基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法

摘? 要：為提高電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)性能，提出基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法。根據(jù)滑動(dòng)窗口的分配，劃分電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用高斯核函數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)雙饋調(diào)速裝置實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率，計(jì)算定子繞組反電動(dòng)勢(shì)，通過對(duì)反電動(dòng)勢(shì)和頻率的同步控制，實(shí)現(xiàn)變頻速度調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該文方法調(diào)節(jié)電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度后，在負(fù)載恒定和擾動(dòng)條件下均可使電氣設(shè)備在期望轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并且響應(yīng)時(shí)間較短，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：雙饋調(diào)速裝置；速度調(diào)節(jié)；變頻調(diào)速；自動(dòng)化；電氣設(shè)備

中圖分類號(hào)：TM933? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0072-04

Abstract： In order to improve the speed regulation performance of automatic frequency conversion of electrical equipment， a speed regulation method of automatic frequency conversion of electrical equipment based on double-fed speed regulation device is proposed. According to the allocation of the sliding window， divide the state data of electrical equipment， use the Gaussian kernel function to monitor the operating state of equipment， calculate the back EMF of the stator winding according to the actual speed and slip of the double-fed speed regulating device， and realize the speed regulation of frequency conversion through the synchronous control of the back EMF and frequency. The experimental results show that the method in this paper can control the electrical equipment to run at the expected speed under the conditions of constant load and disturbance after regulating the automatic frequency conversion speed of electrical equipment， and the response time is short， improve the working efficiency.

Keywords： double-fed speed regulation device; speed regulation; frequency conversion speed regulation; automation; electrical equipment

0? 引? 言

為了提高生產(chǎn)效率，學(xué)者們紛紛開啟了電氣設(shè)備變頻調(diào)速的研究[1]。變頻調(diào)速是一種較為先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，它能夠大幅度提高電氣設(shè)備的生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備本身的發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用。電氣設(shè)備所需消耗的電能主要是由其自身的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來[2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)和人們生活水平的不斷發(fā)展，人們對(duì)電力效率的要求越來越高，因此對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速就成為必然選擇。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速能夠很好地避免電氣設(shè)備發(fā)生故障，有效減少電力資源消耗，提高電氣設(shè)備正常工作時(shí)間，同時(shí)也能夠節(jié)約電能。

劉齊等人[3]將紅外攝像技術(shù)應(yīng)用到電氣設(shè)備的故障檢測(cè)中，通過提取電氣設(shè)備的紅外圖像，獲取圖像灰度與溫度之間的映射關(guān)系，在紅外熱區(qū)域，提取電氣設(shè)備的故障特征，并利用絕對(duì)溫差法來判斷電氣設(shè)備的失效程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的檢測(cè)精度高，穩(wěn)定性好。李可成[4]為了解決鉆井電氣設(shè)備變頻調(diào)速方法存在的可靠性差、維護(hù)性能低等問題，將PLC技術(shù)用于鉆井電氣設(shè)備的變頻調(diào)速中。根據(jù)PLC技術(shù)的特點(diǎn)，建立PLC的控制系統(tǒng)；通過安裝1臺(tái)雙饋調(diào)速裝置，可以調(diào)整鉆機(jī)的電機(jī)扭矩；通過采用前饋技術(shù)，克服了變頻器對(duì)鉆機(jī)電氣設(shè)備靜差的影響，達(dá)到對(duì)鉆機(jī)電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)變頻調(diào)速的目的。可靠性分析測(cè)試及維護(hù)性能測(cè)試表明，此方法的可靠性較高，安全性較好。

1? 電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法設(shè)計(jì)

1.1? 監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)

在監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼[5]，因此需要先對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，步驟如下：

1）獲取電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)Q，并通過任務(wù)解析得到監(jiān)測(cè)任務(wù)的ID集合E和監(jiān)測(cè)任務(wù)解析參數(shù)。

2）當(dāng)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)屬于監(jiān)測(cè)任務(wù)的ID集合E時(shí)，就可以監(jiān)測(cè)到電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的抵達(dá)頻率f，通過對(duì)抵達(dá)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)刻的差值頻率進(jìn)行擬合處理，構(gòu)建電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的概率密度函數(shù)g（x）。

