基于PLC技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

翟彥景

(集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院信息工程系，福建 廈門(mén) 361000)

引言

變頻器是電氣設(shè)備的重要元件之一，控制著設(shè)備的濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元，還有著防止設(shè)備出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載現(xiàn)象等作用，而其主要的功能是調(diào)整輸出電源的電壓和頻率[1-2].由此可見(jiàn)，變頻器在當(dāng)前設(shè)備中的重要性.但是變頻器在應(yīng)用的過(guò)程中，卻存在高能耗問(wèn)題，因此國(guó)內(nèi)外都在研究變頻器節(jié)能控制系統(tǒng).在20世紀(jì)60年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始研究節(jié)能控制系統(tǒng)，并在航空領(lǐng)域，成功研制出首臺(tái)功率因數(shù)控制器，降低設(shè)備能耗.但是在大型設(shè)備的運(yùn)行中，設(shè)備的運(yùn)行功率因數(shù)不足50%.因此，國(guó)外眾多學(xué)者，在此基礎(chǔ)上，研究出軟啟動(dòng)器，并成功投入市場(chǎng)，其具有的軟啟動(dòng)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能，讓軟啟動(dòng)器在市場(chǎng)上，很受歡迎.而國(guó)內(nèi)，對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)研究較晚，于20世紀(jì)80年代，才在政策的扶持下，開(kāi)展節(jié)能控制系統(tǒng)的研究，并成功研制出一系列多種型號(hào)的節(jié)電器，并得到了較好的成果.文獻(xiàn)[3]提出基于MCGS工控組態(tài)軟件的自動(dòng)控制系統(tǒng).將變頻器參數(shù)上傳至工控機(jī)，根據(jù)PLC采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)MCGS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控.該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)工況監(jiān)控，但能耗較高.文獻(xiàn)[4]提出基于穩(wěn)壓補(bǔ)償自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù).構(gòu)建變頻調(diào)速約束參量模型，通過(guò)Smith控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過(guò)前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制.該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制，但運(yùn)行效率較差.

針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，提出基于PLC技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC雙線制實(shí)現(xiàn)變頻器節(jié)能控制自動(dòng)調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性.

1 基于PLC技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)，考慮節(jié)能控制系統(tǒng)的安全性，采用雙線制PLC技術(shù)[5-7]，設(shè)計(jì)主備兩套控制系統(tǒng)線路，控制變頻器節(jié)能，以期提高控制系統(tǒng)在控制變頻器時(shí)的安全性和可靠性.其系統(tǒng)配置如表1所示.

表1 雙線制PLC技術(shù)系統(tǒng)配置表

在如表1所示的系統(tǒng)配置中，電源所選擇的PS307型號(hào)，其輸入的電壓交流為220 V，50 Hz，產(chǎn)生的輸出電壓直流為24 V.CPU所選擇的313C-2DP型號(hào)，屬于緊湊型，是此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)最重要的硬件配置之一，由于313C-2DP型號(hào)的CPU額外附帶了16DI/DO，因此，其具有頻率測(cè)量和PID控制兩個(gè)功能，除此之外，在該CPU上，還存在兩個(gè)DP接口，促使系統(tǒng)具有PROFIBUS通信功能.其布局如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件布局

1.2 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

在如圖1所示的硬件模塊布局中，首先要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全回路.系統(tǒng)節(jié)能需要達(dá)到一級(jí)、二級(jí)制動(dòng)[8]，系統(tǒng)回路需要完成當(dāng)前控制流程，并且實(shí)現(xiàn)單向循環(huán).因此，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)回路如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

在圖2所示的系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)中，主令零位KA1-3是系統(tǒng)的主要控制閘.當(dāng)主令手柄停止在零位時(shí)，會(huì)被墊片遮擋光電開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)信號(hào)發(fā)回繼電器，接通安全回路，才能啟動(dòng)變頻器[9].一旦安全回路中存在任何一點(diǎn)沒(méi)有被接通，都會(huì)影響變頻器的啟動(dòng).

