闭环变频调速范文
闭环变频调速范文（精选8篇）
闭环变频调速 第1篇
1 方案比较选择
1.1 水泵工况变化及调速运行时的节电原理
水泵在运行中改变运行工况点的位置、流量、扬程等运行参数, 就能适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由泵性能曲线和管道阻力曲线的交点确定的, 在忽略静压时, 如图2所示, 只要这2条曲线之一的形状或位置改变, 工况点的位置也就随之改变。所以, 水泵的调节从原理上讲是通过改变其性能曲线或管道阻力曲线来改变其工况点实现的。
在忽略静压时, 由图2可见, 水泵的特性曲线4与管道阻力曲线3的交点A是泵运行工况点。用阀门控制进行节流调节时, 由于要减少流量, 关小阀门时摩擦阻力变大, 管道阻力曲线从3移到2, 工况点从A点移动到B点, 扬程则从HA升到HB, 流量从QA减小到QB;用调速控制进行变速调节时, 阻力曲线3不变。泵的特性取决于转速, 如果把速度从N4降到N6, 运行工况点从A点移动到C点, 扬程从HA下降到HC, 流量从QA下降到QB。
1.2 转速调节方案
由电机原理可知, 电机转速:
式中, n0为同步转速;np为磁极对数;s为转差率;f为定子频率。
由式 (1) 可知, 通过改变f、np、s都可以改变异步电动机的转速。若改变磁极对数np实现变级调速, 简单易行, 但调速为分级调速, 可变级数有限。若通过改变转差率s进行调速, 常用的有电磁滑差离合器调速和串级调速, 但是滑差离合器调速机械特性软, 转速受负荷影响大;而串级调速功率因数低, 且易产生谐波, 会对电网发生不利影响。改变定子频率f的调速方式就是变频调速, 它的机械特性较硬, 调速范围宽且精度高, 功率因数、效率高, 同时较容易实现闭环控制。
1.3 PID闭环控制
PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高, 被广泛应用于过程控制。PID控制器根据给定值和实际输出反馈值构成的控制偏差, 将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量, 对被控对象进行控制。PID闭环控制系统如图3所示。
2 系统设计
2.1 系统组成
系统采用变频恒压PID闭环控制系统来完成对压力、流量的自动控制, 以实现优化系统、改善工艺、提高自动化程度、节能降耗等综合效益。变频调速闭环系统由变频器、压力信号变送器、#1自耦降压起动柜和#2自耦降压起动柜 (原系统保留部分) 及2台YSP315M-4水泵电机等主要电气设备组成。
2.2 控制原理
图4是四轧厂二级加压泵站变频改造的交流传动控制方案, 本系统可实现全自动恒压控制, 加压泵在运行过程中可以对2台泵分别进行工频和变频控制, 一般单独运行一台泵, 另一台备用;如果变频器出现故障, 可以切换到原来的控制系统, 实现工频运行, 以确保生产的顺利进行。压力变频闭环自动调节控制是在系统自动运行时, 采用闭环定值调节系统。系统预先设定一个标准值作为变频器速度给定值, 将总管网压力变送器输出信号直接接入变频器的I/O端口作为变频器速度调节的反馈值, 当工况变化时, 系统采集检测到的压力信号通过变送器输出正比例关系的0～20 m A直流标准模拟信号反馈给变频器, 变频器内部经过PID调节器运算调节、放大、比较、逻辑等功能与调节器预先设定值进行比较, 比较后的偏差通过调节器的比例微积分调节而按比例输出0～20 m A瞬时信号给变频器输出频率控制单元, 用来控制变频器的输出频率, 自动调节电机转速, 使水泵输出压力、流量控制在工艺需要范围内, 实现水泵输出压力、流量的自动调节控制, 达到节能降耗的目的。
3 运行效果
水泵变频调速改造后, 经过几年的运行实践证明, 其节能效果明显。
现在电机实际运转功率:姨3×380×240×0.83≈131 k W;
每月单机耗电量:131×24×30=94 320 k W·h;
每月可实现节电量:94 320×30%=28 296 k W·h (按平均节电30%算) ;
每月单机节约电费:28 296×0.49=13 865元;
年平均降耗收益:13865×12=166 380元。
除此以外, 水泵变频调速改造后, 电机可以软起软停, 避免了起动电流对电机的冲击及停机时形成的巨大水锤对水泵的冲击;由过去满负荷全速运行到现在低速运转, 减少了机械部位磨损, 这些都有助于提高电机和水泵的使用寿命;可以实现精确的压力控制, 消除了压力波动对管网产生的巨大冲击, 延长了管网的使用寿命;生产过程自动化程度大大提高, 降低了工人的劳动强度。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社, 2005
[2]张燕宾.变频调速应用实践.机械工业出版社, 2001
[3]姚锡禄.变频器控制技术与应用.福州科学技术出版社, 2004
闭环变频调速 第2篇
关键词：PLC；闭环系统；4A/D；4D/A；闭环调速
中图分类号：TP335 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）36-0066-02
1 FX2N-4DA转化模块功能
与FX2N-4AD转化模块相对，FX2N-4DA模块是用于将PLC传送来的12位数字量转化成数值对应的模拟量（电压值或电流值）输出到外部，将此模拟量再传送给电气设备。FX2N-4DA有四个输出通道（CH1、CH2、CH3、CH4）。DA模块可以将数字量转化为-10V～+10V的直流电压输出，分辨率为5mV，也可以转化为0～20mA的模拟电流输出，分辨率为20uA。DA模块与FX2N基本单元之间通过缓冲寄存器（BFM）交换数据。DA模块共有32个缓冲寄存器，编号为#0-#31，每个寄存器有16位。与AD模块一致，PLC基本模块也是通过使用FROM/TO指令来读/写DA模块缓冲寄存器中的数据。FX2N-4DA与FX2N-4AD都占用FX2N扩张总线其中的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。硬件连接上，DA模块使用数据线与基本单元进行通信，并且由基本单元提供+24V直流电压源。
主要缓冲寄存器（BFM）的功能介绍：
BFM#0：输出模式选择。格式为H，H表示16进制，每个通道中O可以取0、1、2。其代表含义分别为：O=0表示设置为电压输出模式（-10V～+10V）；O=1表示为设置电流输出模式（+4mA～20mA）；O=2表示为设置电流输出模式（0mA～20mA）。#0的缺省值为H0000。BFM#1表示通道1（CH1）的输出数据，可从#1读取通道1的输出数值。同理，BFM#2、BFM#3、BFM#4分别表示通道2到通道4的输出值，基本单元可使用FROM指令进行读取。BFM#29中的数据表示错误状态。当出现错误，#29的对应位会被置1。基本单元可以用FROM从这里读出错误的详细信息，从而分析错误原因纠正错误。BFM#30中存放的数据为K3020，代表DA模块的标识码，可以用FROM读取。使用DA模块程序时，一般先检查#30中的值是否正确。
