变频器智能化在提高驱动效率中的应用

摘 要：高性能智能变频器可以提高机械传动驱动效率，首先对高性能变频器的硬、软件布置进行了阐述，对其在提高工厂设备具体应用方面进行了分析，为变频器智能化研究进程提供了相关思路。

关键词：变频器；驱动；智能化

引言

由于具备高效的频率转换和节能作用，变频器在机械领域得到了相当广泛的应用，是基础技术因公用主体，尤其是在选煤厂以水泵和皮带为主体的驱动机械设备中，应用数字化智能变频器更是能够提高工作效率，降低使用成本。目前我国经济高速增长但能源利用率却和发达国家相比还有差距，将技术优势应用于变频器设计，综合性推进高性能变频器智能化发展，可以从根本上改变洗煤厂生产的应用水平。变频器智能化的终极目标，是可以改善经济增长所带来的能源消耗、降低生产成本。

1 变频器智能化开发

近年来，电子信息技术和计算机应用水平不断提高，在机械传动领域，也同时面临着重要深刻的技术变革，利用交流电动机变频器加强工业产品制造效率具有很重要的意义，利用变频器的变频调速技术[1]，可以优化设备结构，使电气设备在自我调整和节能的状态下运行。在洗煤厂应用领域，包括水泵运行、利用皮带进行机械传动、给煤机运行、加压过滤方面，都有变频器的大量参与。作为高新技术领域的重要组成部分，开发、研究和制造具有高度数字化、智能化高性能的变频器势在必行，衡量变频器的指标很多，但综合来说，主要是质量结构上的可靠性，抗外界干扰能力和性价比方面。

总体上，变频器由硬件和软件组成，如图1所示，为变频器整体运行简图。

硬件的核心是电路系统，电路系统包括主程序控制电路、工作过程检测电路、键盘控制电路、显示器控制电路和附加功能扩展电路。高性能变频器内部还包括智能化扁平器，可以达到优化控制电机的功能，同时可以进行故障诊断和自我处理维修。变频器的技术发展始终趋于机电一体化，智能化进程由电气和软件进行整体控制，在发达国家的驱动控制方面，90%以上都是通过变频调节。

在人工智能和大数据控制的驱动下，变频器身上所拥有的技术理论更趋于成熟，可以配置更高水平的控制能力，还需要高速数字控制的精确性，模拟仿真技术的发展也会带动变频器智能化进程。之所以是智能化，将是自动控制、电气自动化、电子技术、人工智能、模糊控制和自适应控制几个角度对变频器的总体支撑，提高工作效率，减少能源排放。

2 智能变频器仿真驱动效率

对于变频器来说，最为直观的设计是外部硬件，首先来考虑电路系统设计研究，整流电路的良好配置会首先减少排放和成本，因此高性能变频器多用半控型整流电路，如图2所示便是半控型整流电路的电路图，输入电流为右上角正极，输出为右下脚负极，图右侧部分的整流电路可以削弱电源的高次谐波干扰，并且可以修正电流相位，对电流的有功功率部分也可以进行补偿，直流电压的波动部分也会得到相应的抑制。

自动控制原理也在智能化变频器中得到了应用，在洗煤厂厂房的各类传动机械使用过程中，自动控制补偿可以体现在以下几个方面，首先是系统模块化处理，利用自己设计的软件，将以变频器为基础的调节系统整合在一起[2]，包括电机、水泵和皮带，其次需要将使用应用和模糊理论相结合，简化控制算法，在控制上达到更高精度的研究。在变频器整体应用中，要考虑机械和结构上的可靠性和系统的配合情况，一般可以应用卡尔曼滤波器算法，变频器输出的状态变量可以通过无参数进行估计，自适应控制可以对系统故障进行检测。另外，需要在变频器上安装传感器，利用振动测试和电路测试，结合数字信号处理算法，将物理信号转化成可以进行软件处理的电信号，可以对变频器的工作状态、使用效率，具体的输入输出进行监控。还可以将三相6开关整流技术应用到系统设计中，双向的流动可以实现能量互通，这样便可以更好的发挥变频器的节能优势。

