内反馈串级调速技术在油田注水系统中的应用

【简介】感谢网友“没药”参与投稿，下面是小编帮大家整理的内反馈串级调速技术在油田注水系统中的应用（共5篇），欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

篇1：内反馈串级调速技术在油田注水系统中的应用

内反馈串级调速技术在油田注水系统中的应用

本文分析了中原油田高压大容量注水系统能耗高的'主要原因,并提出了采用内反馈串级调速技术的必要性.同时,对其构成、原理、特点及应用效果等也作了详细论述.

作 者：李增印  作者单位：中原油田分公司采油三厂 刊 名：内江科技 英文刊名：NEIJIANG KEJI 年，卷(期)： 30(2) 分类号：P61 关键词：内反馈串级调速系统   原理及特点   应用效果  

篇2：变频调速技术在起重机调速系统中的应用

交流变频调速技术在工业企业的广泛应用，为交流异步电动机驱动的起重机大范围、高质量调速提供了全新方案，它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，可采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率高于传统的交流调速，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统交流调速系统有较大的提高。

一、变频调速系统主要特点

1. 明显改善结构受力状态。由于变频器具有软启动、软停止的功能，所以起重机启动、制动相对平稳，对起重机的传动机构、钢结构的冲击明显减小。经检测证实，变频调速控制系统的应用可大大改善起重机结构的受力状态。

2.调速范围宽，性能好。起重机专用的变频器一般具有很强的环境适应性，由于变频器内部进行了模块化设计，集成度高，可靠性强。系统实现闭环控制，具有很强的限速、防失速和力矩控制能力，并具有优良的伺服响应特性，对急速的负载波动有很强的适应性。操作者可根据作业要求，随时修改各挡速度值，也可选择操作电位器实现无级调速。

3.结构简单、可靠性高、易维护。变频调速控制系统采用独立的控制柜，系统设计合理，外观结构简单，检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维修空间，便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。变频调速控制系统还具有自诊断功能，通过同PLC的通信来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。

4.提高工作效率和减小机械磨损。起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、副钩、主钩等多挡不同的工作速度，减少了速度切换交替的辅助时间，降低了司机劳动强度，可大大提高起重机的作业效率。同时由于变频器采用软启动和软制动，不仅减小了对钢结构的冲击，还减轻了制动轮与刹车片间的磨损。

5.提高了安全性。起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩(大于150%) 不使负载下滑，从而提高系统的安全性。

6. 超载报警。(1)90%额定载重量时，发出断续的报警声，显示重物质量值但正常工作。(2)105%额定载重量时，发出连续的报警声，2s后自动切断变频器输出，显示重物质量值并停止工作。(3)120%额定载重量时，发出连续的报警声，立即自动切断变频器输出，显示重物质量值同时停止工作。

7. 节能效果显著。一般变频器具有自动节能操作模式，同时能较大地提高系统功率因数和工作效率，因此节电率可达20%左右。

二、控制方式及起升电机的选取

1. 起升系统采用矢量控制，一台变频器控制一台起升变频电机，其速度的自动切换由变频专用质量测控仪和可编程控制器来完成，大、小车系统控制采用V/F控制，各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的 输入点，经程序处理再进行保护，

2. 起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围，采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下，50Hz以下为恒转矩调速，50～100Hz为恒功率调速， 其绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力，能够承受200%额定转矩的过载，满足125%额定起重量的静载试验。

3. 选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的 PLC代替原继电器、接触器控制方式，与变频器相结合，实现“机电一体化”。由于变频器的干扰因素较多，对PLC的参数采集要考虑干扰，因此在配线和接线等操作时要注意抗干扰的措施，输出线要采用钢管作屏蔽处理，所有的控制线都采用屏蔽线，而且要注意接地问题。同时在编制程序时，要采取软件抗干扰措施。

三、变频调速对起重机整体的影响

1. 变频调速对起重机特性的影响。起重机实际载荷具有多变性，不仅在不同的循环中可能有不同的载荷，即使吊同样的物件载荷也是随机变化的。载荷的变化与离地时的情况、加减速度、制动时间、风阻力等因素有关。(1)变频调速改变了载荷的离地速度，做到零速起升，降低起升机构的动应力系数;加减速为无级调速;增添电制动形式，降低机械制动冲击力;降低制动器制动力矩及起重机自重。(2)变频器的应用可节省控制柜空间，发挥PLC总

