内反馈调速

2024-10-08

内反馈调速（通用4篇）

内反馈调速篇1

在目前的工业生产中, 电动机的耗能越来越大, 其中一些大型的电动机耗电尤其多, 正是因为采用了挡板以及阀门调速, 造成了大量的能量消耗。当前应用比较广泛的节能技术就是变转速调节, 由于内反馈串联调速技术能够很好地控制电量并降低功率, 同时内反馈串联调速技术大大降低了成本以及维护费用, 所以该项技术已经展现出了明显的优势。

1 内反馈串级调速技术

1.1 技术分析

内反馈串联调速技术的原理就是在电源与电机之间加上一个变频设备, 从而成功地将50Hz的电源转化为电压以及频率可调节的电源, 然后再给电机定子供电, 这样就能够使同步转速发生改变, 从这个角度上实现转子转速的可调节。

内反馈串级调速技术具有很好的可控制性, 主要表现就是在中低压的电机调速中能够展示出非常好的速度调节能力, 然而在高压大容量电机的应用中, 由于控制装置与高压的电网系统的连接方式是直接相连, 这样就对系统中的交流装置具备非常高的耐压能力, 而且要求系统中的相关控制设备能够承受所有源自电网的功耗, 这样就使得控制难度变得大, 大大提高了整个系统的技术成本。

1.2 技术特点

通过以上的分析可以发现, 内反馈串级调速技术最主要的特点表现在以下几个方面:内反馈串级调速技术的主要优点表现在调速的效率更高、应用范围更加广泛、调速的控制范围更大, 甚至可以在0-100%范围内可选;将机械的硬性特点与速度调节的平滑性很好地结合在一起, 实现了更高的速度调节精度, 最高达到了1%, 而且实现了整个系统的软启动模式应用。内反馈串级调速技术的主要缺点表现在变频调速器的容量要比需要调速的电动机容量大, 尤其是在高中压的大容量变频系统上应用时还要增加额外的多绕组变压器, 这样就使得系统成本大大提高, 而且还整体上加大了整个变频系统的损耗。设备投资在开始阶段就已增大, 而且国外的相关产品的价格还比内反馈串级调速系统通常要昂贵3倍以上, 即便是国内的相关产品也要比内反馈串级调速系统贵1-2倍。从原理上讲, 变频器实现的根本就是对电动机的定子进行相关调节, 同时就使得整个系统中的电压变得更高, 整个系统操作变得更加复杂, 维护难度也无形中变得更大。由于变频器对环境的要求比较高, 这样就要求在安装变频器的过程中选择无尘带有空调的封闭房间, 而且一旦发生了故障, 就要停机检查并处理。

2 内反馈串级调速系统具体应用案例分析

通过上文的分析我们已经了解到, 内反馈串级调速技术在高压大容量电机的调速方面具有很高的应用与推广价值, 本文结合某电厂的内反馈串联调速系统性能进行分析, 对内反馈串级调速系统进行深入地研究。

2.1 内反馈串级调速系统精度的分析

通过对该电厂的现场数据进行分析, 结果表明该电厂的内反馈串级调速系统的速度调节范围比较宽, 最高的调节范围达到了739—357r/min, 内反馈串级调速的精度非常高, 通过在现场进行分析发现, 内反馈串级调速系统可以实现每次一转的调整。

2.2 内反馈串级调速系统电动机振动分析

对该电厂的现场数据进行分析, 系统运行过程中的电机振动如图1所示, 从图1的结果可以看出, 随着电机转速的降低, 电动机的振动逐渐变小。整个电动机振动的最大值为35μm, 这在很大程度说明该电厂的系统运行相对稳定。

2.3 内反馈串级调速系统节电率的分析

对该电厂的现场数据进行分析, 可以得出该电厂内反馈串级调速系统节电率的曲线如图2所示, 从该曲线可以看出, 对应系统电机转速的逐渐降低, 整个系统的节电率在逐渐增大, 当电机系统的转速低于500r/min的时候, 整个系统的节电率能够达到60%。这在很大程度上说明内反馈串级调速系统能够节约巨大的能量。

3 结语

通过以上的分析, 我们大致可以得出以下结论:内反馈串级调速技术具有很好的可控制性, 能够很好地控制电量并降低功率, 同时大大降低了成本以及维护费用。而且高压变频调速技术已经能够满足生产工艺的要求, 在调速的范围、精度以及机械性等方面已经达到先进的水平。通过实例分析内反馈串联调速系统, 内反馈串级调速精度非常高, 电动机振动很小, 系统的稳定性很高, 内反馈串联调速技术大大降低了成本以及维护费用, 所以该项技术已经展现出了明显的优势。

