一種新型大功率變頻調速控制器的設計研究

張玉山

（安徽科技學院，安徽 滁州 233100）

一種新型大功率變頻調速控制器的設計研究

張玉山

（安徽科技學院，安徽 滁州 233100）

傳統風機過濾器單元存在著能耗大、噪聲高、效率低的缺陷與不足，為了改變這種情況，提高風機過濾器單元風機電機的調速控制性能，文中介紹了一種新型變頻調速控制算法，該種變頻調速控制器采用模糊-PI控制，并且設置了與之相對應的變頻調速控制器，通過實驗和實際應用表明，該控制器比其它控制器更加具有優越性，能夠有效地對風機過濾器單元風機電機進行變頻調速控制，同時也表明這種新型變頻調速控制器的設計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.

變頻調速控制器；風機過濾器單元；設計；控制方法

1 引言

風機過濾器單元的構成要件主要包括風機、過濾器和控制器，近些年來，它在各種凈化設備中得到廣泛的應用.實際上，對風機過濾器單元的控制主要體現在對風機的調速控制上.傳統的風機過濾器單元控制方法主要采用可控硅無級調速和變壓器有機調速控制這兩種方式，但是這兩種控制方法存在著很多的問題與不足，比如工作效率低、消耗能量大、產生噪音大等，這些問題與不足不利于風機的整體性能的發揮.而在實際工作中，提高工作效率、降低能耗、減小噪音是變頻調速控制器所應當追求的目標，基于此，文中介紹了一種新型變頻調速控制器，該控制器采用數字化控制技術和變頻變壓調速控制技術，通過實驗證明，這種控制器除了擁有改善風機過濾器單元的控制性能的優點之外，還可以提高工作效率、降低能耗，同時也表明這種新型變頻調速控制器的設計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.

2 新型變頻調速控制器的總體結構

我們將介紹這種新型變頻調速控制器的的構成，在它的構成中，變頻主電路和控制電路是它的主要構成部分.其中，變頻主電路采用AC/DC整流加DC/AC逆變的兩級拓撲結構，這樣單相交流輸出經布控整流濾波后變成直流，再將直流逆變成電壓和頻率可調的交流輸出，給風機過濾器單元風機單相感應電動機供電，通過這樣的方式實現了對風機的變頻調速.而控制電路的主要功能是保護整個控制器，防止受到意外的損壞，實現通信等.

3 風機過濾器單元的工作原理

在實際運用中，單相感應電動機是風機過濾器單元所采用的主要的動力方式.由于受到只有單個繞組結構條件的限制，在單相感應電動機中無法產生旋轉磁場，通常采用的結構方式是，將主副兩個繞組的分相結構放在定子上不同的位置，與此同時，還需要串聯一個電容器在副繞組中，以便獲得起動轉矩.電容運轉式單相感應電動機的結構包括主繞組、副繞組和運轉電容.

單相感應電動機轉速、頻率和極對數的關系可以用公式來表示：n=60覬(1-σ)／p,在該公式中，n 表示電機轉速，覬表示輸入電源的頻率，σ表示電機轉差率，p表示電機極對數.從這個公式我們可以清楚的得知，電源的頻率、電機轉差率、電機極對數的改變都可以對轉速的改變產生影響.但是在實踐運用中，采用改變極對數的調速方式使用得比較少，因為它僅限于幾個固定轉速，而且和電機的結構相關聯.改變輸入電源頻率能夠提高工作效率，也可以在較寬范圍內對風機過濾器單元進行調速.由于在改變頻率時，磁通會增加，而磁通增加會導致電機嚴重發熱，甚至有可能發生損壞電機的現象.為了防止這種情況的發生，在改變頻率的時候，必須相應的同步改變電壓，從而保持恒定的電壓和頻率.一般情況下，單相感應電動機采用正弦波脈寬調制，該種新型變頻調速控制器也采用這種調速控制方法，這樣能夠使電動機輸出的轉矩平穩，能夠獲得較好的工作性能.

由于各方面條件的限制，傳統的電機只適用于某一個頻率點，在變頻調速中不怎么適用，這樣轉矩脈振在電容起動的時候容易產生.因此，為了實現單相感應電動機控制，該種變頻調速控制器采用了兩項三橋臂逆變電路，這種方式比傳統的調速控制器具有明顯的優勢，它的調速范圍更寬，電壓利用效率更高.

4 風機過濾器單元的控制方法

傳統的風機過濾單元的控制方法簡單，易于操作，通常采用開環控制或者PI控制算法.由于單相感應電動機是一種非線性時變的系統，該系統較為復雜，還會受到不確定因素的干擾，難以建立精確的數學模型對此進行研究和計算，采用傳統的開環控制所收到的效果不能令人滿意.雖然作為人工智能控制方法的一種，模糊控制是一種不依賴于對被控制對象的精確數學模型的一種方式，比較適用于非線性.但是，由于模糊控制中缺少積分環節，在實際運用中，單獨采用模糊控制雖然可以起到一定的作用，但是不能滿足單相感應電動機風機變頻調速的精確度和性能要求，所以，有必要設計一種新型的控制方法，以滿足單相感應電動機風機變頻調速高精確度和高性能的要求.為了充分發揮各種控制器的優勢，實現對單相感應電動機精確的控制，本文采用了一種模糊—PI控制策略，實驗表明，該控制策略能夠對單相感應電動機進行精確的控制.