3）根據(jù)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)的時(shí)序容錯(cuò)率δ、實(shí)時(shí)性要求T和傳輸時(shí)延的概率密度函數(shù)g（x），計(jì)算出數(shù)據(jù)分類的滑動(dòng)窗口緩沖時(shí)間ΔT，通過分析電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的抵達(dá)頻率f，獲取滑動(dòng)窗口中緩沖的數(shù)據(jù)量S。

4）將滑動(dòng)窗口中緩沖的數(shù)據(jù)量S作為數(shù)據(jù)分類的依據(jù)，在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域內(nèi)，為滑動(dòng)窗口分配電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)，保證緩沖區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)任務(wù)與滑動(dòng)窗口的對(duì)應(yīng)性，如果緩沖區(qū)域中沒有可以分配的閑置區(qū)域，那么就需要調(diào)整比例，對(duì)其他監(jiān)測(cè)任務(wù)的緩存窗口進(jìn)行分配[6]。

5）完成滑動(dòng)窗口的分配之后，滑動(dòng)窗口需要執(zhí)行集合E的狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存操作，將電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)劃分為正常數(shù)據(jù)、失效數(shù)據(jù)和延時(shí)數(shù)據(jù)，按照一定順序，丟棄或者傳輸?shù)缴蠈咏馕霾糠帧?/p>

假設(shè)A=（a1， a2， …， an）表示電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)集合，其中an表示電氣設(shè)備在任意一個(gè)狀態(tài)參數(shù)下的數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行核密度估計(jì)，可以得到：

隨著帶寬的增加，電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的核密度估計(jì)函數(shù)越來越平滑，核密度估計(jì)函數(shù)越小，說明電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)與密度曲線之間的擬合效果越好。

在電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)分布中，n表示選取的隨機(jī)變量樣本規(guī)格，利用核密度估計(jì)函數(shù)[7]，電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中對(duì)核函數(shù)的需求量為n，因此，利用核密度估計(jì)函數(shù)的累加特征，將權(quán)值相同的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成附帶權(quán)值的核密度估計(jì)函數(shù)，那個(gè)轉(zhuǎn)換的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息數(shù)量就是核密度估計(jì)函數(shù)的權(quán)值大小。

當(dāng)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核函數(shù)符合正態(tài)分布的高斯核函數(shù)時(shí)，定義了高斯核函數(shù)，表示為：

其中，γi表示附帶權(quán)值為i的核函數(shù)，γj表示附帶值為j的核函數(shù)，Ai表示核函數(shù)γi對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)，Aj表示核函數(shù)γj對(duì)應(yīng)的中心， 表示權(quán)值為γi+γj的核函數(shù)， 表示權(quán)值為γi+γj的核函數(shù)中心點(diǎn)。

根據(jù)以上過程，利用高斯核函數(shù)，監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2? 電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

以電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，利用雙饋調(diào)速裝置調(diào)節(jié)電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度，雙饋調(diào)速裝置具有理想的速度調(diào)節(jié)性能，可以通過改變電源頻率，調(diào)節(jié)電氣設(shè)備的變頻速度。雙饋調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙饋調(diào)速裝置在運(yùn)行中的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率的計(jì)算公式為：

其中，f表示定子的供電頻率，η表示轉(zhuǎn)差率，N表示極對(duì)數(shù)，n0表示雙饋調(diào)速裝置的同步轉(zhuǎn)速， 表示雙饋調(diào)速裝置在運(yùn)行中的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

由于定子繞組對(duì)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)進(jìn)行切割會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[8]，利用式（6）計(jì)算定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)：

其中，Mw1表示雙饋調(diào)速裝置的繞組系數(shù)，R1表示繞組匝數(shù)， 表示磁通量。

為了避免磁通量對(duì)電氣設(shè)備的性能造成影響，在調(diào)節(jié)過程中，需要考慮到定子繞組的電勢(shì)變化情況，根據(jù)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)和頻率的同步控制，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)。

2? 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1? 實(shí)驗(yàn)背景

為了驗(yàn)證文中方法在電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)中的有效性，采用雙饋電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速裝置，如果調(diào)速裝置帶負(fù)載運(yùn)行，當(dāng)調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 rad/min時(shí)饋入，饋入變頻器輸出的頻率為6.5 Hz，輸出的有效電壓為19 V。電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)的過程中，變頻器輸出的頻率可以調(diào)節(jié)，增加或減少的補(bǔ)償均為0.2 Hz，此時(shí)變頻器輸出的電壓保持19 V不變。

