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工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的機(jī)制創(chuàng)新論文
德國(guó)學(xué)者Blaschke于20世紀(jì)70年代提出矢量控制理論，這一理論的提出使交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了解耦，并能夠進(jìn)行矢量的變換，促進(jìn)交流調(diào)速動(dòng)、靜態(tài)性能達(dá)到直流調(diào)速的水平。80年代，德國(guó)學(xué)者Depenbrock接著提出直接轉(zhuǎn)矩控制原理，從而減少了在矢量的控制較為繁瑣的坐標(biāo)的控制的變換。這種方法是電壓型逆變器的工作過程中，控制住轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈間的夾角，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。該種控制方法比較簡(jiǎn)單且易于操作，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)模型的參數(shù)沒有太大的要求。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，使控制的效果好于直流調(diào)速，而且變頻調(diào)速的可靠性也在不斷的提高，實(shí)用性較強(qiáng)，其在工業(yè)電氣自動(dòng)化中有著廣泛的應(yīng)用，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。
1 變頻器的節(jié)能原理及常用功能
1.1 變頻器的節(jié)能原理
①變頻調(diào)速節(jié)能。根據(jù)水泵工作的原理，流量和轉(zhuǎn)速的一次方是成正比的，功率和轉(zhuǎn)速的立方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即水泵的效率保持一定，當(dāng)調(diào)節(jié)流量下降，轉(zhuǎn)速也成比例下降，此時(shí)功率成立方關(guān)系降低。
②功率因數(shù)補(bǔ)償功能。無(wú)功功率容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱和增加線損，功率因數(shù)降低會(huì)使有功功率降低，導(dǎo)致大量電能消耗，降低了設(shè)備的使用效率，浪費(fèi)嚴(yán)重。裝置變頻調(diào)速器能夠提高功率因數(shù)，減少無(wú)功損耗。
③軟啟動(dòng)節(jié)能。電機(jī)一般為Y/D啟動(dòng)或直接啟動(dòng)，其中啟動(dòng)電流相當(dāng)于額定電流的4～7倍，這既需要較高的電容量，也容易影響電機(jī)使用壽命。變頻器能夠利用軟啟動(dòng)的方式使啟動(dòng)電流極大降低，降低了電容量的要求，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。
1.2 變頻器的常用功能
①過載保護(hù)功能。該功能能夠有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)使其不易被燒壞。電機(jī)在低額運(yùn)行的時(shí)候其較差的散熱性導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，溫度升高超過額定值。變頻器具有電子熱保護(hù)的功能，其中在不同運(yùn)行的頻率下有著相應(yīng)的保護(hù)曲線，運(yùn)行頻率越低，連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間就越短，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)。
②升速功能。變頻器的升速其實(shí)就是從一種穩(wěn)定的狀態(tài)到另一種穩(wěn)定的狀態(tài)，一般情況下，在保證電流低于額定電流的情況下，盡量降低升速時(shí)間。其中常見的升速方式有：S形方式、半S形方式、頻率和時(shí)間呈線性關(guān)系。當(dāng)然需要根據(jù)具體的情況選擇合適的升速方式。
2 變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用
2.1 變頻調(diào)速技術(shù)特征
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用變頻調(diào)速的技術(shù)能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的需要，變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)和實(shí)踐而形成，具有顯著的特征，影響著工業(yè)領(lǐng)域成長(zhǎng)和發(fā)展。變頻調(diào)速器中所使用的全部Cyclonell器件運(yùn)用的都是300 mm晶圓，并且采用低K工藝和TSM90 nm技術(shù)而制造，從而加快了制造速度，提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)約了成本，降低了生產(chǎn)造價(jià)。這種技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)使用的的是最小化硅區(qū)，在具有復(fù)雜性的數(shù)字系統(tǒng)中，一個(gè)芯片就可以了，所花費(fèi)的成本僅僅相當(dāng)于一個(gè)專用的集成電路成本。這樣既降低了成本，還可以達(dá)到使用的要求。高性能的通用變頻器的主要目的就是滿足不同工程的需求，其硬件結(jié)構(gòu)通常包括帶能量回饋單元變頻器、公共直流母線式變頻器、獨(dú)立式變頻器。特別是獨(dú)立式變頻器應(yīng)用較為廣泛，它能夠逆變單元和整流單元共同放在同一個(gè)機(jī)殼里，并且效果十分不錯(cuò)。
2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用
變頻調(diào)速技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，該技術(shù)的出現(xiàn)使工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入全新的時(shí)期，為人類生產(chǎn)力的提高起到了巨大的推動(dòng)作用。
變頻調(diào)速技術(shù)主要由以下幾個(gè)部件組成，其中每個(gè)部件都發(fā)揮著各自的功能并有著重要的作用。
①自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元。這個(gè)單元是重要的組成部件，在具體的應(yīng)用中，它主要的作用是對(duì)輸入電動(dòng)機(jī)的電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)，從而來(lái)識(shí)別電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)。根據(jù)這種電動(dòng)機(jī)的模型來(lái)說，它有著十分重要的作用，而且是進(jìn)行轉(zhuǎn)矩直接控制的關(guān)鍵單元。變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的時(shí)候，一般情況下當(dāng)轉(zhuǎn)速控制精度大于0.5%的時(shí)候，可以運(yùn)用閉環(huán)轉(zhuǎn)速來(lái)反饋，最后達(dá)到應(yīng)用的要求。
②轉(zhuǎn)矩和磁通比較器。兩種比較器就是將參考值和反饋值分別對(duì)比，每20 ms進(jìn)行一次比較。在對(duì)比完成之后，利用滯換調(diào)節(jié)器的功能來(lái)輸出磁場(chǎng)狀態(tài)或者轉(zhuǎn)矩，然后就能夠及時(shí)的掌握磁場(chǎng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，從而為采取針對(duì)性的措施提供重要依據(jù)。
③脈沖優(yōu)化選擇器。一般情況下選擇CyclonellEP2C5Q208
C8芯片來(lái)對(duì)信息進(jìn)行處理，完成選擇之后，需要設(shè)計(jì)OFDM信號(hào)源，同時(shí)還要編寫由5個(gè)模塊所組成的電路，每個(gè)模塊具有不同的功能，其中包括D/A功能、緩沖模塊、插入循環(huán)前綴、FFT、星座映射。可以使用OFDM信號(hào)源仿真驗(yàn)證的方式對(duì)這些模塊的功能進(jìn)行驗(yàn)證。接下來(lái)的工作就是完成OFDM信號(hào)源的設(shè)計(jì)，工作內(nèi)容為FPGA硬件驗(yàn)證和軟件仿真驗(yàn)證。一定要認(rèn)識(shí)到電解電容器的容量本身具有強(qiáng)烈的離散性，這種特性的存在很可能會(huì)造成他們承受著不相等的電壓狀況，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成不利的影響，這時(shí)就需要采取一定的措施對(duì)這種狀況進(jìn)行必要的改進(jìn)和優(yōu)化，最后將離散性可能造成的不利影響消除。常用處理方法：在電容旁各并聯(lián)一個(gè)相等阻值的均壓電阻。此外，為了保護(hù)整流電路的安全以防止被燒毀，可以在電路中增加抑制浪涌電流的方法。
3 確保變頻器正常運(yùn)行的預(yù)防措施
變頻器的不正確使用容易使變頻器發(fā)生故障或影響使用效果，為了確保變頻器的正常發(fā)揮功能需要掌握科學(xué)的預(yù)防措施。
針對(duì)外部電磁感應(yīng)的干擾，可以采取縮短控制回路配線的距離，并與主線分離。變頻器應(yīng)該按照規(guī)定來(lái)接端子，不可以同動(dòng)力接地、電焊混用。安裝噪聲過濾器，以防止干擾；針對(duì)環(huán)境問題，按照要求安裝空調(diào)或采取一些避免陽(yáng)光直射，對(duì)某些振動(dòng)沖擊大的情況，可以應(yīng)用橡膠等減震方法，此外還要定期的檢查變頻器的冷卻風(fēng)扇及空氣過濾器；最后，一定要特別注意選擇正規(guī)廠家的變頻器產(chǎn)品，規(guī)范對(duì)變頻器的日常保養(yǎng)，由專人對(duì)變頻器的日常使用和維修負(fù)責(zé)，加強(qiáng)對(duì)變頻器設(shè)備的操作和管理人員的培訓(xùn)，對(duì)維修人員的專業(yè)節(jié)能深入或系統(tǒng)的培訓(xùn)，確保變頻設(shè)備正常運(yùn)行。
4 結(jié) 語(yǔ)
目前有很多生產(chǎn)領(lǐng)域都裝置了變頻調(diào)速器，有效地滿足了生產(chǎn)中降低能耗的要求，在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，其為企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)速器的設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際要求將調(diào)速器的作用和功能不斷地創(chuàng)新和完善，為工業(yè)電氣自動(dòng)化提供具有優(yōu)秀節(jié)能價(jià)值的高質(zhì)量變頻調(diào)速器，既起到了節(jié)能作用，又達(dá)到了改善工藝條件的要求。
參考文獻(xiàn)：
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