專利名稱：一種變頻器節(jié)電控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種變頻器節(jié)電控制裝置，是一種對(duì)電機(jī)調(diào)速變頻器的調(diào) 控裝置，是對(duì)電機(jī)調(diào)速變頻器的優(yōu)化控制并實(shí)現(xiàn)節(jié)電的裝置。
背景技術(shù)：
采用變頻調(diào)速進(jìn)行動(dòng)力節(jié)電已被廣泛接受為有效節(jié)電方法，其原因是動(dòng)力 用大功率變頻調(diào)速器作為一種成熟的產(chǎn)品，其價(jià)格已經(jīng)低廉到幾乎所有供電設(shè) 備可以接受的程度，其節(jié)電的效果十分明顯。但是，傳統(tǒng)的變頻調(diào)速器只是簡(jiǎn) 單的將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，即沒(méi)有考慮到電機(jī)、載荷及變頻器三者 之間的關(guān)系，也沒(méi)有考慮快速變頻過(guò)程對(duì)整個(gè)供電-用電系統(tǒng)的影響。在實(shí)際運(yùn) 行過(guò)程中就電機(jī)而言，其工作狀態(tài)在不同的頻率條件下，其輸出功率、效率、 扭矩、功率因數(shù)等工作參數(shù)都是不同的。變頻調(diào)速器和載荷也有類似的情況。 例如風(fēng)機(jī)和制冷機(jī)就是兩種完全不同的載荷，其工作參數(shù)也不盡相同。由于沒(méi) 有考慮電機(jī)、載荷及變頻器三者之間的關(guān)系，以及三者對(duì)供電系統(tǒng)的影響，使 變頻調(diào)速這樣的供電-用電系統(tǒng)的運(yùn)行不夠穩(wěn)定，易于發(fā)生故障。由于沒(méi)有考慮 電機(jī)、載荷及變頻器三者之間的關(guān)系使電機(jī)經(jīng)常工作在效率較低的狀態(tài)，使被 控電機(jī)由于低效率運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)熱，造成不必要的浪費(fèi)并且減少電機(jī)的壽命。由于 沒(méi)有考慮電機(jī)、載荷及變頻器三者之間的關(guān)系使變頻器及其電機(jī)的載荷也經(jīng)常 工作在低效率的狀態(tài)，三者之間不能協(xié)調(diào)的工作會(huì)使變頻調(diào)速器和電機(jī)的運(yùn)行 造成大量的諧波，同時(shí)變頻調(diào)速器階躍式的改變頻率也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。這些諧波對(duì)電源系統(tǒng)的干擾是十分嚴(yán)重的，其諧波含量可達(dá)到30%—70%,這樣的 嚴(yán)重干擾對(duì)供電電網(wǎng)十分不利。由于傳統(tǒng)的變頻調(diào)速器僅考慮調(diào)速問(wèn)題，沒(méi)有 考慮電機(jī)的工作狀態(tài)，電機(jī)-載荷的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)常發(fā)生滯后，造成系統(tǒng)的功率因數(shù) 較低，電源效率下降，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種變頻器節(jié)電控制裝置，所述裝置對(duì)運(yùn)行中的變頻調(diào)速 器進(jìn)行檢測(cè)并儲(chǔ)存了電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷的各種工作參數(shù)， 一旦需要變頻 調(diào)速，則進(jìn)行運(yùn)算找到三者的最佳工作狀態(tài)，即對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，找到最 佳工作點(diǎn)之后分析系統(tǒng)運(yùn)行周期，并進(jìn)行由小到大逐漸變頻。使整個(gè)電機(jī)、變 頻調(diào)速器和載荷在勻速運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)頻變速過(guò)程中都處于最佳、最有效的工作狀態(tài)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種變頻器節(jié)電控制裝置，包括供給所 述裝置能源的電源單元、與電源單元連接的保持供電電源穩(wěn)定的濾波器單元、 與濾波器單元連接的進(jìn)行信息處理和運(yùn)算的中央處理單元、與中央處理單元連 接的存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)單元，與中央處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單 元，分別與兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元連接的兩個(gè)模擬量輸入接口，與中央 處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸出光電隔離單元，分別與兩個(gè)模擬量輸出光電隔 離單元連接的兩個(gè)模擬量輸出接口，與中央處理單元連接的兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出 光電隔離單元，分別與兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元連接的四個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸 出接口，與中央處理單元連接的通訊接口，與中央處理單元連接的開(kāi)關(guān)量輸入接口。
本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是由于存儲(chǔ)了大量電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷 的工作數(shù)據(jù)并使用了模糊算法優(yōu)化了三者組成系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使整個(gè)電機(jī)、 變頻調(diào)速器和載荷組成的系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)提高了系統(tǒng)的工作效率，有效的解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，電機(jī)工作效率明顯提高，發(fā)熱量明顯減小。由于解