摘要：本文首先介绍了内反馈串联调速技术的原理和特点, 结果表明在高压大容量电动机的调速应用中, 内反馈串联调速技术具有更加明显的优点。通过内反馈串级调速系统具体应用案例分析表明, 内反馈串联调速技术能够很好地满足设计的需要, 同时还能降低整个系统的功率, 大大降低了成本以及维护费用, 该技术具有很高的推广价值。

关键词：内反馈串联调速系统,调速精度,节电率

参考文献

[1]马志远.电力拖动控制系统[M].北京:科学技术出版社, 2004.

[2]陈坚.电力电子学一电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[3]马小亮.大功率交一交变频调速及矢量控制技术 (第2板) [M].北京:机械工业出版社, 1998.

内反馈调速篇2

#1热水炉一次风机、A引风机、B引风机采用了内反馈高频斩波调速系统。其调速原理是将交流调速三相异步电动机的转子电压经转子整流器变为直流电压, 通过改变斩波器高频PW M调制调节大功率电子开关的开通和关断时间的比率:当斩波器导通时, 转子直流被斩波器短路, 形成轴功率。当斩波器开路时, 转子直流电流经有源逆变器内反馈入电动机内反馈绕组, 形成转差功率。改变斩波器的占空比, 即改变两部分的电流分配比例, 从而实现电机调速控制, 并达到节能的目的。

一般小于1000KW的电机选用频敏变阻器, 频敏变阻器的一般启动电流为额定电流的2~2.5倍。对大于1000KW的电机或对启动电流有特殊要求的用户, 可以提供启动电流为额定电流的1.1~1.3倍的液态电阻。#1热水炉一次风机采用水电阻启动, A引风机、B引风机采用的是频敏变阻器启动。

1 运行中的问题及分析

1.1 启动时频敏电阻器烧坏

电机启动的时候烧毁频敏电阻器, 其现象是电器启动几秒后, 就听到“碰”的一声响, 伴随打火现象出现, 随后紧急停机, 启动失败。

经过分析, 发现是频敏电阻器容量选的比较小, 启动电流过大引起的。三相电动机启动时的瞬时启动电流是电机额定电流的5~7倍, 频敏变阻器的一般启动电流为额定电流的2~2.5倍, 因此把两个频敏电阻器从并联方式改成串联方式, 这个问题就得到了解决。

1.2 水电阻综合报警

水电阻综合报警有多种原因, 最常见的故障就是水电阻中液体量不足和水电阻极板位置不正确、极板移动电机故障等原因。询问厂家后, 水电阻中液体量不足时, 直接在水电阻中加入纯净水即可, 液体量达到一定高度后, 报警消除。对于北方冬季温度总是低于0度以下, 因水电阻正常工作温度为0~80度, 所以要做好防冻措施。

1.3 运行是电机转速来回波动

这是一个比较容易出现的问题, 其原因是测速接近开关没有固定好, 电机运转的时候, 地基会抖动, 测速开关也跟着抖动, 致使其传递过来的测速脉冲信号时有时无, 表现为内反馈速度时高时低, 从而速度PI调节器输出也是大幅度变化, 而速度调节器的输出为电流环节的电流给定, 实际电流也就忽大忽小, 转速也就上下波动。在每次检修时最好能检查一下接近开关的镙丝看有无松动现象 (接近开关的头部与凸齿之间最好保持在6~8m m左右) 。

1.4 电机电流大幅度波动

电机电流大幅度波动, 现场检查碳刷有打火现象, 检查发现电机碳刷老化问题引起。内反馈高频斩波调速系统电机采用的是绕线式异步电动机, 这就存在碳刷换相及打火问题, 所以选择碳刷时要选择适合电机的碳刷型号, 安装正确接触良好, 通常碳刷单位压力过高, 使电刷的磨损加剧, 单位压力过小, 接触不稳定, 容易出现机械火花, 还有定期清理电机的滑环处的碳粉。

1.5 运行过程中散热铝片过热烧毁

斩波器温度的高低取决于转子电流的大小, 调速过程中在风门不变的情况下, 转速越高转子电流越大则温度越高;反之转速越低, 转子电流越小温度也越低。调速时温度不得超过85度, 所以在转子电流较大的情况下, 运行人员要加强监视, 并保持室内应清洁卫生, 定期清理调速装置内的风尘, 特别要清理冷却风机和安装斩波IG B T的散热铝片间的灰尘, 室内最佳温度保持在20度左右。

