柳新枝，羅燕杰

（阿克蘇地區(qū)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆阿克蘇 843000）

0 引言

隨著油田開發(fā)規(guī)模和程度的提高，對電力的依賴性與日俱增；隨著冶金行業(yè)對節(jié)能減排要求的不斷深入，應(yīng)用頻率控制技術(shù)成為其發(fā)展的必然方向。隨著我國電子行業(yè)的迅速發(fā)展[1]，以及電力系統(tǒng)的自動化控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，頻率控制技術(shù)已被越來越多地采用。實踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛地用于工業(yè)領(lǐng)域[2]。

1 變頻調(diào)速原理

旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，即同步轉(zhuǎn)速可以從電機(jī)公式導(dǎo)出：

定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為p，根據(jù)電機(jī)阻力理論，推導(dǎo)出異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率r：

式（1）、式（2）中，p 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；P0為磁場速度；i 為電機(jī)的極對數(shù)；g 為工頻頻率。

用變頻調(diào)速來控制異步電機(jī)，每個磁極的磁通量都要保持不變。若降低了磁場，就會使電機(jī)的磁芯達(dá)到最大的磁通量，從而使其不能達(dá)到最大的輸出。如果磁通增大，鐵芯的磁通就會飽和，導(dǎo)致勵磁電流過高，而過高的溫度甚至可能損壞電機(jī)。根據(jù)式（1）、式（2），可推導(dǎo)出異步調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

其中，異步電機(jī)的極對數(shù)i 為固定值，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速p 與工頻g 成線性比例，因此只要工頻改變，異步電動機(jī)的速度就可以改變。

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字控制的普及，矢量控制的運用范圍從高性能發(fā)展到一般的傳動，出現(xiàn)了變頻空調(diào)、冰箱、變頻洗衣機(jī)等產(chǎn)品。因此，采用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)電改造，有著廣泛的應(yīng)用價值。

2 系統(tǒng)建模

以自動抽油機(jī)為例進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用一種基于PID 的模糊算法來實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速，并對其進(jìn)行仿真計算。該方法能得到最優(yōu)的電機(jī)工作狀態(tài)，這對該模式的優(yōu)化有很大的作用，并通過對比與觀測得到最優(yōu)結(jié)果。該方法的建立直接影響到整個系統(tǒng)的模擬和操作，而該傳遞功能則為下一步的算法控制奠定了基礎(chǔ)。以下是導(dǎo)出和展示的系統(tǒng)模型的流程。與開環(huán)速度控制方式比較，閉環(huán)變頻控制能夠達(dá)到更優(yōu)的穩(wěn)定速度控制。

采用滑動角度轉(zhuǎn)速的變頻器可以達(dá)到恒定的轉(zhuǎn)速，采用閉環(huán)方式可以極大改善變頻器的運行效率。從電機(jī)的基本理論和機(jī)電理論來看，電機(jī)的扭矩是電機(jī)的核心參數(shù)。不計損耗的異步電機(jī)力學(xué)計算，恒值控制的異步電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：

其中，在定值控制下，R1/ζ1的值是固定的，式（4）可以改寫為：

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運行時，t 較小，分母中包含t 的項可以忽略，得到轉(zhuǎn)矩的近似關(guān)系式：

滑動角速度可以定義為：

則式（6）可表示為：

由于電機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)運轉(zhuǎn)，具有驅(qū)動負(fù)載的性能，因此建立恒定旋轉(zhuǎn)負(fù)載下電驅(qū)動系統(tǒng)的運動公式：

zζ/zd 表示斜率，即時角速度可以表示為ζt：

電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速可按式（11）計算：

由轉(zhuǎn)差率定義和ζ1=2πg(shù)1，可以得到：

選擇Y132S1-2 型三相異步電機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表1。在電機(jī)的變頻控制中，為使其結(jié)構(gòu)簡單，采用電機(jī)的參數(shù)，然后利用MATLAB 中的Simulink 進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。

表1 Y132S1-2 型三相異步電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 試驗分析

3.1 試驗準(zhǔn)備

（1）在抽油機(jī)、變頻器、電機(jī)等設(shè)備組裝完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行軟件、硬件的調(diào)試，并對系統(tǒng)進(jìn)行試驗、數(shù)據(jù)分析。首先，在實驗室中進(jìn)行常規(guī)的無負(fù)荷測試，對設(shè)備的各個部件進(jìn)行測試。在室內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷測試，對比和分析測試結(jié)果。本試驗的試驗臺能夠?qū)﹄姍C(jī)在無負(fù)載時的速度進(jìn)行有效檢測。通過一個預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，實際的速度通過一個探測設(shè)備（光電編碼器）來測定，并且把該預(yù)定的數(shù)值和實際值相比較。在室內(nèi)試驗電機(jī)加載時，采用張力計進(jìn)行載荷模擬，以張力計的數(shù)目為載荷。

（2）在溫度15 ℃、濕度37%的條件下進(jìn)行試驗。PLC 采用西門子S7-300、MM440 變頻器、3 臺Y132S1-2 型異步電機(jī)、E6C2-CWZ3E 型旋轉(zhuǎn)編碼器。載荷采用JHYT 型油田負(fù)荷型。采用C#作為計算機(jī)編程語言，MATLAB 作為模擬工具。

3.2 試驗結(jié)果

（1）在電機(jī)無負(fù)荷運轉(zhuǎn)進(jìn)入平穩(wěn)工況的試驗。在電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)工況后的實際速度變化情況見圖1?？梢钥闯?，在空載工況下，由于電機(jī)自身和外界的影響，電機(jī)的運行曲線有微小波動。

圖1 單位時間電機(jī)轉(zhuǎn)速

（2）電機(jī)空載運行時預(yù)設(shè)值與實際值對比實驗。轉(zhuǎn)速從小到大（預(yù)設(shè)值：頻率和轉(zhuǎn)速可以相互轉(zhuǎn)換），檢測裝置編碼器反饋的轉(zhuǎn)速值和誤差。速度測量誤差曲線如圖2 所示。對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試，以保證其可靠性。由試驗曲線可知，最大速度偏差在4%，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，誤差逐漸減小。

圖2 速度測量誤差

（3）電機(jī)空載運行時預(yù)設(shè)值與實際值的對比試驗（采用Fuzzy PID 算法來進(jìn)行控制）。由低至高的速度（設(shè)定的數(shù)值：可以將頻率和速度互相轉(zhuǎn)化），并對設(shè)備編碼機(jī)的反饋進(jìn)行測量。測速誤差曲線如圖3 所示。模糊PID 復(fù)合控制的轉(zhuǎn)速誤差明顯減小，該方法具有較高的準(zhǔn)確度和較高的識別度，可以達(dá)到零速度的檢測。

圖3 速度測量誤差（Fuzzy PID 算法控制）

4 結(jié)束語

本文著重闡述了變頻調(diào)速電機(jī)節(jié)能控制的實驗研究、實驗環(huán)境及設(shè)備選擇，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較。實驗室試驗主要分析電機(jī)的運動穩(wěn)定性，空載運行時電機(jī)預(yù)設(shè)值與實際值的對比實驗，并加入模糊控制實驗，將恒載下電機(jī)的預(yù)設(shè)值與實驗實測值進(jìn)行對比，對不同負(fù)荷下的功率、轉(zhuǎn)速和誤差進(jìn)行分析。在試驗中加入了PID 模糊控制器，使其速度穩(wěn)定且測量誤差很低。