電氣自動化控制中變頻調速技術應用探討

金家國

（山東華特環(huán)保科技有限公司 山東濟南 250101）

隨著人們物質生活的逐漸改善，其對社會生產力提出了越來越高的要求，而變頻調速方式已經在諸多領域獲得良好的應用成效。為加強電氣自動化管理，電氣技術人員積極利用變頻調速方法，由此促進電氣技術公司取得長遠穩(wěn)定發(fā)展。

1 電氣自動化管理方面變頻調速技術運行原理

1.1 運行原理

電氣自動化管控環(huán)節(jié)，技術人員能合理利用變頻調速方式。運行原理：軟啟動器降耗、功率因數補償和變頻調速降耗等。

第一，應用變頻調速技術運行原理。運行電源的輸入頻率和電機轉速成正比，它的等式是：

n=60f(1 -s)/p

式中，n表示轉速，f表示輸入頻率，s表示電機轉差率，p表示電機極對數。依靠電機運行電源頻率，調整電機轉速。如果電機整體運行效率不變，其控制頻率不斷減小時，則轉速也將減小，從而引起功率下降。

第二，當電氣裝置處于低功率情況下時，其裝置將出現發(fā)熱狀態(tài)，由此增多了電損［1］，減少其內部電能，降低電氣裝置應用效果及應用壽命，還會面臨巨大的資源耗費，在增多不必要成本的基礎上，會改變其工作效率。采取變頻調速技術，能有效補償電氣裝置的功率因數，由此減少電損。

第三，通常，電氣裝置啟動方法大都是Y/D啟動或直接自動。電氣裝置啟動的一瞬間，它的電流將快速超過額定電流，還將達到其數值的5倍以上，影響其應用壽命。如果技術人員采取變頻調速技術，能極大降低啟動電流，提高電機的可靠性，減小其給電網造成的沖擊，從而保證電氣自動化管控效果。電機運行原理如圖1所示。

圖1 電機運行原理

1.2 變頻調速方式的功能

目前，在電氣自動化應用方面，變頻調速方式的使用十分普遍，是因為其有特殊優(yōu)勢，主要包含以下幾點。（1）采取變頻調速方式，能有效降低電機開啟瞬間的沖擊。以往的電機開啟是直接開啟模式，這在開機瞬間將形成較強的電流，對電機造成沖擊，進而損壞電機的電網與電源，長時間如此，將降低電機利用率。但采取變頻調速方式以后，電機開啟模式變成軟啟動形式，電機啟動環(huán)節(jié)對本身電源系統(tǒng)的破壞很小，對電機來說就是一種保護。（2）變頻調速方式的調速范圍很寬，令電機應用性能更好。不同的電氣裝置與機械設備所使用的電機結構不一樣，因此，在具體生產使用階段，要調節(jié)電機轉速，使用變頻調速方式，可以大大提高電機應用性［2］。使用變頻調速方式，能完成電機頻率0Hz至幾百Hz的調節(jié)，讓一種電機適合多個場景使用。（3）利用變頻調速方式后，還能有效節(jié)約電能資源，按照不同狀況調節(jié)電機電源頻率，能降低電機能耗，節(jié)省電能。

2 電氣自動化管理方式設計要點

2.1 設備運轉信息收集

按照減少人員操作的設計理念，本文在信息收集模塊選擇分層全開放形式設計，模塊由主控層與現地單元層構成。主控層涉及操作作業(yè)站、以太網交換機、Modem，以實時監(jiān)控和收集電氣設備運轉信息，且統(tǒng)計機組運轉記錄，為監(jiān)督管控、HMI人機交互、信息通信等奠定基礎，依靠Modem完成和上級調度、電氣管理室數據管理系統(tǒng)的通訊［3］。在現地管理單元層設置LCU設備與對應線路監(jiān)控各電氣裝置，負責定期收集電氣裝置運轉狀態(tài)及參數，對信息進行預處理，存儲在信息庫內，用作各種計算、控制等作用體現的依據。

2.2 控制狀態(tài)下的數據交換

控制狀態(tài)的數據交換包含PLC和設備間及其收集系統(tǒng)和PLC 間的通信，PLC 與設備間的信息傳送選擇RS485串口通信，采取MODBUS協(xié)議，將電氣系統(tǒng)通信端口串接好后，與PLC 協(xié)議卡實現信息傳送。MODBUS通信協(xié)議波特率是9600Bd，涉及1位起始位、8 位信息位、1 位停止位與CRC 校驗位。傳送信號之前，先要劃分信號，將之分為正、負兩部分，且基于兩條傳送線分別完成傳輸。接收器接收信號后對信號作相減處理，由此得到原始信號。PLC 與信息收集系統(tǒng)間的信息傳輸單位是“幀”，信息收集發(fā)送通信信號給PLC，PLC接收后，主動傳輸響應幀給控制系統(tǒng)。