1.6 在系统故障转全速时开关跳闸

在调试时遇到一个问题是系统正常调速的时候遇到故障, 系统强制转全速, 此时转子被短接, 频敏变阻器介入, 电机加速, 运行10S左右, 高压开关突然跳闸。究其原因是定子侧速断保护值整定倍数比较小, 2倍的额定电流, 而且过载时间也设的比较短, 只有10S。可是电机带负载从半速升到高速的时间大概需要20S左右, 且此时的启动电流将达到额定电流的2~4倍。后来把高压侧速断保护整定值放大, 即4倍的额定电流, 过载时间20S, 系统在强制转全速的时候高压开关柜就不会跳闸。

1.7 运行过程中人员因素

任何设备的安全运行都跟值班员的技能水平、责任心、值班状态等因素有很大关系, 内反馈高频斩波调速系统能得到更长久、安全的运行, 就需要值班员有过硬的技能基础, 处理故障时的冷静心态, 以及快速的判断能力, 所以在人员的技能培训和安全教育方面的管理工作要做好, 时刻绷紧安全生产这根弦。良好的专业技能是值班员所有工作的前提, 只有在良好的技能水平下, 才能更快、更好的处理故障, 缩短因故障带来的设备停运时间, 减少企业因此带来的损失。

2 结束语

本文对于内反馈高频斩波调速系统实际运行中遇到的一些常见问题进行了分析, 给出了解决的这些问题方法和注意事项。希望对这些问题的分析能够给内反馈高频斩波调速系统安全运行, 减少停运时间、加快故障处理带来帮助。

参考文献

[1]上海科祺调速电气有限公司.内反馈高频斩波调速系统培训教材[Z].

[2]吴承甲.电路基础[M].北京:人民邮电出版社, 1993.

内反馈调速篇3

关键词：矢量控制,调速系统,参数自整定,Z-N法,继电反馈

1 引言

按照偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)进行控制的调节器简称PID调节器。由于其算法简便、鲁棒性好、可靠性高等优点,PID控制算法被广泛应用于工业过程控制。

当前工业控制的状况表明90%以上的控制回路是采用PID控制策略[1],在石化、化工、造纸等工业领域,甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。因此,PID控制器可以视为自动控制的“面包与黄油”。

PID控制器在实际应用时需要进行参数整定。早期的参数都采用手动整定,现场工程师通过一系列调节试验绘制出过程动态特性曲线或频率响应曲线,再通过这些曲线由整定公式计算出PID参数。整个整定过程既费时又费力。而且实际生产往往具有非线性、不确定性,难以建立精确的数学模型,常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。由于参数整定方法烦杂,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,难以适应复杂环境。针对以上问题,人们一直在研究PID控制器参数的自整定技术,以适应复杂的工况和高性能指标的控制要求。随着现代电子技术和计算机技术的飞速发展,PID控制器的自整定技术也在近二十年来取得了长足的进步。自整定的发展减少了控制工程师现场调试工作量,节省了大量时间,且整定结果更加可靠,使一些复杂但是更加精细的设计方法能够应用于实际过程工业控制[2,3]。

本文首先介绍一些常用的整定公式,这些整定公式可以直接应用于PID自整定控制器。详细分析了继电反馈自整定方法,并推导出适用于工程的整定公式,将其应用到了交流矢量调速系统的PI参数自整定中。

2 PID参数自整定

在长期的工程实践中,人们已经积累了大量使用PID控制策略的经验。尤其是在工业过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难以建立,系统参数又经常发生变化,因而运用现代控制理论进行分析、综合会耗费很大代价进行模型辩识,且往往不能得到预期的效果,所以人们常用PID调节器,并根据经验进行参数整定。几十年来,PID控制的参数整定方法和技术处于不断发展中,特别是近年来,国际自动控制领域对PID控制参数整定方法的研究仍在继续,许多重要国际杂志不断发表新的研究成果,PID控制的参数整定方法和技术也处于不断发展中。

2.1 Z-N参数整定方法

齐格勒-尼柯尔斯(Ziegler-Nichols)在大量实验的基础上,于1942年提出了一种实用的参数整定规则,简称Z-N规则[4~6]。

Z-N法中最常用的是响应曲线法,即在被控对象的输入端加一个阶跃信号,然后测出输出的阶跃响应曲线。如果被控对象既无积分环节,又无共轭复数极点存在,则阶跃响应曲线呈S型,如图1所示。

