一种新型大功率变频调速控制器的设计研究

张玉山

（安徽科技学院，安徽 滁州 233100）

一种新型大功率变频调速控制器的设计研究

张玉山

（安徽科技学院，安徽 滁州 233100）

传统风机过滤器单元存在着能耗大、噪声高、效率低的缺陷与不足，为了改变这种情况，提高风机过滤器单元风机电机的调速控制性能，文中介绍了一种新型变频调速控制算法，该种变频调速控制器采用模糊-PI控制，并且设置了与之相对应的变频调速控制器，通过实验和实际应用表明，该控制器比其它控制器更加具有优越性，能够有效地对风机过滤器单元风机电机进行变频调速控制，同时也表明这种新型变频调速控制器的设计方案是正确的，在实践中值得推广和运用.

变频调速控制器；风机过滤器单元；设计；控制方法

1 引言

风机过滤器单元的构成要件主要包括风机、过滤器和控制器，近些年来，它在各种净化设备中得到广泛的应用.实际上，对风机过滤器单元的控制主要体现在对风机的调速控制上.传统的风机过滤器单元控制方法主要采用可控硅无级调速和变压器有机调速控制这两种方式，但是这两种控制方法存在着很多的问题与不足，比如工作效率低、消耗能量大、产生噪音大等，这些问题与不足不利于风机的整体性能的发挥.而在实际工作中，提高工作效率、降低能耗、减小噪音是变频调速控制器所应当追求的目标，基于此，文中介绍了一种新型变频调速控制器，该控制器采用数字化控制技术和变频变压调速控制技术，通过实验证明，这种控制器除了拥有改善风机过滤器单元的控制性能的优点之外，还可以提高工作效率、降低能耗，同时也表明这种新型变频调速控制器的设计方案是正确的，在实践中值得推广和运用.

2 新型变频调速控制器的总体结构

我们将介绍这种新型变频调速控制器的的构成，在它的构成中，变频主电路和控制电路是它的主要构成部分.其中，变频主电路采用AC/DC整流加DC/AC逆变的两级拓扑结构，这样单相交流输出经布控整流滤波后变成直流，再将直流逆变成电压和频率可调的交流输出，给风机过滤器单元风机单相感应电动机供电，通过这样的方式实现了对风机的变频调速.而控制电路的主要功能是保护整个控制器，防止受到意外的损坏，实现通信等.

3 风机过滤器单元的工作原理

在实际运用中，单相感应电动机是风机过滤器单元所采用的主要的动力方式.由于受到只有单个绕组结构条件的限制，在单相感应电动机中无法产生旋转磁场，通常采用的结构方式是，将主副两个绕组的分相结构放在定子上不同的位置，与此同时，还需要串联一个电容器在副绕组中，以便获得起动转矩.电容运转式单相感应电动机的结构包括主绕组、副绕组和运转电容.

单相感应电动机转速、频率和极对数的关系可以用公式来表示：n=60覬(1-σ)／p,在该公式中，n 表示电机转速，覬表示输入电源的频率，σ表示电机转差率，p表示电机极对数.从这个公式我们可以清楚的得知，电源的频率、电机转差率、电机极对数的改变都可以对转速的改变产生影响.但是在实践运用中，采用改变极对数的调速方式使用得比较少，因为它仅限于几个固定转速，而且和电机的结构相关联.改变输入电源频率能够提高工作效率，也可以在较宽范围内对风机过滤器单元进行调速.由于在改变频率时，磁通会增加，而磁通增加会导致电机严重发热，甚至有可能发生损坏电机的现象.为了防止这种情况的发生，在改变频率的时候，必须相应的同步改变电压，从而保持恒定的电压和频率.一般情况下，单相感应电动机采用正弦波脉宽调制，该种新型变频调速控制器也采用这种调速控制方法，这样能够使电动机输出的转矩平稳，能够获得较好的工作性能.

由于各方面条件的限制，传统的电机只适用于某一个频率点，在变频调速中不怎么适用，这样转矩脉振在电容起动的时候容易产生.因此，为了实现单相感应电动机控制，该种变频调速控制器采用了两项三桥臂逆变电路，这种方式比传统的调速控制器具有明显的优势，它的调速范围更宽，电压利用效率更高.

4 风机过滤器单元的控制方法

传统的风机过滤单元的控制方法简单，易于操作，通常采用开环控制或者PI控制算法.由于单相感应电动机是一种非线性时变的系统，该系统较为复杂，还会受到不确定因素的干扰，难以建立精确的数学模型对此进行研究和计算，采用传统的开环控制所收到的效果不能令人满意.虽然作为人工智能控制方法的一种，模糊控制是一种不依赖于对被控制对象的精确数学模型的一种方式，比较适用于非线性.但是，由于模糊控制中缺少积分环节，在实际运用中，单独采用模糊控制虽然可以起到一定的作用，但是不能满足单相感应电动机风机变频调速的精确度和性能要求，所以，有必要设计一种新型的控制方法，以满足单相感应电动机风机变频调速高精确度和高性能的要求.为了充分发挥各种控制器的优势，实现对单相感应电动机精确的控制，本文采用了一种模糊—PI控制策略，实验表明，该控制策略能够对单相感应电动机进行精确的控制.

