變頻器在某型發(fā)動機葉片水流量試驗中的應(yīng)用

姚曉穎+姜雷+巴曉玉

摘要：水流量試驗需要在一定的壓力條件下進行，才能保證葉片水流量試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的方法是采用手動調(diào)壓閥進行調(diào)壓，本項目采用變頻器實現(xiàn)自動調(diào)壓，壓力給定值在變頻器中設(shè)定，反饋由壓力變送器給定，利用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能，使壓力穩(wěn)定在所需的壓力值上，滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。文詳細(xì)介紹了變頻器應(yīng)用于水流量試驗壓力調(diào)節(jié)中的控制方案、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，對功能及應(yīng)用進行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：變頻器；水流量試驗；壓力調(diào)節(jié)；

0引言

不同的葉片水流量試驗需要在一定的相應(yīng)的試驗壓力下進行，因此，在試驗中保持試驗壓力的恒定，是保證水流量試驗數(shù)據(jù)真實、可靠的必要條件。傳統(tǒng)的水流量試驗壓力都是采用手動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，需要現(xiàn)場操作人員隨時關(guān)注壓力表壓力的變化，稍一疏忽，壓力發(fā)生變化，調(diào)節(jié)不及時，就會影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要重新測量，從而影響試驗的工作效率。

變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手。在本項目中采用手動調(diào)節(jié)與自動調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，保留手動調(diào)節(jié)閥的功能；自動調(diào)節(jié)采用歐姆龍3G3MX2多功能變頻器，壓力目標(biāo)值在變頻器中設(shè)定，反饋由壓力變送器給定，利用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能，通過對電機速度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對管路中水壓的自動調(diào)節(jié)，無需人員干預(yù)使其穩(wěn)定在所需的壓力值上，保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時提高了水流量試驗的工作效率。

1 試驗壓力變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

PID控制算法的輸入為給定壓力值和管壓的實測值，其輸出為電壓信號，該信號作為變頻器的控制頻率輸入信號，控制變頻器的輸出頻率， 進而控制交流電動機的轉(zhuǎn)速，使整個系統(tǒng)壓力維持恒。具體的控制系統(tǒng)如圖1所示。變頻器驅(qū)動電機拖動水泵旋轉(zhuǎn)，將水箱中的水輸送到水流量試驗管路中，管路中水的壓力為被控量，水流量試驗中需要這個壓力穩(wěn)定在一定的壓力值上。安裝在管路上的壓力變送器將壓力信號變換為4～20mA的電流信號作為反饋信號輸入到變頻器的PID調(diào)節(jié)單元，與壓力給定值進行比較，PID調(diào)節(jié)單元依據(jù)比較的偏差值大小和方向進行PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生控制信號改變變頻器的頻率輸出，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，使管路中的壓力始終維持在給定值上。系統(tǒng)在沒有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，自動實現(xiàn)壓力調(diào)整，使系統(tǒng)壓力保持恒定。其中，試驗壓力的目標(biāo)值，通過在變頻器中設(shè)置相應(yīng)的功能參數(shù)實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

由于本項目能夠進行三種型號規(guī)格的葉片水流量試驗，因此項目采用2個變頻器實現(xiàn)對其壓力調(diào)節(jié)，其中高導(dǎo)、低導(dǎo)葉片水流量試驗壓力調(diào)節(jié)通過變頻器G1實現(xiàn)；高渦葉片水流量試驗壓力調(diào)節(jié)通過變頻器G2實現(xiàn)。一般在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，由于變頻器內(nèi)部具有十分完善的熱保功能，沒有必要接入熱繼電，因此省去了用于保護電機的熱繼電器，同時由斷路器實現(xiàn)對變頻器的保護，沒有接入交流接觸器，因此主電路僅有斷路器、變頻器和電機構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，同時也節(jié)約了成本。

變頻器SC（L）、S1端子接繼電器KA1觸點，用于啟動變頻器G1；P2、PC端子接指示燈HL3，用于指示變頻器工作狀態(tài)；MA、MC端子接指示燈HL10，用于指示變頻器工作異常狀態(tài)，F(xiàn)I、SC端子接壓力變送器，用于壓力信號反饋。G2變頻器接線圖同G1變頻器。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

按下啟動按鈕SB1，KA1繼電器觸點閉合，啟動變頻器G2，高渦泵啟動，運行指示燈HL2點亮；按下停止按鈕SB2，高渦泵停止，指示燈HL2熄滅；如發(fā)生變頻器故障，過流或過載，報警指示燈HL11點亮，通過按RESET進行復(fù)位，查找故障原因排除報警。按下按鈕啟動按鈕SB3，KA2繼電器觸點閉合，啟動變頻器G1，高低導(dǎo)泵啟動，運行指示燈HL3點亮；按下停止按鈕SB4，高低導(dǎo)泵停止；如發(fā)生變頻器故障，報警指示燈HL10點亮。