決了系統(tǒng)滯后性，僅此一項(xiàng)，在同等運(yùn)行工況下就可以提高節(jié)電率10%—30%。 由于采用了平滑的頻率變化曲線，使諧波量明顯減少，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾。 由于工作狀態(tài)的優(yōu)化，使功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，提高了電源利用率。本實(shí)用 新型的應(yīng)用其節(jié)電率最低不低于40%,最高可達(dá)80%。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一所述裝置示意圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一所述方法的流程示意圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一所述選定電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷效率最高的 頻率值范圍的曲線圖4是傳統(tǒng)的變頻調(diào)速器的頻率變化示意圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一所述的頻率變化示意圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種變頻器節(jié)電控制裝置，如圖1所示，包括供給所述裝置能 源的電源單元l、與電源單元連接的保持供電電源穩(wěn)定的濾波器單元2、與濾波 器單元連接的進(jìn)行信息處理和運(yùn)算的中央處理單元5、與中央處理單元連接的存 儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)單元3，與中央處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元4a、 4b,分別與兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元連接的兩個(gè)模擬量輸入接口 5a、 5b， 與中央處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸出光電隔離單元9a、 9b,分別與兩個(gè)模擬 量輸出光電隔離單元連接的兩個(gè)模擬量輸出接口 8a、 8b，與中央處理單元連接 的兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元lla、 lib,分別與兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元連接的四個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出接口 10a、 10b、 10c、 10d,與中央處理單元連 接的通訊接口 6a、 6b，與中央處理單元連接的數(shù)字量輸入接口 7a、 7b。
本實(shí)施例包括十分穩(wěn)定的電源單元，本實(shí)施例使用的是BSCV3-220S05型 電源，為提高抗干擾能力使用的濾波單元是HT401-1-P21-P2，所使用的CPU是 ATMEGA48AU0729，存儲(chǔ)器是LS151 。
所述的模擬量輸入接口可以連接以模擬量輸出的外部傳感器。所述的模擬 量輸出接口可以連接變頻器模擬量輸入接口 。所述的運(yùn)行信號(hào)輸出接口可以與 變頻調(diào)速器運(yùn)行接口連接，輸出調(diào)速變頻信號(hào)。所述的通訊接口可以與變頻調(diào) 速器的通訊接口連接，輸入輸出與變頻調(diào)速器各種數(shù)據(jù)參數(shù)。或在調(diào)整階段與 工作站、電腦等宿主機(jī)連接。所述的數(shù)字量輸入接口可以直接輸入各種數(shù)據(jù)信 號(hào)，例如以數(shù)字量輸出的外部傳感器也可以連接變頻器運(yùn)行的數(shù)字量接口等。
本實(shí)施例通過(guò)一套控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器節(jié)電控制裝置的控制。所述方法 的流程見(jiàn)圖2所示，其步驟包括
接受變速調(diào)頻指令步驟，這個(gè)指令可以是由人工發(fā)出，或者由自動(dòng)化系統(tǒng) 的某個(gè)傳感器發(fā)出的。例如在制冷空調(diào)系統(tǒng)的，可以是人工設(shè)定的一個(gè)溫度， 而這個(gè)溫度與現(xiàn)有的室溫有差別，這樣就需要改變溫度，加大或減小電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，以實(shí)現(xiàn)制冷量的改變。也可以是室內(nèi)的溫度傳感器達(dá)到某個(gè)設(shè)定的溫度閾 值需要加大或減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持室內(nèi)的溫度。在通常情況下這個(gè)變頻調(diào) 速指令包括要達(dá)到的目標(biāo)頻率值。
采集信息步驟，通過(guò)信息源采集電機(jī)、變頻調(diào)速器和負(fù)載的工作狀態(tài)參數(shù)。 這些工作參數(shù)包括當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速，載荷的大小，變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)等等 一系列的參數(shù)，當(dāng)然還包括當(dāng)前的頻率值。對(duì)于不同的系統(tǒng)所采集的參數(shù)是不同的。例如，載荷是風(fēng)機(jī)，則采集的是空氣的流量、流速，風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 扭矩。而對(duì)于一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)則需要采集當(dāng)前的溫度等參數(shù)。