FX2N-4DA模块在本文的作用简述为：将PLC基本单元利用数据线传到DA模块的数字量转化为数值对应的模拟电压值输出。将模拟电压值输出端口连接到变频器的频率输入控制端，设置变频器的输出频率。变频器频率的输出又决定电机的转速。
PLC上电运行后，M8002为PLC运行后产生一个周期的脉冲，数据寄存器D0中存放的是DA模块的识别码K3020，系统检测无误后M1=1。注意DA模块在本文系统中可安装在其基本单元第二个位置，所以模块位置为K1，安装在第一位置的模块为K0。本文使用DA模块的通道1并将CH1通道设置为电压输出模式（-10V～+10V）。数据储存器D1中存放的值送至DA转化模块。此段程序的功能为：检测DA转化模块通信是否正确，无误后将D1中的数字量送至DA模块进行DA转化。经DA转换后，从CH1输出端将D1中以模拟量电压值的形式输出给变频器。硬件连接上，DA模块模拟量输出通道1的V+（1）、V-（1）分别接到变频器FR、FC端。
PLC中的数字量经DA模块输出给变频器以设置输出频率，控制电机转速。测速发电机输出的模拟量经AD模块送至PLC，乘以反馈系数，得到反馈值实际转速。
2 FX2N-4AD转化模块功能
FX2N-4AD模块是一种精度较高的模拟量输入模块。可用于多种场合，比如温度、压力、流量、电压等模拟量的监控。它有四个输入通道，分别为CH1、CH2、CH3、CH4。FX2N-4AD模块将外部的输入模拟量转化为数字量输出。FX2N-4AD分辨率为12位，分辨率相对较高，模拟量转换成数字主要需经采样、保持、量化、编码四个步骤。
输入的模拟量信号可以为电压信号也可以为电流信号。输入的模拟电压值为-10V～+10V，分辨率为5mV。如果输入的电压值超过上下值（如输入为+12V或者-12V）会以+10V或-10V输入。但一旦输入的电压值超过±15V，单元可能会被损坏。电流的输入有两种形式范围：一种范围为4～20mA，另一种为-20mA～+20mA，分辨率都为20uA。与电压值输入类似，输入的电流值应避免过大，以防损坏器件。
FX2N-4AD内部共有32个缓冲寄存器（BFM），编号为BFM#0～#31。BFM的目的是用AD模块与PLC基本单元进行数据交换的。#0～#31每个缓冲寄存器的位数均为16位。编号不同的缓冲寄存器里面存放着代表不同意义的数值。比如#0中存放初始化通道的设置值，通过此值得设定可以选择不同的通道及电压型、电流型输入。#1中存放着通道1的平均采样次数。PLC的基本单元与FX2N-4AD之间的数据通信是由FROM/TO功能指令来完成的。PLC基本单元使用FROM指令从AD模块的缓冲寄存器中读取数据，使用TO指令向AD模块的缓冲寄存器中写入数据。本质上FROM/TO操作都是针对AD模块中BFM进行的操作。硬件连接上，PLC基本单元用数据线与AD模块进行数据交换，此外为AD模块提供+24V电压源。
FX2N-4AD模块的作用为：将直流发电机测得的代表电机转速的模拟量电压值转化为PLC能进行处理的数字量，通过数据线送到PLC基本单元的指定数据寄存器中。之所以进行AD转化，原因在于PLC基本单元只能处理数字量，所以必须先用AD模块进行模/数转化操作。
PLC上电以后，在运行的第一个周期内进行AD模块通信检测，识别特殊模块识别码是否为K2010。若检查无误，进行下面的程序操作。CMP比较指令占用M3、M4、M5三个辅助继电器。
H3330表示设定CH1为-10V～+10V输入，关闭CH2、CH3和CH4。K1单元中存放着通道1的平均采样次数（有效值为1～4096），基本单元用TO指令对其内容进行改写。CH1的平均值得采样次数设置为8次。K5单元中存放着通道1采样的平均值，利用FROM进行读取。本文中CH1采样的平均值存放在数据寄存器D10中。BON指令的作用为：判断D10第15位的状态，若第15位是1（表示此数为负）则后面的辅助继电器会被置1，否则为0。若电机反转，则D10中存储的值应为负值，执行BON指令的结果是：M10=1。若电机正转，D10中的数值应为正数，M10=0。当M10=1时，执行NEG求补指令，将D10中的值求补仍存放在D10中。M10=0，不执行NEG指令。在硬件连接方面，测速直流发电机的正、负输出端分别接到AD模块的V+（1）与V-（1）端。
PLC中的数字量经DA模块输出给变频器以设置输出频率，控制电机转速。测速发电机输出的模拟量经AD模块送至PLC，乘以反馈系数，得到反馈值实际转速，实现电机的闭环调速。
参考文献
[1] 李耿，宗光华.PC机与PLC串行通信的实现[J].微计算机技术，2012，（4）.
[2] 三菱电机公司.FX2N编程手册[S].2004.
闭环变频调速 第3篇
长期以来,直流电动机具有良好的起动、制动性能,在对电动机的起动和调速性能要求较高的生产机械或位置伺服控制系统中得到了广泛的应用。早期直流电动机的控制均为模拟电路实现,控制系统调试困难,触发脉冲不对称,运放及一些非线性集成电路因网压和温度变化会产生运算误差[1]。随着高速处理器和电力电子开关器件的发展,数字控制直流电机调速系统得以实现,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并提高其速度控制的精确性[2]。现有大多数文献只是对直流电机转速做检测及开环控制,本文实现的数字直流电机调速系统,是在比较了直流电机调速方法的基础上,分析优化了PI调节器的控制原理,并用软件编程实现改进的数字PI双闭环调速;并基于工程实践的应用成果,给出了系统的硬件电路实现。
1 系统方案选择
直流电机调速方法主要有三种,调压调速、调阻调速和弱磁调速,改变电阻调速缺点很多,电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用[3];弱磁调速不仅调速范围不大,低速时受到磁极饱和的限制,高速时还会受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差[4]。因此选择改变电枢电压进行调速。随着电力电子技术的进步,可由PWM斩波器进行斩波调压。调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频,定频调宽法(即周期不变宽度改变)采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便,电动机在运转时也比较稳定,因此我们采用了定频调宽方式。在工程应用中,我们采用由IGBT管组成的H型PWM电路,用单片机I/O口控制IGBT管饱和截止状态,调节PWM脉冲宽度即占空比,从而调整电机转速。
