恒液位恒溫變頻控制仿真裝置的研制及應(yīng)用

馬國(guó)良

摘要：本文從應(yīng)用角度介紹了“恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”的研制目的；分析了該裝置的功能特點(diǎn)、控制原理及應(yīng)用效果；指出了該裝置的不完善之處。

關(guān)鍵詞：恒液位 變頻調(diào)速 仿真 培訓(xùn)

Study and Application on Constant Liquidlevel and Constant Temperature Frequency Conversion Control Simulation Equipment Li Fubin Wang Yongjun Zhao Yongyi Abstract：This article discusses the purposes of study on constant liquidlevel and constant temperature frequency conversion control simulation equipment； makes analysis on the function features， the principle of control and effects of this equipment， and points out deficiency of it.Key Words： constant liquidlevel， frequency conversion， simulation， Training

1 “恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”的研制目的

隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速由理論變?yōu)閷?shí)踐，從國(guó)外引進(jìn)國(guó)內(nèi)。變頻調(diào)速控制器因其具有良好的調(diào)速性能和節(jié)能效果，在三相異步電動(dòng)機(jī)的控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用變頻調(diào)速的目的有兩個(gè)，一是為了提高生產(chǎn)工藝精度，二是為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的。變頻調(diào)速技術(shù)近年來在勝利石油管理局各鉆井公司、采油廠、煉油廠等生產(chǎn)單位也得到了大力的推廣應(yīng)用，需要大量的操作、維修人員，因此這些單位產(chǎn)生了培訓(xùn)變頻控制操作、維修人員的培訓(xùn)需求。為了滿足生產(chǎn)一線的培訓(xùn)需求，我校從2003年開設(shè)了變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)項(xiàng)目。在起步階段，由于訓(xùn)練條件不完備，部分教學(xué)內(nèi)容需到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)講授，既影響了生產(chǎn)單位的生產(chǎn)秩序，又由于生產(chǎn)單位的實(shí)際設(shè)備演示性和可操作性差，因而不能滿足教學(xué)的需要。為了解決上述矛盾，使培訓(xùn)教學(xué)能夠滿足“四新技術(shù)”推廣的需要，我們研制了這套“恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”。

2 “恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”的功能特點(diǎn)及控制原理

2.1 功能特點(diǎn)

“恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”的核心部件是一臺(tái)ABB140-2.2kW的變頻控制器和一臺(tái)2.2kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，負(fù)載設(shè)備有一臺(tái)清水離心泵、兩個(gè)微縮儲(chǔ)水罐和一個(gè)溫箱。利用一個(gè)液位傳感器傳遞液位變化信號(hào)，一個(gè)溫度傳感器傳遞溫度變化信號(hào)，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的功能特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

①利用變頻控制器的變頻性能，當(dāng)液位變化時(shí)通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載的自動(dòng)匹配，達(dá)到恒液位控制的目的。②利用變頻控制器的變壓性能，當(dāng)溫度變化時(shí)通過變頻調(diào)壓實(shí)現(xiàn)溫箱電源電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到恒溫控制的目的。③裝置內(nèi)部電路采用展開式布置，負(fù)載部分利用溫度計(jì)和水位計(jì)增加負(fù)載變化的可視性，便于教學(xué)。④能夠演示變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、編程設(shè)置、自檢功能等，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的操作、調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)等實(shí)習(xí)項(xiàng)目的訓(xùn)練。⑤能夠進(jìn)行短路、接地、欠壓試驗(yàn)，顯示外部保護(hù)的動(dòng)作現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的故障識(shí)別、故障分析及處理等實(shí)習(xí)項(xiàng)目的訓(xùn)練。⑥裝置工作可靠，自動(dòng)化程度高，演示與可操作功能強(qiáng)。