该曲线的特性可以用测得的延迟时间τ和时间常数T来表征,其相应的数学模型可以式(1)的传递函数近似地描述:

根据实验测得参数τ、T,再按照表1的规则。即可整定PID控制器的参数。

2.2 继电反馈法

Asortm和Hagglund在1984年提出基于继电反馈控制的PID参数整定法。

继电反馈法是在闭环控制回路中加入继电控制,继电可以是带滞后的也可以不带滞后,利用继电控制的非线性特性使被控过程出现极限环振荡,这个振荡是周期性的,通过测量这个极限环的性质,获得过程的临界动态特性参数,即输出的频率与振幅,就可以测知对象临界点的信息,再利用Z-N临界比例度整定公式获得PID控制器参数[7,8]。

继电反馈自整定技术有许多突出的优点。首先,这种方法耗时较少且易于使用,操作者只需简单地按下一个按键,即可自动整定出PID控制器参数;其次,继电反馈自整定调节试验是闭环进行的,适当选择继电参数可以使过程的频率响应维持在设定点附近,整个过程会处于线性区域,因此继电反馈自整定方法有可能适用于高度非线性的过程;第三,这种方法不需要先验知识来选取采样率,对于一些复杂的自适应控制器尤其有效。该方法简单、可靠、易于使用,已经广泛应用于工业PID控制器的参数自动整定。

3 适用于交流矢量调速系统的继电反馈PID整定法

在实际应用中,原始Z-N法的阶跃响应曲线法以及临界振荡法容易造成过流或电机失控而导致故障,难以应用到由交流矢量调速系统中,本文将继电反馈法应用于交流矢量调速系统。

在交流矢量调速系统中,通常都只采用PI控制器,其参数可以通过构建控制系统的传递函数模型来计算,但这种方法过于理想化,在构建出的模型里许多参数都采用了近似计算,公式复杂、变量过多导致精度降低,而且在实际的系统中,由于周围环境和设备自身的物理特性的影响,由控制模型计算出的PI参数往往不能满足工程应用的需求。继电反馈法原理简单,采用的变量较少且易于采集,因此本文将其应用于交流矢量调速系统,整个控制系统如图2所示。

该系统由转矩环、磁通环和速度环组成,转矩环、磁通环实际上是同级的内环(电流环),而速度环则是外环,内外环组成了双闭环调速系统。对于双闭环系统,输出的速度对内环的PI参数不敏感,因此该系统电流环采用传递函数计算出PI参数;外环速度环的PI参数直接影响系统的输出,因此采用继电反馈法整定PI参数。

在实际的工业过程控制中,继电控制信号往往是系统执行器的输入信号,该信号不能为负值。继电振荡的PID参数自整定算法的控制过程曲线如图3所示。被控对象只要在高频具有至少-π的相位之后就可在继电反馈状态下产生周期为T的等幅振荡,而其频率正是使被控对象相位滞后-π的频率,即奈氏曲线与负实轴焦点的频率ωn。设继电特性幅值为d,被控对象的输出为y(设被控对象振幅为a),由傅里叶级数展开继电特性输出可知,在临界频率ωn处的幅值近似为:

在实际测量时,为了消除环境以及被控对象物理特性的干扰,得到稳定的振荡波形,从第二个周期开始采样,截取N个完整的振荡周期,由图3可求出振幅A与振荡周期Tu,测量公式为:

其中:A为系统输出的振幅,Tu为临界振荡周期,y1为实际输出速度的波峰值,y2为波谷值,t1和t2分别是采样开始时间和结束时间。在测得A和Tu后,根据原始Z-N法中的临界振荡法,可以推得:

由式(2)~(6)可以推导出:

其中:d是实际输入目标值,即为给定的速度阶跃信号振幅。

4 PI参数整定实验及结果

实验采用的平台为变频器(CPU为TI的F2812DSP)控制的对拖机组(7.5k W交流异步电机和作为负载的同轴直流电机),程序运行于DSP中。

进行两个实验,首先采用闭环继电振荡法整定PI参数,再采用原始Z-N法(临界振荡)计算出另一组PI参数。然后分别采用这两组PI参数对电机进行阶跃响应实验和稳速运行实验,记录相应的实验参数并加以比较。