线控制或遥控器操作的优势，同时一套变频器可供不同时工作的多机使用，可节省大量输电线及一次性投资。(3)高功率因数，低启动电流。变频调速在满载运行时电机具有高达0.9以上的功率因数、下降过程不从电网提取能量或向电网反馈能量的特点，降低了对前级变压器的配置要求，节约能源及一次性投资。(4) 变频调速的应用优化了起重机的工作性能提高了起重机整机寿命和机构的定位精度，改善了劳动强度及人机关系。

2.变频调速对结构件的影响。变频调速降低了载荷离地时的速度及载荷离地瞬间产生的附加加速度;减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值及附加加速度引起的附加动应力载荷。变频调速能降低起升动载荷系数值，从而可降低起重机动载载荷及起重机的自重。

3.降低电机启动力矩。欧洲机械搬运协会标准(FEM)对不同类型电机的启动转矩M有相应的规定：直接启动的鼠笼电机Mmin/M Nmax≥1.6(Mmin为电机最小启动转矩，MNmax为电机最大额定启动转矩);滑环电机Mmin/MNmax≥1.9;调压和变频类电机 Mmin/M Nmax≥1.4。变频调速对启动转矩的降低，可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。

4.回转和行走机构。变频调速的S特性可消除速度切换过程中的力矩冲击，力矩可变及电制动特性的应用，可消除反向切换过程中的齿间间隙造成的冲击力矩，降低机械制动时的运行速度，从而降低对制动力矩的要求，减少制动冲击，提高运行或回转机构部件的使用寿命。变频起重机行走机构的减速器、传动轴等传动部件的力矩选择可按传统机构的1/1.5选用。

四 结论

变频调速有很好的运行特性，调速范围宽，精度高，能实现稳定的低速运行。启动、制动过程平稳，定位准确，且在负载波动较大时，速度无明显变化。尤其是基于PLC的变频调速系统极大地提高了起重机的功能、安全性和使用寿命，它将朝着智能化、高可靠性的方向发展。

篇3：异步电机串级调速系统的改进分析

异步电机串级调速系统的改进分析

摘 要：近十几年来，随着电力电子技术的迅猛发展，大功率半导体器件、集成电路的研制成功，交流传动技术亦随之飞速发展，并进入到完全可以实用的阶段，而晶闸管串级调速系统具有结构简单、可靠、节能、经济、维护方便的特点，使得这种调速技术首先在风机、泵类机械上得到了广泛的应用。晶闸管串级调速技术除可用于新设备设计外，还可用于对旧设备进行技术改造，在我国具有极大的技术和经济意义。串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。

关键词：主电路 整流变压器 逆变器 晶闸管整流调速装置平波电抗器

1、串级调速系统

对于交流异步电动机转差功率消耗型调速系统，当转速较低时转差功率消耗较大，从而限制了调速范围。如果要设法回收转差功率，就需要在异步电动机的转子侧施加控制，此时可以采用绕线转子异步电动机。但在电阻上将消耗大量的能量，效率低，经济性差，同时由于转子回路附加电阻的容量大，可调的级数有限，不能实现平滑调速。为克服上述缺点，采用异步电动机转差功率同馈型调速方法，即串级调速系统。串级调速属于变转差率来实现串级调速的。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

1.1串级调速基本思路

在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键是在转子侧串入一个可变频、变幅的电压。 对于次同步电动状态的情况，将转子电压先整流成直流电压，再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可调节异步电动机的转速。把交流变压变频问题转化为直流变压问题，分析与实现都比较方便。

2、主电路设备和元件的计算与选择

2.1电动机的选择及方案

根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器。为了抑制谐波干扰，一般采用 接法的整流变压器，电机型号等已在附件给定指标中说明

2.2逆变变压器的参数

2.3 整流元器件的计算与选择

1、转子整流器的额定电压

2、额定电流

2.4调速系统的保护

过电压保护，即阻容保护参数计算：由于逆变变压器容量40kVA 5kVA，故变压器一次侧、二次侧均设置阻容保护环节。 直流侧与交流侧过电压保护方法相同。

过电流保护，即为了防止变流装置逆变失败及直流侧短路，实行过载保护，本系统采用采用了DS-6/8快速自动开关接在被保护的直流电路内。为了使系统的保护特性协调，满足串级调速运行的起动操作顺序和停车操作顺序，在逆变变压器及电动机电源侧和变压器二次侧均采用DW型自动空气开关实现电路保护。本系统采用与晶闸管和硅整流元件串联快熔，以及在逆变变压器二次侧串接快熔的方法，实现对元器件和系统的过电流保护。

