基于节能目的的变频调速器投切算法的研究 Study on Switching Algorithm of Transducer Based on Energy-Saving

doi:10.12677/AEPE.2013.13021

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Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2013, 1, 122-126

http://dx.doi.org/10.12677/aepe.2013.13021 Published Online August 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aepe.html)

Study on Switching Algorithm of Transducer Based on

Energy-Saving

Jianke Li1, Weiyi Jin2, Shuhua Qian1, Jingjing Chen1, Ming Xing3

1College of National Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing

2Nanjing Military Representative Office of Military Navigation, Shanghai

3Jiangsu Zhen’an Power Equipments Co., Ltd., Zhenjiang

Email: lijianke1026@163.com

Received: Mar. 22nd, 2013; revised: May 9th, 2013; accepted: May 22nd, 2013

stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract: To achieve the purpose of energy conservation, frequency conversion velocity regulators are usually added in

power devices. However, the harmonic losses are also caused by those regulators. The relationship between the loss rate

and the load rate is derived from the formula. Calculate the load rate when the loss rate is the smallest, and then get the

total power consumption of the power equipment. By designing the digital PID controller and researching the feedback

algorithms of the power-saving optimization, the inverter switching algorithm can be finally achieved through the de-

signing and developing of the software process.

Keywords: Transducer; Energy-Saving; Harmonic; Load Rate

基于节能目的的变频调速器投切算法的研究

李建科 1，金伟一 2，钱淑华 1，陈静静 1，邢鸣3

1解放军理工大学国防工程学院，南京

2南京军区航务军事代表办事处，上海

3江苏镇安电力设备有限公司，镇江

Email: lijianke1026@163.com

收稿日期：2013 年3月22 日；修回日期：2013年5月9日；录用日期：2013 年5月22 日

摘要：为了实现节能目的，通常在动力设备中加入变频调速环节，但是带来了谐波损耗的问题，通过公式推

导得到损耗率与负载率的关系，并计算出最小损耗率时的负载率，得出此时动力设备用电总功率，设计了数字

PID 控制器，研究了节电优化的反馈算法，并设计开发了软件流程，最后实现了变频器投切算法。

关键词：变频器；节能；谐波；负载率

1. 引言

随着电力电子装置的不断发展、完善和应用，工

业与民用建筑领域大量采用此类装置以实现不同的

目的，如利用变频器控制风机和泵类负载，实现变速

节能运行，获得了可观的经济效益。然而，变频器作

为一种电力电子变换装置，由于电力电子开关的非线

性特性，在实现电能变换的同时，引起输入电流波形

发生畸变，等效于一个谐波源，向供电电网中注入谐

波[1-3]。

谐波的危害十分严重，包括降低供电可靠性、减

少系统有效容量、影响设备正常工作、恶化电磁环境、

导致电力系统损耗增加等。谐波引起电力系统的附加

损耗(发热)增加是谐波及其危害研究的重要方向之

一。George J. Wakileh 提出了谐波情况下电力设备热

122

基于节能目的的变频调速器投切算法的研究

损耗的计算方法；张琦对谐波作用下导线的趋肤效应

进行了仿真研究[4]。谐波产生的附加损耗，将增大供

配电系统的总损耗。

谐波产生电力系统的附加损耗，与设备节能的一

部分相互抵消，系统节能效益达不到预期的理想效

果。目前，相关文献只是对各个设备(如电机、变压器)

的谐波损耗进行研究，综合考虑谐波损耗的变频控制

节能问题，尚无定性定量的研究[5-9]。

2. 节电原理

以通风变频控制系统为例，设系统的总功率为P，

总损耗为ΔP，可变损耗为 PA，不变损耗为 PB，总负

载率为 β，风机的额定功率为PN，风机的实际功率为

PL。则系统总功率和损耗的关系可表示为：

PP P (1)

PP P 

(2)

以功率损耗和输入功率的比值ρ表示损耗率：

PP P







 (3)

把式(1)和式(2)代入式(3)，则式(3)可改写为：

PP P







 (4)

式中，



，PB和PN均为常数。

式(4)两端对 β求导，得到：















ANBA BANA

NB A

PPPPPPP P

PPP

 





 



(5)

令式(5)等于零，损耗率 ρ最低，此时的负载率 β

为：



 (6)

根据负载率β的定义，实际功率PL0为：

 (7)

将(2)和(7)代入式(1)得到通风系统最优化用电功

率：

PP PP



(8)

通过以上分析，可以得出：系统的最小损耗率随

着负载的变化而变化，系统运行在最小损耗率状态时

损耗最小，效率最高。已知系统的最低损耗率，通过

计算可得到设备的优化运行范围，并对设备进行合理

的优化调度(如变频器的投切、调速控制，变压器的投

切)，达到节电优化的目的。

3. 变频器节电优化算法

单台变频器的投入与切除点为：不投入变频器运

行与单台变频运行时损耗相等。据此，可建立方程：



 (9)

式中，ΔP0——变频器不运行系统的损耗；

ΔP1——单台变频器运行系统的损耗。

代入变量后，式(9)可改写为：

BAH BAH

BAH

NB AH

PP PP

PPP









 (10)

