變頻調速技術及其在制藥工業(yè)電氣自動化控制中的應用

羅春芳

摘 要：在工業(yè)生產中采用先進的技術能夠提高工作效率，降低能源消耗，變頻調速技術是20世紀70年代提出的一種矢量控制理論，為實現電動機調速節(jié)能而出現的技術，當前已經廣泛使用在中央空調系統(tǒng)、空氣壓縮機等大功率動力設備自動控制方面，并取得很好的變頻節(jié)能效果。文章主要分析變頻調速技術在制藥工業(yè)中央空調系統(tǒng)自動化控制方面的應用，希望能為自動化控制發(fā)展提供一些參考。

關鍵詞：變頻調速；工業(yè)自動化；中央空調系統(tǒng)

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0049-02

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，交流電動機調速性能愈發(fā)優(yōu)越。近些年工業(yè)生產技術得到很大的發(fā)展，在制藥工業(yè)中，中央空調系統(tǒng)在潔凈廠房中廣泛使用，極大地滿足了生產要求和藥品生產質量管理規(guī)范，但是中央空調系統(tǒng)耗費大量的能源，在技術設計中采用變頻調速技術，能夠保證電機的輸出功率隨著負載的改變而變化，達到節(jié)能目的。

本文先簡單分析變頻調速技術，進而分析變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的應用。

1 變頻調速技術概述

變頻調速技術是為滿足實際工作需求而發(fā)展起來的，最早出現在20世紀80年代，隨著變頻調速技術的不斷發(fā)展，逐漸使用在其他領域。變頻器能夠起到變頻節(jié)能作用。根據水泵工作的原理，在其他參數確定的情況下，流量與水泵的轉速呈現正相關，水泵的功率變化和轉速的立方同樣呈現正相關，在水泵功率保持不變的情況下，減小調節(jié)流量，能夠減少轉速。從功率因數補償功能分析，無功功率的不會大大降低使用效率，還會導致設備發(fā)熱情況，縮短設備使用壽命，采用變頻調速技術能夠減少無功功率的損耗。從軟啟動節(jié)能分析，很多電機的啟動方式為直接啟動或者Y/△啟動，啟動電流大約是額定電流的5倍，也就是電機啟動需要耗費大量能源。采用變頻調速技術能夠大大降低電容量的要求，同時還能起到減少電網沖擊的效果，延長使用壽命。

變頻調速技術的組成部分包括自自適應電動機模型單元、脈沖優(yōu)化選擇器，以及轉矩和磁通比較器等，自適應電動機模型單元是不可缺少的部分，主要起到檢測電壓和電流的效果，是轉矩直接控制的關鍵單元，控制精度達到了0.5%；脈沖優(yōu)化選擇器一般采用Sycbne芯片處理I性信息，編制不同的電路，實現不同的功能；轉矩和磁通比較器對比分析反饋值和參考值，及時掌握轉轉矩狀態(tài)和磁場狀態(tài)。通用變頻器的制動電路是為異步電動機而設計，滿足異步電動機的控制需求，可以采用逐漸減小頻率的方式以達到減速目的。大中型的通用變頻器主要是為了實現節(jié)能目的，采用制動電路，將異步電動機回饋的能量消耗掉。

2 變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化技術中的應用

變頻器可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，其中交直交電壓型變頻器是使用比較廣泛的變頻器，主要包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器、控制電路等。變頻調速技術應用到工業(yè)生產領域中能夠滿足生產需求，目前變頻調速器中使用的Cyclone-II器件一般采用的是300 mm的晶圓，制造速度比較快速，這項技術在使用中采用最小化硅區(qū)，所需花費與專用的集成電路成本相差不大。高性能的變頻調速器主要是滿足不同工程的需求，硬件結構包括帶能量回饋單元變頻器、獨立式變頻器等，其中獨立式變頻器使用比較廣泛，本文主要分析變頻調速技術在中央空調系統(tǒng)中的應用。

2.1 變頻調速原理

異步電動機轉速公式為

n=60f（1-s）/p=no（1-s），

式中：

n為電動機轉速，r/min；

f為供電頻率，Hz；

s為旋轉磁場的同步轉速，r/min。

從這個公式中可以看到，在s變化不大的影響下，n與f呈現正比例關系，改變電源頻率f就能達到調節(jié)電動機轉速的效果。在分析異步電動機調速中，希望磁通量Φm保持不變，若是磁通量太弱，電子力矩不夠強，影響轉速快速改變，若是磁通量過大，容易東芝勵磁電流非常大，很容易燒壞電機。

釘子每相電動勢的有效值

Eg=4.44f1N1KN1Φm，

f1、N1、KN1、Φm分別代表定子頻率、串聯匝數、繞組系數、磁通量等。

從公式中可以看到，只要Eg和定子頻率得到控制，就控制了磁通量。

2.2 中央空調系統(tǒng)存在問題分析

在制藥企業(yè)實際生產中，發(fā)現中央空調系統(tǒng)耗費大量的功率，存在很多的問題。從設計角度出發(fā)，冷卻水泵電機功率依照最大換熱量計算，但是在很多情況下，開機數目嚴重不足，實際負荷遠遠小于電機容量。在冷凍水系統(tǒng)方面，冷凍水泵的作用是將冷凍水送往各組合式空調器的表冷單元熱交換后送至各送風口，達到降溫目的，也是根據最大制冷量來設計的，目前冷凍水泵做了很多的無用功，除了這些之外，水泵在使用中存在頻繁開啟的問題。