2.3 電氣自動化管理比例計算

按照以上數據交換結果獲取的電氣裝置運轉參數與實際運行要求求出電氣自動化管理比例。管理比例主要指調整電氣智能化增益的最基本管理基礎，所以，對智能化控制比例計算是：

Q=λq

q=r(t) -s(t)

式中，Q代表控制信號，λ代表自動化管理比例增益，q代表控制偏差，r（t）代表參考增益量，s（t）代表管控反饋量。控制比例能迅速縮小控制誤差值，但無法消除控制穩(wěn)態(tài)偏差，管理比例作用強弱和誤差大小成正比關系。不同之處在于起到的作用不一樣，較小時，調控作用也很小；而加大，則管控作用加速；但超出規(guī)定范圍時，會嚴重影響穩(wěn)固性，所以，選擇細分控制比例高低。

2.4 借助變頻調速方式的參數管理

基于以上電氣裝置運轉信息收集與計算，按照研究的電氣自動化管理比例，采取調速系統(tǒng)對設備運轉實現變頻調速，管理運轉參數。調速系統(tǒng)裝置采取符合控制比例中的微調、行程調節(jié)等需求的交流變頻設備。選擇基于FPGA 的EP2C5Q208C8 芯片，涉及5 個構成電路，由此體現星座映射、FFT、循環(huán)前綴插進、緩沖與D/A的作用，且完成對每個系統(tǒng)功能的模擬驗證。圖2所示是變頻調速系統(tǒng)管控原理。

圖2 變頻調速系統(tǒng)管控原理圖

變頻器搭配制動電阻起到制動作用，避免由于大型機械裝置高速轉動的機械能形成電能破壞變頻控制設備。變頻器在該控制系統(tǒng)內采取的是矢量控制方式，調速管理交流異步電機轉速，與基于數據交換系統(tǒng)的PLC設備實現通信，由此管控電動機的開啟、速度調換、停止，變頻管理電動機運轉的具體運速就是依靠ZSW1向PLC設備反饋。利用控制軟件，優(yōu)化安裝變頻器，研究先進的變頻器信息報文參數和電動機參數，再對變頻器進行靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測，研究順利完成后，變頻器開啟后能夠靈活控制電動機轉速，代表變頻器能夠開始穩(wěn)定運轉。當變頻調速管理系統(tǒng)處于微調控制條件下時，主電機是微速度轉動且能正/反運行，滑塊的轉動行程頻率為5 次/min。當控制系統(tǒng)處在行程狀況下時，主電機僅能作正方向高速轉動，而且在持續(xù)模式下，它的滑塊轉動行程速率對應頻率為10～15 次/min，速度持續(xù)能調，由此實時持續(xù)管控電氣裝置參數，提升其轉動的科學性與穩(wěn)固性。

3 具體應用試驗檢測

3.1 試驗環(huán)境

以某300MW 機組電站的凝結水泵為研究對象進行試驗，對其展開控制檢測。凝結水泵的作用就是把凝汽器熱水井中的凝結水及時地送往除氧器中，它和出口閥門、除氧器進水調節(jié)閥等一起構成了凝結水系統(tǒng)，承擔著凝結水的輸送、調節(jié)與維持凝汽器和除氧器正常水位的任務。該電站擔負著電網調峰任務，負荷經常在50%～100%之間變動。該電站的凝結水模塊包含2 臺100%容量凝泵，穩(wěn)定運行模式是一開一備，凝泵是離心式多級立式泵，設計流量是按照最大發(fā)電負荷設計為870m3/h，揚程是275m，軸功率790kW，泵效率83%，電機功率是1000kW，滿負荷狀態(tài)下電機效率是95.3%。凝結水泵定速運行，除氧器水位依靠上水調節(jié)閥門來控制，在負荷較低時，這種運行方式存在以下弊端：一是閥門調整節(jié)流損失大，造成電能浪費；二是依靠閥門開度來調整凝結水，凝結水泵出口壓力高，管道磨損大，長期在低開度運行時，閥門前后壓差大，加速閥門自身磨損，閥門控制特性變差，閥體密封性變差，閥門日常維護量大、維修成本高、設備使用周期短。基于以上原因，對凝結水水泵進行了變頻調速技術改造，并且將變頻裝置的保護、監(jiān)視和聯鎖信號接入DCS系統(tǒng)。

3.2 試驗結果

通過變頻調速技術改造，找到不同負荷點下對應的負荷凝水流量及設備頻率。通過與凝結水泵工頻運行對比，機組負荷在100%～50%負荷之間變化時，凝結水泵運行電流均比同工況下工頻運行電流低15%～60%，節(jié)電率在15%～60%，機組負荷越低，節(jié)電效果越明顯。改造后，凝結水泵電機實現了軟啟動，其啟動電流遠小于工頻啟動電流，減輕了啟動轉矩對電機的沖擊。變頻運行時，凝結水泵出口閥和除氧器上水調節(jié)閥全開，運行人員通過變頻裝置調節(jié)凝結水泵的轉速來調節(jié)除氧器的水位，調節(jié)平滑，精度高，水位波動小，凝結水泵運行工況大大改善，調節(jié)閥全開，減少了閥門磨損，凝結水泵和閥門的維護量大大減少。

