陳德領
摘 要:隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的日益發(fā)展,變頻器的調(diào)速已經(jīng)從繼電器控制時代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速,而且在工業(yè)各個領域中得到了極為廣泛的應用。本文以變頻調(diào)速基本原理及特點,重點闡述了如何通過PID控制來實現(xiàn)對變頻器的頻率調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵字:PID;變頻控制;頻率調(diào)節(jié)
在現(xiàn)在的在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中,最為常見的是由PID控制變頻器,來控制電動機頻率的改變從而實現(xiàn)速度控制。但企業(yè)在生產(chǎn)中,往往需要有精密穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉(zhuǎn)速,以此作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、滿足工藝要求的前提,這就要用到變頻器的 PID 控制功能,從而實現(xiàn)對被控量的時時控制,以此來實現(xiàn)更為準確自動控制。以下簡單介紹PID控制應用方法。
1 變頻器簡介
如上圖;變頻器主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流電路(工頻電源的交流電變換成直流電且對直流電進行平滑濾波)和逆變電路(直流電變換成各種頻率的交流電)兩部分,逆變器是通過改變晶體管的導通順序來改變電機的旋轉(zhuǎn)方向的??刂齐娐肥峭瓿蓪χ麟娐返目刂坪捅Wo的電路。
已知交流電動機的轉(zhuǎn)速n公式為:
n=60f/p(1-s);
式中:
f—頻率;
p—極對數(shù);
s—轉(zhuǎn)差率(0~3%或0~6%)。
由轉(zhuǎn)速公式可見,通過變頻器改變?nèi)喈惒诫妱訖C電源頻率,可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速,達到調(diào)速的目的。額定頻率稱為基頻,變頻調(diào)速時,可以從基頻向上調(diào)(恒功率調(diào)速),也可以從基頻向下調(diào)(恒轉(zhuǎn)距調(diào)速)。因此變頻調(diào)速方式,比改變極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個參數(shù)簡單得多。同時還具有很好的性價比、操作方便、機械特性較硬、靜差率小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點,因此變頻調(diào)速方式擁有廣闊的發(fā)展前景。
2 變頻器的PID控制
2.1 PID控制閉環(huán)控制簡介
PID 閉環(huán)控制是指將被控量的檢測信號反饋到變頻器,并與被控量的目標信號相比較以判斷是否已經(jīng)達到預定的控制目標。如尚未達到,則根據(jù)兩者的差值進行調(diào)整,直到達到預定的的控制目標為止。變頻器的輸出頻率只根據(jù)實際數(shù)值與目標值的比較結(jié)果進行調(diào)整,使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標,變頻器輸出的頻率與被控量之間無對應關(guān)系。
變頻器的PID控制有兩種情況:一種是變頻器的內(nèi)置PID功能,給定信號通過變頻器的端子輸入,反饋信號也反饋給變頻器的控制端,在變頻器內(nèi)部進行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率;另外一種的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較好后輸出給變頻器,加到控制端子作為控制信號。PID 控制功能是變頻器應用技術(shù)的重要領域之一,也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。
2.2 系統(tǒng)方案
案例:假如現(xiàn)有一個冶煉的鍋爐,由于對冶煉金屬質(zhì)量要求非常高,要求時刻保持恒溫,那么我們采取什么方法對爐溫進行準確的控制呢?