2.5系统功率因素的改善―补偿电容器

改善串级调速装置功率因素的方法有两类，一类是改变串级调速系统本身的结构，即利用改进的串级调速装置;另一类是利用电力电容器来改善功率因素。

利用电容器改善功率因素方便易行，故应用较广。

3、控制回路单元电路的选择

3.1电流环元件的选择

1、电流检测装置

三相桥式有源逆变器中，交流测有效电流I2与直流侧电流Id间有着近似的`比列关系，即I2=0.816Id，因此，利用交流电流互感器检测电流，即可以反映直流电流，又能把控制回路与主回路隔离。因此，采用交流电流互感器做为电流检测装置。

2、电流调节器ASR的机构：

为了满足工艺要求，提高系统的动态性能，电流调节器采用近似的PI调节器，由高增益线性组件BG305构成，电流调节器ASR的输出信号和功率放大后做为触发装置GT的移相信号Uct。

3、触发装置的选择

触发器是晶闸管交流装置的一个极其重要组成部分，采用KCZ6集成六脉冲触发组件。该组件采用三块KC04移相触发器、一块KC41六路双脉冲形成器、一块KC42脉冲列调制形成器组成。它将控制电压Uct的幅度转化为相应控制角的触发脉冲，通过脉冲变压器使主电路可靠地工作。控制KC41端子7的逻辑电平，可以很方便地实现对输出脉冲的封锁与开放。当控制端子7接逻辑电平时，无输出脉冲。

3.2 转速检测环节的选择

1、转速检测环节和电压隔离器

转速检测装置的质量和安装精度直接影响着系统的动态品质。采用永磁式直流测速发电机实现转速检测。选用ZYS231/110型。为了使测速发电机与控制回路隔离，设置了直流电压隔离器。

2、转速调节器ASR的结构

转速调节器ASR采用与ASR相同的结构，由线路组件BG305构成近似的PI调节器，调节器的设置，使转速n跟随给定值Un*变化，稳态时无静差，对负载变化起抗干扰作用;其输出限幅值决定最大电流。

参考文献

[1]冯垛生主编.交流调速系统.北京：机械工业出版社

[2]王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，

[3]Leonard Bobrow.Elementary Linear Circuit Analysis Second Edition[M].北京：电子工业大学出版社，2000电力电子出版社

篇4：基于DSP的串行通信在变频调速系统中的应用

基于DSP的串行通信在变频调速系统中的应用

摘要：介绍了基于专用DSP芯片ADMC328的异步电机调速系统中的主控部分与驱动部分之间的通信。详细介绍了通讯的硬件接口电路、通讯协议以及软件实现方法，实现了利用DSP的网步带口进行异步通讯的方法，并确保通讯准确可靠。实验结果证明了其可靠性。

关键词：数字信号处理器 串行异步通讯 交流调速系统

随着电力电子技术的不断发展和微处理技术尤其是数字信号处理器（DSP）的出现，基于数字控制的现代交流调速系统可以应用复杂的控制策略，实现高速动态响应功能。在以DSP为控制核心的异步电机驱动系统中，要实现观测驱动系统在运行中的数据变量，根据需要对程序进行控制，就需要应用DSP中的串口通讯接口与上位机――控制面板或者计算机系统进行通讯。本文针对一套基于DSP的异步电机变频调速驱动系统，设计了DSP与上位机系统通讯的硬件电路，编写了通讯的汇编程序，实现了DSP与上位机的异步通讯。在调试阶段，为了方便调试，在WINDOWS环境下，在PC机上利用VB编写了通讯控制程序，实现了DSP与上位PC机的通讯。通过多种条件下的运行调试，证明通讯可靠，运行稳定。

1 变频调速系统

近年来交流调速领域中最活跃、发展最快的是变频调速技术，它是交流调速的基础和主干内容。变频调速对于提高电工作效率和工作质量以及节约能源等，都起着十分重要的作用。本文以AD公司的专用DSP芯片ADMC328为控制核心，实现异步电机的变频调速。(本网网收集整理)

・调速系统的硬件电路分为四个主要模块：电源模块、控制器模块、功率模块以及通讯模块。

电源模块负责为其它模块提供相应的电源。它的输入是交流220V，由主控板或其它交流电源提供；输出是三个直流电源，为逆变器提供直流300V和直流15V，为控制器部分提供直流5V。

控制器模块的主要功能是实现空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM），对直流300V母线进行电压和电流检测，与外界通讯。