當(dāng)變頻器停止工作時(shí)，制動(dòng)手柄會(huì)處于緊閘位，其對(duì)應(yīng)的繼電器閉合，當(dāng)主令手柄停止在零位時(shí)，接通安全回路，還需要將制動(dòng)手柄處于緊閘位，才能重新啟動(dòng)變頻器.當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、欠壓等情況時(shí)，其產(chǎn)生這個(gè)情況的繼電器、安全回路會(huì)斷開(kāi)，控制系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)入一級(jí)或二級(jí)制動(dòng)狀態(tài).

圖2中變頻故障KA31-3，是當(dāng)控制的變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)斷開(kāi)安全回路中的常閉點(diǎn)，并將安全回路切斷，確保變頻運(yùn)行安全.當(dāng)系統(tǒng)中有閘瓦出現(xiàn)磨損時(shí)，會(huì)斷開(kāi)閘瓦磨損的常閉點(diǎn)，切斷回路.當(dāng)變頻器能耗過(guò)高時(shí)，會(huì)觸發(fā)過(guò)卷保護(hù)閘，此時(shí)，依然會(huì)切斷安全回路，等待變頻器能耗恢復(fù)，或等待變頻器調(diào)整回正常能耗，并將過(guò)卷保護(hù)閘復(fù)位，恢復(fù)安全回路的連通.

當(dāng)變頻器制動(dòng)功率過(guò)大，不能正常工作時(shí)，會(huì)斷開(kāi)超壓點(diǎn)繼電器、常閉點(diǎn)和安全回路.當(dāng)變頻器突發(fā)緊急事故時(shí)，可以拍下急停按鈕，切斷安全回路.此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)回路，既可以判斷變頻器能耗，還能確保變頻器和控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全.

1.3 確定系統(tǒng)觸摸屏

對(duì)于變頻器節(jié)能控制，需要設(shè)置操作單元和顯示監(jiān)視單元，方便變頻器管理人員隨時(shí)觀察監(jiān)視變頻器內(nèi)各部分參數(shù)，及各部分能耗消耗情況，并根據(jù)需求對(duì)各部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.此次設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)，觸摸屏的型號(hào)為F940GOT-SWD-C，其具體規(guī)格，如表2所示.

表2 F940GOT-SWD-C型號(hào)觸摸屏規(guī)格

從表2中可以看出，此次選擇的F940GOT-SWD-C型號(hào)觸摸屏，與外界連接更加方便，與主機(jī)PLC的通信更加方便，且其自帶的RS-422接口，與CPU接口的連接更加簡(jiǎn)便，在背光環(huán)境下，也可以清晰顯示屏幕上的內(nèi)容.除此之外，該型號(hào)的觸摸屏內(nèi)，還設(shè)置了FX-10P模塊，可以輕松完成對(duì)變頻器的設(shè)置、刪除、監(jiān)控等操作.

2 變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，完成變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，制定觸屏界面，控制變頻器運(yùn)行功率，設(shè)定節(jié)能規(guī)則，從而促使系統(tǒng)可以自主控制變頻器節(jié)能.

2.1 制定觸屏界面

從表2中可以看出，F(xiàn)940GOT-SWD-C型號(hào)的系統(tǒng)觸摸屏具有RS-232C和RS-422兩個(gè)通信接口，可以分別與個(gè)人計(jì)算機(jī)和可編程邏輯控制器PLC等設(shè)備連接，其能夠利用可編程邏輯控制器PLC的節(jié)能通信協(xié)議來(lái)保證觸屏的節(jié)能運(yùn)行.此次制定的觸屏界面，如圖3所示.

圖3 觸屏界面

在圖3所示的觸屏界面中，可以直接設(shè)定變頻器的輸出頻率，改變變頻器運(yùn)行過(guò)程中的頻率，根據(jù)變頻器的運(yùn)行需求，設(shè)置變頻器輸出頻率的范圍[10]，即圖3所示的上下限頻率設(shè)置板塊，既可以降低變頻器在運(yùn)行中，產(chǎn)生的不必要能耗，也可以保證系統(tǒng)在控制變頻器節(jié)能時(shí)的安全性.而對(duì)于能耗中的電源、輸出電流、輸出頻率等，最直接的能源損耗情況，也可以在此次制定的觸屏界面中找到.除此之外，此次制定的觸屏界面，還可以利用F940GOT-SWD-C型號(hào)的觸摸屏所特有的虛擬按鈕，實(shí)現(xiàn)常規(guī)按鈕的功能.而對(duì)于系統(tǒng)核心的控制，在觸摸界面中也可以直接調(diào)整.如圖3所示的11、12、10三個(gè)板塊的操作，左擺降低，右擺增加，停止工作.

