高壓變頻器輸出速度控制與信號改進技術分析

【關鍵詞】高壓變頻器；輸出速度控制；信號改進技術；SoC信號采集系統；輸出濾波裝置

引言

高壓變頻器實質上是一種能夠調整電動機輸入電壓的頻率和幅值、精確控制電動機輸出功率及轉速等關鍵參數的電氣設備。該設備在電動機調速等場景內發揮著關鍵性作用。其信號輸出速度直接影響著功能表現，關乎著電動機的運行質量。為進一步維持電動機設備的高效運行狀態，相關行業有必要加強優化改進，以達到節能效果，創造有利的信號傳輸運維管理條件。

一、高壓變頻器輸出速度控制與信號傳輸質量對電動機的影響

高壓變頻器輸出速度控制精度及信號傳輸質量直接影響電動機的運行狀態。闡述具體影響時，筆者專門列舉了故障實例，用于驗證兩者的相關性。如某個主營工業生產業務的企業，在產品加工項目中，以球磨機（公稱直徑3.8 m，長13 m）充當加工設備，配有YPKK50028型號的循環風機電動機（10 kV，22.9 A，280 kW），該電動機配置ZINVU25型號高壓變頻器（24 Hz至35 Hz；三相電路；24個功率單元）。在多年的持續運行中，該電動機未出現過停機故障。然而，某一日突然出現長達46小時的停機，造成該企業效益受損。為快速恢復球磨機設備的正常運行狀態，檢修人員對風機電動機溫度及振動值等參數進行測量，未見溫度異常表現，但振動值卻出現1.3 mm/s的變動問題。經超聲探傷檢測技術查證，該故障為電動機未與風機聯軸器保持同步運行所致[1]。

根據對該故障成因的分析發現，高壓變頻器的輸出速度控制信號延遲及信號失真是導致聯軸器失步的核心原因。為避免該設備再度出現停機故障，需針對高壓變頻器的輸出速度控制精度與信號傳輸質量進行優化改進，以獲得滿意的電動機轉速同步性控制效果。

二、高壓變頻器輸出速度控制與信號改進的技術優化路徑

（一）改進變頻器原拓撲結構

根據對其他學者研究成果的分析可知：高壓變頻器通常不具備統一性電路拓撲結構，這就導致變頻器輸出速度不達標時輸出的控制信號，可能對電動機產生不利影響。基于電路拓撲結構與變頻器信號輸出速度及電動機運行穩定性的相關性結論，筆者認為有必要對原拓撲結構進行改進，推薦采用改進型模塊化多電平拓撲結構，進而期待依靠新拓撲結構，使電動機在高壓變頻器高速輸出下保持可靠狀態，維持轉速均衡。關于新拓撲結構下高壓變頻器輸出電壓與輸出電流等參數之間的相關性，可參考公式（1）進行分析：

U0=UOMcos（ωt）=12mUdccos（ωt）

i0=IOMcos（ωt－φ）（1）

其中，U0表示改進型模塊化多電平換流器的輸出電壓；UOM表示高壓變頻器的輸出電壓；ω表示輸出頻率；m表示輸出調制比；Udc表示串聯開關輸出電壓；i0表示改進型模塊化多電平換流器的輸出電流；IOM表示高壓變頻器的輸出電流；φ表示相位。

公式（1）中第一個方程揭示了輸出電壓U0的生成機制：調制比m作為關鍵控制變量，通過調節功率單元開關狀態實現對 U0的幅值控制；Udc（直流母線電壓）與輸出幅值呈線性關系；cos（ωt）體現輸出電壓的基波時域特性。公式（1）中的第二方程表征負載電流特性：φ相位角反映電動機功率因數，其滯后特性由負載電磁參數決定；IOM電流幅值受負載轉矩直接制約。該數學模型從電磁能量轉換層面量化了拓撲結構對輸出電能質量的調控能力。

為證明該優化路徑具有現實意義，筆者主張以有限元仿真分析方式設計仿真實驗，選用功率因數為0.99、額定直流電流為180 A、額定調制比為0.8、交流輸出電流賦值為250 A、直流母線電壓為8 kV的改進型模塊化多電平換流器充為實驗樣本。統計串聯開關導通及開關損耗功率時，顯示分別為57 W、49 W，其損耗占比約為1.5%，故認定相比原拓撲結構，新拓撲結構能為電動機高效運行提供一定保障，整體損耗較小，值得通過該拓撲結構優化高壓變頻器輸出信號[2]。