4.1 PI整定实验

闭环继电反馈整定程序流程。

(1)通常继电振荡实验需在0频附近振荡,即振荡中线频率为0Hz,但为了测量,此处设定图3中振荡中线频率vn为15Hz。由于是采用的是闭环继电振荡,因此实际振幅比设定值通常要小很多,为了便于采样及提高计算精度,采用了较大的振幅给定值15。

(2)先给交流电机通励磁电流,等待一个直流磁化时间(即磁场建立所需要的时间,约等于转子时间常数),给电机输入一个30Hz的速度阶跃给定值。

(3)当电机速度达到vn时,立即将输入给定值设为0Hz的阶跃信号,此时由于惯性电机的转度仍会继续升高,到达峰值y1后就会减速。

(4)当电机速度下降为vn时,立即将输入给定值重新设为30Hz的阶跃信号,此时电机速度会先减小至y2,然后会开始加速。

(5)重复步骤3、4直到产生稳定的速度振荡(即多次y1的测量值都相同)并开始采样,当采集到N个完整振荡周期后停机。

(6)根据式(7)、(8)计算出速度环PI参数。

图4所示为连续整定过程,需要注意的是,本文所介绍的方法是在闭环状态下进行的,需对电机安装编码器。

采用原始Z-N法(临界振荡)整定出的PI参数的方法较为常见,大多数教科书上都有介绍,因此这里不再赘述。

4.2 性能比较实验

对两种方法整定出的参数分别施加10Hz的速度阶跃信号,其实验结果如图5所示。对于稳速运行状态,两种方法的速度脉动曲线如图6所示,其中纵坐标为额定频率的百分比,20%为10Hz。两种方法整定出的参数对比如表2所示。

由实验结果可知,继电反馈法可以良好地应用于实际的交流矢量调速系统中,其整定效果远好于原始Z-N法,其主要优点有:

(1)整定时间短。由图4可以看到,整个闭环继电反馈整定过程不超过1s,极大地提高了PI参数的设置效率。

(2)整定后动态性能好。由图5和表2可知,与传统的Z-N法相比,通过继电反馈整定的PI参数上升和稳定时间短、超调量小,具体参数见表2。

(3)稳速运行时脉动小且波形稳定。由图6可以看到,继电反馈法整定出的PI参数在稳速运行时脉动很小,其速度波形规则、稳定,而Z-N法的速度波形则显得较为杂乱且有小幅波动。

5 结论

本文介绍了PID参数自整定的几种方法,并将继电反馈法按工程应用的需求加以简化,为了保护电机,将该方法改进为闭环下使用,减小了电机在整定时转速的实际振幅,将该方法应用于实际的交流矢量调速系统中。实验结果表明,采用继电振荡法取得了良好的整定效果,大大提高了变频器调节PI参数的效率及准确性,解决了实际工程中PI参数的整定基本靠手动调节的问题。

参考文献

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[7]谢元旦,夏淑艳.PID调节器参数的继电自整定方法[J].控制与决策,1993,8(1):77-79.

内反馈调速篇4

直流调速系统在理论和实践上都比较成熟, 在工业生产中得到很广泛的应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标, 通常采用闭环控制系统。为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题, 系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。本文设计采用电流负反馈来保持电流不变, 使它不超过允许值。并且, 电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在, 在正常运行时必须去掉, 使电流能自由地随着负载增减, 当电流大到一定程度时才起作用。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力, 但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求, 可利用速度负反馈提高稳态精度, 而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的, 为了消除系统的静差, 可用积分调节器代替比例调节器。本文根据给定参数设计了带电流截止负反馈的单闭环控制的直流调速系统。

1 参数计算及判断

电动机参数:PN=55kW, nN=1500rpm, UN=220V, IN=287A, Ra=0.1。主回路总电阻R=0.15, 系统主电路:Tm=0.12s, Tl=0.012s。三相桥式整流电路, Ks=40。其他参数:Unm*=8V, Uim*=8V, Ucm=8V, 调速指标:静差率s≤2, 调速范围D≥10。三相桥式电路的失控时间Ts=0.00167s。

按系统动态稳定性要求得:

电动机的电动势系数为:

开环系统额定速降为:

为了满足调速要求, 闭环系统额定速降为:

因此, 要满足稳态性能指标, 闭环系统的开环放大系数:

显然系统不能再满足稳态性能要求下运行。

由于在设计中所设定的系统给定电压,

放大器的放大系数为

2 PI调节器的设计

已知系统为不稳定的。设计PI调节器, 使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。

2.1 根据上述参数求解

现在我们利用PI调节器来校正, 原系统的传递函数如下: