變頻器PID在恒壓供氣中的使用

王世峰

摘 要：工作原理為：三相異步電動機在變頻器變頻調(diào)速控制下運轉(zhuǎn)，傳動給風機工作產(chǎn)生恒壓力的壓縮空氣，提供給用戶。同時，遠傳壓力表將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)化為電壓信號給PID，PID根據(jù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)，經(jīng)過運算調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制信號，將控制信號傳導(dǎo)變頻器，變頻器接到信號，控制電動機，電動機再到風機，依次往復(fù)工作，形成閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：變頻器 PID控制 閉環(huán)控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼 ：A 文章編號：1003-9082（2017）08-0-01

采用恒壓供氣，一般以管網(wǎng)壓力作為控制對象。壓力變送器將儲氣罐壓力P轉(zhuǎn)化為電信號控制器。控制器將采集來的壓力與壓力設(shè)定值作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號送至變頻器，通過變頻器控制電動機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力始終接近設(shè)定壓力。這樣的工作模式可以顯著提高壓縮空氣的質(zhì)量和電能的利用率，該方案還可以使電動機從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來實現(xiàn)軟啟動，避免電動機頻繁啟停帶來的機械沖擊，同時減小沖擊電流對電網(wǎng)的影響。

一、變頻器的簡要介紹

1.變頻器

在該系統(tǒng)中是一個非常重要的元器件，主要作用是變頻調(diào)速。交流變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。變頻器具有體積小，重量輕，易安裝，操作簡單，數(shù)據(jù)可靠，性能穩(wěn)定和節(jié)電效果明顯等特點，是一項較為成熟的技術(shù)成果。

變頻器主要分為交---交變頻器和交---直---交變頻器兩類。

交---交變頻器直接將電網(wǎng)交流電變?yōu)榭烧{(diào)頻調(diào)壓的交流電，輸出無中間濾波環(huán)節(jié)，又稱直接變頻器。交---直---交變頻器則先將電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)過濾波，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為調(diào)壓調(diào)頻的交流電，又稱間接變頻器。

常規(guī)晶閘管交---直---交變頻器存在許多問題。例如，其主電路需用兩套可控的晶閘管變流器，可控開關(guān)器件多，控制線路復(fù)雜。由于電壓的控制會使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，影響供電質(zhì)量，由于逆變輸出的是階梯電壓會使電動機中存在較大的低次諧波電流，會產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機的穩(wěn)定，低速更加明顯。中間濾波環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件，變頻器的動態(tài)響應(yīng)慢。隨著科技的發(fā)展，中小容量變頻器廣泛采用了PWM型 交----直---交變頻器。PWM變頻器的主電路采用不可控的二極管整流器和PWM型逆變器，可控開關(guān)器件少。由控制電路按一定規(guī)律控制逆變器中開關(guān)器件的高頻率通斷，在逆變器的輸出端可獲得一系列的等幅但不等寬的矩形脈沖波，這種波形近似正弦交流電波形。基本解決了梯次波在PAM中存在的問題。通常把參考信號為正弦波的脈寬調(diào)制方式成為正弦波脈寬調(diào)制---SPWM。一般工業(yè)領(lǐng)域中大多用SPWM變頻器。在應(yīng)用當中PWM型的特點基本上克服了常規(guī)晶閘管交---直---交存在的問題。

2.變頻器在應(yīng)用中常見的故障有

2.1過流故障 過流故障可分為加速，減速，恒速過電流。可能是由于變頻器的加速時間太短，負載發(fā)生突變，負荷分配不均，對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已壞，需要更換變頻器。

2.2過載故障 過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能加速時間過短，電網(wǎng)電壓過低，負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間，延長制動時間，檢查電網(wǎng)電壓等。負載過重，所選的變頻器和電機不能拖動該負載，也可能是由于機械潤滑不好引起。如前者必須更換大功率的電動機和變頻器，若后者則要對生產(chǎn)機械進行檢修。

2.3欠壓 說明變頻器電源輸入部分有問題，或者電網(wǎng)電壓短時波動引起，需檢查后方可運行。

二、本系統(tǒng)采用PID控制模式進行運算

1.在自動控制系統(tǒng)中，PID是指比例積分微分調(diào)節(jié)器

P即比例控制，是指系統(tǒng)的輸出量與輸入量成比例的控制。

雖然比例控制作用強，但是也有很大的不足。當系統(tǒng)中輸入偏差為零，P調(diào)節(jié)器輸出也將為零，說明系統(tǒng)沒有比例控制作用。系統(tǒng)將不能正常運行。當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，通過適當?shù)谋壤刂疲到y(tǒng)的被控量可以達到新的穩(wěn)定，但永遠回不到原值。

2.I調(diào)節(jié)器

I控制器的最大優(yōu)點是消除了輸出量的穩(wěn)態(tài)誤差，能實現(xiàn)無靜差控制，但是，由于積分作用隨時間積累的逐漸增強，積分調(diào)節(jié)的過程是緩慢的。積分控制有明顯的滯后作用，積分控制通常只作為一種輔助調(diào)節(jié)。

3.PI調(diào)節(jié)器是以P控制為主，I控制為輔的調(diào)節(jié)器

比例積分控制的比例作用，使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，積分作用又使得系統(tǒng)基本無靜差。PI調(diào)節(jié)器有兩個可供調(diào)整的參數(shù)Kp和Ti ，減小Kp 或增大Ti ，都會減小超調(diào)量，這有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，但降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4.PID調(diào)節(jié)器是在PI控制的基礎(chǔ)上加入了微分控制

由于積分的滯后作用，微分有超前的校正作用，通常把三者結(jié)合起來取長補短，以得到更為滿意的效果。

PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。在恒壓供氣系統(tǒng)中是較為首選的調(diào)節(jié)器。因為：①它不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。在自動控制理論中的分析和設(shè)計主要是建立在被控對象的線性頂常數(shù)模型的基礎(chǔ)上的。②結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)。PID控制器結(jié)構(gòu)典型，計算工作量小，要整定的參數(shù)少，各參數(shù)都有明確的物理意義。③有較強的適應(yīng)性與靈活性④使用方便。

三、恒壓供氣的工作原理

1.元器件

PID調(diào)節(jié)器、遠傳壓力表、空氣開關(guān)、按鈕開關(guān)、電源模塊、電位器，變頻器、電動機、導(dǎo)線等。

工作原理為：三相異步電動機在變頻器變頻調(diào)速控制下運轉(zhuǎn)，傳動給風機工作產(chǎn)生恒壓力的壓縮空氣，提供給用戶。同時，遠傳壓力表將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)化為電壓信號給PID，PID根據(jù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)，經(jīng)過運算調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制信號，將控制信號傳導(dǎo)變頻器，變頻器接到信號，控制電動機，電動機再到風機，依次往復(fù)工作，形成閉環(huán)控制。

結(jié)論

該設(shè)計方案充分利用了變頻調(diào)速原理，PID控制運算方式，閉環(huán)自動控制思想，在實際生產(chǎn)中效果顯著，明顯提高了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。該設(shè)計方案也可以延伸應(yīng)用與恒壓供水系統(tǒng)與PLC聯(lián)合應(yīng)用，自動化水平更高。endprint