功率模块的实质是一个10A/600V的三相逆变器，它受控于控制器输出的PWM信号，为异步电动机（IM）提供三相正弦电流。

通讯模块是变频驱动板与主控板以及UART设备通讯的通道。通讯模块是保证上位机与下位机准确快速联系的重要环节，是确保系统可靠运行的重要因素。

变频调速系统的控制框图如图1所示。

2 ADMCF328及其串口简介

ADMCF328芯片是美国AD（Analog Devices）公司生产的一种低价位、基于DSP的单片机控制器，适合于控制交流感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。它包括一个20MIPS的定点DSP内核和一整套电机控制外设，适于开发快速有效的电机控制器[1]。

ADMCF328提供有共同步串行通讯口，支持多种串行通讯协议，并且可以在多处理器系统中直接互连各个处理器。每个串口包括五个引脚：

SCLK（串行时钟），

RFS（接收帧同步），

TFS（发送帧同步），

DR（串行数据接收），

DT（串行数据发送）。

串口有独立的发送和接收部分，并且每个部分都有一个寄存器能把数据字从处理器移进或移出，双缓冲区技术为串口服务提供了附加时间。串口可以使用外部时钟或在内部生成时钟，频率范围宽，最小为0Hz，最大为6.144MHz。串口可以支持串行字长从3位到16位的数据传输。串口还可使用可以灵活控制的帧同步信号。接收和发送一个完整的数据字之后，可以产生一个中断。

发送数据时，由TX寄存器实现TFS信号，表明传送开始，写入TX寄存器的每个值都会被传送到内部发送移位寄存器中，然后从MSB开始发送各位，每一位都是在SCLK上升沿移出；接收数据时，接收到一个完整的字后，写入RX寄存器，同时产生接收中断。

3 串行通讯接口电路

串行通讯接口包括数据传输线DT和数据接收线DR。这样，可以通过对串口控制寄存器（Sport Control Register）的值进行修改，来控制数据接收帧同步只对串行通信中的第一个字节有效。也就是说，将DR和RFS连在一起之后，在进行数据传输的时候，在数据传输开始的时刻，就是第一个字节的起始位到达的时刻，RFS会对其进行判断，产生一个数据接收中断，从而达到异步通信的效果。

当需要把TTL（0V和+5V）电平转换为UART电平（-10V和+10V）时，比如说要和PC串口（RS/232）进行通讯时，就要添加一些硬件电路。如图2所示，使用了AD7306BR转换电平，由图中可以看出PC串口的3（TD）管脚即数据发送管理，经过AD7306BR之后，电平由-10V～+10V转换到0～+5V连接到DSP串口的数据接收（DR）管脚；同理DSP串口的数据发送（DT）管脚经过AD7306BR完成电平转换接到PC串口的2（RD）管脚即数据接收管脚上。在完成电平转换之后，还要使用HCPL2630将DSP与电平转换电路隔离。

4 通讯协议及软件设计

4.1 通讯协议

通讯协议采用异步串行通讯方式，波特率为2400bps，数据包括8位数据位、1个奇校验位、1个低电平起始位和1个高电平停止位；变频驱动板与主控板的通讯由3个字节组成：同步码0XFF、命令码和命令参数；主控板为主设备，变频驱动板为从设备，变频驱动板接到命令后立即应答，50ms无应答则重发命令，1s无应答则出错误报警。

通讯数据格式如表1所示。

表1 通讯数据格式

UART

数据格式起始位8位数据字奇偶校验停止位LSB123456MSB串口

数据格式000XXXYYYXXXYYYXXXYYYXXXYYYXXX111

24位数据组成的字节

4.2 由于ADMCF328只有一个同步串口，为了实现通讯协议的异步串行通讯，本文采用了一种使用同步串口作为异步通讯接口的方法。将串口的同步时钟频率设定为通讯协议波特率（2400）的三倍（7200），这样，命令字节中的第一位（bit）将读被取三次，取中间一次作为正确结果，用以保证消除上升、下降沿对通讯命令读取造成的误差；为了保证异步通讯，硬件上要求将数据接收线DR和RFS接在一起，以便产生异步中断。

由于是三倍频，所以每一位（bit）需要发送三次（接收时亦按三个字节接收），每一个命令字节共包括11位：一个起始位、八个数据位、一个奇偶校验位和一个停止位，所以共需33位，而串口传输数据的寄存器TX和RX只有32位，所以在接收数据的过程中，最后的停止位只接收2/3次，由于是三分频，只读取中间一部分的数据，所以不影响接收的正确性；在发送数据的时候，最后停止位只能发送2/3次，因此发送一个完整的命令字节后，补发一个0XFF来补齐停止位，以保证通讯完整，和上位机正常通讯。

