變頻器智能化在提高驅(qū)動效率中的應(yīng)用

摘 要：高性能智能變頻器可以提高機(jī)械傳動驅(qū)動效率，首先對高性能變頻器的硬、軟件布置進(jìn)行了闡述，對其在提高工廠設(shè)備具體應(yīng)用方面進(jìn)行了分析，為變頻器智能化研究進(jìn)程提供了相關(guān)思路。

關(guān)鍵詞：變頻器；驅(qū)動；智能化

引言

由于具備高效的頻率轉(zhuǎn)換和節(jié)能作用，變頻器在機(jī)械領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，是基礎(chǔ)技術(shù)因公用主體，尤其是在選煤廠以水泵和皮帶為主體的驅(qū)動機(jī)械設(shè)備中，應(yīng)用數(shù)字化智能變頻器更是能夠提高工作效率，降低使用成本。目前我國經(jīng)濟(jì)高速增長但能源利用率卻和發(fā)達(dá)國家相比還有差距，將技術(shù)優(yōu)勢應(yīng)用于變頻器設(shè)計，綜合性推進(jìn)高性能變頻器智能化發(fā)展，可以從根本上改變洗煤廠生產(chǎn)的應(yīng)用水平。變頻器智能化的終極目標(biāo)，是可以改善經(jīng)濟(jì)增長所帶來的能源消耗、降低生產(chǎn)成本。

1 變頻器智能化開發(fā)

近年來，電子信息技術(shù)和計算機(jī)應(yīng)用水平不斷提高，在機(jī)械傳動領(lǐng)域，也同時面臨著重要深刻的技術(shù)變革，利用交流電動機(jī)變頻器加強(qiáng)工業(yè)產(chǎn)品制造效率具有很重要的意義，利用變頻器的變頻調(diào)速技術(shù)[1]，可以優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，使電氣設(shè)備在自我調(diào)整和節(jié)能的狀態(tài)下運行。在洗煤廠應(yīng)用領(lǐng)域，包括水泵運行、利用皮帶進(jìn)行機(jī)械傳動、給煤機(jī)運行、加壓過濾方面，都有變頻器的大量參與。作為高新技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，開發(fā)、研究和制造具有高度數(shù)字化、智能化高性能的變頻器勢在必行，衡量變頻器的指標(biāo)很多，但綜合來說，主要是質(zhì)量結(jié)構(gòu)上的可靠性，抗外界干擾能力和性價比方面。

總體上，變頻器由硬件和軟件組成，如圖1所示，為變頻器整體運行簡圖。

硬件的核心是電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)包括主程序控制電路、工作過程檢測電路、鍵盤控制電路、顯示器控制電路和附加功能擴(kuò)展電路。高性能變頻器內(nèi)部還包括智能化扁平器，可以達(dá)到優(yōu)化控制電機(jī)的功能，同時可以進(jìn)行故障診斷和自我處理維修。變頻器的技術(shù)發(fā)展始終趨于機(jī)電一體化，智能化進(jìn)程由電氣和軟件進(jìn)行整體控制，在發(fā)達(dá)國家的驅(qū)動控制方面，90%以上都是通過變頻調(diào)節(jié)。

在人工智能和大數(shù)據(jù)控制的驅(qū)動下，變頻器身上所擁有的技術(shù)理論更趨于成熟，可以配置更高水平的控制能力，還需要高速數(shù)字控制的精確性，模擬仿真技術(shù)的發(fā)展也會帶動變頻器智能化進(jìn)程。之所以是智能化，將是自動控制、電氣自動化、電子技術(shù)、人工智能、模糊控制和自適應(yīng)控制幾個角度對變頻器的總體支撐，提高工作效率，減少能源排放。

2 智能變頻器仿真驅(qū)動效率

對于變頻器來說，最為直觀的設(shè)計是外部硬件，首先來考慮電路系統(tǒng)設(shè)計研究，整流電路的良好配置會首先減少排放和成本，因此高性能變頻器多用半控型整流電路，如圖2所示便是半控型整流電路的電路圖，輸入電流為右上角正極，輸出為右下腳負(fù)極，圖右側(cè)部分的整流電路可以削弱電源的高次諧波干擾，并且可以修正電流相位，對電流的有功功率部分也可以進(jìn)行補(bǔ)償，直流電壓的波動部分也會得到相應(yīng)的抑制。

自動控制原理也在智能化變頻器中得到了應(yīng)用，在洗煤廠廠房的各類傳動機(jī)械使用過程中，自動控制補(bǔ)償可以體現(xiàn)在以下幾個方面，首先是系統(tǒng)模塊化處理，利用自己設(shè)計的軟件，將以變頻器為基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)整合在一起[2]，包括電機(jī)、水泵和皮帶，其次需要將使用應(yīng)用和模糊理論相結(jié)合，簡化控制算法，在控制上達(dá)到更高精度的研究。在變頻器整體應(yīng)用中，要考慮機(jī)械和結(jié)構(gòu)上的可靠性和系統(tǒng)的配合情況，一般可以應(yīng)用卡爾曼濾波器算法，變頻器輸出的狀態(tài)變量可以通過無參數(shù)進(jìn)行估計，自適應(yīng)控制可以對系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測。另外，需要在變頻器上安裝傳感器，利用振動測試和電路測試，結(jié)合數(shù)字信號處理算法，將物理信號轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)行軟件處理的電信號，可以對變頻器的工作狀態(tài)、使用效率，具體的輸入輸出進(jìn)行監(jiān)控。還可以將三相6開關(guān)整流技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中，雙向的流動可以實現(xiàn)能量互通，這樣便可以更好的發(fā)揮變頻器的節(jié)能優(yōu)勢。

