基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法

摘  要：为提高电气设备自动化变频速度调节性能，提出基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法。根据滑动窗口的分配，划分电气设备状态数据，利用高斯核函数监测设备运行状态，根据双馈调速装置实际转速和转差率，计算定子绕组反电动势，通过对反电动势和频率的同步控制，实现变频速度调节。实验结果表明，采用该文方法调节电气设备自动化变频速度后，在负载恒定和扰动条件下均可使电气设备在期望转速下运行，并且响应时间较短，提高了工作效率。

关键词：双馈调速装置；速度调节；变频调速；自动化；电气设备

中图分类号：TM933    文献标识码：A    文章编号：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

为了提高生产效率，学者们纷纷开启了电气设备变频调速的研究[1]。变频调速是一种较为先进的节能技术，它能够大幅度提高电气设备的生产效率，为生产企业带来更大的经济效益。此外，变频调速技术对电气设备本身的发展具有很大的促进作用。电气设备所需消耗的电能主要是由其自身的机械能转化而来[2]。随着现代工业和人们生活水平的不断发展，人们对电力效率的要求越来越高，因此对电气设备进行变频调速就成为必然选择。对电气设备进行变频调速能够很好地避免电气设备发生故障，有效减少电力资源消耗，提高电气设备正常工作时间，同时也能够节约电能。

刘齐等人[3]将红外摄像技术应用到电气设备的故障检测中，通过提取电气设备的红外图像，获取图像灰度与温度之间的映射关系，在红外热区域，提取电气设备的故障特征，并利用绝对温差法来判断电气设备的失效程度。试验结果表明，该方法的檢测精度高，稳定性好。李可成[4]为了解决钻井电气设备变频调速方法存在的可靠性差、维护性能低等问题，将PLC技术用于钻井电气设备的变频调速中。根据PLC技术的特点，建立PLC的控制系统；通过安装1台双馈调速装置，可以调整钻机的电机扭矩；通过采用前馈技术，克服了变频器对钻机电气设备静差的影响，达到对钻机电气设备进行自动变频调速的目的。可靠性分析测试及维护性能测试表明，此方法的可靠性较高，安全性较好。

1  电气设备自动化变频速度调节方法设计

1.1  监测电气设备的运行状态

在监测电气设备的运行状态时，电气设备运行环境的复杂性，会导致电气设备运行状态数据出现乱码[5]，因此需要先对电气设备的运行状态数据进行分类，步骤如下：

1）获取电气设备运行状态监测任务Q，并通过任务解析得到监测任务的ID集合E和监测任务解析参数。

2）当电气设备运行状态数据属于监测任务的ID集合E时，就可以监测到电气设备运行状态数据的抵达频率f，通过对抵达数据收发时刻的差值频率进行拟合处理，构建电气设备运行状态数据传输时延的概率密度函数g（x）。

3）根据电气设备运行状态监测任务的时序容错率δ、实时性要求T和传输时延的概率密度函数g（x），计算出数据分类的滑动窗口缓冲时间ΔT，通过分析电气设备运行状态数据的抵达频率f，获取滑动窗口中缓冲的数据量S。

4）将滑动窗口中缓冲的数据量S作为数据分类的依据，在数据缓冲区域内，为滑动窗口分配电气设备运行状态监测任务，保证缓冲区域内的监测任务与滑动窗口的对应性，如果缓冲区域中没有可以分配的闲置区域，那么就需要调整比例，对其他监测任务的缓存窗口进行分配[6]。

5）完成滑动窗口的分配之后，滑动窗口需要执行集合E的状态数据缓存操作，将电气设备状态数据划分为正常数据、失效数据和延时数据，按照一定顺序，丢弃或者传输到上层解析部分。

假设A=（a1， a2， …， an）表示电气设备运行状态数据集合，其中an表示电气设备在任意一个状态参数下的数据信息，对其进行核密度估计，可以得到：

随着带宽的增加，电气设备运行状态数据信息的核密度估计函数越来越平滑，核密度估计函数越小，说明电气设备运行状态数据与密度曲线之间的拟合效果越好。

在電气设备运行状态的数据分布中，n表示选取的随机变量样本规格，利用核密度估计函数[7]，电气设备运行状态监测中对核函数的需求量为n，因此，利用核密度估计函数的累加特征，将权值相同的电气设备运行状态数据信息转换成附带权值的核密度估计函数，那个转换的电气设备运行状态数据信息数量就是核密度估计函数的权值大小。

当电气设备运行状态监测的核函数符合正态分布的高斯核函数时，定义了高斯核函数，表示为：

其中，γi表示附带权值为i的核函数，γj表示附带值为j的核函数，Ai表示核函数γi对应的中心点，Aj表示核函数γj对应的中心， 表示权值为γi+γj的核函数， 表示权值为γi+γj的核函数中心点。

根据以上过程，利用高斯核函数，监测电气设备的运行状态。

1.2  电气设备自动化变频速度调节的实现

以电气设备的运行状态为依据，利用双馈调速装置调节电气设备自动化变频速度，双馈调速装置具有理想的速度调节性能，可以通过改变电源频率，调节电气设备的变频速度。双馈调速装置的结构如图1所示。