2.2 控制原理

“恒液位恒溫變頻控制仿真裝置”可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)仿真控制，一個(gè)是恒液位控制，一個(gè)是恒溫控制。恒液位控制通過改變水罐注水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，來消除由于用水量的變化引起的液位波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水罐液位的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)工作。液位高度的給定值通過電位器調(diào)節(jié)，與變頻器輸入端子AI1相連。電位器滿刻度為10格，對(duì)應(yīng)水罐的1米高度差。例如，若希望液位控制罐的液位穩(wěn)定在80cm處，則給定電位器就應(yīng)調(diào)到8。水罐回水閥門的開度可以模擬實(shí)際工程中用水量的變化，與水箱連接的壓力傳感器，產(chǎn)生和水箱壓力成正比的4～20mA直流壓力信號(hào)，連接到變頻器的反饋值接入端子AI2上，作為恒液位控制的反饋值。從壓力傳感器安裝的高度算起，液位高出1米，它的輸出信號(hào)為20mA，液位最低時(shí)的輸出信號(hào)是4mA。用水量變化時(shí)，反饋值和給定值之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反映用水情況的差值信號(hào)，變頻器根據(jù)這一差值信號(hào)信息（例如差值量的大小、正負(fù)、差值變化的速度），運(yùn)用自帶的PID算法，快速準(zhǔn)確的確定電機(jī)運(yùn)行速度，盡快使水罐液位保持恒定的高度。在這個(gè)過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定程度的液位波動(dòng)，這是由于恒量控制中普遍存在的“超調(diào)”引起的。適量的超調(diào)，可以有效的縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，有利于系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。如果用水量變化不大，或者變化很緩慢，變頻器的輸出頻率就基本穩(wěn)定，液位波動(dòng)很小，幾乎難以察覺，控制的效果非常好。溫箱的恒溫控制過程中，給定信號(hào)變化幅度（0～10）對(duì)應(yīng)溫箱溫度的控制范圍（0～100°C）。溫箱的溫度高低同樣是通過溫箱的溫度傳感器變送出的4～20mA信號(hào)傳至變頻器。由于變頻器改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，從而改變溫箱內(nèi)放置的三相加熱電阻絲的加熱功率，通過改變加熱功率來改變箱內(nèi)溫度。溫箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)使箱內(nèi)空氣與外界空氣加速對(duì)流，促進(jìn)散熱，對(duì)溫度產(chǎn)生干擾，從而基本達(dá)到恒溫控制的目的。該裝置的工作過程如下：以恒液位控制為例，將與變頻器反饋信號(hào)輸入端子AI2相連的液位傳感器回路開關(guān)合上，將溫度傳感器回路斷開；將變頻器輸出側(cè)的水泵電源開關(guān)合上，將溫箱電源開關(guān)斷開。調(diào)節(jié)液位給定高度（給定電位器調(diào)至8），按下控制箱起動(dòng)按鈕，變頻器起動(dòng)，注水泵工作，控制水罐液面逐漸上升，接近80cm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變慢，直至最后液面穩(wěn)定在80cm。當(dāng)有用水需要時(shí)，例如打開回水閥，原有的控制平衡被打破，變頻器會(huì)自動(dòng)立即重新搜索合適輸出頻率，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，適應(yīng)性的控制要求，最終使液位仍然保持恒定。

該裝置選用ABB變頻器，典型保護(hù)有欠壓、短路和接地保護(hù)。在如圖所示的“欠壓試驗(yàn)點(diǎn)”處，調(diào)節(jié)自耦變壓器的輸出電壓，一般當(dāng)電壓低于欠壓設(shè)定值例如20%左右時(shí)，變頻器欠壓報(bào)警，變頻器內(nèi)裝的綜合故障繼電器動(dòng)作，控制箱的外接故障報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，變頻器切斷輸出。變頻器面板顯示相應(yīng)的欠壓故障信息代碼。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，可以通過面板的故障復(fù)位按鍵復(fù)位，報(bào)警指示燈熄滅，變頻器可重新投入運(yùn)行。變頻器的短路保護(hù)和接地保護(hù)主要針對(duì)變頻器電路進(jìn)行保護(hù)。在如圖所示的“短路試驗(yàn)點(diǎn)”、“接地試驗(yàn)點(diǎn)”處人為制造短路故障，例如將兩相線短接；或人為制造接地故障，例如將任一相接地，變頻器都會(huì)迅速作出反應(yīng)：切斷輸出、發(fā)出故障報(bào)警信息代碼、閉合綜合故障繼電器觸點(diǎn)點(diǎn)亮控制箱的故障報(bào)警指示燈。這些故障都是通過變頻器的故障檢測(cè)電路完成的，可以多次使用，不會(huì)對(duì)變頻器造成損壞。

3 結(jié)束語(yǔ)

裝置研制成功并投入使用以來，在變頻技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)過程中發(fā)揮了重要的作用。學(xué)員通過該裝置的演示功能以及可操作功能不僅可以了解變頻調(diào)速裝置的工作原理，亦可以學(xué)習(xí)變頻調(diào)速裝置的編程設(shè)置；不僅能夠掌握變頻調(diào)速裝置的操作方法，亦能夠掌握變頻調(diào)速裝置的運(yùn)行維護(hù)技能及外部故障的分析、處理方法。對(duì)培養(yǎng)學(xué)員分析變頻調(diào)速裝置的工作狀態(tài)，調(diào)控變頻調(diào)速裝置的工作效率以及排除變頻調(diào)速裝置的外部故障的能力起到了重要的作用，提高了培訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。該裝置獲勝利石油管理局電力管理總公司科技成果獎(jiǎng)。