2.2 設(shè)定節(jié)能規(guī)則

由于變頻器在運(yùn)作的過(guò)程中，存在能耗和頻率能耗兩種能耗浪費(fèi)情況.所以此次設(shè)定系統(tǒng)節(jié)能規(guī)則，將從這兩個(gè)角度出發(fā)，全面控制變頻器能耗損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器節(jié)能控制.

變頻器在運(yùn)行中，所產(chǎn)生的能耗，需要從勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)子電流、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩四個(gè)方面計(jì)算變頻器運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗.因此設(shè)勵(lì)磁m的電流為Im，電變頻器運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)勢(shì)能為E，磁鏈為ψ，勵(lì)磁m互感為L(zhǎng)m，轉(zhuǎn)子r電流為Ir，轉(zhuǎn)子r電容為Rr，轉(zhuǎn)子r漏感為L(zhǎng)r，轉(zhuǎn)差率為s，定子角頻率為ωs，則變頻器的勵(lì)磁電流Im能耗為：

(1)

設(shè)氣隙磁鏈為λm，則變頻器的轉(zhuǎn)子電流Ir能耗為：

(2)

設(shè)變頻器的互感損耗系數(shù)為cL，則變頻器的定子電流Is能耗為：

(3)

由于變頻器運(yùn)行會(huì)存在磁路飽和現(xiàn)象，因此勵(lì)磁電流的表達(dá)式為：

Im=y1ψ+y3ψ3+y5ψ5

(4)

式(4)中，y1、y3、y5表示磁路飽和系數(shù).由于變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差率很小，因此這部分能耗不計(jì)入其中，此時(shí)，將式(1)、式(2)、式(3)、式(4)聯(lián)立，變頻器所具有的全部能耗P全能耗為：

(5)

式(5)中，k表示變頻器能耗系數(shù)，is表示定子相電流，ir表示轉(zhuǎn)子相電流，Rs表示定子相電容，cm表示勵(lì)磁系數(shù).此時(shí)的變頻器全損耗節(jié)能控制示意圖如圖4所示.

圖4 變頻器能耗節(jié)能規(guī)則控制示意圖

在圖4所示的能耗節(jié)能控制示意圖中，制定變頻器全損耗節(jié)能控制規(guī)則如下：給定變頻器工作的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；第一步，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入功率；第二步，確定變頻器低速工作轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的10%～15%，直接在系統(tǒng)中，輸入變頻器運(yùn)行的最小功率；第三步，確定變頻器中速工作轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的15%～30%，調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行的最小頻率；第四步，確定變頻器高速工作轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行的最小電流.重復(fù)第二步～第四步，直至變頻器達(dá)到最小能耗，即完成變頻器能耗的節(jié)能控制.

變頻器的頻率能耗協(xié)議制定，需要從有功功率、無(wú)功功率和穩(wěn)態(tài)效率三方面出發(fā).因此設(shè)變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的有功功率為P，產(chǎn)生的定子電壓為uPs，定子電流為iPs，產(chǎn)生的無(wú)功功率為Q，產(chǎn)生的定子電壓為uQ s，定子電流為iQ s，則有：

(6)

此時(shí)，僅考慮變頻器在運(yùn)行中，產(chǎn)生的定、轉(zhuǎn)子頻率能耗，不考慮其他能耗，則變頻器轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率與定子側(cè)輸入效率η的比值為：

(7)

式(7)中，T表示電磁轉(zhuǎn)矩，ωm表示勵(lì)磁角頻率.設(shè)運(yùn)行轉(zhuǎn)差率為ωs l，則有：

(8)

式(8)中，fη表示效率η的二元函數(shù).a2、a1、a0表示變頻器在運(yùn)行中的參數(shù).式(8)表明，變頻器的能耗僅與調(diào)速頻率有關(guān).所以，根據(jù)變頻器的實(shí)際能耗情況，設(shè)置變頻器頻率能耗控制策略，如圖5所示.

