一種新型大功率變頻調(diào)速控制器的設(shè)計研究

張玉山

（安徽科技學(xué)院，安徽 滁州 233100）

一種新型大功率變頻調(diào)速控制器的設(shè)計研究

張玉山

（安徽科技學(xué)院，安徽 滁州 233100）

傳統(tǒng)風(fēng)機過濾器單元存在著能耗大、噪聲高、效率低的缺陷與不足，為了改變這種情況，提高風(fēng)機過濾器單元風(fēng)機電機的調(diào)速控制性能，文中介紹了一種新型變頻調(diào)速控制算法，該種變頻調(diào)速控制器采用模糊-PI控制，并且設(shè)置了與之相對應(yīng)的變頻調(diào)速控制器，通過實驗和實際應(yīng)用表明，該控制器比其它控制器更加具有優(yōu)越性，能夠有效地對風(fēng)機過濾器單元風(fēng)機電機進(jìn)行變頻調(diào)速控制，同時也表明這種新型變頻調(diào)速控制器的設(shè)計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.

變頻調(diào)速控制器；風(fēng)機過濾器單元；設(shè)計；控制方法

1 引言

風(fēng)機過濾器單元的構(gòu)成要件主要包括風(fēng)機、過濾器和控制器，近些年來，它在各種凈化設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用.實際上，對風(fēng)機過濾器單元的控制主要體現(xiàn)在對風(fēng)機的調(diào)速控制上.傳統(tǒng)的風(fēng)機過濾器單元控制方法主要采用可控硅無級調(diào)速和變壓器有機調(diào)速控制這兩種方式，但是這兩種控制方法存在著很多的問題與不足，比如工作效率低、消耗能量大、產(chǎn)生噪音大等，這些問題與不足不利于風(fēng)機的整體性能的發(fā)揮.而在實際工作中，提高工作效率、降低能耗、減小噪音是變頻調(diào)速控制器所應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)，基于此，文中介紹了一種新型變頻調(diào)速控制器，該控制器采用數(shù)字化控制技術(shù)和變頻變壓調(diào)速控制技術(shù)，通過實驗證明，這種控制器除了擁有改善風(fēng)機過濾器單元的控制性能的優(yōu)點之外，還可以提高工作效率、降低能耗，同時也表明這種新型變頻調(diào)速控制器的設(shè)計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.

2 新型變頻調(diào)速控制器的總體結(jié)構(gòu)

我們將介紹這種新型變頻調(diào)速控制器的的構(gòu)成，在它的構(gòu)成中，變頻主電路和控制電路是它的主要構(gòu)成部分.其中，變頻主電路采用AC/DC整流加DC/AC逆變的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣單相交流輸出經(jīng)布控整流濾波后變成直流，再將直流逆變成電壓和頻率可調(diào)的交流輸出，給風(fēng)機過濾器單元風(fēng)機單相感應(yīng)電動機供電，通過這樣的方式實現(xiàn)了對風(fēng)機的變頻調(diào)速.而控制電路的主要功能是保護(hù)整個控制器，防止受到意外的損壞，實現(xiàn)通信等.

3 風(fēng)機過濾器單元的工作原理

在實際運用中，單相感應(yīng)電動機是風(fēng)機過濾器單元所采用的主要的動力方式.由于受到只有單個繞組結(jié)構(gòu)條件的限制，在單相感應(yīng)電動機中無法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通常采用的結(jié)構(gòu)方式是，將主副兩個繞組的分相結(jié)構(gòu)放在定子上不同的位置，與此同時，還需要串聯(lián)一個電容器在副繞組中，以便獲得起動轉(zhuǎn)矩.電容運轉(zhuǎn)式單相感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)包括主繞組、副繞組和運轉(zhuǎn)電容.

單相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速、頻率和極對數(shù)的關(guān)系可以用公式來表示：n=60覬(1-σ)／p,在該公式中，n 表示電機轉(zhuǎn)速，覬表示輸入電源的頻率，σ表示電機轉(zhuǎn)差率，p表示電機極對數(shù).從這個公式我們可以清楚的得知，電源的頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機極對數(shù)的改變都可以對轉(zhuǎn)速的改變產(chǎn)生影響.但是在實踐運用中，采用改變極對數(shù)的調(diào)速方式使用得比較少，因為它僅限于幾個固定轉(zhuǎn)速，而且和電機的結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián).改變輸入電源頻率能夠提高工作效率，也可以在較寬范圍內(nèi)對風(fēng)機過濾器單元進(jìn)行調(diào)速.由于在改變頻率時，磁通會增加，而磁通增加會導(dǎo)致電機嚴(yán)重發(fā)熱，甚至有可能發(fā)生損壞電機的現(xiàn)象.為了防止這種情況的發(fā)生，在改變頻率的時候，必須相應(yīng)的同步改變電壓，從而保持恒定的電壓和頻率.一般情況下，單相感應(yīng)電動機采用正弦波脈寬調(diào)制，該種新型變頻調(diào)速控制器也采用這種調(diào)速控制方法，這樣能夠使電動機輸出的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，能夠獲得較好的工作性能.

