通用變頻器及其在控制中的應(yīng)用探討

王治軍

摘要：在當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅僅局限于液動(dòng)、氣動(dòng)等運(yùn)動(dòng)控制方法，在大部分控制系統(tǒng)中，還會采用電動(dòng)控制系統(tǒng)，電機(jī)是這一系統(tǒng)的最終控制對象，同時(shí)也是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了對各種感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行有效控制，設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速器，交-直-交型是其主要結(jié)構(gòu)類型。隨著電機(jī)控制技術(shù)長期發(fā)展以來，逐漸形成了通用變頻器這一成熟產(chǎn)品，逐漸被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：通用變頻器;控制工作;應(yīng)用

引言

在我國工業(yè)生產(chǎn)過程中，大部分電機(jī)會直接將工頻電源作為運(yùn)行電源，在長時(shí)間、部分時(shí)間運(yùn)行中，通常處于輕載狀態(tài)。當(dāng)前系統(tǒng)工作需要的輸出轉(zhuǎn)矩、較高的電能利用率等，借助傳統(tǒng)的變壓器降壓控制、變極對數(shù)控制、機(jī)械能耗控制等方面措施都難以予以滿足，而借助變頻控制器則可以對系統(tǒng)工作要求予以有效滿足，并且可以節(jié)省大量的電能。

1變頻器的結(jié)構(gòu)

在變頻器設(shè)備中，主要由電路、控制、檢測、保護(hù)等部門構(gòu)成，在主電路方面，主要有整流、逆變、濾波穩(wěn)壓等部分組成，并對直流平波電抗器、制動(dòng)單元以及制動(dòng)電阻等方面接口進(jìn)行了預(yù)留。在控制部分，主要包括數(shù)字信號處理器、高速微控制器等內(nèi)容，借助這些裝置可以對算法的實(shí)現(xiàn)、控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、PWN信號輸出等予以共同控制。在監(jiān)測部分，主要檢測的內(nèi)容包括電壓、電流以及溫度等方面數(shù)據(jù)，判斷是否存在超出設(shè)定值的情況，從而及時(shí)開展系統(tǒng)保護(hù)。

在應(yīng)用過程中，一臺變頻器一般情況下會控制一臺電機(jī)，但也可以對多臺具有相同工況的電機(jī)進(jìn)行同時(shí)控制。在變頻器設(shè)備中，針對將電機(jī)作為最終控制對象包含眾多小系統(tǒng)或大系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了專門接口的設(shè)計(jì)，比如無人車間、立體倉庫、柔性生產(chǎn)線等大型工業(yè)控制系統(tǒng)。

2通用變頻器的功能特點(diǎn)

2.1靈活的頻率控制

在變頻器對電機(jī)進(jìn)行控制過程中，頻率和轉(zhuǎn)矩是最基本的兩項(xiàng)輸出，在變頻器設(shè)計(jì)過程中，針對頻率設(shè)定功能、頻率控制接口等進(jìn)行了設(shè)置的。針對變頻器頻率輸出，可以借助數(shù)字鍵盤進(jìn)行設(shè)定，主要包括基本頻率、最大頻率、最小頻率、啟動(dòng)頻率、跳躍頻率和寬度、加減速斜率、多段運(yùn)行頻率等等，通過控制鍵盤的上升和下降鍵，可以對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整，比如針對正轉(zhuǎn)質(zhì)量、加減速時(shí)間轉(zhuǎn)換、反轉(zhuǎn)指令、多段運(yùn)行頻率選擇、復(fù)位輸入、自由運(yùn)行等方面進(jìn)行控制。針對此時(shí)的運(yùn)行頻率值，可以借助電壓輸入0到5V或者0到10V進(jìn)行設(shè)定，或者可以使用4到20毫安的電流信號進(jìn)行設(shè)定。在執(zhí)行多段運(yùn)行過程中，可以借助鍵盤預(yù)先設(shè)定速度的幅值，針對運(yùn)行中的那一段，可以借助端子進(jìn)行控制。

2.2變頻器的保護(hù)功能

借助變頻機(jī)的保護(hù)功能，可以有效保護(hù)自身，并且可以對電機(jī)予以可靠的保護(hù)，保護(hù)功能分為多種類型，主要包括短路保護(hù)、電涌保護(hù)、保險(xiǎn)絲熔斷檢測、欠壓保護(hù)、接地保護(hù)、瞬間過流保護(hù)、電子熱保護(hù)、直流側(cè)過壓保護(hù)等等，同時(shí)還包括存儲器異常檢測、鍵盤通訊檢測、外部報(bào)警輸入、防止失速功能、任選卡通訊檢測、瞬停再啟動(dòng)功能、CPU異常檢測等方面保護(hù)功能。