良好的變頻器啟停電路應(yīng)用可以實現(xiàn)節(jié)能效果，將電路控制在穩(wěn)定無超調(diào)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能啟動、軟制動的響應(yīng)目標(biāo)。高性能變頻器內(nèi)存在晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸入端的電壓幅值和相位的大小可以通過TPAM得到具體的調(diào)節(jié)。TPAM還可以以再生能量控制制動電路，控制參數(shù)為功率總?cè)萘亢碗娮璐笮?，這樣可以有充分的時間進(jìn)行反應(yīng)，可以散除由于制動帶來的熱量堆積。

外部硬件上，為了加強(qiáng)變頻器機(jī)械控制人員使用效率，高性能變頻器內(nèi)存在MSP430單片器控制電路，液晶顯示器接口和接口鍵盤功能通過組成了上位機(jī)接口電路。良好的變頻器控制軟件交互界面非常重要，可以實現(xiàn)信息互換、顯示和數(shù)據(jù)的輸入等方面。界面操作擁有方便安全性，多語言和多功能輸入，功能方面包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計查詢、轉(zhuǎn)速設(shè)定、整體運營狀態(tài)等。

智能硬件方面，高性能變頻器的電網(wǎng)也會受到高壓和過流的影響，自身設(shè)備也會存在熱量干擾，狀態(tài)監(jiān)測和即時保護(hù)措施。電流會先被轉(zhuǎn)化為電壓信號，之后輸入測試器，形成電流檢測電路，直接串聯(lián)取樣方法簡單高效，輸出效果不失真，而且沒有電流損耗，通過長時間的使用，以達(dá)到節(jié)能效果。電壓保護(hù)主要采用霍爾傳感器高性能光耦檢測，過熱保護(hù)主要是通過閥值檢測。

高性能的變頻器的特點便在于其所使用的高超智能技術(shù)，驅(qū)動電路所使用的是IPM驅(qū)動電路。變頻器所使用的主動模塊為專用單元。電路內(nèi)部包含電源鎖定保護(hù)單元、過熱保護(hù)單元、過流保護(hù)和短路保護(hù)單元，當(dāng)任何一種保護(hù)功能上有所動作之時，IPM便會放出節(jié)能和故障信號對電路進(jìn)行驅(qū)動保護(hù)，這樣一來就可以保護(hù)整體驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)效率也會得到很大程度上的改善。裝備了IPM電路的變頻器體積很小，結(jié)構(gòu)可靠，功耗也很低。如圖3所示便是IPM智能驅(qū)動電路。

智能變頻器最具備特色的模塊是基于EFK的無參數(shù)估計模塊，該設(shè)計也是高性能變頻器的應(yīng)用特點，這里面要充分的考慮到系統(tǒng)的可靠性和性價比，在變頻器體表傳感器失效，或者傳感器的感性情況沒有達(dá)到效果之時，調(diào)用EFK的控制算法非常重要。該估計算法具有非常好的動態(tài)特性和較強(qiáng)的干擾能力，可以對系統(tǒng)故障進(jìn)行自適應(yīng)控制。

智能變頻器的程序設(shè)計也需要隨著具體應(yīng)用人員要求的改變進(jìn)行更新，主要采用在線程序檢測，來計算空占比[3]，用三角波作為載波的規(guī)則采樣方法，主程序內(nèi)部設(shè)置多樣子程序，子程序包括上位機(jī)程序、抗干擾程序、串口通用程序和基本函數(shù)程序。程序和硬件之間配合良好，算法復(fù)雜但操作簡單，方便使用人員。

3 總結(jié)與展望

隨著現(xiàn)代控制理論、微處理器、大數(shù)據(jù)不斷發(fā)展，高性能變頻器正逐步得到高速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。該類變頻器應(yīng)用集成化思維，硬件節(jié)能思維和軟件人性化思維，為以水泵、皮帶為基礎(chǔ)的驅(qū)動機(jī)械的使用提供了理想節(jié)能效果。降低了電量損耗，材料損耗，節(jié)約了大量成本。

目前，人工智能技術(shù)在很多行業(yè)中都得到了應(yīng)用，在變頻器中，該技術(shù)也有很大發(fā)揮的空間，可以提高變頻器的快速性、即時性、準(zhǔn)確性、可靠性和智能特性。未來的變頻器也亟待網(wǎng)絡(luò)化，不同設(shè)備的驅(qū)動變頻器之間可以通過局域網(wǎng)進(jìn)行信息互通，降低系統(tǒng)的控制和維修成本，提高使用效率，進(jìn)一步完善高效智能化變頻器研究和應(yīng)用進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]陳明.基于變頻器的起重機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)控制設(shè)計[J].有色礦冶，

2016，37-39.

[2]何超.數(shù)字式智能變頻器的研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[3]戴明宏.起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].西南交通大學(xué)，2004.

作者簡介：謝明浩（1986，9-），男，漢族，籍貫：安徽合肥，就職單位：淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 臨渙選煤廠，職稱：助理工程師，從事工作：機(jī)電車間電氣技術(shù)員。