由于各方面條件的限制，傳統(tǒng)的電機只適用于某一個頻率點，在變頻調(diào)速中不怎么適用，這樣轉(zhuǎn)矩脈振在電容起動的時候容易產(chǎn)生.因此，為了實現(xiàn)單相感應(yīng)電動機控制，該種變頻調(diào)速控制器采用了兩項三橋臂逆變電路，這種方式比傳統(tǒng)的調(diào)速控制器具有明顯的優(yōu)勢，它的調(diào)速范圍更寬，電壓利用效率更高.

4 風(fēng)機過濾器單元的控制方法

傳統(tǒng)的風(fēng)機過濾單元的控制方法簡單，易于操作，通常采用開環(huán)控制或者PI控制算法.由于單相感應(yīng)電動機是一種非線性時變的系統(tǒng)，該系統(tǒng)較為復(fù)雜，還會受到不確定因素的干擾，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型對此進(jìn)行研究和計算，采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制所收到的效果不能令人滿意.雖然作為人工智能控制方法的一種，模糊控制是一種不依賴于對被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型的一種方式，比較適用于非線性.但是，由于模糊控制中缺少積分環(huán)節(jié)，在實際運用中，單獨采用模糊控制雖然可以起到一定的作用，但是不能滿足單相感應(yīng)電動機風(fēng)機變頻調(diào)速的精確度和性能要求，所以，有必要設(shè)計一種新型的控制方法，以滿足單相感應(yīng)電動機風(fēng)機變頻調(diào)速高精確度和高性能的要求.為了充分發(fā)揮各種控制器的優(yōu)勢，實現(xiàn)對單相感應(yīng)電動機精確的控制，本文采用了一種模糊—PI控制策略，實驗表明，該控制策略能夠?qū)蜗喔袘?yīng)電動機進(jìn)行精確的控制.

模糊—PI符合控制結(jié)構(gòu)包括控制方式選擇、脈沖寬度調(diào)制控制信號、單相感應(yīng)電動機風(fēng)機、風(fēng)量輸出、轉(zhuǎn)速反饋等幾個部分，其中控制方式選擇包括模糊控制和PI控制.這種控制器能夠?qū)崟r檢測計算給定轉(zhuǎn)速和實際反饋轉(zhuǎn)速的差值，除此之外，還可以根據(jù)設(shè)定值來切換控制方式，具有靈活適應(yīng)性，滿足了調(diào)速控制的要求.在實際的操作過程中，當(dāng)出現(xiàn)速度差值大于設(shè)定值的情況的時候，控制器就會選擇PI控制方式，過濾過程的超調(diào)量減小，從而使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能得以提高.而當(dāng)速度差值小于或者等于設(shè)定值的時候，控制器就會選擇模糊控制方式，這就使得過濾過程的超調(diào)量會進(jìn)一步減小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會得到消除，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和控制精確度就會進(jìn)一步得到提高.

5 風(fēng)機過濾器單元的仿真研究

一般來說，為了驗證某一設(shè)計系統(tǒng)性能的優(yōu)越性，設(shè)計者往往會對這一系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究.同樣的道理，為了證明上述變頻調(diào)速控制器性能的優(yōu)越性和實際運用的有效性，我們在仿真平臺下建立了仿真模型，對風(fēng)機過濾器單元風(fēng)機控制進(jìn)行了仿真研究，并對比分析了風(fēng)機過濾器單元仿真研究的實驗結(jié)果.從實驗結(jié)果我們對風(fēng)機過濾器單元控制得出以下結(jié)論：相對于常規(guī)的單模糊控制和單PI控制而言，在風(fēng)機起動、調(diào)速的情況下，采用模糊—PI復(fù)合控制的單相感應(yīng)電動機風(fēng)機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能更好，它可以保持超調(diào)小、響應(yīng)快、無靜差等良好的性能.事實上，高準(zhǔn)確度是單相感應(yīng)電動機風(fēng)機速度控制的要求，而使用模糊—PI復(fù)合控制能夠滿足這個條件，適應(yīng)了電動機風(fēng)機速度控制的要求.從該仿真研究我們驗證了該設(shè)計方案的正確性，也證明了該方案的優(yōu)越性.

