恒液位恒温变频控制仿真装置的研制及应用

马国良

摘要：本文从应用角度介绍了“恒液位恒温变频控制仿真装置”的研制目的；分析了该装置的功能特点、控制原理及应用效果；指出了该装置的不完善之处。

关键词：恒液位 变频调速 仿真 培训

Study and Application on Constant Liquidlevel and Constant Temperature Frequency Conversion Control Simulation Equipment Li Fubin Wang Yongjun Zhao Yongyi Abstract：This article discusses the purposes of study on constant liquidlevel and constant temperature frequency conversion control simulation equipment； makes analysis on the function features， the principle of control and effects of this equipment， and points out deficiency of it.Key Words： constant liquidlevel， frequency conversion， simulation， Training

1 “恒液位恒温变频控制仿真装置”的研制目的

随着电力电子技术，微电子技术和信息技术的迅速发展，交流电机的变频调速由理论变为实践，从国外引进国内。变频调速控制器因其具有良好的调速性能和节能效果，在三相异步电动机的控制领域得到了广泛的应用。采用变频调速的目的有两个，一是为了提高生产工艺精度，二是为了达到节能降耗的目的。变频调速技术近年来在胜利石油管理局各钻井公司、采油厂、炼油厂等生产单位也得到了大力的推广应用，需要大量的操作、维修人员，因此这些单位产生了培训变频控制操作、维修人员的培训需求。为了满足生产一线的培训需求，我校从2003年开设了变频调速技术培训项目。在起步阶段，由于训练条件不完备，部分教学内容需到生产现场讲授，既影响了生产单位的生产秩序，又由于生产单位的实际设备演示性和可操作性差，因而不能满足教学的需要。为了解决上述矛盾，使培训教学能够满足“四新技术”推广的需要，我们研制了这套“恒液位恒温变频控制仿真装置”。

2 “恒液位恒温变频控制仿真装置”的功能特点及控制原理

2.1 功能特点

“恒液位恒温变频控制仿真装置”的核心部件是一台ABB140-2.2kW的变频控制器和一台2.2kW的三相异步电动机，负载设备有一台清水离心泵、两个微缩储水罐和一个温箱。利用一个液位传感器传递液位变化信号，一个温度传感器传递温度变化信号，构成了一个闭环控制系统。它的功能特点有以下几个方面：

①利用变频控制器的变频性能，当液位变化时通过变频调速实现电动机转速与负载的自动匹配，达到恒液位控制的目的。②利用變频控制器的变压性能，当温度变化时通过变频调压实现温箱电源电压的自动调节，达到恒温控制的目的。③装置内部电路采用展开式布置，负载部分利用温度计和水位计增加负载变化的可视性，便于教学。④能够演示变频调速系统的工作原理、编程设置、自检功能等，实现对变频调速系统的操作、调试及运行维护等实习项目的训练。⑤能够进行短路、接地、欠压试验，显示外部保护的动作现象，实现对变频调速系统的故障识别、故障分析及处理等实习项目的训练。⑥装置工作可靠，自动化程度高，演示与可操作功能强。

2.2 控制原理

“恒液位恒温变频控制仿真装置”可以实现两个仿真控制，一个是恒液位控制，一个是恒温控制。恒液位控制通过改变水罐注水泵电机转速，来消除由于用水量的变化引起的液位波动，实现水罐液位的稳定，实现变频器的闭环工作。液位高度的给定值通过电位器调节，与变频器输入端子AI1相连。电位器满刻度为10格，对应水罐的1米高度差。例如，若希望液位控制罐的液位稳定在80cm处，则给定电位器就应调到8。水罐回水阀门的开度可以模拟实际工程中用水量的变化，与水箱连接的压力传感器，产生和水箱压力成正比的4～20mA直流压力信号，连接到变频器的反馈值接入端子AI2上，作为恒液位控制的反馈值。从压力传感器安装的高度算起，液位高出1米，它的输出信号为20mA，液位最低时的输出信号是4mA。用水量变化时，反馈值和给定值之间就会产生一个反映用水情况的差值信号，变频器根据这一差值信号信息（例如差值量的大小、正负、差值变化的速度），运用自带的PID算法，快速准确的确定电机运行速度，尽快使水罐液位保持恒定的高度。在这个过程中，不可避免的会出现一定程度的液位波动，这是由于恒量控制中普遍存在的“超调”引起的。适量的超调，可以有效的缩短调节时间，有利于系统尽快稳定。如果用水量变化不大，或者变化很缓慢，变频器的输出频率就基本稳定，液位波动很小，几乎难以察觉，控制的效果非常好。温箱的恒温控制过程中，给定信号变化幅度（0～10）对应温箱温度的控制范围（0～100°C）。温箱的温度高低同样是通过温箱的温度传感器变送出的4～20mA信号传至变频器。由于变频器改变输出频率的同时也改变输出电压，从而改变温箱内放置的三相加热电阻丝的加热功率，通过改变加热功率来改变箱内温度。温箱内的风机使箱内空气与外界空气加速对流，促进散热，对温度产生干扰，从而基本达到恒温控制的目的。该装置的工作过程如下：以恒液位控制为例，将与变频器反馈信号输入端子AI2相连的液位传感器回路开关合上，将温度传感器回路断开；将变频器输出侧的水泵电源开关合上，将温箱电源开关断开。调节液位给定高度（给定电位器调至8），按下控制箱起动按钮，变频器起动，注水泵工作，控制水罐液面逐渐上升，接近80cm时，电机转速逐渐变慢，直至最后液面稳定在80cm。当有用水需要时，例如打开回水阀，原有的控制平衡被打破，变频器会自动立即重新搜索合适输出频率，驱动水泵运转，适应性的控制要求，最终使液位仍然保持恒定。

该装置选用ABB变频器，典型保护有欠压、短路和接地保护。在如图所示的“欠压试验点”处，调节自耦变压器的输出电压，一般当电压低于欠压设定值例如20%左右时，变频器欠压报警，变频器内装的综合故障继电器动作，控制箱的外接故障报警指示灯点亮，变频器切断输出。变频器面板显示相应的欠压故障信息代码。当电压恢复正常时，可以通过面板的故障复位按键复位，报警指示灯熄灭，变频器可重新投入运行。变频器的短路保护和接地保护主要针对变频器电路进行保护。在如图所示的“短路试验点”、“接地试验点”处人为制造短路故障，例如将两相线短接；或人为制造接地故障，例如将任一相接地，变频器都会迅速作出反应：切断输出、发出故障报警信息代码、闭合综合故障继电器触点点亮控制箱的故障报警指示灯。这些故障都是通过变频器的故障检测电路完成的，可以多次使用，不会对变频器造成损坏。

3 结束语

装置研制成功并投入使用以来，在变频技术培训教学过程中发挥了重要的作用。学员通过该装置的演示功能以及可操作功能不仅可以了解变频调速装置的工作原理，亦可以学习变频调速装置的编程设置；不仅能够掌握变频调速装置的操作方法，亦能够掌握变频调速装置的运行维护技能及外部故障的分析、处理方法。对培养学员分析变频调速装置的工作状态，调控变频调速装置的工作效率以及排除变频调速装置的外部故障的能力起到了重要的作用，提高了培训教学质量。该装置获胜利石油管理局电力管理总公司科技成果奖。