2 系统方案设计
该直流电机调速系统将AT89S52单片机作为主控部件,由键盘、显示器、电机驱动模块、光耦隔离模块等构成系统外围硬件电路。利用单片机的定时器资源产生PWM信号,该信号通过光耦隔离,驱动放大控制电机电压的占空比,调节电机转速;利用光电编码器检测电机速度,反馈给速度闭环,对偏差信号进行PI调节,得到电流闭环的输入信号,再与反馈的电流值比较得到控制电流,电流环的PI运算结果改变PWM信号占空比D的大小,调节电机转速直至和给定相同;另外,系统的键盘控制模块可以控制电机启动、停止、高速、中速、低速、定时、转向等动作,通过LCD显示模块可以显示电机当前转速。系统总体框图如图1所示。
2.1 电机功率驱动电路
单片机输出的PWM信号的电压值很小,因此需要利用驱动芯片将信号进行放大,采用的功率放大模块由芯片L298以及一些逻辑器件构成。L298是双H桥直流电机驱动芯片,内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可利用单片机的I/O口作为控制信号进行电机转速和转向的调节,硬件电路简单。L298芯片逻辑功能如表1所示。
可见,当L298的使能端为高电平时,可驱动电机调速运行。系统利用光电耦合器TLP620隔离单片机系统电源与电机系统的电源,利用芯片L298控制双H桥中IGBT的通断,L298的OUT1和OUT2分别接直流电机的两个接头,为直流电机提供驱动电压。直流电机的功率驱动电路如图2所示。
当ENA输入端为高电平时,将单片机引脚P2.6经过光耦与IN1相连,引脚P2.7与IN2相连,为防止开关管误导通,必须设置“死区”时间(本设计“死区”时间为15us)。当输入端IN2为低电平,IN1为延时产生的PWM信号,电机正转,改变占空比可调速;输入端IN1为低电平信号,IN2为延时产生的PWM信号时,电机反转改变占空比可调速;IN1与IN2相同时,电机快速停止。
2.2 PWM信号发生电路
在实际生产中,控制设备都采用闭环控制,本系统采用电压环(ASR)和电流环(ACR)双闭环控制,保证电机的精确控制。转速、电流双闭环控制原理如图3所示。
图3中,U*n是给定转速,Un为转速反馈值,经过比较得到误差信号△u送入转速环(ASR),转速环输出作为电流环(ACR)的给定信号,与反馈电流值Ui的差值送入电流环,输出生成PWM波,经功率放大后控制电机转速。
转速检测信号采用型号为DG338H-1000BZ-5-24C光电编码器测速得到,该光电编码器为增量式编码器,码盘提供相位相差90°的两路A、B脉冲信号以及用于复位计数的z相脉冲,输出转速n=N/m T,其中N为在给定时间T中采样的脉冲数,m为每转输出脉冲数(本文m=1000p/r),编码器得到的脉冲序列送入计数器计数,再送入单片机T1进行信号采集。电流采样选用霍尔电流传感器,通过A/D芯片转换后送入单片机P0口进行信号采集。
按照工程设计方法设计转速环时,要求转速环具有较好的抗扰性,电流环具有较好的跟随性,因此先按照典型Ⅰ系统设计电流环,再将电流环作为内环,按照典型Ⅱ型系统设计外环转速环,均采用PI调节器进行设计[5]。我们采用增量式控制算法实现数字PI控制,离散增量式PI算法公式为:
u(k)为PI调节器的第k次输出值,u(k-1)为PI调节器的第k-1次输出值,e(k)为给定量和反馈量之间的第k次采样偏差值;e(k-1)为第k-1次采样偏差值,KP为比例系数,TI为积分时间常数,则偏差信号?u(k) =u(k)-u(k-1) ,联立式(1)可得:
可见只需要知道当前和前一次的偏差值,就可以算出当前的控制增量[6]。
先对PWM脉冲设定一个固定的周期值(在本设计中为50us)对电流进行一次采样和PI调节,每100个PWM周期(5ms)对转速进行一次反馈采样和PI调节,假设电机最高转速为100r/m即1.67r/s,光电编码器是1000线,则每转发出1.67×1000=1670个脉冲,在5ms内发生的最大脉冲数为1670×5/103=8.35,该值倒数即为编码器速度转换系数,脉冲累计值除以编码器速度转换系数即为PWM信号占空比D,转速值为Vmax×D/216。
PWM软件实现流程如图4所示。
2.3 键盘及显示模块电路
系统的键盘控制模块可以控制电机启动、停止、高速、中速、低速等动作,按键分别连接到单片机的P3.0~P3.4引脚上,通过键盘扫描模式来判断按键是否被按下,按键被按下,进入处理程序。LCD显示选用LM016L液晶模块,单片机的P1.0~P1.7引脚作为数据输出端,P2.2~P2.4引脚作为控制端,单片机控制显示转速及定时时间。
3 系统仿真
我们选用的直流电机额定电压110V,额定电流6A,额定转速1000r/min,电枢内阻2?,过载倍数λ=2,功率驱动电路放大倍数为11。按照双闭环设计原则,先按照典型Ⅰ系统设计电流环,得到电流环比例放大系数Kpi为0.76,积分时间常数TIi为0.007s;再按照典型Ⅱ型系统设计转速环,得到速度环比例放大系数Kpn为35.92,积分时间常数TIn为0.0009s。我们用Proteus软件搭建直流电机速度控制系统仿真电路,如图5所示。模拟频率为20KHz的PWM发生信号送入T1口,电机可以通过高速、中速、低速按键进行速度设定,不同速度对应PWM占空比发生变化。以低速运转为例,系统设定低速速度为21r/min,仿真结果如图5所示;当中速速度为95r/min,高速速度为130r/min时,三种设定PWM占空比变化如图6所示。
4 结束语
本文所述的直流电机调速系统是以成本较低的AT89S52单片机做为主控器件实现数字式的PWM直流电机调速系统,通过软件编程实现双闭环PI控制,相对于硬件实现的系统,所需外围器件少,调试方便,控制精度高,可靠性和稳定性加强。通过调试结果表明,该系统能精确控制电机在高速、中速和低速时的运转,系统实现方案对工程应用设计有一定的参考价值。
参考文献
[1]宋凤娟,廉文利,付云强.单片机89C51在直流调速控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006(32):113-114.
[2]于贵,蒋辉熊.直流电机数字调速软件的实现[J].电测与仪表,2012,Vol.49(557):93-96.
[3]孟海钢.基于8051单片机控制的直流电机PWM调速系统设计[J].伺服控制,2013(2):41-45.
[4]庹朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发[J].煤炭技术,2011,30(6):62-63.
[5]刘松.电力拖动自动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.
