工業(yè)電氣自動化控制中變頻調(diào)速技術(shù)分析

彭瑤

摘要：在工業(yè)電氣自動化應(yīng)用中控制設(shè)備大多數(shù)耗電量都比較大，而且消耗材料也比較多，以供水行業(yè)及數(shù)控機床為例，為了能夠有效的解決這一問題，用戶經(jīng)常采用的方法是工頻方式，這種方法有一定的效果，但是因為其劣勢比較明顯，啟動電流大對電機和同電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備會產(chǎn)生影響，且不能進行變頻調(diào)速，所以并不提倡使用，經(jīng)過研究，相關(guān)人員在數(shù)控機床中使用了變頻調(diào)速技術(shù)，其效果非常好，不僅避免了工頻技術(shù)的劣勢，還提高了作業(yè)效率與質(zhì)量，有效地達到了節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù)；工業(yè)；電氣自動化；控制

一、變頻調(diào)速技術(shù)

1.1變頻調(diào)速技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展

變頻調(diào)速技術(shù)是隨著技術(shù)研究的深入和實際工作的需要而產(chǎn)生的，最早出現(xiàn)在上個世紀80年代，自該技術(shù)產(chǎn)生以來，在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且其應(yīng)用范圍不斷擴大，其性能也得到不斷的提升，從最初的電壓頻率基本控制，到后來矢量轉(zhuǎn)矩控制的誕生，變頻調(diào)速技術(shù)在不斷地進步，對整個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

1.2變頻調(diào)速技術(shù)的主要組成部件

a.自適應(yīng)電動機模型單元。該單元是不可缺少的重要組成部件，在具體應(yīng)用過程中，它的主要作用是檢測輸入電動機的電壓和電流，以達到識別電動機基本參數(shù)的目的，也有業(yè)內(nèi)人士稱之為電機自學(xué)習(xí)，有分動態(tài)或者靜態(tài)自學(xué)習(xí)。就該電動機模型來說，它具有著重要的作用，是進行轉(zhuǎn)矩直接控制的關(guān)鍵單元。工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)時，通常情況下當(dāng)轉(zhuǎn)速控制精度大于0.5%時，可運用閉環(huán)轉(zhuǎn)速進行反饋，從而達到高精度控制的目的。

b.脈沖優(yōu)化選擇器。具體應(yīng)用時可選用CycloneIIEP2C5Q208C8芯片處理信息，選擇完成之后，設(shè)計OFDM調(diào)制方式的信號源，并編寫5個模塊組成的電路，分別實現(xiàn)不同的功能，主要包括星座映射、FFT、插入循環(huán)前綴、緩沖模塊、D/A功能。為了驗證這些模塊的功能，通過OFDM信號源進行仿真驗證。當(dāng)上述工作完成之后，接下來進行最后一項任務(wù)，設(shè)計完成OFDM信號源，具體工作包括軟件仿真和FPGA硬件驗證。需要注意的是，電解電容器的容量具有很強的離散性，可能會導(dǎo)致他們承受的電壓出現(xiàn)不相等的情況出現(xiàn)，對整個系統(tǒng)的正常運行帶來不利影響，要采取措施對此進行改進和優(yōu)化，從而達到消除離散性影響的目的。常用的處理辦法是：在電容旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻。

c.轉(zhuǎn)矩和磁通比較器。這兩類比較器的作用是將反饋值與參考值分別進行對比，并且每20ms比較一次。比較完成后，通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或者磁場狀態(tài)，從而能夠及時掌握轉(zhuǎn)矩狀態(tài)和磁場狀態(tài)，為采取相應(yīng)的措施提供依據(jù)。

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

2.1礦井提升設(shè)備深度指示器保護

煤礦井下提升設(shè)備在運行的過程中需要設(shè)置多重保護機制，以確保整個提升設(shè)備安全運行，其中深度指示器發(fā)揮至關(guān)重要的作用，一旦其失效將導(dǎo)致其他多重保護措施的失效，危及設(shè)備正常工作。在設(shè)置變頻調(diào)速設(shè)備的過程中，啟動電機之后，將采樣周期內(nèi)的各個編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)目疊加處理，并將采樣前后的數(shù)值進行對比，若沒有發(fā)生變化，則判斷深度指示設(shè)備已經(jīng)失效。這時，變頻調(diào)速設(shè)備要確認提升設(shè)備是否已經(jīng)進入到爬行區(qū)，若沒有進入爬行區(qū)，則變頻調(diào)速設(shè)備發(fā)出對應(yīng)的告警信號，提醒操作人員注意；若提升設(shè)備進入到爬行區(qū)，則主動發(fā)出緊急制動信號。

