高压变频器简易瞬时值滞环比较控制的应用

0 引言

注水泵是满足油田注水，保证地层压力的源设备，随着油田开采进入中后期，油田注水量也将逐年加大，注水耗电已占生产用电的19%，注水电费占总电费的16%，并呈逐年上升趋势。在高压注水系统中，高压电机中大马拉小车的现象比较普遍，注水泵泵压与注水管线干压之间存在较大的压差，必须靠控制泵出口高压回流阀门来保证注水管网的注水压力，这样既造成大量的电能被白白的消耗掉，同时又由于泵压较高，对机泵的运行及管道的使用十分不利。

通过安装高压变频调速装置后，依据注水管网需要的压力进行参数设定，自动调节注水量，既可节约大量的电能又能降低机泵的损耗，对降低生产成本有着十分积极的意义。在调试系统的过程中发现，靠普通的闭环控制，很难达到理想的控制状态。通过大量的试验和观测，系统采用简易的瞬时值滞环比较控制方法，可收到较好的效果。

1 瞬时值滞环比较控制原理

在变频器的闭环控制中，给定量和反馈量不停地进行比较、计算，以求得动态平衡，使控制系统稳定于期望值的可变范围内。但是，这种计算是比较复杂的，若处理不好，会影响输出，使变频器处于不稳定的控制中，甚至于造成过流或过压保护，影响设备的正常运行。

在瞬时值滞环比较控制中，把指令值信号与实际的补偿量信号进行比较，用两者的差值作为滞环比较的输入信号，通过滞环比较产生控制信号。此信号再经过驱动来控制实际产生的补偿量，以跟踪指令信号的变化。这一控制方式的原理如图1所示。

在这种控制方式中，滞环的宽度H 对补偿量的跟踪性能有较大的影响。当滞环宽度H 较大时，响应速度慢，故对于控制量变化慢的场合，跟踪误差较大;当滞环宽度H 小时，跟踪误差减小，响应速度快。

这种控制方法的特点是：属于实时控制方式，补偿量的响应速度较快;在控制中，如果滞环宽度H 固定，则补偿量的跟踪误差范围是固定的，但实际输出的控制指令的变化速度是改变的。

2 在实际中的应用

针对现场存在的问题，对系统进行优化改造后的组成如图2所示。

在调试应用中系统干压的变化范围较大，一方面是干压值小时，固定的滞环宽度可能使补偿量的相对跟踪误差过大;另一方面是干压值大时，固定的滞环宽度可能使实际输出的控制指令的变化速度过快，外围的变频器来不及改变频率，甚至导致变频器上升和下降速度较快而使过压或过流保护动作。针对这种情况可以采用两种对策：一是让滞环宽度随补偿量的大小自动地进行调整;二是采用定时控制的瞬时值比较方式，控制原理如图3所示。

在图3 中，以定时控制的比较器代替滞环比较器，在每一个时间间隔对误差判断一次，使信号至少需要一个时间周期才变化一次，这样就可以控制实际输出的控制指令的变化速度。这种控制方式的不足是补偿量的跟踪误差不固定，输出信号毛刺忽大忽小。

系统中的可编程控制器采用了S7-200PLC，选用型号CPU224XP，该型号输入14 点，输出10点，同时带2 路模拟量输入，1路模拟量输出，在线程序编辑容量为12 288 字节，数据存储器的容量为10 240字节。

在设计中采用一路模拟量输入接收现场系统的配注压力，然后通过PLC 内部采用定时控制的瞬时值比较方式处理后，输出一路模拟量去调整变频器的频率，即电机转速，达到调整压力的目的。该方式处理程序量较小，控制子程序如下。

3 结语

通过参数的调整和运行，高压变频器运行比较平稳，性能可靠，简便实用，节电效果明显，改善了工作人员的工作环境，启动无冲击电流，大大降低了维修费用，提高了机组的使用寿命。