基于變頻調速技術的電氣自動化控制方法

陳爽

(遼寧建筑職業學院,遼寧 遼陽111000)

本文提出基于變頻調速技術的電氣自動化控制方法。以電氣設備數據采集為基礎,通過對信息進行交換,判斷電氣自動化控制比例,并最終通過變頻調速技術對控制比例內的電氣設備參數進行控制。并通過實驗驗證了所提方法的有效性。通過該研究,以期為該領域的實際研究提供有價值的參考。

1 電氣自動化控制方法設計

1.1 設備運行數據采集

根據減少人員使用的設計原則,本文在數據采集模塊采用分層全開放的分布方式設計,模塊由主控層和現地單元層兩部分組成。其中,主控層包括2臺操作工作站、以太網交換機、Modem組成,實現對電氣設備運行數據的實時監視與采集,并對設備運行記錄進行統計,為控制管理、HMI人機交互、數據通信等提供基礎[1-2]。在Modem上完成與上一級調度、電氣控制室信息管理模塊的通信。在現地控制單元層,共設計4套設備,分別為3套LCU機組和1套對應線路,以此實現對各電氣設備的監控。負責定時采集電氣設備的運行狀態和運行參數,并在對數據進行預處理保存于數據庫中,作為各種計算、控制等功能實現的基礎。

1.2 控制環境內的信息交換

控制環境內的信息交換主要包括PLC與設備之間以及采集模塊與PLC之間的通訊,其中PLC和設備之間的數據傳輸選用RS485串口通信,采用MODBUS協議[3]。把設備的通訊端口串接正確后,和PLC協議卡進行通訊數據傳輸。MODBUS通信協議波特率為9600,包含一位起始位,八位數據位,一位停止位以及CRC校驗位。在傳輸信號前,首先對信號進行劃分,將其分成正、負兩部分,并通過兩條傳輸線分別進行傳輸,接收端接收到信號后,將信號進行相減處理,以此獲得原始信號。PLC和數據采集模塊之間的數據傳送單位為“幀”,數據采集發送通信命令給PLC,PLC接收后自主發送響應幀給控制模塊。

1.3 電氣自動化控制比例計算

根據上述信息交換結果,獲得到的電氣設備的運行參數以及實際運行需求,對電氣自動化控制比例進行計算[4-5]。控制比例是指改變電氣自動化增益的最基本控制基礎,因此,本文對自動化控制比例計算為:

其中,Q表示控制信號；λ 表示自動化控制比例增益；q表示控制誤差；r(t)表示參考增益量；s(t)表示控制反饋量。控制比例可快速減小控制偏差值,但不能消除控制穩態誤差,控制比例作用強弱與偏差大小成正比,不同的 λ,會產生不同的作用。λ 較小時,調節作用也較小；而 λ增大則控制作用加快,但超過正常范圍時,將對穩定性產生負面影響,因此采用使用 λ劃分控制比例大小。

1.4 基于變頻調速技術的參數控制

在上述電氣設備運行數據采集和交換基礎上,根據分析的電氣自動化控制比例,通過調速模塊對設備運行進行變頻調速,控制運行參數。調速模塊裝置選用SIAMSG120模塊式交流變頻器,滿足控制比例內的微調、行程調整等工作需要[6]。本文選用的是IIEP28C8芯片,采用FPGA實現,包括5個組成電路,以此實現FFT、循環前綴插入、緩沖以及DA的功能,并完成對各個模塊的功能的仿真驗證。如圖1為變頻調速模塊控制原理圖。

圖1 變頻調速模塊控制原理

變頻器配置制動電阻來發揮制動效果,以防因大型機械設備高速運轉的機械能產生電能損壞變頻器裝置。變頻器在此控制模塊中采用的是矢量控制模式,對交流異步電動機的速度進行調速控制,通過信息交換模塊向PLC控制器進行報文通信,以此控制電動機的啟動、速度變換、停止,變頻控制電動機轉動運行的實際轉速則是通過狀態ZSW1來反饋給PLC控制器。使用SCOURT變頻器調試軟件來優化設置變頻器,通過設置相應的變頻器數據報文參數與電動機參數,然后給變頻器做靜態測試與動態測試分析順利結束后,變頻器啟動后對電動機的速度控制達到靈活可控的目的,表示變頻器可以開始正常運行工作[7-8]。當變頻器調速控制模塊在微調控制狀態下時,主電機處于微速度運行,并可以正/反向運轉,滑塊的運動行程次數是5次/分。當控制模塊處于行程狀態下時,主電動機只可以作正方向的高速運行,并且在連續模式下,其滑塊的運動行程速度對應次數在10-15次/分,速度連續可調。以此實現對電氣設備參數的實時連續控制,提高其運行的合理性及穩定性。

2 試驗測試

2.1 實驗環境

選用某水站的凝結水泵作為試驗對象,對其進行控制測試。該水站的凝結水系統包括兩臺100%容量的凝泵,正常運行方式為一開一備,凝泵為5級離心式多極立式泵,流量調節依靠凝泵出口調節閥調節,出口調節閥采用一大一小2個的氣動閥門。機組的變負荷范圍40%-100%,凝泵為多極立式離心泵。額定流量為640kg/s,揚程為3200m,軸功率<2360kW,泵效率>83%,電機功率為2590kW,滿負荷情況下電機效率為95.5%。同時,提高實驗結果的可靠性,分別采用文獻[3]和文獻[4]方法同時進行試驗。

2.2 實驗結果

首先,分別采用三種方法找出額定負荷點下,滿足凝水流量的凝泵的最低頻率,并將分析結果作為其自動化控制的依據。在實驗過程中,由于主調位門會在自動情況下逐漸開大,閥門前后的壓差逐步減小。當機組的減溫水壓力低于1.5 Mpa時,低旁會閉鎖關閉,因此,要保證主調閥前的壓力不低于1.6 Mpa。三種方法得出的試驗結果如表1所示。

表1 三種方法控制下凝泵的最小頻率和電流

通過表1可知,在三種方法中,通過改變頻前后的凝泵電流對比,本文方法控制下凝泵的電流降低幅度最大,在500MW時甚至降到了原工頻電流的40%不到,如果不考慮低旁減溫水的最低壓力1.6 Mpa限制,還存在優化空間,節能潛力非常巨大。這主要是因為本文方法對凝泵進行自動化控制時,首先實現了對其運行數據的分析,以信息交換為基礎,對控制比例進行明確,并將調頻變速技術應用與實際的設備參數控制環節,實現了高精度的設備控制。同時,在試驗機組900MW-500MW負荷點中,將上述閥門開度作為目標控制參數,分別采用三種方法對凝水系統大/小閥的進行自動化控制。三種方法的控制結果如圖2所示。

圖2 不同方法控制執行結果

從圖2中可以看出,對比文獻[3]和文獻[4]方法,本文方法具有更高的執行率,其式中保持在90%以上,這主要是因為本文方法在自動化控制執行過程中,轉矩比較器和磁通比較器實現了高頻率的數據對比,以此提高控制結果以實際控制目標的擬合性,使控制效果更加精準。

結束語

隨著科學技術的不斷發展,對于電氣的自動化控制要求也越來越高,通過這種控制實現最大限度的設備保護和資源節約也逐漸成為該領域研究的重點。本文提出基于變頻調速技術的電氣自動化控制方法,不僅實現了在滿足設備運行要求,同時最大限度降低了運行開銷,并且有效保證了控制輸出的準確性,對于自動化控制的研究具有一定的參考價值。