圖5 變頻器頻率能耗節(jié)能規(guī)則控制示意圖

在圖5所示的變頻器頻率能耗節(jié)能規(guī)則控制示意圖中，ωs*，ωs l*分別為定子角頻率及運(yùn)行轉(zhuǎn)差率的恒定值，當(dāng)定子角頻率恒定時(shí)，只需讓轉(zhuǎn)差頻率等于效率最優(yōu)時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，即可讓變頻器能耗達(dá)到最優(yōu).至此完成節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次測(cè)試變頻器節(jié)能的控制系統(tǒng)，選擇市場(chǎng)中通用變頻器，作為此次變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象.在測(cè)試的過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的各部分設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)各部分調(diào)試完成后，再進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試，測(cè)試系統(tǒng)整體功能.確定此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)系統(tǒng)控制變頻器，運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的直流母線電壓波形變化，及其產(chǎn)生的電阻負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比.以文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，測(cè)試不同系統(tǒng)的性能.

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直流母線電壓波形變化對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)定的環(huán)境下，對(duì)三組系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，針對(duì)此次實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，控制變頻器節(jié)能，系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，變頻器運(yùn)行處于700 V時(shí)，三組系統(tǒng)的直流母線電壓波形變化情況，如圖6所示.

圖6 直流母線電壓波形變化對(duì)比

從圖6可以看出，當(dāng)文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)控制變頻器節(jié)能時(shí)，產(chǎn)生的直流母線電壓波形波動(dòng)劇烈，處于不平穩(wěn)狀態(tài)，其系統(tǒng)本身的安全性，難以得到保障；當(dāng)文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)控制變頻器節(jié)能時(shí)，產(chǎn)生的直流母線電壓波形，雖然波動(dòng)平穩(wěn)，但是在運(yùn)行無(wú)操作系統(tǒng)環(huán)境下，模擬出的直流母線電壓波形，未曾達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行最大值，對(duì)于變頻器能耗控制，明顯是三組系統(tǒng)中最低的；而本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在控制變頻器節(jié)能時(shí)，直流母線電壓波形不僅運(yùn)行平穩(wěn)，且對(duì)于變頻器能耗的控制效果，明顯高于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng).由此可見(jiàn)，此次研究的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)，在控制變頻器能耗時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定，且可以控制變頻器，能耗達(dá)到最優(yōu).

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電阻負(fù)載對(duì)比實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，運(yùn)行三組系統(tǒng)，控制變頻器能耗，將電流環(huán)的比例增益系數(shù)定為20，積分增益系數(shù)設(shè)定為20，滿足三組系統(tǒng)對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)速率；電壓環(huán)的比例增益系數(shù)定為0.5，積分增益系數(shù)設(shè)定為1.此時(shí)變頻器的電壓為700 V，輸出功率為10 kW，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電阻負(fù)載變化情況，如圖7所示.

圖7 電阻負(fù)載變化對(duì)比

從圖7中可以看出，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，控制變頻器時(shí)，產(chǎn)生大量電阻負(fù)載，影響系統(tǒng)運(yùn)行，且隨著控制時(shí)間的增加，電阻負(fù)載也在不斷變化，極其不穩(wěn)定；而文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)在控制變頻器時(shí)，雖然也有電阻負(fù)載的產(chǎn)生，但是電阻負(fù)載增加平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)造成較大影響；而本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在控制變頻器時(shí)，并未有明顯影響系統(tǒng)運(yùn)行的電阻負(fù)載產(chǎn)生.由此可見(jiàn)，此次研究的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)，在控制變頻器能耗時(shí)，電阻負(fù)載較小且穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成任何影響.

4 結(jié)論

本文提出基于PLC技術(shù)的變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用PLC技術(shù)的雙線制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了主備兩套控制系統(tǒng)線路，設(shè)計(jì)了變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)硬件框架，提升了控制系統(tǒng)的可靠性；針對(duì)變頻器能耗情況設(shè)定相應(yīng)的節(jié)能規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)變頻器節(jié)能控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，其直流母線電壓波形平穩(wěn)，變頻器能耗的控制效果好，且電阻負(fù)載較小，能夠保證系統(tǒng)節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行.