傳統(tǒng)的控制方法是在爐身的四周打開幾個通風口,當溫度過高就把通風口打開,溫度低時就閉,以此來達到控制的目的。這種控制方法雖然簡單,但是對于其精密控制要求,不論是在時間上還是在準確性上都還不夠理想,冶煉出來的產(chǎn)品在質(zhì)量上往往達不到最佳。
現(xiàn)代的控制方法是利用變頻器的PID閉環(huán)的自動控制,PID 控制是利用PI控制的優(yōu)點組合而成的控制。PI控制由比例(P)和積分(I)組成根據(jù)偏差及時間變化,產(chǎn)生一個執(zhí)行量。PD控制由比例控制(P)和微分控制(D)組成,根據(jù)改變動態(tài)特性的偏差速率,產(chǎn)生一個執(zhí)行量。積分控制可以消除靜差或減小靜差,提高精度;微分控制可以抑制過大的超調(diào)量,加快過渡過程。對上述的控制要求可以得到很好的控制效果。
爐的溫度主要由與電機相連的風機調(diào)節(jié),在鍋爐內(nèi)安裝一個溫度傳感器,溫度傳感器檢測到鍋爐的實際溫度,然后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號或電流信號,反饋到變頻器的接收端子,使溫度反饋值與目標值進行比較,然后得出偏差,根據(jù)偏差利用變頻器的PID控制功能,使變頻器輸出適當?shù)念l率控制風機的轉(zhuǎn)速,使溫度達到預定的目標。這樣就可以方便有效及時地對爐溫進行控制,簡單方便,準確性高。
目標值通常是被測量的實際大小與傳感器量程之比的百分數(shù)。例如:鍋爐的要求溫度為60攝氏度,所用溫度表量程是0-100攝氏度,則目標值是60%。PID目標值預置可以通過面板輸入式由鍵盤直接給定,也可由外接電位器進行預置,調(diào)整方便。
2.3 系統(tǒng)硬件接線圖
(2)控制系統(tǒng)的接線
1)反饋信號的接入 將溫度傳感器的紅線與黑線分別接到+24V電源與負極上,綠線接到變頻器4端上,電源負極接到5端子上。
2)目標信號的接入 這里采用電位器輸入目標信號的方式,目標信號要接在給定頻率的輸入端,當 變頻器為PID工作方式時,2端就是目標信號。
(3)定義變頻器端子功能
定義端子功能參數(shù)
參數(shù)號 作 用 功 能
Pr.183=14 將RT端子設定為X14的功能 PID控制有效
Pr.184=4 接通電流輸入端子AU 電流輸入選擇
Pr.192=16 從IPF端子輸出正反轉(zhuǎn)信號 PID正反轉(zhuǎn)方向顯示
Pr.193=14 從OL端子輸出下限信號 PID下限
Pr.194=15 從FU端子輸出上限信號 PID上限
Pr.128=20 對于溫度的控制,PID為負作用。
Pr.129=30 P增益是決定P動作對偏差響應程度的參數(shù),P取大時響應快,取小時響應滯后,但過大產(chǎn)生振蕩。
Pr.130=10 I積分時間常數(shù),設定范圍為0.1-3600S。積分時間長相應遲緩,對外部擾動控制能力差;積分時間短,響應速度快,會發(fā)生振蕩。
Pr.131=100% Pr.132=0% PID檢測值上限與下限。當設定上、下限時,如果檢測值超過此設定范圍,就會輸出報警信號。檢測值為4mA時為0%,20mA為100%的變化量。
Pr.134=3S D微分時間常數(shù),參數(shù)值在0.01-10S之間。微分時間常數(shù)僅向微分作用提供一個與比例作用相同的檢測值,隨著時間的增加,偏差改變會有較大的響應。
如上表表1-4,預置PID的調(diào)節(jié)功能是十分重要的,其內(nèi)容是變頻器的PID調(diào)節(jié)功能是否有效。預置有效后,其升降過程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)所決定的動態(tài)響應過程,而原來的“升速時間”和“降速時間”將不在起作用。
3 結(jié)束語
上述的PID控制方法在實際使用過程中節(jié)能、環(huán)保、控制方便,對于要求較高的控制可以收到很好的效果,為現(xiàn)代企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,獲得更好的經(jīng)濟效益有十分重要的意義。所以作為一個技術(shù)人員,掌握好更新、更先進的設備和應用方法是十分必要的。
參考文獻
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[2]王廷才 王偉,《變頻原理及應用》,機械工業(yè)出版社。
[3]丁斗章,《變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應用》,機械工業(yè)出版社。