基于V-M双闭环直流调速系统设计 第4篇
转速—电流双闭环直流调速系统结构简单, 工作可靠, 且设计较为方便, 是应用非常广泛的一种调速系统, 熟练掌握直流调速系统的控制方法是掌握其他电机控制的基础。本文以直流电动机为对象对其进行转速—电流双闭环控制, 电动机参数为:额定功率2.2KW, 额定电压220V, 额定电流12.5A, 额定转速1500rpm;额定励磁电压220V, 励磁电流0.61A。要达到的目的是D=5, 无静态误差;S≤5%;δn%≤10%, δi%≤5%。
1 系统总体硬件设计
1.1 系统硬件配置及组成原理
转速电流双闭环直流调速系统如图一所示。其中, ASR为转速调节器, ACR为电流调节器, TG为测速发电机, TA为电流互感器, UPE为电力电子变换器, Un*为转速给定电压, Un为转速反馈电压, Ui*为电流给定电压, Ui为电流反馈电压。
如图一所示, 为了获得理想的最快启动曲线及实现稳态后转速无静差, 就需实现转速、电流两种负反馈同时起作用, 在系统中内设置两个调节器分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。[1]把转速调节器的输出当作电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看, 电流环在里面称作内环, 转速换环在外边称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。
1.2 系统电路图设计
系统电路图如图二所示。
从图二可以看出, 两个调节器的输出都是带限幅作用的, 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值;电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
2 系统单元电路参数测试
2.1 触发整流装置电路参数测试
为进行触发整流装置的测试则需先设定调试触发装置。具体为:定相位、锯齿波斜率整定确定并调整触发脉冲的移向范围, 要求>18°, 测触发脉冲幅值, 要求>7.5V, 测定锯齿波幅度和宽度, 要求幅度>8V, 宽度>210°, 测定控制板触发脉冲宽度, 要求为10°~20°, 测定双脉冲间相位差, 要求为60°, 在满足上述所有条件后观察到示波器出现了连续的6个波头后测定。在电流连续的条件下, 测出Ud=f (Uk) 曲线, 再从曲线上的点得出Ks=15。
2.2 KZ-D系统参数测试
对于整流器内阻的测试, 用测量电源外特性U=f (I) 的方法可以确定内阻Rn的大小, Rn=2.7Ω, 对于电枢电阻Rs和电抗器电阻Rd的测定, 在不带电的情况下, 可直接用万用表测得Rs=4.5Ω, Rdl=0.7Ω。但是对于测电枢电感Ls、电抗器电感Ldl, 则得用交流伏安法测定[2]。
2.3 反馈环节参数测试
转速反馈系数α和电流反馈系数β的测定:
3 系统调节器ACR ASR设计 (工程设计法)
3.1 ACR的设计及模拟电路参数设计
通过把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内, 同时把给定信号改成, 我们可以把电流环等效成单位负反馈系。从动态要求上看, 实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调, 以保证电流在动态过程中不超过允许值, 而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素, 为此, 电流环应以跟随性能为主, 应选用典型I型系统, 因此设计如图三所示的电流调节器电路[3]。
图三中, 为电流给定电压;βId为电流负反馈电压;Uc是电力电子变换器的控制电压。
3.2 ASR的设计及模拟电路参数设计
(1) 电流环的等效闭环传递函数
当接入转速环时, 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节, 再进行高次项忽略后可近似为:
其中, Ui* (s) 为电流环等效环节的输入量, 将原来是双惯性环节的电流环控制对象, 可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。进而表明, 电流的闭环控制改造了控制对象, 加快了电流的跟随作用。
(2) 转速调节器结构的选择
为了实现转速无静差, 在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节, 它应该包含在转速调节器ASR中, 现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节, 因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节, 所以应该设计成典型Ⅱ型系统, 这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求[4]。校正后的典型Ⅱ型系统如图四所示。
4 测试结果与结论
4.1 闭环系统的机械特性测试
当α1=30°, α2=45°, α3=60°时进行测试, 得出数据如表一所示。用示波器测得其机械特性如图五所示。
4.2 结论
当ASR饱和时, 转速环开环, 系统表现为恒值电流调节的单闭环系统;当ASR不饱和时, 转速环闭环, 整个系统是一个无静差调速系统, 而电流内环表现为电流随动系统。该过程近似于理想的启动过程, 比单闭环系统启动得快、准确度高。通过比较开闭环机械特性, 得出在单闭环调速系统中, 电网电压扰动的作用点离被调量较远, 调节作用受到多个环节的延滞, 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中, 由于增设了电流内环, 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节, 不必等它影响到转速以后才反馈回来, 抗扰性能大有改善。因此, 在双闭环系统中, 由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多, 即其良好的动态性能表现。静特性:主要表现在启动过程中, 它比开环系统的启动过程要好很多, 具体表现在它的水平特性和垂直特性。
摘要：本文采用转速—电流双闭环对一台直流电机进行调速控制, 通过工程设计方法, 将电流环设计为典型一阶系统, 将转速环设计成典型二阶系统。通过测试, 可以达到良好的启动性能, 实现设定目标D=5, 无静态误差;S≤5%, δn%≤10%, δi%≤5%。
关键词：双闭环,直流电机,调速控制
参考文献
[1]程娜, 刘洋.基于SIMULINK的永磁同步电机控制系统的仿真设计[J].科技向导, 2012, (12) :357.
[2]赵云峰, 曾勇, 马凯.电机控制系统中的电流检测技术[J].山西青年, 2013, (02) :120-121.
[3]梁秀王景.三菱电机, 与中国教育事业共发展[J].自动化博览, 2012, (10) :24-26.
闭环变频调速 第5篇
关键词：暖通,中央空调循环水泵系统,闭环变频节能,可行性分析
1 中央空调机自动化控制现状分析
随着中共空调系统在城市建筑中应用的普及, 空调系统的循环水泵节能控制日渐受到物业管理部门的关注。循环水泵系统作为中央空调系统建设的重要组成部分, 在水泵系统建设时通常以建筑物的最大冷负荷为基础, 在系统选型时保留10%~20%左右的剩余量, 以此保证中央空调制冷效果的稳定性。在中央空调的实际建设中, 由于空调运行时其冷负荷无法得到稳定控制, 这在一定程度上缩短了空调系统的满负荷运行时间, 长时间处于轻载工作状态的空调主机, 与工频状态下满负荷运行的循环水泵系统无法得到有效协调, 使得中央空调系统在运行状态下不仅浪费了大量能源, 也影响了循环水泵系统的使用寿命。为进一步提升中央空调循环水系统的节能性, 我国在对空调系统循环水变频节能开展深入研究的同时, 也在教育改革中增设了暖通专业, 通过开展空调对室内采暖, 通风及空气调节等室内因素影响的研究工作, 为空调循环水泵变频的节能的工程实践提供有效的技术指导, 以此促进中央空调循环水泵变频节能的工程应用, 为我国的建筑节能做出贡献。