发送和接收数据均采用中断方式。由于串口接收数据采用的是双缓冲的方式，由硬件实现数据的收发，因此不会受高级中断的影响而使通讯失败。只要在发数据的两条指令前屏蔽其它中断，一来可以保证通讯的准确性，二来又不会对PWM同步中断造成很大影响，从而保证对电机的控制。

4.3 软件流程

确定了通讯方式以后，即可根据通讯协议设计通讯程序，图3是串行异步通讯程序的流程图。

4.4 同步与异步串行通信比较

异步通信其它是依赖于同步性的，字符到达可以不同步，但每个字符的接收要通过起始位使之同步。事务上，异步和同步通信之间的基本差别只是程序不同，前者在每个字符中都需要同步位，而后者则经常需要一个精的时间控制时，连续位方式的同步传送要比异步传送优越。然而即使完全的同步化能够实现，系统仍然在许多方面产生故障，因为它需要的是不可中断的数据流，换句话说，传送字符串数据的技术没有办法将一个字符与另一个字符分离。所以，即使环境理想，如果字符不能按照指定时间到达接收方的应用系统。纯粹的同步是不能实现的[3]，所以可靠准确的数据传输需要使用异步通信的方法，并且由于DSP速度大大提高，增加了起始位、停止位和奇偶校验位的异步通信方式并不对数据处理造成过多的影响。因此，本文工作中采用了串行异步通信的方式。

采用这种方法的特点和实际意义如下：

（1）利用同步串口实现了异步通信，充分利用了DSP的资源，使DSP可以对异步电机的调速控制和与上位机的通讯同时处理，节约了成本。

(2)由于这套异步电机调速系统主要应用于家电中，因此功率不大，线路不长，本方法采用的设定三倍频率同步时钟以及合适的波特率，保证了通讯抗干扰能力，使得运行可靠。

本文提出的利用ADMCF328芯片的同步串口进行串行异步通讯的方法，通过对ADMCF328芯片的同步串口进行软件编程，实现异步通讯。由于采用了三分频的方法，读取数据准确，双工串行异步通讯效果良好。在驱动板与主控板连接调试之前，利用VB编写了通讯监控程序，通过硬件电平转换电路使DSP与PC机之间进行通讯，收发数据准确，通过良好，而且驱动板带动异步电机工作，运行正常。将主控板与驱动板连接整机调试，通讯正常，电机运行正常。

总之，从软件到硬件的实施方案，通过实验以及应用，证明了这个方法的可行性和可靠性。

摘要：介绍了基于专用DSP芯片ADMC328的异步电机调速系统中的主控部分与驱动部分之间的通信。详细介绍了通讯的硬件接口电路、通讯协议以及软件实现方法，实现了利用DSP的网步带口进行异步通讯的方法，并确保通讯准确可靠。实验结果证明了其可靠性。

关键词：数字信号处理器 串行异步通讯 交流调速系统

随着电力电子技术的不断发展和微处理技术尤其是数字信号处理器（DSP）的出现，基于数字控制的现代交流调速系统可以应用复杂的控制策略，实现高速动态响应功能。在以DSP为控制核心的异步电机驱动系统中，要实现观测驱动系统在运行中的数据变量，根据需要对程序进行控制，就需要应用DSP中的串口通讯接口与上位机――控制面板或者计算机系统进行通讯。本文针对一套基于DSP的异步电机变频调速驱动系统，设计了DSP与上位机系统通讯的硬件电路，编写了通讯的汇编程序，实现了DSP与上位机的异步通讯。在调试阶段，为了方便调试，在WINDOWS环境下，在PC机上利用VB编写了通讯控制程序，实现了DSP与上位PC机的通讯。通过多种条件下的运行调试，证明通讯可靠，运行稳定。

1 变频调速系统

近年来交流调速领域中最活跃、发展最快的是变频调速技术，它是交流调速的基础和主干内容。变频调速对于提高电工作效率和工作质量以及节约能源等，都起着十分重要的作用。本文以AD公司的专用DSP芯片ADMC328为控制核心，实现异步电机的变频调速。(本网网收集整理)

・调速系统的硬件电路分为四个主要模块：电源模块、控制器模块、功率模块以及通讯模块。

电源模块负责为其它模块提供相应的电源。它的输入是交流220V，由主控板或其它交流电源提供；输出是三个直流电源，为逆变器提供直流300V和直流15V，为控制器部分提供直流5V。

