变频器在实验室液位控制系统中的应用

　　1 概述

　　在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对电动机的运转提出各种不同的要求。有的要求电动机能迅速启动、制动、反转；有的要求电动机时而快速运行，时而慢速运行；有的要求电动机启动、制动平稳，并能准确停在给定位置上等。由此可知，许多生产工艺都要求电动机系统具有调速的功能。

　　变频器就是利用半导体器件的通断作用，将固定频率(通常为工频50Hz)的交流电变换成频率连续可调的交流电的电源装置。变频器的负载就是交流异步电动机，由变频器和交流异步电动机组成了变频调速系统。

　　变频器从最基本的应用到目前的广泛普及，经历了一个漫长的发展过程。作为一个功能日益丰富的大功率电子产品，其发展与微电子技术、电力电子技术、计算机技术以及自动控制理论的发展是密不可分的。

　　电力电子器件是从电力二极管及晶闸管发展起来的，直到现在的智能电力模块(1PM)。目前变频器所使用的开关器件日趋稳定，变频器主电路整流部分一般采用电力二极管或晶闸管。主电路的逆变部分目前均是IGBT(绝缘栅双极晶体管)元件作为开关器件。对于中小容量的变频器，更多地趋向于智能电力模块，由于智能电力模块具有过电流、短路、过电压、失压和过热等保护功能，因而使变频器工作可靠性大为提高，功能也大为增强。因此，电力电子器件的发展是变频器发展的基础。

　　PWM技术的应用使得逆变电路能够得到接近于正弦波的输出电压和电流；计算机控制技术的应用使变频器的功能从单一变频调速功能发展为包括算术逻辑运算及智能控制在内的综合功能；自动控制理论的发展及应用使变频器具有了矢量控制、直接转矩控制、模糊控制等多项功能。

　　目前，变频器已经具有内置参数辨识系统、PID控制、简易PLC和通信单元等，使变频器的应用范围更加广泛。对风机、泵类负载的变频控制是变频器在节能方面的典型应用。传统的风机、泵类采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速不变，耗电量下降很小。但利用变频调速控制，则节能效果显著增强。经计算，如果风机的实际风量为额定风量的80％，通过变频调速使其实际功率为额定功率的51．2％。而风机、泵类负载占全国用电量的31％，占工业总用电量的50％，因而从节能的角度出发，在此类负载中使用变频调速具有极大的经济效益。以节能为目的的变频器的应用，在最近几十年来发展非常迅速。特别值得一提的是变频器在供水行业中的应用，通过采用压力变送器、PID调节器形成压力闭环控制，对交流电动机变频调速，实现恒压供水，可以实现高效节能。风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可达20％～60％。另外，变频器在生产过程控制、机械加工、家用电器等方面的应用也越来越普遍。

　　石化学校自动化实验室原采用调节阀控制液位系统，存在的问题是，当液位偏高时，由PID调节器控制，使调节阀关闭，但没有关闭水泵，水泵电机仍在运行，这就造成管路水压过大和电机过载的情况，从而影响了电机及水管的使用寿命，同时控制精度不高。鉴于此，于是利用BBP-3.7kw变频器对自动化实验室的液位控制系统进行改造，并取得成功。

　　2 BBP-3.7kw变频器控制端子排简介

　　BBP-3.7kw变频器原设计为只能用手动内部给定信号控制变频器输出频率，控制端子排没有提供外部给定信号的输入端子，只能控制电动机开环运行。

　　BBP-3.7kw变频器的控制端子排如图1，端子排中，2、5端为频率给定信号输入端，且2端为正，5端为负，调整与5和10端相连的电位器（该电位器就是面板上的频率给定电位器），可使2-5端输入的电压信号从0~5伏变化，对应输出频率为0~62Hz；10端为内部+5伏电源正极输出端，5端为内部+5伏电源地端。

　　图1 控制端子排

　　3将BBP-3.7kw变频器由输入信号内部给定变成外部给定

　　简单方法就是甩掉端子5和端子10间的电位器RP（面板上的频率给定电位器），使端子5、10、2间在外部相互断开，并将端子2、端子5与外部电压信号相连，且使2端为正，5端为负，如图2。

　　图2

　　4采用变频器控制的液位系统

　　采用变频器的液位控制系统及电路如图3。图中，在变频器输入端采用自动空气开关QF、交流接触器KM的控制，加强了对变频器的保护。

　　由于正常运行时，调节器的输出为4~20mA的直流电流信号，而变频器2-5端所需的是0~5伏的直流电压信号，因此在调节器的输出端并接一个250Ω的标准电阻，则加在变频器控制端子2-5间的信号变成一个1~5伏的直流电压信号，且使2端为正，5端为负。

　　图3

　　5结束语

　　用变频器代替调节阀后，在液面位置动态调节过程中，由PID调节器送入变频器的信号始终在1~5伏变化，因此变频器始终处于运转状态，水泵电机靠速度变化控制进水流量，实现“柔和”调节，避免出现调节阀控制时出现的电机过载及管道的“水锤效应”，增加了电机及管道的使用寿命，节省了气源，节约了电能。

作者：杨宝星

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