为了保证风机按照预定的优化调度运行，采用

PID 控制器对风机实现反馈控制。

3.1. 数字 PID 控制器的设计

数字 PID 控制的核心思想是通过传感器将测量到

连续信号转换为统一标准信号后输入给 PID 调节器，

经调节器运算后得到变频器的给定频率，实现风机转

速控制。控制过程示意图如图 1所示。

3.2. 反馈算法研究

模拟 PID 控制器的控制规律可以由式(11 )进行描

述：

 





1dd

utKetett T





 









 (11)

式中：KP——比例系数；

TI——积分系数；

TD——微分系数。

主单元无法对控制对象实现连续控制，只能先进

PID 变频器动力设备

实际参数

设定值输出值

Figure 1. The program of feedback control proc e ss

图1. 反馈控制过程示意图

基于节能目的的变频调速器投切算法的研究

行离散化处理，再通过软件算法执行PID 控制。在连

续时间 t内进行周期为 T的采样 k次，经过离散变换

可得：







 



ut u

et e

et tTeut

et ee

























 (12)



kpkj kk

uKee ee







 









(13)

式中，k=1，2，3…



11 1

kpkj kk

uKee ee















2





(14)

式中，k=2，3，4…

1kkk

uuu



  (15)

即



PDP

PDP DP

TKT K

TKT Kek

TKTKTK

TT T

Kek





 









 











 









 







(16)

式中， ——第k次采样后的增量值；

u

ek——第k次采样时刻输入的偏差值。

为了防止电机转速变化过大而引起的积分饱和，

可采用积分分离法进行控制。设为采样偏差值的

上限，若

max

maxk

ee采用 PID 控制，反之采用 PD 控制，

如式(17)，式(18) 所示。



0ma

PDP

DP DP

TKT K

TKTK

TK TK

Keeee















 



















max

2max

DP DP

PkD k

PDP DP

PkP

TK TK

KeK e

TK ee

uTKTKTK

eK e

TT T

TK eee



 



 

 



 









 















max

(17)

(18)

4. 变频器节电投切的实现

变频动力设备的节电系统采用灵活易操作的

Visual Basic 6.0 软件(VB 6.0)编写，主要包括设计人机

交互界面；对动力设备进行控制和变频器投切管理；

通过通信协议完成上位机和数字化变频动力控

之间的通信，实现远程操作。

4.1. 软件流程设计与开发

示，风机闭环控制流

程设计如图 3所示。系统可根据PID 算法控制风机的

器可以实现部分节能功

能，

损耗与系统节电量之

间的

设计

，变频器投入运行；反

之切

器投切画面要具有良

好的

变频器投入，根据计算流程图自动判断变频器是否工

制柜

单台变频器节电投切的软件流程设计包括闭环

控制流程设计和变频器投切控制设计。

1) 闭环控制流程设计

PID 算法流程设计如图 2所

转速，达到调节风量的目的。

依据 PID 算法，根据需风量，通过变频器可以实

现对风机转速的控制。

风机正常运行时，变频

但是变频器在运行的同时产生损耗，在某些条件

下，损耗大于节约的能耗。

以单台风机为例，综合考虑

关系，设计单台风机节电流程。

2) 单台风机节电流程

单台风机的节电流程如图 4所示。在设备初始化

后，系统根据所采集的实时数据进行运算，当系统损

耗大于使用变频器的节电量时

除变频器。

3) 软件开发

为了便于管理和维护，变频

人机交互特性和操控功能。

画面功能包括合闸、复位、分闸，在变频器投入

前首先点击复位按钮，恢复系统的初始位置，合闸后

124

基于节能目的的变频调速器投切算法的研究

开始

参数初始化

采集输入值和输出值

计算偏差ek

∣ek∣＜emax?

PID 控制

控制器输出

PD控制

Figure 2. PID algorithm

图2. PID算法

开始

设备初始化

软件初始化

开始

结束

设备初始化

采集数据

计算系统损耗 Ps

计算系统节电量 Pj

Pj≤Ps

投入变频器

切除变频器

计算优化运行方案

检测需风量

检测电机转速

调节变频器

控制电机转速

电机转速

是否满足？

Figure 4. A transducer energy-saving flow chart

图4. 单台变频器节电流程图

作，点击分闸后，变频器退出运行。

在VB 6.0 软件中，绘出合适的框图，编写相关的

程序，得到变频器投切画面如图 5所示，维护人员可

根据运行情况在现场对变频器进行手动投切操作。

4.2. 硬件实现

针对风机设备的特点，采用 ABB ACS510型低压

变频器。该变频器是一款高品质的电机变频调速设

备，广泛应用于工业现场，特别适合风机泵类传动控

制，具有运行可靠、电机噪音低、安装简单等优点。

根据 ACS510 型低压变频器的技术指标要求，设

计供电回路和控制回路，加装变频器后的变频动力柜

如图 6所示。

动力柜运行数据显示，在满足风量等指标要求

后，加装变频器后的动力柜节能效果更明显。

Figure 3. Motor control software flowchart

图3. 电机控制软件流程图

基于节能目的的变频调速器投切算法的研究

126

Figure 5. The picture o f converter control

图5. 变频器画面

Figure 6. Frequency conversion power c ounter

图6. 变频动力柜

5. 结论

采用变频器设备运行可以

的谐波。系统

的最小损耗率随着负载的变化而变化，系统运行在最

小损耗率状态时损耗最小，效率最高。已知系统的最

低损耗率，通过计算可得到设备的优化运行范围，并

对设备进行合理的优化调度(如变频器的投切、调速控

制，变压器的投切)，可以达到节电优化的目的。

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