變頻調速技術在生產中的應用

馬錦源

【摘要】變頻調速技術具有高效率、寬范圍和高精度等特點，是目前應用廣泛且最具發展前途的一種調速方式。本文簡單介紹了變頻調速的工作原理、發展階段及現狀，重點介紹了變頻調速技術在工業生產領域中的一些應用。

【關鍵詞】變頻調速技術；階段；應用；恒壓供水系統

變頻調速技術，是一項以電力電子器件制造技術、微處理器技術、PWM控制技術和現代控制理論發展為基礎的技術。其基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻調速在交流調速技術中具有絕對優勢，且其調速性能與可靠性不斷完善，變頻調速節電效果更加明顯，適用范圍廣泛，在工業自動化領域起著越來越重要的作用，并已滲透到社會經濟的各個角落。所以在世界能源緊缺的今天，推廣交流變頻調速技術的應用，有著非常積極的現實意義和巨大的經濟價值以及社會價值。

一、變頻調速技術的發展歷程與現狀

1.發展歷程

從20世紀60年代末至90年代，變頻器的控制方法大致經歷了三個階段，每一個階段都推出了一個更先進的控制理論，在技術上都有一個突破性進展[1]。第一代變頻調速控制系統是以恒壓頻比或變壓變頻（VVVF）控制方式為理論基礎的變頻調速。 可以通過改變電機的供電頻率在交流電機調速系統中實現控制電機轉速的目的，但系統中并沒有嚴格的磁通控制，所以此階段對系統的控制是粗略的。第二代變頻調速是以矢量控制理論為基礎的變頻調速系統。控制轉子磁鏈是其基本點，以轉子磁通定向，分解定子電流，使其成為磁場和轉矩兩個分量，經過坐標變換實現解耦控制或正交。 但是，由于矢量變換的復雜性以及轉子磁鏈難以準確觀測，使實際控制效果通常難以達到理論分析效果，成為矢量控制技術在實踐上的不足。第三代是以直接轉矩控制理論為基礎的變頻調速系統。直接轉矩控制的主要對象是對轉矩進行綜合控制，與矢量控制的區別是它不是通過控制磁鏈和電流等變量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制。此控制理論的系統結構簡單，不僅控制轉矩也用于對磁鏈的控制，其各項指標都更加優越。

2.發展現狀

電氣傳動系統可分為不調速和調速兩大類，不調速電動機直接由電網供電，調速又分為直流調速和交流調速兩種方式[2]。電氣傳動控制系統一般由電動機、信息裝置和控制裝置三部分組成。但是，隨著電子電力技術的迅猛發展，原本不調速的機械被改用調速傳動以節約電能，改善產品質量以及提高產量。目前，變頻調速技術已成為交流調速中最活躍、發展最快、國內外公認為最有發展前途的調速技術。

（1）國外現狀

近十年內變頻調速技術得以高速發展，主要由以下幾個方面因素決定：

①市場有大量需求

②功率器件發展迅速

③控制理論和微電子技術的支持

（2）國內現狀

改革開放以來，國內在自行設計制造的成套裝置中采用合資企業和外國進口公司的先進設備，自己開發應用軟件，為國內外重大工程項目提供了一流的電氣傳動控制系統。但是，由于國內生產產品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重。總體上，我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平存在10～15年的差距[3]。特別是系統可靠性及數字化方面與國外還有較大差距。目前國內交流變頻調速技術產業狀況表現如下：

①變頻器的整機技術落后，缺乏技術和生產規模；

②變頻器產品所用的半導體功率器件制造業幾乎是空白；

③配套產業及行業落后；

④產銷量較少，工藝水平及可靠性不高。

二、變頻調速技術的應用

目前，就我國變頻調速技術在生產上的應用而言，總體上是一個低級到高級的過程，即由試驗到實用，由輔助系統到生產裝置，由小范圍到大范圍，由單純考慮節能到全面改善工藝水平，由手動控制到自動控制的過程。我國的變頻調速技術應用已取得顯著成績，主要體現在下面幾個方面：

（1）變頻調速技術的應用范圍已逐步擴大

以石油、石化、電力節能系統、恒壓供水系統、冶金以及機械等行業為例，都經過了單系統試用、大量使用和整套裝置系統使用3個發展階段[4]。如九江石油化工廠和廣東茂名石化公司已引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了顯著效果。

（2）變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施

變頻調速技術是技術含量很高的機泵節能運行技術，2009年，通過對安裝在黃山水廠、江河清水廠等油田水廠泵站的變頻調速裝置進行調試，實現了恒壓供水，供水壓力恒定在0.33MPa，到目前為止運行狀況良好實施后黃山水廠節能28%、江河水廠節能30%，節能效果明顯。采用變頻裝置后，包鋼1150軋機年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下，大大提高了產品質量和產量，年節約電費約50萬元。在電力系統節能方面，交流變頻調速技術在電力系統提高控制精度、改善生產工藝等方面也有廣泛實際應用。交流電力拖動具備較高調速精度、較寬調速范圍、較快動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。因此在電力系統中，不僅在節能方面需要變頻器，許多需要精確控制壓力、液位及流量的場所都需要。

（3）發電廠的應用

在發電廠中，水泵和風機是主要的耗電設備，且由于容量大、耗電多，加上這些設備都是長期運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態，具有巨大節能潛力。通過變頻調速技術下調電機的運行速度，可達到顯著的節能效果。水泵和風機用電量是發電廠的主要部分，如果這一部分能源得以節約，會極提高發電廠的經濟效益。

（4）在恒壓供水系統的應用

恒壓供水是利用高壓變頻器對水泵電動機進行變頻控制，以此用來實現供水流量的變負荷調節。在變頻恒壓供水方式下，可正確推算當天的供水量，從而合理調配工頻車運行車次。通過控制變頻機組運行頻率在合理的范圍內，使每臺水泵都處于高效區運行狀態，壓縮富裕水頭；根據供水量的變化情況和變頻機組的實際運行頻率，及時調整，使不同的供水壓力段，均能將能量損失降低到最小，且使運行工況平穩可靠[5]。

三、結束語

變頻調速技術具有高效性、精確性、可靠性等優點，廣泛應用于供水、發電和石油化工等多種工業領域，具有廣闊的發展前景。在世界能源日益枯竭的今天，結合我國國情開發自己的產品，積極開展變頻調速系統的控制策略，加快變頻調速技術的推廣應用，具有十分重要的意義，有著顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]吳靜.變頻調速技術的發展與展望[J].科技信息，2009 （23）：65-93.

[2]熊幸明.變頻調速技術的應用與發展[J].長沙大學學報，2005（19）：65-68.

[3]趙相賓.談我國變頻調速技術的發展及應用[J].電氣傳動，2002（2）：18-20.

[4]孟憲軍.變頻調速技術的現狀與應用[J].佳木斯大學學報，2007（25）：38-40.

[5]郝淑榮.變頻調速技術的應用與分析[J].電器開關，2012 （2）：79-83.