双馈调速装置在运行中的实际转速和转差率的计算公式为：

其中，f表示定子的供电频率，η表示转差率，N表示极对数，n0表示双馈调速装置的同步转速， 表示双馈调速装置在运行中的实际转速。

由于定子绕组对旋转的磁场进行切割会产生电动势[8]，利用式（6）计算定子绕组的反电动势：

其中，Mw1表示双馈调速装置的绕组系数，R1表示绕组匝数， 表示磁通量。

为了避免磁通量对电气设备的性能造成影响，在调节过程中，需要考虑到定子绕组的电势变化情况，根据定子绕组的反电动势和频率的同步控制，实现电气设备自动化变频速度调节。

2  实验对比分析

2.1  实验背景

为了验证文中方法在电气设备自动化变频速度调节中的有效性，采用双馈电动机作为调速装置，如果调速装置带负载运行，当调速装置的转速稳定在1 500 rad/min时馈入，馈入变频器输出的频率为6.5 Hz，输出的有效电压为19 V。电气设备自动化变频速度调节的过程中，变频器输出的频率可以调节，增加或减少的补偿均为0.2 Hz，此时变频器输出的电压保持19 V不变。

2.2  实验数据

以某一电气设备为研究对象，在2.1的实验条件下，获取变频速度调节的实验数据，如表1所示。

2.3  转速估计效果

为了验证文中方法的优势，引入基于红外成像技术的调节方法和基于PLC的调节方法作对比，分别在负载恒定和负载扰动的条件下测试了电气设备转速估计效果，结果如图2所示。

从图2的结果可以看出，在负载恒定的条件下，基于红外成像技术的调节方法和基于PLC的调节方法对电气设备转速的估计结果与实际运行转速之间的误差较大，且估计结果大于实际运行转速；在负载扰动的条件下，基于红外成像技术的调节方法和基于PLC的调节方法对电气设备转速的估计结果与实际运行转速之间仍然存在较大误差，且估计结果小于实际运行转速。但是采用基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法时，无论是在负载恒定条件下还是负载扰动条件下，估计得到的转速与实际运行转速都比较接近，验证了文中方法的估计精度更高。

2.4  变频调速效果

同样是在负载恒定和负载扰动的条件下，利用三种方法调节电气设备的变频速度，测试了电气设备的转速情况，结果如图3所示。

根据图3的结果可知，在负载恒定的条件下，采用基于红外成像技术的调节方法和基于PLC的调节方法对电气设备的变频速度进行调节之后，电气设备的转速低于期望转速，无法满足电气设备在合适转速下的运行；在负载扰动的条件下，采用基于红外成像技术的调节方法和基于PLC的调节方法对电气设备的变频速度进行调节之后的转速，与电气设备期望转速之间的差距较大，说明其对电气设备自动化变频速度调节的性能较差。但是采用基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法对电气设备的变频速度进行调节之后，无论是在负载恒定条件下还是负载扰动条件下，调节之后的电气设备转速与期望转速非常接近，说明基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法可以使电气设备在期望转速下运行，大大提高了工作效率。

2.5  自动化变频速度调节响应耗时

为了进一步验证方法的实际应用性能，分析不同方法的变频速度调节响应耗时，结果如图4所示。

根据图4数据可知，文中调节方法的响应时间低于1.0 s，而基于红外成像技术的调节方法和基于PLC调节方法的响应时间均较高，其中前者的响应时间最低值达到了1.6 s，而后者的响应时间最低值达到了2.5 s，三种方法响应时间虽然均较小，可以满足实际需求，但是本文方法的响应时间最短，比另外两种方法的响应时间降低了0.6 s和1.5 s以上。由此可知，文中基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法有效降低了响应时间，该调节方法的实际性能更优。

3  结  论

本文提出了基于双馈调速装置的电气设备自动化变频速度调节方法，经过实验测试发现，采用该方法对电气设备的变频速度进行调节之后，可以使电气设备在期望的转速下运行，具有更高的调节精度。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以引入抗电磁干扰技术，避免电气设备在运行过程中受到电磁干扰，保证其运行的稳定性。

参考文献：

[1] 胡雪梅，吴会营.基于模糊控制的农用升降机变频调速系统研究 [J].农机化研究，2021，43（1）：191-195.

[2] 高晨，赵勇，汪德良，等.海上风电机组电气设备状态检修技术研究现状与展望 [J].电工技术学报，2022，37（S1）：30-42.

[3] 刘齐，王茂军，高强，等.基于红外成像技术的电气设备故障检测 [J].电测与仪表，2019，56（10）：122-126+152.

[4] 李可成.基于PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法 [J].能源与环保，2022，44（7）：206-210.

[5] 何畅，王社良，江力强.多重不确定性下的电气设备地震失效风险评估 [J].振动与冲击，2022，41（12）：84-94.

[6] 律方成，牛雷雷，王胜辉，等.基于优化YOLOv4的主要电气设备智能检测及调参策略 [J].电工技术学报，2021，36（22）：4837-4848.

[7] 魏淼淼，何畅，谢强.近远场地震下软导线耦联电气设备体系地震响应分析 [J].高压电器，2022，58（8）：23-32+49.

[8] 王征宇，程小猛，陆海峰.基于CAN总线和虚拟仪器技术的变频调速实时监控系统 [J].电测与仪表，2020，57（18）：1-4.

作者简介：刘永（1989.07—），男，汉族，山东德州人，工程师，本科，研究方向：电气工程及其自动化。