2 中央空调循环水泵变频节能原理介绍
在中央空调水泵的运行耗能中, 循环水泵的电力消耗约占消耗总量的近25%, 因此控制循环水泵系统的耗能在空调系统节能控制中占有重要地位。现阶段我国中央空调系统中循环水泵的调控方式和选型是由专业设计单位设计制造的, 而设计单位在设计循环水泵系统的同时, 缺乏与制冷机组生产厂家之间的联系与沟通, 导致了中央空调制冷系统的构建和循环水泵变频系统之间无法有效的配合运转, 进而影响了空调系统的运行效果, 也降低了循环水泵系统的能源利用效率。为有效处理中央空调循环水系统存在的大流量, 小温差等问题, 通常采用变频调节技术, 即通过控制空调负荷的变化而改变其工作频率, 使得系统热交换器中的冷冻水与冷却水温差控制在一定范围内, 在控制流量的同时有效提升循环水泵电机的输出功率。
在中央空调循环水泵系统的实际运行中, 变频技术的采用使得冷却水的温度始终高于冷冻水5摄氏度左右, 这样系统的耗能便能够与实际做功保持稳定的数值关系, 空调系统一年的热负荷变化量也能够得到有效控制, 此外循环水泵变频技术的采用也实现了对水泵转速的调控, 循环水泵通过转速控制调节冷却水流量, 这大大降低了水泵中电动机的运转功率, 实现了对循环水系统能耗的有效控制。
3 空调循环水泵闭环变频节能可行性研究
在空调循环水泵系统的运行中, 冷却水的水温度是由蒸发器的设定值决定的, 而系统回水温度则取决于中央空调所在建筑的热负荷, 通常中央空调系统的冷冻水温度和冷冻水的回水温度差值为5摄氏度左右, 如循环水变频系统的出水温度为8摄氏度, 那么回水温度就应控制在13摄氏度, 这样才能保证冷却水系统中的冷却水的利用效率。实际循环水泵的冷却水控制方案如图:
如图所示, 为实现对循环水泵冷却水系统的有效控制, 通常在蒸发器的出水管和回水管上安装温度检测装置, 并使其与PID温差调节器和变频器构成一个闭环控制系统, 通过对此系统进行运行调控将冷却水的温差控制在5摄氏度左右, 进而使得冷却水泵的转速能够与建筑的热负载相适应, 提升循环水泵的闭环节能效率。在闭环控制在调节冷去水温度的同时, 还能够向温度传感器发送水温检测信号, 系统通过对比信号内容与实际出水温度而调整循环水电机的转速频率, 在这种闭环变频调节系统中, 冷污水泵能够依据实际循环水的温度情况进行变频调整, 这不仅提升了循环水变频系统的自动化水平, 也更为有效的实现了中央空调对冷却水闭环变频系统的监管与控制, 其次, 循环水闭环变频系统的采用也使得制冷主机的运行工况得以进一步完善, 提高了中央空调主机的工作效率。
4 空调循环水泵变频节能研究分析
中央空调循环水泵系统变频闭环控制可以随着负荷或气温的变化, 在运行过程中连续地自动调整电机转速, 确保水泵进出口温差恒定, 找出系统的最佳运行工作点。中央空调系统变频闭环控制, 技术先进, 动态响应快, 自动化程度高, 对整个系统实现了数字化和智能化控制, 提高了空调控制的精度, 而且取代了人为控制阀门的粗放型控制模式。
由于采用了变频器控制方式, 通过将软运行集合到循环水泵的闭环工作中, 消除了直接启动时对电网的冲击和干扰, 进而消除中央空调系统运行中的电流及电弧冲击影响, 同时防止了关机时出现的水锤现象, 延长了设备的使用寿命, 确保使用安全可靠。同时在运行中根据负载降低转速, 减小水泵的运行噪声, 提高了建筑的舒适性。
5 结束语
中央空调水泵通过变频闭环控制, 可以实现在满足空调负荷要求的前提下, 自动调节电机转速, 有效提升空调主机和循环水泵的工作效率, 可以空调系统运行中大幅减少运行费用, 并且在延长设备的使用寿命、减少运行维护工作量方面效果均非常显著。中央空调循环水泵通过变频闭环控制能够优化制冷机组的工作效率和质量。中央空调循环水泵采用闭环变频控制在保证空调运行效果的同时, 实现了建筑运行的节能减排, 符合科学发展观的要求, 也是我国提高建筑节能水平的发展方向。
参考文献
[1]韩安荣.通用变频器及其应用 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2009.
[2]张燕宾.SpWM变频调速应用技术 (第3版) [M].北京:机械工业出版社, 2012.
闭环变频调速 第6篇
在现代化的工业生产过程中,许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起制动和反转等良好的动态性能,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求,在应用广泛的双闭环直流调速系统中,传统PID控制已经得到了比较成熟的应用。但是受电动机负载等非线性因素的影响,传统的控制策略在实际应用中难以保持设计时的性能。随着模糊控制技术应用的日渐成熟,又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型,能够克服非线性因素的影响,对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性,所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到很好的效果。模糊控制系统中,在当对象参数、给定或扰动变化过大时,很难获得满意的控制效果,在此基础提出自调整因子α模糊控制器,根据控制的误差值,通过适当的调节规则来调整一些关键控制参数值,从而用于高精度直流调速系统中,具有响应快、超调小、对系统参数及结构变化适应性强的优点。
1、开环系统
开环系统的仿真模型如图1所示,由同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。
其中,三相整流电路为6-Pusle发生器与三相整流桥封装在一起的子模块。如图2所示。
触发器的控制角通过移相控制环节,移相控制模块的输入是移相控制信号U c,输出是控制角,移相控制信号由常数模块设定。移相特性的数学表达式为:
模型中αmin=30,Ucmax=10V,即α=90°-6Uc
在电动机的负载转距输入端TL接入了斜坡和饱和两个串联模块,斜坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻,饱和模块用于限制负载转矩的最大值。仿真算法为可变步长,ode23s,给定信号50,励磁电压为220伏。
仿真结果可以看出,开环系统的调节速度比较慢,转速在第5秒才接近稳态值,转速的稳态值较大。
2、双闭环控制系统
本系统采用电流、转速两个独立调节器的双闭环控制结构,转速调节器的输出就是电流调节器给定,因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时,转速调节器的输出增加,即电流给定上升,并通过电流环调节使电动机电流增加,从而使电动机获得加速转矩,电动机转速上升,并通过电流环调节使电动机电流下降,电动机将因为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和输出达到限幅值时,电流环即以最大电流限制实现电动机的加速,使电动机的启动时间最短,转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图3。