2.2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以某一電氣設(shè)備為研究對(duì)象，在2.1的實(shí)驗(yàn)條件下，獲取變頻速度調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

2.3? 轉(zhuǎn)速估計(jì)效果

為了驗(yàn)證文中方法的優(yōu)勢(shì)，引入基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC的調(diào)節(jié)方法作對(duì)比，分別在負(fù)載恒定和負(fù)載擾動(dòng)的條件下測(cè)試了電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速估計(jì)效果，結(jié)果如圖2所示。

從圖2的結(jié)果可以看出，在負(fù)載恒定的條件下，基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC的調(diào)節(jié)方法對(duì)電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速的估計(jì)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速之間的誤差較大，且估計(jì)結(jié)果大于實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速；在負(fù)載擾動(dòng)的條件下，基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC的調(diào)節(jié)方法對(duì)電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速的估計(jì)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速之間仍然存在較大誤差，且估計(jì)結(jié)果小于實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。但是采用基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法時(shí)，無論是在負(fù)載恒定條件下還是負(fù)載擾動(dòng)條件下，估計(jì)得到的轉(zhuǎn)速與實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速都比較接近，驗(yàn)證了文中方法的估計(jì)精度更高。

2.4? 變頻調(diào)速效果

同樣是在負(fù)載恒定和負(fù)載擾動(dòng)的條件下，利用三種方法調(diào)節(jié)電氣設(shè)備的變頻速度，測(cè)試了電氣設(shè)備的轉(zhuǎn)速情況，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3的結(jié)果可知，在負(fù)載恒定的條件下，采用基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC的調(diào)節(jié)方法對(duì)電氣設(shè)備的變頻速度進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，電氣設(shè)備的轉(zhuǎn)速低于期望轉(zhuǎn)速，無法滿足電氣設(shè)備在合適轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行；在負(fù)載擾動(dòng)的條件下，采用基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC的調(diào)節(jié)方法對(duì)電氣設(shè)備的變頻速度進(jìn)行調(diào)節(jié)之后的轉(zhuǎn)速，與電氣設(shè)備期望轉(zhuǎn)速之間的差距較大，說明其對(duì)電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)的性能較差。但是采用基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法對(duì)電氣設(shè)備的變頻速度進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，無論是在負(fù)載恒定條件下還是負(fù)載擾動(dòng)條件下，調(diào)節(jié)之后的電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速非常接近，說明基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法可以使電氣設(shè)備在期望轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，大大提高了工作效率。

2.5? 自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)響應(yīng)耗時(shí)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的實(shí)際應(yīng)用性能，分析不同方法的變頻速度調(diào)節(jié)響應(yīng)耗時(shí)，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4數(shù)據(jù)可知，文中調(diào)節(jié)方法的響應(yīng)時(shí)間低于1.0 s，而基于紅外成像技術(shù)的調(diào)節(jié)方法和基于PLC調(diào)節(jié)方法的響應(yīng)時(shí)間均較高，其中前者的響應(yīng)時(shí)間最低值達(dá)到了1.6 s，而后者的響應(yīng)時(shí)間最低值達(dá)到了2.5 s，三種方法響應(yīng)時(shí)間雖然均較小，可以滿足實(shí)際需求，但是本文方法的響應(yīng)時(shí)間最短，比另外兩種方法的響應(yīng)時(shí)間降低了0.6 s和1.5 s以上。由此可知，文中基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法有效降低了響應(yīng)時(shí)間，該調(diào)節(jié)方法的實(shí)際性能更優(yōu)。

3? 結(jié)? 論

本文提出了基于雙饋調(diào)速裝置的電氣設(shè)備自動(dòng)化變頻速度調(diào)節(jié)方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用該方法對(duì)電氣設(shè)備的變頻速度進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，可以使電氣設(shè)備在期望的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，具有更高的調(diào)節(jié)精度。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以引入抗電磁干擾技術(shù)，避免電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中受到電磁干擾，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：劉永（1989.07—），男，漢族，山東德州人，工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。