基于变频调速技术的电气自动化控制方法

陈爽

(辽宁建筑职业学院,辽宁 辽阳111000)

本文提出基于变频调速技术的电气自动化控制方法。以电气设备数据采集为基础,通过对信息进行交换,判断电气自动化控制比例,并最终通过变频调速技术对控制比例内的电气设备参数进行控制。并通过实验验证了所提方法的有效性。通过该研究,以期为该领域的实际研究提供有价值的参考。

1 电气自动化控制方法设计

1.1 设备运行数据采集

根据减少人员使用的设计原则,本文在数据采集模块采用分层全开放的分布方式设计,模块由主控层和现地单元层两部分组成。其中,主控层包括2台操作工作站、以太网交换机、Modem组成,实现对电气设备运行数据的实时监视与采集,并对设备运行记录进行统计,为控制管理、HMI人机交互、数据通信等提供基础[1-2]。在Modem上完成与上一级调度、电气控制室信息管理模块的通信。在现地控制单元层,共设计4套设备,分别为3套LCU机组和1套对应线路,以此实现对各电气设备的监控。负责定时采集电气设备的运行状态和运行参数,并在对数据进行预处理保存于数据库中,作为各种计算、控制等功能实现的基础。

1.2 控制环境内的信息交换

控制环境内的信息交换主要包括PLC与设备之间以及采集模块与PLC之间的通讯,其中PLC和设备之间的数据传输选用RS485串口通信,采用MODBUS协议[3]。把设备的通讯端口串接正确后,和PLC协议卡进行通讯数据传输。MODBUS通信协议波特率为9600,包含一位起始位,八位数据位,一位停止位以及CRC校验位。在传输信号前,首先对信号进行划分,将其分成正、负两部分,并通过两条传输线分别进行传输,接收端接收到信号后,将信号进行相减处理,以此获得原始信号。PLC和数据采集模块之间的数据传送单位为“帧”,数据采集发送通信命令给PLC,PLC接收后自主发送响应帧给控制模块。

1.3 电气自动化控制比例计算

根据上述信息交换结果,获得到的电气设备的运行参数以及实际运行需求,对电气自动化控制比例进行计算[4-5]。控制比例是指改变电气自动化增益的最基本控制基础,因此,本文对自动化控制比例计算为:

其中,Q表示控制信号；λ 表示自动化控制比例增益；q表示控制误差；r(t)表示参考增益量；s(t)表示控制反馈量。控制比例可快速减小控制偏差值,但不能消除控制稳态误差,控制比例作用强弱与偏差大小成正比,不同的 λ,会产生不同的作用。λ 较小时,调节作用也较小；而 λ增大则控制作用加快,但超过正常范围时,将对稳定性产生负面影响,因此采用使用 λ划分控制比例大小。

1.4 基于变频调速技术的参数控制

在上述电气设备运行数据采集和交换基础上,根据分析的电气自动化控制比例,通过调速模块对设备运行进行变频调速,控制运行参数。调速模块装置选用SIAMSG120模块式交流变频器,满足控制比例内的微调、行程调整等工作需要[6]。本文选用的是IIEP28C8芯片,采用FPGA实现,包括5个组成电路,以此实现FFT、循环前缀插入、缓冲以及DA的功能,并完成对各个模块的功能的仿真验证。如图1为变频调速模块控制原理图。

图1 变频调速模块控制原理

变频器配置制动电阻来发挥制动效果,以防因大型机械设备高速运转的机械能产生电能损坏变频器装置。变频器在此控制模块中采用的是矢量控制模式,对交流异步电动机的速度进行调速控制,通过信息交换模块向PLC控制器进行报文通信,以此控制电动机的启动、速度变换、停止,变频控制电动机转动运行的实际转速则是通过状态ZSW1来反馈给PLC控制器。使用SCOURT变频器调试软件来优化设置变频器,通过设置相应的变频器数据报文参数与电动机参数,然后给变频器做静态测试与动态测试分析顺利结束后,变频器启动后对电动机的速度控制达到灵活可控的目的,表示变频器可以开始正常运行工作[7-8]。当变频器调速控制模块在微调控制状态下时,主电机处于微速度运行,并可以正/反向运转,滑块的运动行程次数是5次/分。当控制模块处于行程状态下时,主电动机只可以作正方向的高速运行,并且在连续模式下,其滑块的运动行程速度对应次数在10-15次/分,速度连续可调。以此实现对电气设备参数的实时连续控制,提高其运行的合理性及稳定性。

2 试验测试

2.1 实验环境

选用某水站的凝结水泵作为试验对象,对其进行控制测试。该水站的凝结水系统包括两台100%容量的凝泵,正常运行方式为一开一备,凝泵为5级离心式多极立式泵,流量调节依靠凝泵出口调节阀调节,出口调节阀采用一大一小2个的气动阀门。机组的变负荷范围40%-100%,凝泵为多极立式离心泵。额定流量为640kg/s,扬程为3200m,轴功率<2360kW,泵效率>83%,电机功率为2590kW,满负荷情况下电机效率为95.5%。同时,提高实验结果的可靠性,分别采用文献[3]和文献[4]方法同时进行试验。

2.2 实验结果

首先,分别采用三种方法找出额定负荷点下,满足凝水流量的凝泵的最低频率,并将分析结果作为其自动化控制的依据。在实验过程中,由于主调位门会在自动情况下逐渐开大,阀门前后的压差逐步减小。当机组的减温水压力低于1.5 Mpa时,低旁会闭锁关闭,因此,要保证主调阀前的压力不低于1.6 Mpa。三种方法得出的试验结果如表1所示。

表1 三种方法控制下凝泵的最小频率和电流

通过表1可知,在三种方法中,通过改变频前后的凝泵电流对比,本文方法控制下凝泵的电流降低幅度最大,在500MW时甚至降到了原工频电流的40%不到,如果不考虑低旁减温水的最低压力1.6 Mpa限制,还存在优化空间,节能潜力非常巨大。这主要是因为本文方法对凝泵进行自动化控制时,首先实现了对其运行数据的分析,以信息交换为基础,对控制比例进行明确,并将调频变速技术应用与实际的设备参数控制环节,实现了高精度的设备控制。同时,在试验机组900MW-500MW负荷点中,将上述阀门开度作为目标控制参数,分别采用三种方法对凝水系统大/小阀的进行自动化控制。三种方法的控制结果如图2所示。

图2 不同方法控制执行结果

从图2中可以看出,对比文献[3]和文献[4]方法,本文方法具有更高的执行率,其式中保持在90%以上,这主要是因为本文方法在自动化控制执行过程中,转矩比较器和磁通比较器实现了高频率的数据对比,以此提高控制结果以实际控制目标的拟合性,使控制效果更加精准。

结束语

随着科学技术的不断发展,对于电气的自动化控制要求也越来越高,通过这种控制实现最大限度的设备保护和资源节约也逐渐成为该领域研究的重点。本文提出基于变频调速技术的电气自动化控制方法,不仅实现了在满足设备运行要求,同时最大限度降低了运行开销,并且有效保证了控制输出的准确性,对于自动化控制的研究具有一定的参考价值。