主电路的建模和模型参数设置与开闭环直流调速系统绝大部分相同,控制电路包括:给定环节、速度调节器ASR、电流调节器A C R、滤波环节、电流反馈环节、速度反馈环节等。给定环节的参数设置为120rad/s,电流反馈系数设为0.33,速度反馈系数设为1.31。
双闭环系统有两个控制器——转速控制器ASR和电流控制器ACR。这两个调节器均采用PI控制,如图4。
参数设置分别为:ACR:Kcp=13,Kci=2.5,上下限幅值为[130,-130]ASR:Ksp=5.6,Ksi=2.7,上下限幅值为[40,-40],限幅器的上下限设置为:[50,-50]
仿真结果如上图5所示。从仿真结果可以看到,启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压,A S R的输入很大,其输出很快达到限幅值,电流上升也很快,接近其峰值。第二阶段,A S R饱和,转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线性增长。第三阶段,当转速达到给定值后,转速调节器的给定与反馈电压平恒,输入偏差为0,但是由于积分的作用,其输出还是很大,所以出现超调。转速超调之后,A S R输入端出现负偏差电压,使它推出了饱和状态,进入线性调节阶段,使速度保持恒定,仿真结果基本上反映了这一点。
3、模糊双闭环控制系统
考虑到外速环-转速环是决定控制系统的根本因素,而内环-电流环主要起改变被控对象运行特性以利于外环控制作用,故在直流电动机双闭环调速系统中,外环采用模糊控制,内环仍采用传统的PI控制,控制系统结构框图如图6所示。
转速调节器设计为二维模糊控制器,以速度反馈和给定转速的误差e及误差的变化ec作为模糊控制器的输入变量,经模糊控制器进行模糊化后变成模糊量E和E,经过模糊推理和模糊决策后,得到模糊输出量U,再经反模糊化处理,得到精确的输出量u,并将其作为电流环的给定值,进而通过电流环去控制被控对象。本系统采用一种带自调整因子α(亦称加权系数)的模糊控制器,通过调整α的值,可以改变误差E和误差变化EC对控制输出量U的加权程度,从而调整了控制规则。对于一个二维模糊控制系统而言,在控制过程的初始阶段,系统的误差往往较大,当控制过程趋向稳定阶段,系统误差已经较小。控制系统的重要任务是减小超调量,使系统尽快稳定,并且要求在控制规则中,把误差变化值的加权系数增大。转速模糊控制器内部模块如图7所示。
模糊控制规则可用下面的一个数学解析式来表示:
在本系统中,对误差及误差变化和控制量的模糊控制集及其论域定义为{±4,±3,±2,±1,0},根据转速误差模糊量E的当前值,采用不同的α值自调整如下:
最后通过解模糊得到转速控制器实际的输出控制量,作为电流控制器的输入去不断调整触发角。Simlink仿真中其他模块参数和双闭环参数一样。系统仿真结果如图8所示。
仿真结果验证了模糊PI双闭环直流调系统比仅仅使用PI双闭环系统的控制性指标有了一定的优化。
3、结论
本文通过对直流调速系统的开环、双闭环以及模糊PI控制器的双闭环系统进行了仿真,验证了不同控制系统对于直流电机调速的控制效果。开环系统冲击电流大,机械特性差,双闭环控制系统较开环系统具有明显的硬度,机械特性不易受干扰。采用带自调整因子的模糊PI控制器减小了系统初始的冲击电流,并且响应速度有了明显的改善,这在工业生产和电力系统自动控制中具有很高的实用价值。
摘要：本文首先在simulink下通过仿真开环直流调速系统,针对启动冲击电流大,转速调节速度慢等特点,建立了双闭环控制系统,仿真结果显示系统性能指标有了大提高。在此基础上,速度调节器采用模糊控制技术作为外环控制,内环采用PI控制,经MATLAB仿真结果表明,直流调速控制系统的性能指标得到了一定的改善。
关键词：三相整流,双闭环直流调速,模糊控制
参考文献
[1]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].第1版.北京:机械工业出版社.2006
[2]李振璧,石晓艳.基于DSP控制的蓄电池电机车直流斩波调速系统[J].煤矿机电.2007年02期
闭环变频调速 第7篇
在工程实践中,电动机作为现代工业的“心脏”,已得到了越来越多的重视和发展。其中,直流电动机更是以其稳定的性能,良好的调速性,得到了工业生产的认可和应用,这就使得对直流电动机的控制成为越来越多人研究的重点和方向。在目前工程中,直流电动机中直流电源的控制常为晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)。但由于晶闸管对过电压、过电流敏感,须加可靠的保护电路和符合要求的散热条件,同时,系统在较低速运行时,晶闸管导通角小,系统功率因数低,会产生较大的谐波电流,引起电网电压波形畸形,危害附近的用电设备,即所谓的“电力公害”[1,2]。
针对传统电动机电源控制中的危害,提出了一种基于SG3524的直流电动机双闭环调速系统,对直流电源采用直流斩波器,进行脉宽调制,产生可变的平均电压,从而实现直流电动机的平滑控制。此系统电流容易连续,谐波少,电动机损耗及发热较小,低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,动态响应快,动态抗干扰能力强,具有很高的工程实用价值。
1 直流电动机控制需求给定
结合具体工程实际,给定直流电动机(他励形式,励磁电路参数略)参数:额定功率PN为10 kW,额定转速nN为1 500 r/min,额定电流IN为51.82 A,额定电压UN为220 V,电枢电阻Ra为0.26 Ω,允许过载倍数λ=1.5。控制系统总飞轮矩GD2为10.1 Nm2,电枢回路总电阻为R=3×Ra,脉宽调制器的调制波周期TPWM为100 μs;用于转速反馈的测速发电机:额定转速为1 900 r/min,额定电压为110 V,额定电流为0.21 A;用于电流反馈的电流检测:采用霍尔电流传感器。
直流电动机的控制,要求系统具有良好的调速性能,稳定的动态响应,强大的抗干扰能力。给定技术指标:调速范围D=20,静差率s≤0.05,电流超调量σi≤5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%;最小不间断电枢电流IMIN=5%IN。
2 总体设计
结合上述给定的直流电动机系统以及相关的指标参数,设计双闭环调速系统。此直流脉宽调速系统采用三相整流变压器降压后,再经过二极管三相桥式整流,电容滤波获得斩波输入直流电源,经IGBT直流降压斩波获得可控直流电源。对于IGBT的控制方案,采用转速、电流双闭环调速方法,由霍尔电流检测模块LEM模块检测主电路的电流大小,转化为电压后,反馈给控制电路,形成内环电流环,同时在内环内采用PI调节器,让给定与反馈值比较,经PI调节器后得到控制电压,由控制电压控制PWM产生模块SG3524产生占空比可变的PWM波,再经M57962L驱动IGBT的通断,来控制主电路中电压值的大小,从而控制电动机的转速。同时,对于电流环的给定,采用转速环来提供,由测速发电机检测电动机的转速大小,转化为电压的大小,反馈给控制系统,与给定值比较,形成偏差电压,经PI调节器,形成电流环的给定。以此形成双闭环调速系统,控制直流电动机。以电流环抵抗电网电压扰动,以转速环抵抗负载扰动,以转速环调节为主,抵抗扰动。
3 系统硬件设计[1,2,3,4,5]
3.1 供电电路设计
供电电源模块是整个控制系统稳定、可靠工作的前提条件。控制系统的供电电路分为控制芯片的低压供电以及直流电动机的高压供电,二者之间要进行隔离设计,提高抗干扰能力。
对于控制芯片的低压供电,考虑SG3524,EXB841以及功率放大器的供电需求,采用线性电源原理设计,220 V/50 Hz的交流市电经过变压器的降压后,将电压稳定在36 V状态下,再经过整流桥作用得到直流电源,由大电容稳压,小电容滤波后,经过三端稳压芯片7815,7915以及7824芯片,得到15 V,-15 V和24 V的三个电压等级,为控制电路提供能量供应,使其稳定的工作。
