yùn)作速遞時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)解除報(bào)警訊號(hào)，恢復(fù)正常工作。這樣的保護(hù)設(shè)定，可以將緊急制動(dòng)造成的傷害降到最低。

4.3 減速段超速進(jìn)行保護(hù)

減速段在提升機(jī)整體的運(yùn)行過(guò)程中是最重要的階段，同時(shí)，在減速點(diǎn)之后也是提升機(jī)事故的多發(fā)點(diǎn)。

從減速點(diǎn)開(kāi)始就是提升機(jī)能否安全的到達(dá)所指定的停車(chē)位置的關(guān)鍵時(shí)期，按照規(guī)定在減速點(diǎn)進(jìn)行減速是極其重要的。PLC 將對(duì)提升容器的運(yùn)行速度不斷的進(jìn)行采樣，并將所采集的速度同規(guī)定的速度進(jìn)行差值對(duì)比，一旦采集的速度超過(guò)規(guī)定的速度，PCC 控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)的發(fā)出警報(bào)，并對(duì)提升機(jī)實(shí)施安全制動(dòng)措施。

總結(jié)：

變頻調(diào)速是每個(gè)廠家設(shè)備的改造與產(chǎn)品的生產(chǎn)都會(huì)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(jìn)一步節(jié)能降耗。在今后的變頻器設(shè)計(jì)上還需要對(duì)其不斷的完善與優(yōu)化，更好的提升它本身的性能，來(lái)發(fā)揮著顯著的節(jié)能效果，并達(dá)到改善工藝條件的目的。

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