2.2變頻器

變頻器選用歐姆龍3G3MX2通用小型多功能變頻器，該變頻器體型小，安裝簡便，功能豐富，操作簡便。具有高啟動轉(zhuǎn)矩功能，在無PG矢量控制中可達到0.5HZ/200%轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)強力運行；具有安全功能，標(biāo)準(zhǔn)配備兩路安全輸入和EDM輸出；不但能夠進行較為精確的速度控制，還可以實現(xiàn)簡易定位功能，擁有豐富的PID調(diào)節(jié)功能，具備過電流、過電壓抑制功能。

2.3壓力變送器

壓力變送器選用沈陽儀表科學(xué)院的HB26S，變送器采用專用電信號處理電路，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，其輸出信號為二線制，24VDC供電、4-20mA輸出，量程范圍為0-500KPa。其整體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材質(zhì)，提供航空插頭接線方式，方便現(xiàn)場安裝接線。具有穩(wěn)定性好，測量精度高、體積小、重量輕、耐腐性能好的優(yōu)點。

3變頻器功能設(shè)置

3.1 PID功能設(shè)置

試驗壓力調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)方式，比例積分（PI）調(diào)節(jié)器是同時具有比例和積分運算兩種作用的放大器，即具有比例調(diào)節(jié)器較好的動態(tài)響應(yīng)特性，又具有積分調(diào)節(jié)器的靜態(tài)無差調(diào)節(jié)功。同時為防止超調(diào)，避免震蕩，應(yīng)適當(dāng)減小比例增益增加積分環(huán)節(jié)，能有效消除偏差。對于水流量試驗壓力調(diào)節(jié)對過渡過程時間要求不是很高，所以采用PI調(diào)節(jié)方式。

為了使變頻器PID功能在運行中實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，需要設(shè)定以下功能參數(shù)：

（1）PID使能設(shè)置。使PID調(diào)節(jié)功能有效，需要將A071參數(shù)設(shè)定為”01”；

（2）P、I、D增益參數(shù)設(shè)置。A072比例增益設(shè)定為2，A073積分增益設(shè)定為1，A074微分增益設(shè)定為0，可依據(jù)實際調(diào)試的結(jié)果更改設(shè)定值，在調(diào)試中此PI參數(shù)滿足調(diào)節(jié)需求，壓力值穩(wěn)定在調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。

（3）目標(biāo)值調(diào)節(jié)范圍設(shè)置。為了避免在調(diào)節(jié)過程中頻率頻繁波動，需要對A078參數(shù)進行設(shè)定，確定以目標(biāo)值為基準(zhǔn)的可變范圍，PID輸出將被限制在目標(biāo)值±（A078）的范圍內(nèi)。目標(biāo)值即為試驗壓力值，范圍值即為試驗壓力的誤差范圍。

3.2變頻器通用功能設(shè)置

為了保證變頻器正常工作，在運行前需要預(yù)先設(shè)定必要的功能參數(shù)，包括上下限頻率、加減速時間、升降速方式、運行模式等，下面對其參數(shù)設(shè)置進行詳細(xì)的介紹。

（1）上下限頻率。如果轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，電動機的輸出功率將超過其額定容量，因此上限頻率一般不宜超過額定頻率（50HZ）；如果轉(zhuǎn)速過低，長時間工作在低頻狀態(tài)，普通電機會嚴(yán)重發(fā)熱，影響電機的使用壽命，因此，下限頻率一般不宜低于額定頻率的80%，故下限頻率設(shè)定為40HZ。所以設(shè)A061為50HZ，A062為40HZ；

（2）加減速時間.由于在批量生產(chǎn)過程中，水泵可能會頻繁啟動，因此加減速時間不宜過長，但也不能為加快測量的效率而設(shè)置的過短，易導(dǎo)致“過流”或“過壓”，因此設(shè)定第一加速時間F002為12S，第一減速時間F003為10s；

（3）運行指令設(shè)定。設(shè)定A002參數(shù)為“01”，變頻器運行由控制電路端子臺啟動；

（4）目標(biāo)頻率設(shè)定。目標(biāo)頻率F001參數(shù)根據(jù)上下限頻率、壓力范圍及試驗壓力值計算得出，高導(dǎo)葉片水流量試驗壓力目標(biāo)頻率為44HZ，低導(dǎo)葉片水流量試驗壓力目標(biāo)頻率為43HZ，高渦葉片水流量試驗壓力目標(biāo)頻率為42HZ；

5結(jié)論

本文采用歐姆龍3G3MX2變頻器實現(xiàn)發(fā)動機葉片水流量試驗器試驗壓力的自動調(diào)節(jié)，能夠完全滿足現(xiàn)場的技術(shù)要求。在變頻器中設(shè)定好相應(yīng)的PID參數(shù)后，無須人工干預(yù)，能夠?qū)⒃囼瀴毫Ψ€(wěn)定在所需的試驗壓力值上，即節(jié)省了人力，同時也提高了水流量試驗的工作效率。本項目具有一定的通用性，可以應(yīng)用于公司其它設(shè)備的壓力、流量等自動控制。

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作者簡介：姚曉穎（1979-），女，遼寧阜新，高級工程師，主要從事電氣及試車臺數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計工作。endprint