电气自动化控制中变频调速技术应用探讨

金家国

（山东华特环保科技有限公司 山东济南 250101）

随着人们物质生活的逐渐改善，其对社会生产力提出了越来越高的要求，而变频调速方式已经在诸多领域获得良好的应用成效。为加强电气自动化管理，电气技术人员积极利用变频调速方法，由此促进电气技术公司取得长远稳定发展。

1 电气自动化管理方面变频调速技术运行原理

1.1 运行原理

电气自动化管控环节，技术人员能合理利用变频调速方式。运行原理：软启动器降耗、功率因数补偿和变频调速降耗等。

第一，应用变频调速技术运行原理。运行电源的输入频率和电机转速成正比，它的等式是：

n=60f(1 -s)/p

式中，n表示转速，f表示输入频率，s表示电机转差率，p表示电机极对数。依靠电机运行电源频率，调整电机转速。如果电机整体运行效率不变，其控制频率不断减小时，则转速也将减小，从而引起功率下降。

第二，当电气装置处于低功率情况下时，其装置将出现发热状态，由此增多了电损［1］，减少其内部电能，降低电气装置应用效果及应用寿命，还会面临巨大的资源耗费，在增多不必要成本的基础上，会改变其工作效率。采取变频调速技术，能有效补偿电气装置的功率因数，由此减少电损。

第三，通常，电气装置启动方法大都是Y/D启动或直接自动。电气装置启动的一瞬间，它的电流将快速超过额定电流，还将达到其数值的5倍以上，影响其应用寿命。如果技术人员采取变频调速技术，能极大降低启动电流，提高电机的可靠性，减小其给电网造成的冲击，从而保证电气自动化管控效果。电机运行原理如图1所示。

图1 电机运行原理

1.2 变频调速方式的功能

目前，在电气自动化应用方面，变频调速方式的使用十分普遍，是因为其有特殊优势，主要包含以下几点。（1）采取变频调速方式，能有效降低电机开启瞬间的冲击。以往的电机开启是直接开启模式，这在开机瞬间将形成较强的电流，对电机造成冲击，进而损坏电机的电网与电源，长时间如此，将降低电机利用率。但采取变频调速方式以后，电机开启模式变成软启动形式，电机启动环节对本身电源系统的破坏很小，对电机来说就是一种保护。（2）变频调速方式的调速范围很宽，令电机应用性能更好。不同的电气装置与机械设备所使用的电机结构不一样，因此，在具体生产使用阶段，要调节电机转速，使用变频调速方式，可以大大提高电机应用性［2］。使用变频调速方式，能完成电机频率0Hz至几百Hz的调节，让一种电机适合多个场景使用。（3）利用变频调速方式后，还能有效节约电能资源，按照不同状况调节电机电源频率，能降低电机能耗，节省电能。

2 电气自动化管理方式设计要点

2.1 设备运转信息收集

按照减少人员操作的设计理念，本文在信息收集模块选择分层全开放形式设计，模块由主控层与现地单元层构成。主控层涉及操作作业站、以太网交换机、Modem，以实时监控和收集电气设备运转信息，且统计机组运转记录，为监督管控、HMI人机交互、信息通信等奠定基础，依靠Modem完成和上级调度、电气管理室数据管理系统的通讯［3］。在现地管理单元层设置LCU设备与对应线路监控各电气装置，负责定期收集电气装置运转状态及参数，对信息进行预处理，存储在信息库内，用作各种计算、控制等作用体现的依据。

2.2 控制状态下的数据交换

控制状态的数据交换包含PLC和设备间及其收集系统和PLC 间的通信，PLC 与设备间的信息传送选择RS485串口通信，采取MODBUS协议，将电气系统通信端口串接好后，与PLC 协议卡实现信息传送。MODBUS通信协议波特率是9600Bd，涉及1位起始位、8 位信息位、1 位停止位与CRC 校验位。传送信号之前，先要划分信号，将之分为正、负两部分，且基于两条传送线分别完成传输。接收器接收信号后对信号作相减处理，由此得到原始信号。PLC 与信息收集系统间的信息传输单位是“帧”，信息收集发送通信信号给PLC，PLC接收后，主动传输响应帧给控制系统。