良好的变频器启停电路应用可以实现节能效果，将电路控制在稳定无超调状态，达到节能启动、软制动的响应目标。高性能变频器内存在晶闸管调压系统，输入端的电压幅值和相位的大小可以通过TPAM得到具体的调节。TPAM还可以以再生能量控制制动电路，控制参数为功率总容量和电阻大小，这样可以有充分的时间进行反应，可以散除由于制动带来的热量堆积。

外部硬件上，为了加强变频器机械控制人员使用效率，高性能变频器内存在MSP430单片器控制电路，液晶显示器接口和接口键盘功能通过组成了上位机接口电路。良好的变频器控制软件交互界面非常重要，可以实现信息互换、显示和数据的输入等方面。界面操作拥有方便安全性，多语言和多功能输入，功能方面包括数据监控、统计查询、转速设定、整体运营状态等。

智能硬件方面，高性能变频器的电网也会受到高压和过流的影响，自身設备也会存在热量干扰，状态监测和即时保护措施。电流会先被转化为电压信号，之后输入测试器，形成电流检测电路，直接串联取样方法简单高效，输出效果不失真，而且没有电流损耗，通过长时间的使用，以达到节能效果。电压保护主要采用霍尔传感器高性能光耦检测，过热保护主要是通过阀值检测。

高性能的变频器的特点便在于其所使用的高超智能技术，驱动电路所使用的是IPM驱动电路。变频器所使用的主动模块为专用单元。电路内部包含电源锁定保护单元、过热保护单元、过流保护和短路保护单元，当任何一种保护功能上有所动作之时，IPM便会放出节能和故障信号对电路进行驱动保护，这样一来就可以保护整体驱动机械系统的安全性，系统效率也会得到很大程度上的改善。装备了IPM电路的变频器体积很小，结构可靠，功耗也很低。如图3所示便是IPM智能驱动电路。

智能变频器最具备特色的模块是基于EFK的无参数估计模块，该设计也是高性能变频器的应用特点，这里面要充分的考虑到系统的可靠性和性价比，在变频器体表传感器失效，或者传感器的感性情况没有达到效果之时，调用EFK的控制算法非常重要。该估计算法具有非常好的动态特性和较强的干扰能力，可以对系统故障进行自适应控制。

智能变频器的程序设计也需要随着具体应用人员要求的改变进行更新，主要采用在线程序检测，来计算空占比[3]，用三角波作为载波的规则采样方法，主程序内部设置多样子程序，子程序包括上位机程序、抗干扰程序、串口通用程序和基本函数程序。程序和硬件之间配合良好，算法复杂但操作简单，方便使用人员。

3 总结与展望

随着现代控制理论、微处理器、大数据不断发展，高性能变频器正逐步得到高速的发展和广泛的应用。该类变频器应用集成化思维，硬件节能思维和软件人性化思维，为以水泵、皮带为基础的驱动机械的使用提供了理想节能效果。降低了电量损耗，材料损耗，节约了大量成本。

目前，人工智能技术在很多行业中都得到了应用，在变频器中，该技术也有很大发挥的空间，可以提高变频器的快速性、即时性、准确性、可靠性和智能特性。未来的变频器也亟待网络化，不同设备的驱动变频器之间可以通过局域网进行信息互通，降低系统的控制和维修成本，提高使用效率，进一步完善高效智能化变频器研究和应用进程。

参考文献

[1]陈明.基于变频器的起重机相关机构控制设计[J].有色矿冶，

2016，37-39.

[2]何超.数字式智能变频器的研究[D].武汉理工大学，2008.

[3]戴明宏.起重机变频调速控制系统的设计与研究[D].西南交通大学，2004.

作者简介：谢明浩（1986，9-），男，汉族，籍贯：安徽合肥，就职单位：淮北矿业（集团）有限责任公司 临涣选煤厂，职称：助理工程师，从事工作：机电车间电气技术员。