控制器模块的主要功能是实现空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM），对直流300V母线进行电压和电流检测，与外界通讯。

功率模块的实质是一个10A/600V的三相逆变器，它受控于控制器输出的PWM信号，为异步电动机（IM）提供三相正弦电流。

通讯模块是变频驱动板与主控板以及UART设备通讯的通道。通讯模块是保证上位机与下位机准确快速联系的'重要环节，是确保系统可靠运行的重要因素。

变频调速系统的控制框图如图1所示。

2 ADMCF328及其串口简介

ADMCF328芯片是美国AD（Analog Devices）公司生产的一种低价位、基于DSP的单片机控制器，适合于控制交流感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。它包括一个20MIPS的定点DSP内核和一整套电机控制外设，适于开发快速有效的电机控制器[1]。

ADMCF328提供有共同步串行通讯口，支持多种串行通讯协议，并且可以在多处理器系统中直接互连各个处理器。每个串口包括五个引脚：

SCLK（串行时钟），

RFS（接收帧同步），

TFS（发送帧同步），

DR（串行数据接收），

DT（串行数据发送）。

串口有独立的发送和接收部分，并且每个部分都有一个寄存器能把数据字从处理器移进或移出，双缓冲区技术为串口服务提供了附加时间。串口可以使用外部时钟或在内部生成时钟，频率范围宽，最小为0Hz，最大为6.144MHz。串口可以支持串行字长从3位到16位的数据传输。串口还可使用可以灵活控制的帧同步信号。接收和发送一个完整的数据字之后，可以产生一个中断。

发送数据时，由TX寄存器实现TFS信号，表明传送开始，写入TX寄存器的每个值都会被传送到内部发送移位寄存器中，然后从MSB开始发送各位，每一位都是在SCLK上升沿移出；接收数据时，接收到一个完整的字后，写入RX寄存器，同时产生接收中断。

3 串行通讯接口电路

串行通讯接口包括数据传输线DT和数据接收线DR。这样，可以通过对串口控制寄存器（Sport Control Register）的值进行修改，来控制数据接收帧同步只对串行通信中的第一个字节有效。也就是说，将DR和RFS连在一起之后，在进行数据传输的时候，在数据传输开始的时刻，就是第一个字节的起始位到达的时刻，RFS会对其进行判断，产生一个数据接收中断，从而达到异步通信的效果。

当需要把TTL（0V和+5V）电平转换为UART电平（-10V和+10V）时，比如说要和PC串口（RS/232）进行通讯时，就要添加一些硬件电路。如图2所示，使用了AD7306BR转换电平，由图中可以看出PC串口的3（TD）管脚即数据发送管理，经过AD7306BR之后，电平由-10V～+10V转换到0～+5V连接到DSP串口的数据接收（DR）管脚；同理DSP串口的数据发送（DT）管脚经过AD7306BR完成电平转换接到PC串口的2（RD）管脚即数据接收管脚上。在完成电平转换之后，还要使用HCPL2630将DSP与电平转换电路隔离。

4 通讯协议及软件设计

4.1 通讯协议

通讯协议采用异步串行通讯方式，波特率为2400bps，数据包括8位数据位、1个奇校验位、1个低电平起始位和1个高电平停止位；变频驱动板与主控板的通讯由3个字节组成：同步码0XFF、命令码和命令参数；主控板为主设备，变频驱动板为从设备，变频驱动板接到命令后立即应答，50ms无应答则重发命令，1s无应答则出错误报警。

通讯数据格式如表1所示。

表1 通讯数据格式

UART

数据格式起始位8位数据字奇偶校验停止位LSB123456MSB串口

数据格式000XXXYYYXXXYYYXXXYYYXXXYYYXXX111

24位数据组成的字节

4.2 由于ADMCF328只有一个同步串口，为了实现通讯协议的异步串行通讯，本文采用了一种使用同步串口作为异步通讯接口的方法。将串口的同步时钟频率设定为通讯协议波特率（2400）的三倍（7200），这样，命令字节中的第一位（bit）将读被取三次，取中间一次作为正确结果，用以保证消除上升、下降沿对通讯命令读取造成的误差；为了保证异步通讯，硬件上要求将数据接收线DR和RFS接在一起，以便产生异步中断。