模糊—PI符合控制结构包括控制方式选择、脉冲宽度调制控制信号、单相感应电动机风机、风量输出、转速反馈等几个部分，其中控制方式选择包括模糊控制和PI控制.这种控制器能够实时检测计算给定转速和实际反馈转速的差值，除此之外，还可以根据设定值来切换控制方式，具有灵活适应性，满足了调速控制的要求.在实际的操作过程中，当出现速度差值大于设定值的情况的时候，控制器就会选择PI控制方式，过滤过程的超调量减小，从而使得系统的动态响应性能得以提高.而当速度差值小于或者等于设定值的时候，控制器就会选择模糊控制方式，这就使得过滤过程的超调量会进一步减小，系统的稳态误差会得到消除，系统的稳态性能和控制精确度就会进一步得到提高.

5 风机过滤器单元的仿真研究

一般来说，为了验证某一设计系统性能的优越性，设计者往往会对这一系统进行仿真研究.同样的道理，为了证明上述变频调速控制器性能的优越性和实际运用的有效性，我们在仿真平台下建立了仿真模型，对风机过滤器单元风机控制进行了仿真研究，并对比分析了风机过滤器单元仿真研究的实验结果.从实验结果我们对风机过滤器单元控制得出以下结论：相对于常规的单模糊控制和单PI控制而言，在风机起动、调速的情况下，采用模糊—PI复合控制的单相感应电动机风机变频调速控制系统的性能更好，它可以保持超调小、响应快、无静差等良好的性能.事实上，高准确度是单相感应电动机风机速度控制的要求，而使用模糊—PI复合控制能够满足这个条件，适应了电动机风机速度控制的要求.从该仿真研究我们验证了该设计方案的正确性，也证明了该方案的优越性.

6 变频调速控制器的设计

变频调速控制器的设计是该设计的关键部分，它决定着控制器性能的好坏和该设计能否成功的运用.变频调速控制器的设计由两个部分组成，包括软件设计和硬件设计.

6.1 软件设计

在语言编写上，控制器的软件是利用C语言编写的，在设计思想上，控制器采用了模块化的设计思想.程序主要包括主程序模块、数据采集处理模块、模糊—PI复合控制算法模块、人机接口处理模块及通信模块等.它们之间相互联系，相互作用，共同在该控制器中发挥作用.在所有的这些模块中，其中，主程序模块是系统程序的调度执行部分,它包括系统初始化、寄存器配置、子模块调用、看门狗复位等功能.就该程序的流程图来看，它包括开始、系统初始化寄存器设置、读取指令及设定值、调用正弦波脉宽调制控制子程序、显示运行参数信息、调用故障处理子程序、返回菜单.

6.2 硬件设计

在这个控制器中，两个部分组成了控制器硬件电路，包括主电路和控制电路.其中，主电路的设计包括拓扑的选择和器件选型，文中所指的主电路拓扑为常见的AC-DC-AC结构.在该硬件设计中，主电路的设计采用了整流桥模块和智能功率逆变模块，其中整流电路选用D10XB80整流器模块;逆变电路选用三菱的DIP-IPMPS21564模块，这样的设计既简化了控制器的设计，又提高了系统额功能，收到了良好的效果.在主控制芯片的选择上，控制电路选用dsPIC30F3010，主要包括信号采集和处理电路、人机接电路、通信电路等其它辅助电路组成.

7 新型变频调速控制器的实验结果

在介绍了这种新型变频调速控制器的总体结构、风机过滤单元的工作原理、控制方法、仿真研究、变频调速控制器的软件硬件设计等问题之后，为了验证它的效果，我们有必要对此进行实验，以验证该设计方案的正确性和优越性.通过实验，我们得出结论：采用模糊—PI复合控制的新型变频调速控制器，逆变输出波形平滑，转速响应准确，通过与传统的控制器相比较可以得知，这种新型变频调速控制器能够对风机实现更加有效的控制.而将这种新型的控制器应用于净化室洁净工程的实际运用中，通过查看测试的结果，可以得知控制器的运行稳定可靠，控制结果具有高精确度.与传统的控制器相比较，该变频调速控制器的优势明显，它的效率更高、噪音更小、能耗更低，具有更大的优势，实验证明，该新型变频调速控制器的设计是正确的，值得进一步推广与应用.

8 结束语

综上所述，本文文章主要介绍了一种基于模糊—PI控制的新型变频调速控制器，模块化设计思想和数字控制技术是该种控制器所采用的理念和技术，与能耗大、噪声高、效率低的传统的变频调速控制器相比较，该种新型变频调速控制器的能耗低、噪声小、效率高.通过实验和实际应用表明，该控制器比其它控制器更加具有优越性，不仅可靠性高、成本比较低，能够有效地对风机过滤器单元风机电机的变频调速控制，同时也表明这种新型的变频调速控制器的设计方案是正确的，在实践中值得推广和运用.我们相信，该方案的推广与应用会发挥它的优势，会进一步推广与运用到风机过滤器单元的实际运作之中，会带来相应的社会经济效益.

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TP332.3

A

1673-260X（2012）06-0026-02

安徽省教育厅科研项目（KJ2012A065）