对于直流电动机的高压供电,采用相整流变压器降压后,再经过二极管三相桥式整流,电容滤波获得斩波输入直流电源。这包括变压器、平波电抗器以及整流二极管的设计。具体的参数计算如下:
对于电动机来说,电动势:
对于三相桥式不控整流电路来说,
AεBU2ph=λINRa+CenN (2)
取A=2.34,电网电压波动系数ε=0.9,占空比的最大值B=0.9。
则可计算的U2ph=140.96 V (在计算中已考虑了电网电压波动和余量系数,故取计算值)
变压器变比:
对于变压器,一次测相电压U1=380 V,一次侧相电流I1=(I2/K)·1.05=16.45 A。
S1=3U1ph·I1=18.753 kV·A (4)
二次测相电压U2=140.96 V,二次侧相电流
S2=3U2ph·I2=17.892kV·A (5)
变压器容量:
对于整流二极管,三相桥式整流电路每个桥臂通过的有效电流
总结以上分析,可得到图1,图2的系统电源部分硬件电路图。
3.2 控制主电路设计
直流电动机控制系统采用测速发电机采集转速信号,霍尔电流传感器采集电动机电流信号,构成系统的内外环控制回路。考虑具体电动机参数,得到相关的设置。
额定励磁下的电动机的转矩系数:
Cm=30/π×Ce (7)
系统机电时间常数:
静差率:
开环稳态速降:
最大转速给定电压Un*(也即等于最大转速反馈电压Unmax)。Un*=80%Uc=0.8×5=4 V(说明:这里转速给定电压通过SG3524的16号+5 V电源引脚输出,但是为了一定余量和便于调节的范围取它的80%)
转速反馈系数:
最大电流给定电压Ui*(也即等于最大转速反馈电压Uimax)。同Un*max的取法,这里也取Ui*=80%Uc= 0.8×5=4 V
电流反馈系数:
对于测速发电机,电势系数Cetg=110/1 900= 0.057 9 V.min/r。分压电阻电位器RP,输出电位器RP2的分压系数α2=α/ Cetg =0.046 6
RR2=Cetg×nN /(0.2×INtg)=2 067≈2.1 KΩ (14)
WRP2=Cetg×nN×0.2×INtg=3.647 7 W (15)
为了不致使电位器温度很高,实际电位器的瓦数应为所消耗的一倍以上,所以选用RP为10 W,2.1 kΩ。
给定参数的电路设计如图3,图4所示。
3.3 电流、转速双闭环控制电路
直流电动机控制中采用转速、电流双闭环调速,动态性能高,能快速起制动,突加负载动态速降小,充分利用了电动机的过载能力,在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,使电力拖动系统以最大加速度启动,到稳态时能使电流下降,达到转矩与负载平衡,达到稳定运行。同时,此系统能很好的抵抗负载扰动和电网电压扰动,抗干扰能力强。
对于电流环:整流装置滞后时间常数Ts取为0.1 ms则电流滤波时间常数Toi=3Ts=0.3 ms。
电流环小时间常数之和:
T∑i=Ts+Toi=4Ts=4×10-4s (16)
选用PI调节器,设传递函数为
τi=Tl=1.65×10-3 s
电流环开环增益:要求σi%≤5%,故取
KI× T∑i=0.5,KI=1 250
晶闸管装置放大系数:
则电流调节器的比例系数为:
电流环电路参数计算: 取R0=40 kΩ
Ri=Ki×R0=14.4 kΩ,取Ri=15 kΩ(标称值);
Rbal=R0//Ri=10.9 kΩ, 取10 kΩ,
Ci=τi/ Ri=0.1 uF取0.1 uF(标称值);
Coi=4×Toi/ R0=0.03 uF
对于转速环:由转速环退饱和
取转速滤波时间常数Ton=0.02 s
转速环小时间常数:
选用PI调节器,传递函数为:
按跟随性和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则
τn=h×TΣn=0.104 s
转速环开环增益:
转速环调节器的比例系数为:
转速回路电路参数计算: 取R0=40 kΩ
Rn=Kn×R0=354.8 kΩ,取Rn=350 kΩ(标称值);Rbal=R0//Ri=35.89 kΩ 取40 kΩ(标称值)
Cn=τn/ Rn=0.297 uF,取0.3 uF(标称值);Con=4×Ton/ R0=1 uF(标称值)
由此,可设计出双闭环反馈电路,如图5所示。
4 系统仿真验证
为验证直流电机双闭环调速系统的性能,建立上述电动机模型,并进行仿真,得到相应的响应曲线。其中模型图如图6所示。
分别给定转速为1 500 r/min,1 000 r/min,600 r/min,300 r/min,150 r/min,得到转速与电动机电流变化曲线图(图7)。
图7中,上部分曲线为转速调节曲线,给定转速为 150 r/min,300 r/min,600 r/min,1 000 r/min,1 500 r/min,超调量逐渐减小,在额定转速的时候,超调量为1.9%;下部分为电流调节曲线,开始突加给定电压,由于转速很小,转速调节器输出保持限幅值,强迫电流Id迅速上升,直到Id=Idm,从而ASR始终饱和,Id保持恒定,转速线性增长。当转速达到给定值,由于ASR的积分作用,仍在加速,转速超调后,ASR输出为负,开始退饱和,由于Id仍大于负载电流,转速仍然增加,直到Id等于负载电流,转速达到最大值。然后在负载的作用下,转速下降,经过一段时间调整,转速稳定,电流也达到稳定。由此可知,控制系统调速性能好,超调量小,稳定性较好。
在电动机额定负载稳定启动后,加入干扰信号,仿真系统的抗干扰能力,得到如图8的仿真曲线。
从仿真结果可以看出,在电动机稳定运行后,加入干扰信号,引起转速与电流的动态变化,但整体变化很小,且能很快的恢复到稳定状态,表明系统具有良好的抗干扰性能,转速在扰动后能够很快恢复到额定给定转速。而电流环也具有十分好的跟随性能。
5 结论
对于存在一定的非线性,工作环境变换不定的直流电动机控制系统,常规晶闸管控制系统已很难满足其需求,本文提出了利用SG3524进行电动机的脉宽调速,由电力电子器件IGBT实现信号的控制,结合转速、电动机电流的双闭环反馈,设计出直流电动机控制系统,并结合相关具体工程中的电机与技术指标参数,设计出响应的硬件电路。构建出系统的结构图,进行仿真验证。仿真结果表明,这种设计方法合理,调速性能好,稳定性高,抗干扰能力强,符合系统的控制要求,达到了系统的设计目的,具有很高的工程应用价值。
摘要：针对常规直流电动机晶闸管控制系统的电力危害,结合SG3524脉宽调制的理论,设计了一种直流电动机双闭环调速系统。通过对具体工程中电动机控制系统参数的理论推导,设计出硬件电路,并得到了系统结构图。仿真结果验证了系统具有良好的调速性能与稳定性,抗干扰能力强。
关键词：直流电动机,SG3524,双闭环,直流调速
参考文献
[1]郑大钟.线性系统理论[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,2002.
闭环变频调速 第8篇
随着我国国民经济发展与人民生活水平的提高,国家对环境保护意识增加,在国内建立了越来越多的新型污水处理厂,而污水处理厂的关键设备离心机由于具有占用场地小,全封闭污染小,节电、省药、脱水效果好等优势,所以在应用上相当的广泛。离心机根据差速器使用方式的不同可分为:单电机机械差速驱动(通过更换小轴输入皮带轮调整差速,为固定的差速)、液压驱动(液压差速器,无级可调)、和双电机变频差速(主电机控制转鼓转速,副电机控制螺旋转速)[1]。液压差速器制造成本较高,但运行稳定,输出扭矩大;而机械差速在实际的使用中差速调整比较繁琐,仅适用于物料浓度稳定的分离工况,而双电机驱动离心机由于制造成本相对低廉,差速调整比较方便(主、副电机独立驱动),允许物料浓度在一定范围内自动调整差速,维持副电机扭矩恒定,有很好的推广应用价值。