由于是三倍频，所以每一位（bit）需要发送三次（接收时亦按三个字节接收），每一个命令字节共包括11位：一个起始位、八个数据位、一个奇偶校验位和一个停止位，所以共需33位，而串口传输数据的寄存器TX和RX只有32位，所以在接收数据的过程中，最后的停止位只接收2/3次，由于是三分频，只读取中间一部分的数据，所以不影响接收的正确性；在发送数据的时候，最后停止位只能发送2/3次，因此发送一个完整的命令字节后，补发一个0XFF来补齐停止位，以保证通讯完整，和上位机正常通讯。

发送和接收数据均采用中断方式。由于串口接收数据采用的是双缓冲的方式，由硬件实现数据的收发，因此不会受高级中断的影响而使通讯失败。只要在发数据的两条指令前屏蔽其它中断，一来可以保证通讯的准确性，二来又不会对PWM同步中断造成很大影响，从而保证对电机的控制。

4.3 软件流程

确定了通讯方式以后，即可根据通讯协议设计通讯程序，图3是串行异步通讯程序的流程图。

4.4 同步与异步串行通信比较

异步通信其它是依赖于同步性的，字符到达可以不同步，但每个字符的接收要通过起始位使之同步。事务上，异步和同步通信之间的基本差别只是程序不同，前者在每个字符中都需要同步位，而后者则经常需要一个精的时间控制时，连续位方式的同步传送要比异步传送优越。然而即使完全的同步化能够实现，系统仍然在许多方面产生故障，因为它需要的是不可中断的数据流，换句话说，传送字符串数据的技术没有办法将一个字符与另一个字符分离。所以，即使环境理想，如果字符不能按照指定时间到达接收方的应用系统。纯粹的同步是不能实现的[3]，所以可靠准确的数据传输需要使用异步通信的方法，并且由于DSP速度大大提高，增加了起始位、停止位和奇偶校验位的异步通信方式并不对数据处理造成过多的影响。因此，本文工作中采用了串行异步通信的方式。

采用这种方法的特点和实际意义如下：

（1）利用同步串口实现了异步通信，充分利用了DSP的资源，使DSP可以对异步电机的调速控制和与上位机的通讯同时处理，节约了成本。

(2)由于这套异步电机调速系统主要应用于家电中，因此功率不大，线路不长，本方法采用的设定三倍频率同步时钟以及合适的波特率，保证了通讯抗干扰能力，使得运行可靠。

本文提出的利用ADMCF328芯片的同步串口进行串行异步通讯的方法，通过对ADMCF328芯片的同步串口进行软件编程，实现异步通讯。由于采用了三分频的方法，读取数据准确，双工串行异步通讯效果良好。在驱动板与主控板连接调试之前，利用VB编写了通讯监控程序，通过硬件电平转换电路使DSP与PC机之间进行通讯，收发数据准确，通过良好，而且驱动板带动异步电机工作，运行正常。将主控板与驱动板连接整机调试，通讯正常，电机运行正常。

总之，从软件到硬件的实施方案，通过实验以及应用，证明了这个方法的可行性和可靠性。

篇5：变频调速装置在煤气鼓风机系统中的应用

变频调速装置在煤气鼓风机系统中的应用

烟台市管道煤气公司  刘岳成

摘要：通过对煤气鼓风运行工况的分析，为解决“大马拉小车” 的问题，应用变频调速装置和PLC构成风压闭环控制系统，实现对煤气鼓风机风量的自动控制，解决了“大马拉小车” 的问题，达到了节能降耗的目的。

叙词：可遍程序控制器  变频调速  节能  鼓风系统

1   引言

在电气拖动设备的运行过程中，经常遇到这样的问题，即拖动设备的负荷变化较大，而动力源电机的转速却不变，也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍，浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行，不仅可以满足生产的需要，而且还能降低电能消耗，延长设备的使用寿命。这里介绍的煤气鼓风机系统采用变频调，并应用PLC构成风压闭环自动控系统，实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量，即满足了生产需要，又达到了节能降耗的目的。

2   工况分析

鼓风机系统构成如下。

（1）风机型号：9-26，风量：8588 ~ 10735m3/h，风压：10020~9630Pa。

（2）电机型号：Y225M-2，功率：45kW，电压：380V，电流：83.9A，频率：50Hz，功率因数：0.89，效率：2970 r/min。

鼓风机的特性曲线如图1所示。

@gas_1.jpg

通过对鼓风机几年来的恒速运动实际情况的记录分析，鼓风机系统运行规律如下：最大负荷时的风量为1600 m3/h，电机的电流为38A，运行时间1个月；一般负荷的风量为950 m3/h，电机的电流为36A，运行时间9个月；最低负荷时的风量为500 m3/h，电机的电流为18A，运行时间2个月。由此可以看出，对于该鼓风机来说，最大负荷也不到额定负荷的一半，当风量下降时，用调节管道风门的方法来改变风道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，这由图1可以看出。