針對故障信號可以及時(shí)接收并處理，其中一部分可以作為接觸器和熱繼電器保護(hù)器的動(dòng)作信號，針對一些瞬間故障，可以借助變頻器進(jìn)行自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)效果，其中一些故障不能自動(dòng)恢復(fù)，會在EPROM中進(jìn)行記錄，相關(guān)技術(shù)人員會查看這些信息，之后對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的診斷和維修。

2.3一些重要運(yùn)行功能

在變頻器對電機(jī)進(jìn)行控制過程中，還包括以下幾種重要功能：點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式;自動(dòng)頻率補(bǔ)償控制;第二V/F運(yùn)行功能;自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行方式選擇;以及轉(zhuǎn)矩提升功能，這一功能可以切換手動(dòng)、自動(dòng)提升等方式，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，可以對變頻器輸入轉(zhuǎn)矩予以增大，從而對負(fù)載慣性、轉(zhuǎn)子靜摩擦力等予以克服;還有矢量控制選擇，在一些新型變頻器中，比如富士、象日立等等，都設(shè)置了矢量運(yùn)行方式選擇這一功能選項(xiàng)，在日立J300系列中，還可以對帶傳感器的矢量控制、不帶傳感器的矢量控制方法等予以進(jìn)一步選擇，相比于傳統(tǒng)V/F控制，矢量控制具有更好的轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也更快;另外，就是頻率跳躍功能，在控制系統(tǒng)中，如果存在機(jī)電共振區(qū)，在變頻器中，會允許用戶對跳躍頻率點(diǎn)、跳躍頻率寬度等進(jìn)行設(shè)定，通常情況下可以對3到5個(gè)點(diǎn)的進(jìn)行設(shè)定;載波頻率設(shè)定功能，在P W.N的載波頻率方面，可以實(shí)現(xiàn)選擇設(shè)定，從而對諧波予以降低，在電機(jī)運(yùn)行過程中對損耗、噪聲予以降低，在日立J300系列的變頻器設(shè)備中，可以對直到16kHz的載波頻率進(jìn)行選擇;另外，在變頻器設(shè)備中，還對性能良好的人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通常會設(shè)置LCD顯示、LED顯示、儀器以及儀表等方面監(jiān)控接口。

3用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)

通用變頻器屬于開環(huán)速度控制系統(tǒng)，在一些沒有嚴(yán)格要求的運(yùn)行條件下，可以結(jié)合多段速度運(yùn)行模式，針對位置實(shí)施開環(huán)控制，或者可以采用JOG運(yùn)行方式，實(shí)施位置控制;在用戶方面，可以自己對外控板進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)施閉環(huán)控制;通常情況下，廠家方面會對模擬或數(shù)字接口選件板、PID控制板等予以提供，比如速度反饋基板，可以對測速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器的信號進(jìn)行接收，從而實(shí)施速度檢測、閉環(huán)控制等工作。

將變頻器多功能輸入輸出端子、選件控制板等利用起來，有效結(jié)合具有完善控制邏輯功能的PLC，可以完成一個(gè)中小系統(tǒng)的構(gòu)建。以之前參與的一項(xiàng)石膏板廠流水線控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，在線上布置了多臺感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，針對配料機(jī)、烘干機(jī)以及傳送帶等設(shè)備，提出的要求是需要實(shí)現(xiàn)主從控制。在切板和送干燥機(jī)的預(yù)處理工作中，提出了一定的位置控制要求。在干燥機(jī)、傳送帶之間，需要控制6：1的速度比，針對這些控制功能，通過利用多臺變頻控制器就可以很好的實(shí)現(xiàn)。借助通用變頻器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器等設(shè)備可以構(gòu)建一個(gè)三級重大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。通過對中大功率的變頻器予以使用，可以對控制自動(dòng)化水平予以提升，同時(shí)在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，在但部分變頻器設(shè)備中，對進(jìn)行了節(jié)能運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)。 日立J300系列變頻器中，還設(shè)計(jì)了自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化控制，在對相同力矩進(jìn)行輸出的情況下，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)損耗、電機(jī)電流等方面的有效降低。針對一些大量的風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備，可以表現(xiàn)更為理想的節(jié)能效果，運(yùn)行的電機(jī)數(shù)量越多，所表現(xiàn)的節(jié)能效果越明顯。對于一些煉鋼、制鋁、煤礦、軋鋼以及水泥等大型工業(yè)生產(chǎn)而言，可以節(jié)省很大一部分能源。

結(jié)語

在當(dāng)前階段我國發(fā)展過程中，經(jīng)濟(jì)、科技等方面發(fā)展水平快速提升，通用變頻器設(shè)備得到了快速發(fā)展，在這項(xiàng)技術(shù)中對現(xiàn)代控制理論、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測技術(shù)、功率器件技術(shù)、電機(jī)建模理論等方面理論和技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)融合，從而取得了顯著的發(fā)展。

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