2.3 中央空調變流量節(jié)能原理分析

針對以上中央空調系統(tǒng)在實際使用中存在的問題，擬采用變頻調速技術改進中央空調系統(tǒng)達到變頻節(jié)能目的。當前企業(yè)所采用的電力為三相交流電，輸送的水量和風量恒定，難以實現變頻節(jié)能目的，在很多場合下，要求具有不同的物體流量，要滿足這個要求就需要供給不同的流量，若采用聯運行的風機，采用手動方式，同樣能夠達到節(jié)能目的，但是顯然存在很大的工作強度，無法實現自動化控制。

在現代制藥工業(yè)中，中央空調系統(tǒng)占了很大的部分，空調設備監(jiān)控包括主機、處理器、變通量等信息的變化，主機的控制依照冷量的需求，控制運行的臺數和時間，這是步進式的變通量運行。

目前中央空調監(jiān)控體系無法實現監(jiān)視空調主機、冷凍水泵等，僅僅能夠維持現在一定范圍內，采用變頻調速技術能夠很好的解決這些問題。電動機在不同轉速下，負載的組轉矩TL是固定的，因此功率、轉矩和轉速的關系可以表示為：

PL=T1n/9 550，

采用變頻調速技術能夠降低運行頻率達到技能目的。

2.4 變頻調速技術在中央空調系統(tǒng)中的應用

中央空調系統(tǒng)在應用變頻調速技術中可以采用兩種控制方式，以壓差為主的控制方式考慮到了負荷的因素，以溫差為主的控制方式非常適合空調的變頻改造，無需在各支路增加電動和調節(jié)閥，保證了系統(tǒng)的安全性，改造費用低、施工難度小、維護保養(yǎng)非常方便，因此在改造中采用以溫度控制為主，保持原有的中央空調系統(tǒng)，增加熱泵機組、熱交換器以及熱水罐等設備，形成完整的自動化控制體系。

冷凍水泵的變頻在設計中采用兩個溫度傳感器和變頻器組成控制系統(tǒng)，控制冷凍水的出水溫度和回水溫度。冷凍水泵電動器采用軟啟動方式，設定頻率為45 Hz，冷溫水系統(tǒng)最低運行頻率設定為30 Hz，控制溫差，溫差相差超過5 ℃時，能夠直接切換頻率，保證供回水溫度接近最優(yōu)值。冷凍水泵變頻控制見圖1所示，冷凍水泵正常運行后，操作人員啟動第二臺主機，確定冷卻水閥門和冷凍水閥門開啟后，同樣以軟啟動的方式開啟第二臺冷凍水泵。第二臺水泵正常運行后，如果空調主機制冷量大于實際需求，立刻停止主機。

冷卻水泵的變頻控制信號以冷卻水進出口溫度差表示，在大于設定值的情況下，將會提高頻率，頻率隨著設定值的改變而相應的改變，設定變頻器頻率為30 Hz，保證最小流量。在冷卻水泵啟動后，溫度超過37 ℃時，將頻率相應的升高到45 Hz，增加輸出流量。

在冷卻塔風機的控制中，設定最高頻率值為45 Hz，運行30 min后根據冷卻水進出口溫度相應的調節(jié)風機轉速，保證冷卻水進水溫度與設定值接近，冷卻塔風機出水溫度、進水溫度分別設定為32 ℃、37 ℃，在出水溫度下降達到28 ℃以下時，風機自動停止運行，若是溫度升高到32 ℃以上自行開啟風機。為保證冷卻塔風機、制冷機的安全等，把變頻器的最低工作頻率設定為30 Hz，最低控制電壓控制在6 V，為保證變頻器的安全運行，最高工作頻率設定為45 Hz。經過使用能夠極大地節(jié)省無效能量，實現自動化控制。

3 應注意的問題

變頻調速技術雖然得到廣泛的使用，但是在使用中需要注意的問題有很多，不正確的使用方式，很容易影響變頻調速的應用。在變頻器的安裝中，需要注意安裝的環(huán)境的濕度，保證環(huán)境無水侵蝕，無腐蝕性氣體，保證變頻器能夠容易移動，在變頻調速技術的應用中需要注意電磁干擾問題，可以縮短控制回路配線的距離，變頻器的使用中需要嚴格按照規(guī)定連接短租，不能電焊混用。

在使用中需要安裝噪聲過濾器，避免噪聲的干擾。在安裝過程中，需要注意避免直接受到陽光的照射，若安裝環(huán)境存在很大的震動，可以采用橡膠減震的方法，定期檢查空氣過濾器。在日常的使用維護中，需要加強相關人員的管理工作，對維修人員進行系統(tǒng)的培訓。

4 結 語

綜上所述，本文主要分析變頻調速技術以及其在制藥工業(yè)生產中的應用。

當前變頻調速器已經廣泛使用在生產領域中，很好地大大降低了能耗的作用，能夠在保證安全生產的同時提高經濟效益，隨著技術的不斷進步，在變頻調速的設計改進中還需要根據調速器的作用和功能不斷完善，為工業(yè)自動化生產發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 楊渭建.變頻調速技術及其在工業(yè)電氣自動化控制中的應用探析[J].科技風，2014，（5）.

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