變頻調(diào)速在工農(nóng)業(yè)中的應用舉例

韓 旺，聶昌益，陳 乾

（中國地質(zhì)大學 機電學院，湖北 武漢 430074）

交流異步電動機的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當今國際上廣泛采用的效益高、性能好、應用廣的新技術(shù)。它采用微機控制、電力電子技術(shù)及電機傳動技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機的無級調(diào)速功能。目前在國 內(nèi)外已廣泛應用，是自動化電力傳動的發(fā)展方向。

1 變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應用

1.1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介

電廠化水車間泵站擔負著恒壓供水的重要任務，大量的電能消耗在水泵負載上，為了完成工作中的一些必須任務從而所消耗的電量在這類負載中占了相當大的比例。因此，提高泵站效率、降低能耗，對節(jié)省廠用電有重大意義，而變頻器控制是目前較為先進的節(jié)能系統(tǒng)，通過監(jiān)測水壓、調(diào)節(jié)水泵頻率，并結(jié)合PLC控制能很好地達到提高效率、降低能耗的效果。

變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的際供水壓力維持在設定的供水壓力上。

從圖1中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，得出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設定壓力相等。好地達到提高效率、降低能耗的效果。在交流調(diào)速領域中,隨著高開關頻率的功率器件 （如IGBT、MOSFET等）出現(xiàn),脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)取代了老式相控技術(shù),一躍占據(jù)了主導地位。在眾多PWM技術(shù)中,電壓空間矢量PWM（也稱為磁鏈跟蹤PWM）調(diào)制具有比較顯著的優(yōu)點:電流諧波少,轉(zhuǎn)矩脈動小,噪聲低。

圖1 變頻恒壓控制原理圖

1.2 系統(tǒng)主要設備

（1）變頻器。變頻器是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。

（2）可編程邏輯控制器。可編程控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境條件下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器（PLC）具有通用性和靈活性強、抗干擾能力強、可靠性高、編程語言簡單、安裝簡單、維修方便等特點。

1.3 系統(tǒng)的構(gòu)成及實現(xiàn)過程

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)、PLC及壓力儀表3大部分構(gòu)建而成。系統(tǒng)的實現(xiàn)過程主要有減泵過程與加泵過程。

2 PWM變頻調(diào)速在農(nóng)業(yè)噴灌中的應用

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)中的泵都是以全速方式運行,但隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,各種先進技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用,如把PWM變頻器引進噴灌系統(tǒng),從而實現(xiàn)泵的運行速度由實際用水量大小來進行自動調(diào)節(jié)。這種運行方式與傳統(tǒng)的全速運行方式相比,節(jié)約了大量的電能,降低了生產(chǎn)成本,還使農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)更容易實現(xiàn)全自動化。

2.1 噴灌系統(tǒng)中泵的特性

噴灌系統(tǒng)中泵負載是一種減轉(zhuǎn)矩負載,其負載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示。當泵的轉(zhuǎn)速降低時,其負載轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速的2次方成比例地減小,而負載所需的軸功率P與速度的3次方成正比,即泵在運行時其軸功率為：P=

其中，Q為流量m3/s；H為全揚程m；K為常數(shù)；η為泵的效率；P為泵的軸功率（kW）。

圖2 泵的負載特性

2.2 工作原理

采用PWM的噴灌系統(tǒng)的工作原理如下，水泵抽水時，壓力傳感器將檢測到的噴灌供水管網(wǎng)上的壓力信號傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將該信號處理后傳給變頻器，使變頻器輸出的頻率、電壓發(fā)生變化，從而使泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。當開的噴頭多時，所需的出水量增大，管網(wǎng)的壓力低于設定的壓力，變頻器輸出的頻率將增大，使泵的轉(zhuǎn)速提高，加大供水量當噴頭開得少時，所需的出水量減小，管網(wǎng)的壓力大于設定的壓力，變頻器輸出的頻率將減小，使泵的轉(zhuǎn)速降低，減小供水量；當管網(wǎng)壓力達到設定的壓力時，轉(zhuǎn)速不再改變。這樣反復循環(huán)，使管網(wǎng)水壓保持在一個設定的壓力上。

PWM還可以與濕度傳感器配合使用，當土層濕度小于設定值時，控制系統(tǒng)檢測到濕度傳感器信號后，向變頻器發(fā)出水泵啟動指令，啟動水泵運行，給作物進行噴灌；當土層濕度等于設定值時，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出停機指令，停止噴灌。把農(nóng)作物不同時期所需的濕度數(shù)據(jù)輸人電腦，再把濕度傳感器與電腦聯(lián)機，由電腦來控制變頻器，就可以根據(jù)農(nóng)作物不同時期對濕度的要求，全自動地給農(nóng)作物進行噴灌，從而實現(xiàn)噴灌的全自動化。

2.3 在噴灌系統(tǒng)中應用的意義

（1）可以節(jié)約大量電能。圖3為泵的流量Q與揚程H的關系曲線圖。

圖3 泵的流量Q與揚程H的關系曲線圖

當減小流量時，由于閥門開得小，對水的阻力變大，當阻力曲線由R1變成R2時，揚程則由H0上升到H2,流量由Q1減小到Q2，而采用變頻調(diào)速來控制流量時，由于沒有閥門阻力，流量由Q1減小到Q2，其阻力曲線沒有變,仍然是R1，流量取決于轉(zhuǎn)速,把轉(zhuǎn)速由n1降到n2，即可得到流量Q2，而揚程則由H0變?yōu)镠2。由上可知，采用閥門調(diào)節(jié)控制流量所需的軸功率顯然大于采用變頻調(diào)速方式用的軸功率，故采用變頻方式比采用閥門控制方式節(jié)省電能。

（2）由于采用變頻調(diào)速,可以與計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。采用變頻調(diào)速后，不但減小了人工投入，提高了工作效率，而且還使管網(wǎng)的水壓恒定，提高了噴頭噴水的質(zhì)量。

（3）由于變頻器具有對電動機等設備的保護功能，增強了設備的安全運行，減少了維修開支。

3 結(jié)論

本文主要介紹了交流變頻調(diào)速在工農(nóng)業(yè)領域應用，具體以變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)噴灌中的應用為例，闡述了PWM變頻器的優(yōu)點及其的廣泛應用。隨著電力電子技術(shù)。控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步普及，打破了以往直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能調(diào)速天下的格局。

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