提取特性參數(shù)步驟，根據(jù)所獲得的工作狀態(tài)參數(shù)和要達(dá)到的目標(biāo)頻率值， 在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相對(duì)應(yīng)的電機(jī)、變頻調(diào)速器和負(fù)載的最佳特性狀態(tài)參數(shù)。所提
取的最佳特性狀態(tài)參數(shù)包括電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷的各種參數(shù)。這些參數(shù)都 是在手冊(cè)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或出廠時(shí)廠家在說(shuō)明書中標(biāo)明的，并事先存儲(chǔ)在本實(shí)施例 所使用的裝置的存儲(chǔ)器中。
比較步驟，比較現(xiàn)行工作狀態(tài)參數(shù)和要達(dá)到的目標(biāo)頻率值，以及最佳特性 狀態(tài)參數(shù)，優(yōu)化選取各參數(shù)。主要是通過(guò)對(duì)電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷效率曲線 的分析，尋找一個(gè)與目標(biāo)頻率最接近的電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷效率最高的頻 率值，如圖3所示。這個(gè)頻率值可能與原設(shè)定的目標(biāo)頻率值有一些差別，但卻 是最高效率的頻率值。
分析運(yùn)行周期的步驟，運(yùn)用電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷所組成的系統(tǒng)的運(yùn)行 周期特性，尋找在當(dāng)前頻率值和目標(biāo)頻率值的轉(zhuǎn)換過(guò)程中所述系統(tǒng)的滯后性。 電機(jī)帶動(dòng)載荷是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，變頻調(diào)速器和電機(jī)組成電器系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng) 都有一定的滯后性，特別是機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng)的速度通常要比電器系統(tǒng)慢一些。而 電器系統(tǒng)由于運(yùn)算的速度，存儲(chǔ)量，硬件的應(yīng)用等等都會(huì)有一些滯后，這些滯 后的特性曲線都事先存儲(chǔ)在本實(shí)施例所述裝置的存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要某個(gè)變化頻 段時(shí)就可以選擇這些特性曲線中有用的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行使用。
實(shí)現(xiàn)調(diào)頻過(guò)程的步驟，按照選定的目標(biāo)頻率值調(diào)整頻率。
本實(shí)施例的關(guān)鍵是優(yōu)化過(guò)程。所述的優(yōu)化是將本已確定的目標(biāo)頻率值，不 是簡(jiǎn)單的直接的改變頻率，而是經(jīng)過(guò)優(yōu)化，考慮電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷的特性，尋找最優(yōu)的工作頻率點(diǎn)，使電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷所組成系統(tǒng)工作在最 佳點(diǎn)，效率最高。效率最高意味著最節(jié)省能源，意味著節(jié)電。
所述采集信息步驟中的信息源包括變頻調(diào)速器和微積分比例控制器PID。 變頻調(diào)速器本身可以通過(guò)其中的一些傳感器獲得電機(jī)和載荷的一些參數(shù)，
例如通過(guò)測(cè)量電;f幾的電壓、電流變動(dòng)就可以間^接的測(cè)量電^/L所帶動(dòng)的載荷的情
況，同樣測(cè)量電機(jī)的電壓、電流的情況也可以測(cè)出電機(jī)的工作狀態(tài)。總之，變 頻調(diào)速器本身就是一個(gè)電器系統(tǒng)，可以通過(guò)這個(gè)電器系統(tǒng)可以獲得許多電機(jī)-載
荷方面的參lt。
微積分比例控制器PID是一種廣泛應(yīng)用的控制器，幾乎所有的工業(yè)控制系
統(tǒng)中都有使用這種控制器例子。通常是設(shè)定一個(gè)給定值，與原有值進(jìn)行比較即
可得出控制方向。簡(jiǎn)單的例子是室內(nèi)空調(diào)溫度的設(shè)置，如果室內(nèi)當(dāng)前是30。， 而希望室內(nèi)溫度是20。，則只需要在PID上設(shè)定溫度為20°即可?？照{(diào)系統(tǒng)可 以通過(guò)斷續(xù)開(kāi)機(jī)或變頻連續(xù)開(kāi)機(jī)來(lái)達(dá)到從30。至20°的溫度變化。而使用者根 本無(wú)需監(jiān)控也無(wú)需知道這一過(guò)程是如何進(jìn)行的。本實(shí)施例可以像通常使用PID 控制器調(diào)節(jié)那樣，PID轉(zhuǎn)換出4—20mA信號(hào)給變頻器，控制變頻器的輸出頻率， 使變頻器在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID也可以將信號(hào)直接傳輸?shù)奖緦?shí)施例所 使用的裝置上進(jìn)行調(diào)節(jié)。
所述采集信息步驟中的信息源還可以是不通過(guò)變頻調(diào)速器而直接獲得參數(shù) 的外部傳感器。
