变频调速技术在电机控制中的应用

变频调速技术在电机控制中的应用

徐伟

杭州中车车辆有限公司   浙江杭州   311200

摘要：基于按里面分析，阐述变频器技术及其优点，供水泵组变频器PID控制方式，改造后系统的运行效果，探讨变频器技术的启动特性、保护功能、节能性能。

关键词：变频器，PID控制，启动特性

供水泵站是公司供水系统的水源站，建有2座3000储水池、1座生产泵房，工程完工后储水量为6000，在外部水源断水的情况下，能连续正常供水24h。外部水源来水直接进入泵站储水池，经过泵站生产泵加压后打入公司水系统综合管网，供公司各工序用户用水。整个供水管线长、覆盖面大、用户多，是公司正常生产的血脉。

1研究背景

改造前，为满足生产需要，通常保持一台设备满负荷持续运转，由人工手动控制启停和调整出水压力。系统用户使用量大时，系统压力下降，如果不能及时调整恢复系统压力，就造成用户用水受到影响。当系统用户用水量少时，系统压力会突然升高，如果不能及时发现，做出降压调整，就会使管网处于高压状态下运行，造既浪费电能还威胁管网安全。正常情况下，系统管网保持0.4Mpa就可满足需求，由于用户太多，用水量随时间变化，供给压力波动较大，峰值波动较大，最小压力约为0.1              MPA，有些末端用户可能面临断水的风险，威胁到生产的安全运行。为确保各用户用水需求，整个供水管网只能被迫提压运行，系统压力提高至0.5MPa左右。因压力高，多次出现管道破裂，既浪费了水资源又对生产造成了威胁，也加大了设备维护管理难度和成本。

其控制方式存在以下弊端：①水泵组原控制方式采用接触器直接启动的方式，启动电流为额定电流的5～7倍。一方面电网电压下降，威胁电网中其他设备的安全运行。另一方面，大电流容易使电机绕组过热，加速绝缘老化，缩短电机使用寿命。②泵组启动瞬间，产生巨大的机械冲击，会加速机械传动部件的磨损，特别是对机械密封的损伤非常大。③传统控制方式机组基本在定频、定工况下运行，不能根据实际情况实现自动调节，一般定频高负荷下运行，存在电能浪费现象。

2变频器选择

变频器是一种把工频电源（50Hz或60Hz）变换成所要求频率的交流电源，来实现电机的变速、调速的设备。变频调速技术在近年来有着突飞猛进的发展，变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，且高效率、反应速度快和高灵敏度等特点，是目前运用最为广泛的交流电动机变频系统调速方式，早起采用电压源型变频器，但受到灵敏度、使用效率等限制，相继研发出：交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。变频器主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。这四部分相互依存共同作用，实现交流驱动的高精度、高灵敏度、低转矩脉动、低噪音、无传感器等性能指标。通过各项指标对比，变频调速器对多电机控制采用“同步电动机自控式变频调速”方法，它具有调速范围广、平滑性较高，机械性能稳定等优点，可以高效地实现恒转矩或恒功率调速。在变频器选择时应特别注意容量参数、电动机的额定电流、拖动电机数量容量等参数，其中变频器容量的选择尤为重要，在选择时应注意①并联追加投入启动，②大过载容量确定，③轻载电动机额定功率计算等。

3改造后供水泵组变频器PID控制方式

通过对供水泵站生产供水泵组控制方式进行改造，通过变频器PID闭环控制，启动生产泵机组变频器压力，实现恒压供水。采用富士公司的FRN型变频器实现水系统的手动以及自动控制。手动时，变频器通过输入命令信号控制，输出一定频率信号，控制泵速；自动情况下，变频器PID功能被激活，变频器按照给定的压力值控制泵组的正常运行。管网设置有压力变送器，运行工作压力信号(4～20mA)通常输入变频器。变频器将压力信号与变频器设置的工作压力值进行比较，以产生差值A。通过这个差值变频器调整输出的频率，达到变频调速的效果，使供水母管压力能够保持稳定。图1为系统工作原理框图。

假设系统网络压力为P，压力反馈信号为Pf，变换器的定压力（目标值）为PS，那么变频器设定值与管网压力反馈值之差就是变频器的PID调节量，设为A。分两种运行情况进行分析：①恒压运行情况。当供水管网用户用水量恒定无变化时，管网水压P稳定而无变化，反馈信号Pf与目标值Ps相等，PID调节量A为零，变频器输出保持不变，电动机在恒定频率下匀速运行。②压力变化运行情况。当管网用户用水量增加时，降低管网压力P，反馈信号Pf同步减小，Pf＜Ps；变频器PID产生正调节(A值为+)，变频器输出的频率增大，电机频率增大，泵输出增大，系统压力逐渐增大，当压力P回到目标值时，PID控制自动降为零，变频器输出保持不变，电机转速保持不变，系统进入新的平衡状态；管网用水量减小，管网压力P增大，反馈信号Pf增大，Pf＞Ps；变频器PID产生负调节(值为-)，变频器输出频率降低，电机转速降低，泵输出降低，当压力P返回目标值时，PID控制自动减小到零，变频器输出保持不变，电机转速保持不变，系统进入新的平衡状态。

4变频改造后系统运行效果

把水管网压力取样信号直接引入变频器，将变频器设为PID闭环控制，设置系统压力目标值为0.4MPa。变频系统根据外来压力信号大小，直接调节变频器的输出，将机组控制在恒定运行状态下。通过改造后，实现了恒压供水，各方面效果相当明显。①本次改造投资小、见效大，对原系统没有做大的改动，只增加一台变频器。通过改造，设备的启动电流降低，减小了对电网的影响，系统的供电质量得到了提高。实现变频启动和降速运行，减小设备机械冲击和摩擦，泵组机械寿命延长，节约了维修成本。②实现恒压供水，减少管网压力波动，使管网稳定在一个安全的运行压力环境下，既满足了用户的持续用水需求，又实现了管网的降压运行（由原来的0.5MPa下降至0.4MPa），保证了管网的运行安全。③供水系统实现恒压自动调节，设备开启后，系统根据管网总管供水压力自动实时调节，完全满足用户供水需要，正常运行中，只需要定时对泵组及管网运行情况进行点巡检和正常维护即可，不再需要专门设置专人监控和调整泵站的运行情况，大大降低了操作人员的劳动强度。④节能效果明显，改造前为满足用户需要，防止水压突然降低，补压不及时造成用户供水中断，系统压力一直维持在高位运行，泵组基本处于满负荷状态。改造后，系统降压运行，泵组用电功率由原来的132kW下降到82kW，年节约电能40多万kWh；系统压力降低，整个供水管网的漏水量减少，减少了客户端的浪费，节约了水资源。

结语：

分析表明，在现代工业控制系统中变频器已经广泛应用，特别是在风机、水泵系统控制中得到了广泛的应用，实现了设备降压启动、变频调速、恒压供水等，节约了能源，延长了设备寿命，简化了操作和控制流程，提高了整个工业领域的设备控制水平。

参考文献：

[1]朱玉堂.变频恒压供水系统的研究开发及应用[D].浙江：浙江大学,2005.

[2]方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].甘肃：兰州理工大学,2008.

[3]黄良沛.城市供水系统的优化调度与智能控制研究[D].湖南：中南大学,2005.

[4]祁增慧.基于PLC控制的城市恒压供水系统[D].天津：天津大学,2008.