图1中曲线1为风机在恒速下调节风门时的`风压-风量（H-Q）特性，曲线2为恒速下调节风门时的功率-风量（P-Q）特性，曲线3为管网风阻（R-Q）特性。假设风机在设计时工作在A点效率最高，输出风量Q1100%。此时，轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比（AH1OQ1为耗能），根据生产工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2（例如50%风量）时，如采用调节风门的方法调整风量，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性由曲线3变到曲线4，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，尽管此时风量由Q1减小到Q2，但风压反而由H1增加到H2，轴功率P2与Q2、H2的乘积面积BH2OQ2成正比，功率的减少并不多，可见耗能仍然很大。

采用电气传动调速装置来调节风机电动机的转速是实现经济地调节风量、有效节能的最佳方法。我们选用变频调速装置对原煤气鼓风机系统进行了改造，将电机恒速运行改为按负荷变化的变速运行，得到风机合适的功率输出，达到了节能降耗的目的。

3   风机变频调速节能原理

交流异步电动机的转速公式为

n = 60f / p (1- s )    （1）

由式（1）可以看出，电源频率f与转速n成正比。即改变频率可改变电机的转速。当改变风机的转速，由额定转速n1调整到某一转速n2时，理论上风量、风压及轴功率变化的关系如下：Q2 = Q1 (n2 / n1)，H2 = H1 (n2 / n1)2，P2 = P1 (n2 / n1)3。可见，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由图1可以看出当风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，在转速n2下的风压-风量特性如曲线5所示。 可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率P3（相当于面积CH3OQ2）明显减小，节省的功率损耗 DP = P1-P2与面积BH2H3C成正比，节能效果十分明显。所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是最合理和经济的。

4   系统构成

对原有煤气鼓风机加装变频调速装置，并且在鼓风机系统出口的管道上安装压力变送器，测定管道的风量变化，通过PLC对管道压力信号的变换和处理，为变频调速装置提供参变量，实现对频率的自动调整，也就是说对电机的转速进行调整，以达到根据负荷变化调整输出功率，节能降耗的目的。

经过比较，我们选用日本富士变频器FRN45P9S-4，德国西门子公司可编程序控制器S7-200，组成风压变频调速自动控制装置，对原鼓风机系统进行改造。

4.1  硬件组成

系统构成框图如图2 所示。

@gas_2.jpg

各部分主要功能分述如下

（1）操作台。实现系统操作控制及参数的设定与显示。

（2）可编程序控制器。选用S7-200可编程序控制器及EM235模拟量I/O模块，完成风压信号和操作信号可输入以及PLC的控制输出。

（3）变频器。选用FRN45P9S-4变频器，具有手动和自动调速功能。

（4）切换装置。由继电器、接触器，开关等组成，实现1台变频器控制3台鼓风机的切换，以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。

（5）压力变送器。选用CECY型电容器式变送器，测定管道的风量变化。

4.2  软件框图

PLC软件采用梯形图语言，实现各种逻辑顺序控制，风压闭环控制等，程序框图如图3所示。

@g

as_3.jpg

在软件设计中利用PLC定时中断功能完成数据采样，数字滤波，PID运算及控制输出。

5   运行结果

变频调速装置安装投入运行后，风门全部打开，在压力为2200 Pa，风量为600 m3/h，即可满足生产要求。此时测得的系统参数如下：变频器输出频率为25 Hz，电压为189 V，电流为20 V；电机转速为1485 r/min。实际运行工况在以下几个方面有了明显改善：?噪声由80 dB降为40 dB左右；?风量（压力）控制自动化，降低劳动强度，故障率降低；?运行参数观测直观，可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数；?管道阀门全部打开，节门损失大大降低。

6   节约电能计算

采用变频调速前全年总耗能为1.511×105kW・h，变频调速后全年总耗能为4.53×104kW・h。采用变频调速后全年节约电能为10.58×104kW・h。

另外在投运变频调速装置后，根据运行工况测算，可延长修周期1～2年，每年可节约大修费用约2万元。

7   结论

实践证明，在煤气鼓风机系统中采用变频调速运行方式，可以根据负荷的变化自动调节风机的转速，解决了“大马拉小车”的问题，为降低生产成本，延长设备使用寿命，节能降耗，减轻劳动强度，改善工作环境开创了新的途径。