2.3 电气自动化管理比例计算

按照以上数据交换结果获取的电气装置运转参数与实际运行要求求出电气自动化管理比例。管理比例主要指调整电气智能化增益的最基本管理基础，所以，对智能化控制比例计算是：

Q=λq

q=r(t) -s(t)

式中，Q代表控制信号，λ代表自动化管理比例增益，q代表控制偏差，r（t）代表参考增益量，s（t）代表管控反馈量。控制比例能迅速缩小控制误差值，但无法消除控制稳态偏差，管理比例作用强弱和误差大小成正比关系。不同之处在于起到的作用不一样，较小时，调控作用也很小；而加大，则管控作用加速；但超出规定范围时，会严重影响稳固性，所以，选择细分控制比例高低。

2.4 借助变频调速方式的参数管理

基于以上电气装置运转信息收集与计算，按照研究的电气自动化管理比例，采取调速系统对设备运转实现变频调速，管理运转参数。调速系统装置采取符合控制比例中的微调、行程调节等需求的交流变频设备。选择基于FPGA 的EP2C5Q208C8 芯片，涉及5 个构成电路，由此体现星座映射、FFT、循环前缀插进、缓冲与D/A的作用，且完成对每个系统功能的模拟验证。图2所示是变频调速系统管控原理。

图2 变频调速系统管控原理图

变频器搭配制动电阻起到制动作用，避免由于大型机械装置高速转动的机械能形成电能破坏变频控制设备。变频器在该控制系统内采取的是矢量控制方式，调速管理交流异步电机转速，与基于数据交换系统的PLC设备实现通信，由此管控电动机的开启、速度调换、停止，变频管理电动机运转的具体运速就是依靠ZSW1向PLC设备反馈。利用控制软件，优化安装变频器，研究先进的变频器信息报文参数和电动机参数，再对变频器进行静态检测和动态检测，研究顺利完成后，变频器开启后能够灵活控制电动机转速，代表变频器能够开始稳定运转。当变频调速管理系统处于微调控制条件下时，主电机是微速度转动且能正/反运行，滑块的转动行程频率为5 次/min。当控制系统处在行程状况下时，主电机仅能作正方向高速转动，而且在持续模式下，它的滑块转动行程速率对应频率为10～15 次/min，速度持续能调，由此实时持续管控电气装置参数，提升其转动的科学性与稳固性。

3 具体应用试验检测

3.1 试验环境

以某300MW 机组电站的凝结水泵为研究对象进行试验，对其展开控制检测。凝结水泵的作用就是把凝汽器热水井中的凝结水及时地送往除氧器中，它和出口阀门、除氧器进水调节阀等一起构成了凝结水系统，承担着凝结水的输送、调节与维持凝汽器和除氧器正常水位的任务。该电站担负着电网调峰任务，负荷经常在50%～100%之间变动。该电站的凝结水模块包含2 台100%容量凝泵，稳定运行模式是一开一备，凝泵是离心式多级立式泵，设计流量是按照最大发电负荷设计为870m3/h，扬程是275m，轴功率790kW，泵效率83%，电机功率是1000kW，满负荷状态下电机效率是95.3%。凝结水泵定速运行，除氧器水位依靠上水调节阀门来控制，在负荷较低时，这种运行方式存在以下弊端：一是阀门调整节流损失大，造成电能浪费；二是依靠阀门开度来调整凝结水，凝结水泵出口压力高，管道磨损大，长期在低开度运行时，阀门前后压差大，加速阀门自身磨损，阀门控制特性变差，阀体密封性变差，阀门日常维护量大、维修成本高、设备使用周期短。基于以上原因，对凝结水水泵进行了变频调速技术改造，并且将变频装置的保护、监视和联锁信号接入DCS系统。