通過連接可控開關，可以實現對變頻器閉合狀態的精準調控。為使該拓撲結構在提升變頻器輸出速度和信號穩定性方面展現出顯著優勢，可進一步實施電容優化設計。采用改進型模塊化多電平換流器的變頻器，能夠有效抑制電壓和電容波動，彰顯其應用價值。與此同時，引進新拓撲結構后，也可以對原有控制模式進行改進，以串聯開關控制或換流控制等模式，使電動機在變頻器持續穩定輸出速度下傳輸并接收信號，使其轉速、轉矩等指標均處于可控狀態。此處單以串聯開關控制模式為例，得益于該模式可降低開關損耗量，具體可為變頻器串聯晶閘管，同時在晶閘管開關輔助下輸出開關延遲響應驅動信號的指令，以達到零電流關斷效果。

（二）融合PLC控制技術

要實現高壓變頻器輸出速度控制與信號的有效改進，還可以融合PLC控制技術。通過引進該技術，能進一步增強該設備的精準控制輔助作用，以此降低電動機故障風險，在信號高速穩定輸出條件下正確執行控制指令。經分析可從兩種不同思路展現PLC控制技術的實用價值。

1.轉差率控制

以PLC技術控制高壓變頻器轉差率，主要是通過修正變頻器輸出功率等參數的形式來提高儲能水平，具體過程如公式（2）所示：

U0=K1×UcK2×K3

α=1lgU0Uc（2）

其中，U0表示誤差修正后標稱電壓；K1、K2、K3分別表示電壓波動系數、機械振動噪聲誤差、變頻器壓敏電阻老化系數；Uc表示誤差修正前標稱電壓；α表示非線性系數。

應用PLC技術期間，工作人員可按照參數解析與初始化編程操作→信號采集→信號轉換→信號輸出的步驟，設置配套PLC控制單元。在初始化操作步驟中，需在PLC編程過程寫入電壓，電流，電容等有關參數，之后借助PLC執行器采集信號，同時在“控制信號——轉換信號”條件下輸出各參數轉換后的信號。變頻器獲取這些輸出信號后，可快速響應輸出指令。值得關注的是，以PLC技術為優化工具，還應當借鑒公式（3），使PLC執行器具備高速運行特點：

vt=Qf（t）

vs=Qf（s）（3）

其中，vt、vs分別表示PLC執行程序給定的“提速”標準；Q表示高壓變頻器輸出容量；f（t）、f（s）均指代加速函數；t、s各表示PLC控制過程中流程執行時間、執行行程。

為表明融合PLC技術后能有效降低高壓變頻器轉差率，同樣可利用有限元仿真分析法進行對比。以級聯型產品（輸入單元電流諧波小于等于2%，功率因數大于等于0.95，輸出電壓1 kV，電壓波動-20%到35%，輸出電壓調速比100∶1，輸出頻率50 Hz，輸出電壓1.16 kV）為研究主體，整理轉差率，分析實驗結果。不同控制技術下高壓變頻器轉差率的分析結果對比，如表1所示。由表1可知：與傳統控制技術（四象限變頻器整流控制）比較，該優化路徑下轉差率更小，故可加強PLC技術的深度融合[3]。

2.安全控制

PLC技術的應用，不僅能夠降低高壓變頻器的轉差率，還能應用于具備安全控制需求的電動機中，實現安全控制目標。具體的優化設計流程如下：首先輸出安全控制信號，接著接收信號并執行安全控制指令；然后分析控制目標參數并轉換格式，操作安全控制程序，獲取電動機狀態參數，識別異常參數；最后整合信號并執行安全控制策略，以此完成優化設計。

安全控制的核心原理在于建立“預測—響應—反饋”閉環機制。PLC通過高速I/O模塊實時采集電動機電流、電壓、溫度等關鍵參數，并基于IEC611313標準構建安全邏輯。通過分層控制策略，可顯著提升安全控制系統的魯棒性。

（1）預測層：采用滑動窗口算法預判異常趨勢。例如當電流突變率大于50 A/ms時，觸發過流風險預警。

（2）響應層：執行三級響應策略，即一級（軟停機，響應時間小于等于100 ms）、二級（降頻限幅，調制比m降至0.6）、三級（動態補償，注入反向諧波抵消轉矩脈動）。

（3）反饋層：通過PROFIBUS總線將故障代碼反饋至人機界面，支持操作員快速干預。

因該思路具有創新性，所以此處僅列舉研究路徑，不拓展分析。經過仿真分析得出以下結論，可為該思路可行性提供依據：傳統控制技術下超調量、調整時間及誤差值分析結果分別為0.5%、6 s、0.01 m，安全控制技術下超調量為0.1%，調整時間為2 s，誤差值經分析為0.01 m。對比后發現，PLC控制在電動機安全控制場景內所需時間更短，超調量較小。因此，有必要通過PLC技術優化高壓變頻器信號輸出安全性，并從多個角度獲取PLC技術融合應用節點[4]。