离心脱水分离的关键指标是脱水污泥的干度和排放清液的回收率,通过PLC系统的PID闭环调节功能[2],使副电机的恒扭矩调控和离心机的差速控制调控使离心机始终运行在最佳工作状态,使双电机变频驱动的离心机的稳定性和分离性能得到明显提高。
本文就以HMI+PLC为核心的电气控制系统在双电机变频驱动离心机在恒扭矩的自动调控功能和恒差速的自动调控功能的实际应用为内容,重点介绍双电机驱动离心机的控制性能。
1工作原理
主电机控制离心机转鼓的转速,转鼓转速决定了离心机的分离因素,分离因素越高离心机的分离效果越好,在通常情况下离心机的转鼓转速是恒定的[3]。由于机械差速器的机械结构和推料螺旋的旋向,离心机设计的推料螺旋的速度比转鼓转速高,两者之差称为差速,一般离心机差速的调整范围为4-20 r/min差速左右,差速大小视物料含固率而定。在离心机分离因数一定的情况下,为了保证泥饼干度稳定,差速必须随分离物浓度的变化而改变,分离物浓度越低要求降低差速,差速越低,物料在腔体内的沉降时间就长,加大了泥饼干度;反之分离物浓度越高要求差速越大,物料在腔体内的沉降时间越短,降低了泥饼干度,最终效果使泥饼干度稳定。由于主电机转速是固定的,所以差速的调节完全由副电机完成。又由于差速器的输入轴和输出轴旋向相反,所以要增加差速,副机必须降低转速,即要求副机的转速趋向于零。为了解决交流异步电动机能在低速时输出扭矩小的问题,在实际应用中,副电机驱动变频器一般采用具有开环矢量功能的矢量型变频器来驱动,能较好地解决了副电机在低速时的力矩偏小的问题。离心机的恒差速调控和恒扭矩调控制在HMI上直接设定,其过程控制由PLC中逻辑完成,设备的启动、停止、离心机主要参数的监控及工艺参数及控制参数的设定根据设定的操作权限不同通过HMI进行设置和标定,HMI设置界面见图1。
图2是双电机变频驱动离心机系统图。机械差速器壳体直接和转鼓连接,使机械差速器的壳体与离心机的转鼓保持一致的速度,转鼓转速由主电机决定,离心机的副电机与机械差速器的输入小轴直接连接,差速器的输出轴带动推料螺旋旋转,离心机推料螺旋的差速是根据转鼓的速度和差速器小轴的速度的差值除以差速器的速比系数得到的。离心机转鼓转速(差速器壳体)用n1表示,离心机差速器小轴输入的速度用n2表示,差速器的速比用i表示,则离心机转鼓和推料螺旋的速差的为Δn=(n1-n2)/i,理论上差速Δn越小,物料沉降时间长,分离效果更好,但差速Δn小,由于制约于离心机副电机的输出力矩,所以需要对离心机的副电机的输出力矩进行调控,使离心机的在小差速下的运行更加的稳定可靠。
恒差速调控模式适用于进入离心机分离的物料含固率相对稳定。在该模式下,离心机的运行工况稳定(差速稳定),分离效果好,分离出的泥饼干度和清液的回收率等指标相对稳定。离心机转鼓转速和推料螺旋速度的测量,采用安装在差速器端和进料推料螺旋端的两个接近开关实测所得,可以真实有效的反映实际的速度,接近开关的脉冲输出信号直接接入到PLC的高速计速器输入通道,通过PLC的计算得出实际的转速和差速,差速作为PID的反馈量,同时差速实时地在HMI上显示。
恒差速的PID调控功能如下:
在HMI上直接设定差速值,一般差速设定范围为4-20 r/min,根据设定值与实测值的误差调整离心机副机变频器的输入模拟量,将误差减少,达到稳定差速的目的。实际差速(Δn)与设定值相比:差速(Δn)↓→PID控制量↑→离心机副电机变频器频率↓→离心机副电机转速↓→差速(Δn)↑,使误差趋于零;反之,差速(Δn)↑→PID控制量↓→离心机副电机变频器频率↑→离心机副电机转速↑→差速(Δn)↓,使误差趋于零。
恒扭矩调控模式适用于进入离心机分离的物料含固率浓度波动大的情况。在该模式下,离心机副电机的输出力矩恒定,控制系统更加的稳定,在浓度波动时,可以自动调整离心机副机的转速,调整差速,在恒扭矩下分离出的泥饼干度恒定。离心机副电机的实际力矩通过矢量变频器模拟量通道输出的转矩估算值接入到PLC的AI,其对应关系为-200%～+200%额定电机转矩对应4-20毫安信号,此信号作为PID的反馈量,同时实时扭矩值实时在HMI上显示。
恒扭矩的PID调控功能如下:
在HMI上直接设定扭矩值,扭矩设定范围30%～60%额定电机转矩,根据设定值与实测值的误差调整离心机副机变频器的输入模拟量,将扭矩误差减少,达到稳定输出电机转矩的目的。实际扭矩值(T)与设定值相比:扭矩T↑→PID控制量↓→离心机副电机频率↓→离心机副电机转速↓→差速(Δn)↑→扭矩T↓,扭矩误差趋向于零;扭矩T↓→PID控制量↑→离心机副电机频率↑→离心机副电机转速↑→差速(Δn)↓→扭矩T↑,扭矩误差趋向于零。
以上是定性分析,说明了调整过程,但实际系统是否稳定(不振荡),取决于PID对被控对象传递函数的校正是否到位,也就是取决于PID控制器系数和时间常数的选取[4]。
2PID控制的程序结构
在PID程序设计时,使用西门子STEP7软件中标准的FB41功能块,FB41,即连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量,逻辑框图见图3[5]。可以方便的完成程序的功能调用,其主要设置如下:
应在启动时执行的组织块OB100中和在定时循环中断OB(例如OB35)中调用SFB41。执行OB35的时间间隔(ms,即PID控制的采样周期Ts)在CPU属性设置对话框的循环中断选项卡中设置。
调用系统功能块应指定相应的背景数据块,例如CALL SFB41,DB30。
系统功能块的参数保存在背景数据块中,可以通过数据块的编号、偏移地址或符号地址来访问背景数据块。
SFB41是高度开放的功能块,在编写控制软件时可以充分发挥编程人员的想象力,把系统设计得更好。例如:在不进料的情况下,即使工作模式设置在恒扭矩状态,系统也不会进入闭环调节,而是自动进入开环模式;只有当工作模式设置在恒扭矩状态的同时并且进料,系统自动进入闭环调整。对于SFB41来说,可以利用手动控制位(MAN_ON)方便地从开环和闭环之间的切换,同时将副机开环频率信号由MAN送入,这样可以充分利用SFB41的输出上限(LMN_HLM)和输出下限(LMN_LLM)对控制信号规范。当然,开环和闭环的切换还必须考虑冲击问题,考虑到这点,在软件上很容易避免。
3结束语
离心脱水分离的关键指标脱水污泥的干度和排放清液的回收率,通过PID闭环调节系统使恒扭矩控制技术和恒差速控制技术的应用使离心机始终运行在最佳工作状态,根据扭矩波动自动调控离心机副机的速度使离心机在运行过程中扭矩不变,保证干泥的干度;根据差速的波动自动调节副机频率使离心机保持差速不变,从而更有利于清液回收率的稳定,使双变频驱动控制的离心机的分离性能得到提高,使离心机在稳定运行的条件下,并能发挥离心机的最大效率,使脱水污泥的干度和分离的清液的回收率能有一个更好的提高,具有很好的推广价值。
摘要：在双电机变频驱动卧螺离心机中,污泥的干度是关注的重点,以双电机变频驱动卧螺离心机为例,介绍如何利用PID控制技术对离心机的速度和力矩进行控制和调节,能较好地解决了污水浓度变化引起的泥饼干度不稳定,使控制精度大幅提高。系统具备恒差速和恒扭矩两种工作模式,较好地控制泥饼的干度和清液的回收率得到很好的提高,并使系统的稳定性能得到很大的改善。
关键词：离心机,闭环调节,恒差速,恒扭矩
参考文献
[1]陆中华,陆炯.一种上位机脱机后丢失历史数据恢复的方法[J].电气自动化,2010,32(4Z):9-11,14.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.
[3]施震荣.工业离心机选用手册[M].北京:化学工业出版社,1999.
[4]冯垛生,曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践[M].北京:机械工业出版社,2006.
闭环变频调速范文
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