所述的外部傳感器是直接測(cè)量電流、電壓、流量、速度等等的傳感器。這 些傳感器的設(shè)置，主要取決于動(dòng)力系統(tǒng)的最終輸出是什么系統(tǒng)。例如是空調(diào)系 統(tǒng)，則傳感器可以是直接測(cè)量室內(nèi)溫度傳感器，也可以是測(cè)量制冷電機(jī)電流、電壓的傳感器，也可以測(cè)量制冷劑流量或流速的傳感器?？傊且环N直接測(cè) 量相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的傳感器。外部傳感器的設(shè)置使整個(gè)電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷 系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如實(shí)施例二所述的系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)閷?shí)施例 二所述系統(tǒng)的所有參數(shù)的來(lái)源都是通過(guò)變頻調(diào)速器獲得的，沒(méi)有獲得最終的控 制參數(shù)信息。而本實(shí)施例設(shè)置外部傳感器的作用就是改變這一狀況，使系統(tǒng)獲 得信息的通道增加了一個(gè)，電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷所組成系統(tǒng)工作得更可靠， 控制更加精確。
傳統(tǒng)變頻調(diào)速器變頻調(diào)速的頻率變化運(yùn)行曲線如圖4所示，近似正弦方波。 其頻率變化是階躍型，即當(dāng)檢測(cè)信號(hào)高于設(shè)定值時(shí)，變頻器就輸出高頻率，當(dāng) 檢測(cè)信號(hào)低于設(shè)定值時(shí)，變頻器就輸出低頻率。如前所述這樣的變化曲線有諸 多缺點(diǎn)。本實(shí)施例提出一種完全不同的方式，使調(diào)頻曲線的變化十分平滑，如
圖5所示。
本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)調(diào)頻步驟中的子步驟包括
緩慢頻率值的子步驟，開(kāi)始用較小的頻率變化率改變頻率，同時(shí)不斷的檢 測(cè)是否接近目標(biāo)頻率值，如圖5中所示的a段。
快速增加頻率值的子步驟，接著逐漸加大變化率，使頻率變化的曲線陡起 來(lái)，同時(shí)不斷的檢測(cè)是否接近目標(biāo)頻率值，圖5中所示的b段。
末端緩慢減少頻率值的子步驟，當(dāng)接近目標(biāo)頻率時(shí)，減小頻率變化率，再 次使頻率變化的曲線平緩，圖5中所示的c段。
本實(shí)施例所述的頻率變化速率進(jìn)程同時(shí)考慮了整個(gè)電機(jī)、調(diào)速變頻器和載 荷系統(tǒng)的滯后性。在同等運(yùn)行工況下提高節(jié)電率10%—30%;電機(jī)功率因數(shù)在 0.95以上，諧波含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施例二
本實(shí)施例是實(shí)施例五的優(yōu)選方案，是實(shí)施例五中關(guān)于通訊接口的細(xì)化方案，
權(quán)利要求1.一種變頻器節(jié)電控制裝置，包括供給所述裝置能源的電源單元、與電源單元連接的保持供電電源穩(wěn)定的濾波器單元、與濾波器單元連接的進(jìn)行信息處理和運(yùn)算的中央處理單元、與中央處理單元連接的存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)單元，其特征在于，與中央處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元，分別與兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元連接的兩個(gè)模擬量輸入接口，與中央處理單元連接的兩個(gè)模擬量輸出光電隔離單元，分別與兩個(gè)模擬量輸出光電隔離單元連接的兩個(gè)模擬量輸出接口，與中央處理單元連接的兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元，分別與兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元連接的四個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出接口，與中央處理單元連接的通訊接口，與中央處理單元連接的開(kāi)關(guān)量輸入接口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變頻器節(jié)電控制裝置，其特征在于，所述的 通訊接口是RS485/232接口或以太網(wǎng)接口，支持的通訊協(xié)議是MODBUS、 CANOPEN協(xié)議。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種變頻器節(jié)電控制裝置，是對(duì)電機(jī)調(diào)速變頻器的優(yōu)化控制并實(shí)現(xiàn)節(jié)電裝置。本實(shí)用新型包括電源單元、濾波器單元、中央處理單元、存儲(chǔ)單元，兩個(gè)模擬量輸入光電隔離單元，兩個(gè)模擬量輸入接口，兩個(gè)模擬量輸出光電隔離單元，兩個(gè)模擬量輸出接口，兩個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出光電隔離單元，四個(gè)運(yùn)行信號(hào)輸出接口，通訊接口，開(kāi)關(guān)量輸入接口。本實(shí)用新型使整個(gè)電機(jī)、變頻調(diào)速器和載荷組成的系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)提高了系統(tǒng)工作效率，有效解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，電機(jī)工作效率明顯提高，發(fā)熱量明顯減小，可以節(jié)電10％-30％。由于采用了平滑的頻率變化曲線，使諧波量明顯減少，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾，使功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。
文檔編號(hào)H02M1/00GK201142668SQ200720187430
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者毛文劍 申請(qǐng)人:北京樂(lè)普四方方圓科技股份有限公司