模糊—PI符合控制結構包括控制方式選擇、脈沖寬度調制控制信號、單相感應電動機風機、風量輸出、轉速反饋等幾個部分，其中控制方式選擇包括模糊控制和PI控制.這種控制器能夠實時檢測計算給定轉速和實際反饋轉速的差值，除此之外，還可以根據設定值來切換控制方式，具有靈活適應性，滿足了調速控制的要求.在實際的操作過程中，當出現速度差值大于設定值的情況的時候，控制器就會選擇PI控制方式，過濾過程的超調量減小，從而使得系統的動態響應性能得以提高.而當速度差值小于或者等于設定值的時候，控制器就會選擇模糊控制方式，這就使得過濾過程的超調量會進一步減小，系統的穩態誤差會得到消除，系統的穩態性能和控制精確度就會進一步得到提高.

5 風機過濾器單元的仿真研究

一般來說，為了驗證某一設計系統性能的優越性，設計者往往會對這一系統進行仿真研究.同樣的道理，為了證明上述變頻調速控制器性能的優越性和實際運用的有效性，我們在仿真平臺下建立了仿真模型，對風機過濾器單元風機控制進行了仿真研究，并對比分析了風機過濾器單元仿真研究的實驗結果.從實驗結果我們對風機過濾器單元控制得出以下結論：相對于常規的單模糊控制和單PI控制而言，在風機起動、調速的情況下，采用模糊—PI復合控制的單相感應電動機風機變頻調速控制系統的性能更好，它可以保持超調小、響應快、無靜差等良好的性能.事實上，高準確度是單相感應電動機風機速度控制的要求，而使用模糊—PI復合控制能夠滿足這個條件，適應了電動機風機速度控制的要求.從該仿真研究我們驗證了該設計方案的正確性，也證明了該方案的優越性.

6 變頻調速控制器的設計

變頻調速控制器的設計是該設計的關鍵部分，它決定著控制器性能的好壞和該設計能否成功的運用.變頻調速控制器的設計由兩個部分組成，包括軟件設計和硬件設計.

6.1 軟件設計

在語言編寫上，控制器的軟件是利用C語言編寫的，在設計思想上，控制器采用了模塊化的設計思想.程序主要包括主程序模塊、數據采集處理模塊、模糊—PI復合控制算法模塊、人機接口處理模塊及通信模塊等.它們之間相互聯系，相互作用，共同在該控制器中發揮作用.在所有的這些模塊中，其中，主程序模塊是系統程序的調度執行部分,它包括系統初始化、寄存器配置、子模塊調用、看門狗復位等功能.就該程序的流程圖來看，它包括開始、系統初始化寄存器設置、讀取指令及設定值、調用正弦波脈寬調制控制子程序、顯示運行參數信息、調用故障處理子程序、返回菜單.

6.2 硬件設計

在這個控制器中，兩個部分組成了控制器硬件電路，包括主電路和控制電路.其中，主電路的設計包括拓撲的選擇和器件選型，文中所指的主電路拓撲為常見的AC-DC-AC結構.在該硬件設計中，主電路的設計采用了整流橋模塊和智能功率逆變模塊，其中整流電路選用D10XB80整流器模塊;逆變電路選用三菱的DIP-IPMPS21564模塊，這樣的設計既簡化了控制器的設計，又提高了系統額功能，收到了良好的效果.在主控制芯片的選擇上，控制電路選用dsPIC30F3010，主要包括信號采集和處理電路、人機接電路、通信電路等其它輔助電路組成.

7 新型變頻調速控制器的實驗結果

在介紹了這種新型變頻調速控制器的總體結構、風機過濾單元的工作原理、控制方法、仿真研究、變頻調速控制器的軟件硬件設計等問題之后，為了驗證它的效果，我們有必要對此進行實驗，以驗證該設計方案的正確性和優越性.通過實驗，我們得出結論：采用模糊—PI復合控制的新型變頻調速控制器，逆變輸出波形平滑，轉速響應準確，通過與傳統的控制器相比較可以得知，這種新型變頻調速控制器能夠對風機實現更加有效的控制.而將這種新型的控制器應用于凈化室潔凈工程的實際運用中，通過查看測試的結果，可以得知控制器的運行穩定可靠，控制結果具有高精確度.與傳統的控制器相比較，該變頻調速控制器的優勢明顯，它的效率更高、噪音更小、能耗更低，具有更大的優勢，實驗證明，該新型變頻調速控制器的設計是正確的，值得進一步推廣與應用.

8 結束語

綜上所述，本文文章主要介紹了一種基于模糊—PI控制的新型變頻調速控制器，模塊化設計思想和數字控制技術是該種控制器所采用的理念和技術，與能耗大、噪聲高、效率低的傳統的變頻調速控制器相比較，該種新型變頻調速控制器的能耗低、噪聲小、效率高.通過實驗和實際應用表明，該控制器比其它控制器更加具有優越性，不僅可靠性高、成本比較低，能夠有效地對風機過濾器單元風機電機的變頻調速控制，同時也表明這種新型的變頻調速控制器的設計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.我們相信，該方案的推廣與應用會發揮它的優勢，會進一步推廣與運用到風機過濾器單元的實際運作之中，會帶來相應的社會經濟效益.

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TP332.3

A

1673-260X（2012）06-0026-02

安徽省教育廳科研項目（KJ2012A065）