4 電氣自動化管控方面變頻調速方法的具體運用

4.1 V/F控制方式

這是現代化變頻調速方法中十分關鍵的一種，其變頻調速作用很好。調速過程中，V/F 控制方式是通過管理電機電壓來把控電機運速，V/F 控制由壓控振蕩設備實現。V/F 控制原理是產生一種振蕩頻率電路，稱為壓控振蕩器，它是一種受電壓變化而產生電容變化的壓敏電容器，當電壓變化時，它的電容量就會發(fā)生改變。電容的變化會引起振蕩頻率的變化，產生頻率的變化，將此控制頻率用于輸出到電機電壓的頻率，使被控制電機的轉速發(fā)生改變。電氣自動化管理環(huán)節(jié)，與V/F 控制方式相融合，自動化管控系統(tǒng)電壓，進而取得V/F的精確管理，調節(jié)電機運速。

4.2 自適應電機系統(tǒng)模塊

自適應電機系統(tǒng)模塊是變頻調速技術中比較常用的模塊，主要作用在于有效測試變頻器輸入與輸出的電流及電壓，以保障變頻器輸入與輸出的電流與電機運行性能參數相一致［4］。自適應電機系統(tǒng)模塊屬于一種電氣智能化管控模塊，既可以實時測量電機電壓，也可以調節(jié)電機轉矩，這樣可以在最大程度上調節(jié)電機運速，體現自動變速作用。自適應電機系統(tǒng)模塊是現今變頻調速方法和現代化電氣管理平臺的集成引用，自適應電機系統(tǒng)模塊實際運用中，其能達到電機的變頻調速精度超過0.5%，既能提高變頻調控效率，還能直接提高變頻調速精確性。

4.3 加強減速區(qū)段低速防護

電氣自動化管理系統(tǒng)內，使用變頻調速方法還表現在減速區(qū)間管理上。當電氣自動化管理設備正常運行時，設備穩(wěn)固性是一項關鍵的評估指標，只有保障設備運轉穩(wěn)定，才可更好保障設備的運轉高效性。而為了確保設備運轉穩(wěn)定，電氣自動化管理設備正常運行階段，有必要加強設備減速區(qū)間管理，設備在減速區(qū)間降速運動，嚴格管控電機轉速將會在很大程度上提高設備穩(wěn)固性。使用變頻調速方法時，變頻設備和PLC設備統(tǒng)一監(jiān)控速度采樣，且實時監(jiān)控比較設備轉速安全值，如果發(fā)現設備在具體運行環(huán)節(jié)，存在即將達到運速臨界值或是已超出運速臨界值的現象，需立刻采取PLC智能系統(tǒng)調整變頻調速軟件運行，讓整個電力裝置處于減速區(qū)段低速防護狀態(tài)下，采取科學的減速措施來加強電氣設備的防護［5］。在電氣自動化管理系統(tǒng)內融入變頻調速方法，既能有效調節(jié)電氣裝置運行效率，也能保護整個電氣裝置，確保電機可以高效、可靠運轉。

4.4 等速區(qū)間超速管理防護

電氣自動化管理方面，在變頻調控方法的使用過程中，電機拖動裝置與等速區(qū)間防護也是十分關鍵的工作內容。等速區(qū)間防護和微速區(qū)間防護基本原理一樣，均是采取電氣自動化系統(tǒng)管控變頻調速系統(tǒng)，進而更好管控電機的運轉速度，由此加強電機系統(tǒng)維護。電氣設備長時間應用期間，很可能產生電機拖動裝置超載應用現象，電機拖動裝置超載應用狀態(tài)下，電機本身的運速已超出規(guī)定的界定運速值，在長時間超速運行狀態(tài)下，電機既會出現故障，還將影響電機利用效率［6］，而且，電機拖動裝置也會產生運行故障。但是，變頻調速系統(tǒng)和電氣自動化系統(tǒng)相統(tǒng)一，能夠加強等速區(qū)間超速管理，例如，在具體的系統(tǒng)內設置電機與設備運轉速度不得大于最大運行速度的10%，如果產生電機運行速度大于最大運行速度10%的現象，等速區(qū)間維護系統(tǒng)將開啟智能防護，自動控制軟件聯動變速調整平臺調節(jié)電機運轉速度，保障電機在安全轉速以內，由此加強電機與電機拖動裝置的防護。

5 結語

總而言之，變頻調速技術在電氣自動化中的普遍使用滿足了生產工藝對電機的調速需要，提高了加工效率，降低了生產能耗，節(jié)約了成本。采取變頻調速方式，能有效提高電氣中各種模塊的穩(wěn)固性，在確保產品質量的基礎上，增加企業(yè)的社會價值與經濟利益。