3.2 试验结果

通过变频调速技术改造，找到不同负荷点下对应的负荷凝水流量及设备频率。通过与凝结水泵工频运行对比，机组负荷在100%～50%负荷之间变化时，凝结水泵运行电流均比同工况下工频运行电流低15%～60%，节电率在15%～60%，机组负荷越低，节电效果越明显。改造后，凝结水泵电机实现了软启动，其启动电流远小于工频启动电流，减轻了启动转矩对电机的冲击。变频运行时，凝结水泵出口阀和除氧器上水调节阀全开，运行人员通过变频装置调节凝结水泵的转速来调节除氧器的水位，调节平滑，精度高，水位波动小，凝结水泵运行工况大大改善，调节阀全开，减少了阀门磨损，凝结水泵和阀门的维护量大大减少。

4 电气自动化管控方面变频调速方法的具体运用

4.1 V/F控制方式

这是现代化变频调速方法中十分关键的一种，其变频调速作用很好。调速过程中，V/F 控制方式是通过管理电机电压来把控电机运速，V/F 控制由压控振荡设备实现。V/F 控制原理是产生一种振荡频率电路，称为压控振荡器，它是一种受电压变化而产生电容变化的压敏电容器，当电压变化时，它的电容量就会发生改变。电容的变化会引起振荡频率的变化，产生频率的变化，将此控制频率用于输出到电机电压的频率，使被控制电机的转速发生改变。电气自动化管理环节，与V/F 控制方式相融合，自动化管控系统电压，进而取得V/F的精确管理，调节电机运速。

4.2 自适应电机系统模块

自适应电机系统模块是变频调速技术中比较常用的模块，主要作用在于有效测试变频器输入与输出的电流及电压，以保障变频器输入与输出的电流与电机运行性能参数相一致［4］。自适应电机系统模块属于一种电气智能化管控模块，既可以实时测量电机电压，也可以调节电机转矩，这样可以在最大程度上调节电机运速，体现自动变速作用。自适应电机系统模块是现今变频调速方法和现代化电气管理平台的集成引用，自适应电机系统模块实际运用中，其能达到电机的变频调速精度超过0.5%，既能提高变频调控效率，还能直接提高变频调速精确性。

4.3 加强减速区段低速防护

电气自动化管理系统内，使用变频调速方法还表现在减速区间管理上。当电气自动化管理设备正常运行时，设备稳固性是一项关键的评估指标，只有保障设备运转稳定，才可更好保障设备的运转高效性。而为了确保设备运转稳定，电气自动化管理设备正常运行阶段，有必要加强设备减速区间管理，设备在减速区间降速运动，严格管控电机转速将会在很大程度上提高设备稳固性。使用变频调速方法时，变频设备和PLC设备统一监控速度采样，且实时监控比较设备转速安全值，如果发现设备在具体运行环节，存在即将达到运速临界值或是已超出运速临界值的现象，需立刻采取PLC智能系统调整变频调速软件运行，让整个电力装置处于减速区段低速防护状态下，采取科学的减速措施来加强电气设备的防护［5］。在电气自动化管理系统内融入变频调速方法，既能有效调节电气装置运行效率，也能保护整个电气装置，确保电机可以高效、可靠运转。

4.4 等速区间超速管理防护

电气自动化管理方面，在变频调控方法的使用过程中，电机拖动装置与等速区间防护也是十分关键的工作内容。等速区间防护和微速区间防护基本原理一样，均是采取电气自动化系统管控变频调速系统，进而更好管控电机的运转速度，由此加强电机系统维护。电气设备长时间应用期间，很可能产生电机拖动装置超载应用现象，电机拖动装置超载应用状态下，电机本身的运速已超出规定的界定运速值，在长时间超速运行状态下，电机既会出现故障，还将影响电机利用效率［6］，而且，电机拖动装置也会产生运行故障。但是，变频调速系统和电气自动化系统相统一，能够加强等速区间超速管理，例如，在具体的系统内设置电机与设备运转速度不得大于最大运行速度的10%，如果产生电机运行速度大于最大运行速度10%的现象，等速区间维护系统将开启智能防护，自动控制软件联动变速调整平台调节电机运转速度，保障电机在安全转速以内，由此加强电机与电机拖动装置的防护。

5 结语

总而言之，变频调速技术在电气自动化中的普遍使用满足了生产工艺对电机的调速需要，提高了加工效率，降低了生产能耗，节约了成本。采取变频调速方式，能有效提高电气中各种模块的稳固性，在确保产品质量的基础上，增加企业的社会价值与经济利益。