（三）配置輸出濾波裝置

高壓變頻器輸出濾波也會對電動機造成一定影響，所以在改進優化部分，為同步改善輸出信號穩定性及輸出速度，抑制電動機故障，需專為該設備配置輸出濾波裝置，通過減少濾波的方法，達到預期改進效果。如針對上述電動機出現的振動故障，可在上述實踐改進優化思路基礎上，制定輸出濾波裝置配置計劃，使高壓變頻器具備抗干擾性。關于該裝置的優配設計，筆者認為可設置“直流母線電壓與開關時間比值與電壓波動率基本相同”的優化條件，而后以降低電壓波動率的形式，使電動機獲得準確的驅動信號。選擇輸出濾波裝置期間，要求工作人員將等效阻抗作為重要參數，提高信號輸出速度。

通常情況下，為防止該裝置運行中引起變頻器升溫表現，該裝置所需電抗器部件還需要適當增加額定電流參數。結合其他學者的研究內容，兼顧筆者實踐經驗，認為在遠距離應用場景內，延長1 km則對應15%的額定電流增幅，此時能使該裝置發揮出諧波過濾輔助作用。

在實際優化改進階段，工作人員可為高壓變頻器配置具有風扇工具的輸出濾波裝置，使該裝置在濾波功能下體現散熱效果，也能為該裝置中的電抗器等配件的正常運行提供依據，確保高壓變頻器在此裝置調控下，獲得信號準確輸出與控制指令實時響應等高速輸出效果。目前，該優化改進措施已在礦用遠距離供電電氣設備中得到應用，今后也將繼續探索其余領域的適用性，便于依靠此裝置改進信號輸出穩定性。該措施在某種程度上降低了電動機故障率，削弱了高壓變頻器對電動機的不利影響。

（四）研發SoC信號采集系統

改進高壓變頻器輸出速度控制與信號時，還可嘗試運用相對成熟的SoC信號采集系統，借助該系統，增加信號采集精度，使輸出速度得到顯著提升。主要可從系統的軟硬件研發兩個層面進行闡述。硬件研發設計部分，可配備模擬數字轉換器等硬件設施，強調該設施至少要具備8 MHz信號輸入頻率標準，同時連接的單片機也要具有靈活性特點，必要時可在硬件設施內部增配采樣放大器（串行連接/并行連接）。其余硬件則以模擬信號輸出→信號調理→信號轉換→數據處理傳輸→數據顯示等步驟為具體標準進行優選。軟件研發則以觸摸屏控制、按鍵控制、模數轉換器（AnalogtoDigital Converter，ADC）控制等功能模塊的優化設計為主。以ADC數據寄存功能為例，可通過設置標準化地址映射條件（數據注冊地址0x7DE00004，數據寄存地址0x7DE00008等），實現對數據的有效寄存。并在該功能模塊設計環節中，以采樣率讀取、采樣時鐘設置、信號有效性分析、輸出信號是否進行延時等待等流程，使高壓變頻器在此系統指引下正確輸出信號，并實現高速輸出。

結語

高壓變頻器若輸出速度控制與信號不穩定或低效輸出，都可能引發電動機故障，或者對其運行狀態帶來干擾。故此，筆者結合相關研究成果，強調在優化改進階段，可從改進變頻器原拓撲結構、融合PLC控制技術、配置輸出濾波裝置、研發SoC信號采集系統四個方面，制定優化改進計劃，確保優化后的高壓變頻器的輸出速度與控制信號執行正確率均能得到顯著調控，進而展現該設備的實用功能，為電動機的可靠運行提供重要保障。

參考文獻：

[1] 鐘永明，曾昶盛，郭忠國，等.一種可重構雙輸出微波光子變頻器的設計與仿真[J].中國激光，2023，50（10）：156166.

[2] 周少澤，李彬彬，王景坤，等.改進型模塊化多電平高壓變頻器及其控制方法[J].電工技術學報，2018，33（16）：37723781.

[3] 孫式運.基于PLC的級聯型高壓變頻器轉差率控制技術[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2024，20（04）：4348+60.

[4] 劉來民，馮慶濤，田冠軍，等.基于PLC的機械設備安全控制系統設計[J].信息與電腦（理論版），2022，34（18）：132134.