6 變頻調(diào)速控制器的設(shè)計

變頻調(diào)速控制器的設(shè)計是該設(shè)計的關(guān)鍵部分，它決定著控制器性能的好壞和該設(shè)計能否成功的運用.變頻調(diào)速控制器的設(shè)計由兩個部分組成，包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計.

6.1 軟件設(shè)計

在語言編寫上，控制器的軟件是利用C語言編寫的，在設(shè)計思想上，控制器采用了模塊化的設(shè)計思想.程序主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、模糊—PI復(fù)合控制算法模塊、人機接口處理模塊及通信模塊等.它們之間相互聯(lián)系，相互作用，共同在該控制器中發(fā)揮作用.在所有的這些模塊中，其中，主程序模塊是系統(tǒng)程序的調(diào)度執(zhí)行部分,它包括系統(tǒng)初始化、寄存器配置、子模塊調(diào)用、看門狗復(fù)位等功能.就該程序的流程圖來看，它包括開始、系統(tǒng)初始化寄存器設(shè)置、讀取指令及設(shè)定值、調(diào)用正弦波脈寬調(diào)制控制子程序、顯示運行參數(shù)信息、調(diào)用故障處理子程序、返回菜單.

6.2 硬件設(shè)計

在這個控制器中，兩個部分組成了控制器硬件電路，包括主電路和控制電路.其中，主電路的設(shè)計包括拓?fù)涞倪x擇和器件選型，文中所指的主電路拓?fù)錇槌Ｒ姷腁C-DC-AC結(jié)構(gòu).在該硬件設(shè)計中，主電路的設(shè)計采用了整流橋模塊和智能功率逆變模塊，其中整流電路選用D10XB80整流器模塊;逆變電路選用三菱的DIP-IPMPS21564模塊，這樣的設(shè)計既簡化了控制器的設(shè)計，又提高了系統(tǒng)額功能，收到了良好的效果.在主控制芯片的選擇上，控制電路選用dsPIC30F3010，主要包括信號采集和處理電路、人機接電路、通信電路等其它輔助電路組成.

7 新型變頻調(diào)速控制器的實驗結(jié)果

在介紹了這種新型變頻調(diào)速控制器的總體結(jié)構(gòu)、風(fēng)機過濾單元的工作原理、控制方法、仿真研究、變頻調(diào)速控制器的軟件硬件設(shè)計等問題之后，為了驗證它的效果，我們有必要對此進(jìn)行實驗，以驗證該設(shè)計方案的正確性和優(yōu)越性.通過實驗，我們得出結(jié)論：采用模糊—PI復(fù)合控制的新型變頻調(diào)速控制器，逆變輸出波形平滑，轉(zhuǎn)速響應(yīng)準(zhǔn)確，通過與傳統(tǒng)的控制器相比較可以得知，這種新型變頻調(diào)速控制器能夠?qū)︼L(fēng)機實現(xiàn)更加有效的控制.而將這種新型的控制器應(yīng)用于凈化室潔凈工程的實際運用中，通過查看測試的結(jié)果，可以得知控制器的運行穩(wěn)定可靠，控制結(jié)果具有高精確度.與傳統(tǒng)的控制器相比較，該變頻調(diào)速控制器的優(yōu)勢明顯，它的效率更高、噪音更小、能耗更低，具有更大的優(yōu)勢，實驗證明，該新型變頻調(diào)速控制器的設(shè)計是正確的，值得進(jìn)一步推廣與應(yīng)用.

8 結(jié)束語

綜上所述，本文文章主要介紹了一種基于模糊—PI控制的新型變頻調(diào)速控制器，模塊化設(shè)計思想和數(shù)字控制技術(shù)是該種控制器所采用的理念和技術(shù)，與能耗大、噪聲高、效率低的傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制器相比較，該種新型變頻調(diào)速控制器的能耗低、噪聲小、效率高.通過實驗和實際應(yīng)用表明，該控制器比其它控制器更加具有優(yōu)越性，不僅可靠性高、成本比較低，能夠有效地對風(fēng)機過濾器單元風(fēng)機電機的變頻調(diào)速控制，同時也表明這種新型的變頻調(diào)速控制器的設(shè)計方案是正確的，在實踐中值得推廣和運用.我們相信，該方案的推廣與應(yīng)用會發(fā)揮它的優(yōu)勢，會進(jìn)一步推廣與運用到風(fēng)機過濾器單元的實際運作之中，會帶來相應(yīng)的社會經(jīng)濟(jì)效益.

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TP332.3

A

1673-260X（2012）06-0026-02

安徽省教育廳科研項目（KJ2012A065）