2.2電機等速區(qū)間超速保護

電機拉動設(shè)備處于等速運行區(qū)間的超速保護對避免提升系統(tǒng)過載尤為重要，同時也是速度檢測設(shè)備對提升設(shè)備運行速度進行測量的根據(jù)。若設(shè)備運行速度超出額定速度15%，則變頻系統(tǒng)的繼電設(shè)備動作將比安全回路速度慢，將安全回路斷開，通過緊急制動措施降低設(shè)備運行速度，避免過載而造成提升系統(tǒng)故障。為了減少等速區(qū)間超速帶來的沖擊危害，實際控制過程中將速度分為兩個保護階段：①運行速度超過額定速度的10%時，系統(tǒng)發(fā)出聲光告警信號，提醒操作人員采取限速措施；②當(dāng)速度恢復(fù)正常運行后，系統(tǒng)將自動恢復(fù)正常狀態(tài)，確保整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

2.3電機減速區(qū)段的低速保護

減速區(qū)間段是提升設(shè)備運行穩(wěn)定性的重要階段，同時也是減速點之后提升機事故的多發(fā)區(qū)間段。從減速開始直到提升設(shè)備安全到達設(shè)定位置/停車，是整個減速過程中極為重要的環(huán)節(jié)。變頻設(shè)備通過PLC實現(xiàn)對提升設(shè)備運行速度的實時采樣，并將采集得到的速度有設(shè)定值進行對比，一旦超過設(shè)定的速度，PLC控制系統(tǒng)將自動發(fā)出警報，并對提升設(shè)備進行制動、減速。當(dāng)然，變頻設(shè)備本身也可以通過直流制動、失速保護、零速轉(zhuǎn)矩控制等功能實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的保護。

三、變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用技術(shù)分析

3.1負荷匹配技術(shù)

變頻調(diào)速設(shè)備的型號、容量以及實際載荷等，要與電機功率相匹配，通常裕量應(yīng)該控制在10%以內(nèi)，以保證系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾處理技術(shù)

3.2.1隔離技術(shù)

在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)當(dāng)中，一般在電源與放大器的連接線纜之間使用隔離變壓器來避免傳導(dǎo)過程中出現(xiàn)干擾，電源隔離變壓器可使用噪聲隔離變壓器進行隔離控制。同時，通過增加受干擾電路、設(shè)備和裝置與干擾源之間的距離也是一種降低干擾的有效方式。但是，這通常容易受到場地的限制，需要在實際的處理過程中結(jié)合場地情況。

3.2.2屏蔽技術(shù)

對于電氣屏蔽技術(shù)，一般是將相關(guān)的電路、元器件、設(shè)備安裝在由鋁、銅或者是磁性材料制成的屏蔽箱中，確保電場、磁場不會穿過這些屏蔽箱。但是，在相關(guān)場合中，信號不但受到點噪聲的影響，而且還受到周圍較強的交變磁場影響，尤其是在重型機械廠、冶煉廠等環(huán)境下，這時不但需要考慮磁屏蔽，還應(yīng)該考慮使用鐵、鎳等導(dǎo)磁能力較好的導(dǎo)體進行屏蔽處理。

3.2.3接地技術(shù)

（1）保護接地。保護接地即將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中不帶電的金屬部分與地面的良好導(dǎo)體相連，從而保護設(shè)備和人身安全。在這個過程中，也能夠有效防止靜電的積聚，有效抑制信號干擾問題。

（2）工作接地。工作接地即為了保證變頻調(diào)速系統(tǒng)及相關(guān)的測量設(shè)備的精度達到要求而進行接地，通常包括機器邏輯地、信號回路接地和屏蔽接地等處理方法。

3.3脈沖優(yōu)化選擇器

變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化中在對信息進行處理時應(yīng)用的是 Cyclone IIEP2C5Q208C8芯片，其信號源 FPGA的實現(xiàn)是基于 OFDM 的設(shè)計而調(diào)制成的，若是實現(xiàn)星座映射的話，需要編寫 5個模塊來組成電路，依據(jù)信號源的建立來對各個模塊的性能進行驗證，最后實現(xiàn)對軟件仿真以及 FPGA硬件等的驗證。致使它們所要承受的電壓各不相同，其主要原因在于電容器容量在電解時具有較大的離散性，因此需要在每一個電容的旁邊并聯(lián)一個與其阻值一致的電阻來清除其離散性，以免造成更大的影響對系統(tǒng)。

四、總結(jié)

在保證生產(chǎn)安全和質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)的成本是企業(yè)或者工廠取得高效益的重要的手段，所以目前各個生產(chǎn)的領(lǐng)域都采用了變頻調(diào)速器，滿足在生產(chǎn)當(dāng)中節(jié)能降耗的要求，所以在變頻調(diào)速器中要增加具有上述所述的功能的模塊之外，在調(diào)速器的設(shè)計過程當(dāng)中還需要根據(jù)實際的生產(chǎn)要求不斷的將調(diào)速器的功能和作用加以創(chuàng)新和完善，使變頻調(diào)速器在工業(yè)電氣自動化的應(yīng)用領(lǐng)域進一步的提高其節(jié)能的價值，改善工業(yè)生產(chǎn)的條件，為生產(chǎn)創(chuàng)造更多的便利條件，適應(yīng)科技快速發(fā)展的形勢。

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