變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究

林澤武

摘 要：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)逐漸深入生產(chǎn)和生活的每個(gè)角落，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，大到數(shù)控機(jī)床小到冰箱電視，我們都能發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速技術(shù)的身影，其大大提高了電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。本文主要介紹該技術(shù)的相關(guān)概念以及以數(shù)控機(jī)床為例，分析其在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù)；工業(yè)電氣自動(dòng)化控制；應(yīng)用研究

眾所周知，傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)行需要耗費(fèi)大量的能源，不僅不符合當(dāng)前國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求，也會(huì)增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)企業(yè)發(fā)展而言是一種負(fù)擔(dān)。為此，企業(yè)技術(shù)人員急，需尋找一種更為先進(jìn)環(huán)保的技術(shù)，并將其應(yīng)用于電氣自動(dòng)化控制中。當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新，變頻調(diào)速技術(shù)作為一種新興技術(shù)已經(jīng)成功在工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)得到廣泛使用，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、改善控制性能的同時(shí)也提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 變頻調(diào)速技術(shù)概述

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史

變頻調(diào)速技術(shù)從理論到使用推廣經(jīng)歷了40年的時(shí)間，在這期間，電子器件的發(fā)展促進(jìn)了這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。在20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國(guó)家為了緩解石油危機(jī)，投入大量的人力、物力和財(cái)力去研究更加高效的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)得到進(jìn)一步推廣。到今天，依托于電子計(jì)算技術(shù)和微電子技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)以優(yōu)越的性能被各行各業(yè)所采用，實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域的節(jié)能減排，提高了生產(chǎn)效率。

1.2 變頻調(diào)速技術(shù)基本原理及組成

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理為利用電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系n=60f（1-s）/p，其中n為轉(zhuǎn)速，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，f為輸入頻率，p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，改變電動(dòng)機(jī)的工作頻率從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵部件主要有3部分：自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元、脈沖優(yōu)化選擇器、轉(zhuǎn)矩和磁通比較器。（1）自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模式單元主要的功能是檢測(cè)輸入電動(dòng)機(jī)的電壓、電流的性質(zhì)，從而識(shí)別電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，它是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵單元，以定子磁場(chǎng)定向方式幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)0.1%的速度控制精度。（2）脈沖優(yōu)化選擇器的主要功能是優(yōu)化選擇在一定范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)，功能的實(shí)現(xiàn)首先需要選擇合適的信息處理選擇芯片，當(dāng)前在電氣自動(dòng)化控制行業(yè)中常用的型號(hào)為Cyclone ⅡEP2C5Q209C8；其次需要設(shè)計(jì)調(diào)制方式的信號(hào)源并編寫能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能的電路模塊，例如能夠?qū)崿F(xiàn)星座映射、緩沖功能的模塊；最后，通過(guò)信號(hào)源進(jìn)行仿真模擬判斷編寫的電路模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。影響脈沖優(yōu)化選擇器性能的重要因素是電解電容器的容量具有很大的離散型，導(dǎo)致部件承受的電壓出現(xiàn)偏差，為此需要對(duì)電容進(jìn)行改進(jìn)，可以在電容器旁并聯(lián)一個(gè)與電容器阻值相同的電阻，同時(shí)為了防止電路被燒毀，還可以增加抑制浪涌電流的措施。（3）轉(zhuǎn)矩和磁通比較器的主要功能為每隔20s將反饋值與參考值進(jìn)行比較，而后通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或磁場(chǎng)狀態(tài)，為工作人員后續(xù)的工作提供參考。

1.3 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)

變頻調(diào)速技術(shù)中應(yīng)用了交流電機(jī)，克服了直流電機(jī)的缺點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，同時(shí)更為堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的響應(yīng)效果好。變頻調(diào)速技術(shù)的調(diào)速性能優(yōu)良、節(jié)電效果好，是一種有巨大發(fā)展前景的交流調(diào)速方式。根據(jù)調(diào)節(jié)電流的類型可以將變頻裝置分有兩類：交—直—交系統(tǒng)和交—交系統(tǒng)，其中交—直—交系統(tǒng)又分為電壓型和電流型，其中電壓型交—直—交系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)，選用了最小化的硅區(qū)，在完成復(fù)雜運(yùn)算的同時(shí)使占用的體積最小。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

2.1 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用方式

在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)床的作用是加工復(fù)雜的零部件，完成高精度部件的批量生產(chǎn)，而普通機(jī)床效率低下無(wú)法滿足需要，因此現(xiàn)在常使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作。數(shù)控機(jī)床一般采用電機(jī)拖動(dòng)，主軸和各進(jìn)給系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)帶動(dòng)，由于數(shù)控機(jī)床加工的范圍廣，需要完成不同的工序、完成對(duì)不同材料的切割作業(yè)，要求機(jī)床能夠執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)速。

使用傳統(tǒng)控制技術(shù)的數(shù)控機(jī)床需要耗費(fèi)大量的電能，企業(yè)為了節(jié)約成本、節(jié)能減排的需要應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行改造，例如，某數(shù)控機(jī)床的標(biāo)稱功率為15kW，n為2000r/min，企業(yè)曾嘗試使用工頻電機(jī)，但是這種電流恒為50Hz的交流電機(jī)所取得的效果并不明顯，特別是由于該技術(shù)可供選擇的齒輪主軸速度的范圍過(guò)大，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使節(jié)能與提高效率無(wú)法兼得。基于此，技術(shù)人員決定使用變頻調(diào)速技術(shù)，使用變頻器作為驅(qū)動(dòng)部件，調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主速度。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可供選擇的齒輪主軸速度的范圍小，能夠精確控制轉(zhuǎn)速，同時(shí)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，不需要對(duì)離合器進(jìn)行定期維護(hù)，最高轉(zhuǎn)速受到的限制小，能夠滿足不同轉(zhuǎn)速的需求，提高切割不同材料的效率和品質(zhì)。

2.2 在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用效果

在采用變頻調(diào)速技術(shù)后，數(shù)控機(jī)床的主軸速度得到有效控制，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)或通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)主軸扭轉(zhuǎn)，使主軸能夠獲得精確的轉(zhuǎn)矩，速度穩(wěn)定精度高，運(yùn)行平順，從而滿足不同切割條件下的速度要求，能夠進(jìn)行復(fù)雜、不規(guī)則形狀的高深度和高強(qiáng)度的削切，在低頻情況下也能滿足大轉(zhuǎn)矩輸出，優(yōu)化了調(diào)速范圍、速度精度、機(jī)床結(jié)構(gòu)，大大提高了生產(chǎn)的效率和品質(zhì)，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，通過(guò)嚴(yán)格的CNC綜合測(cè)試，不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成干擾，降低能耗和故障發(fā)生率，提高了機(jī)床的可靠性和操作的簡(jiǎn)便性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)作為一種新興技術(shù)，其卓越的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和精準(zhǔn)控制的特點(diǎn)使得它在越來(lái)越多的行業(yè)得到應(yīng)用。當(dāng)前，制造業(yè)仍為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率，降低能耗成為無(wú)法回避的任務(wù)，為此，技術(shù)人員必須將變頻調(diào)速技術(shù)引入到工業(yè)生產(chǎn)中來(lái)，將其應(yīng)用到不僅限于數(shù)控機(jī)床的其他電氣自動(dòng)化控制中去，不斷提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑杰.變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用探析[J].科技與企業(yè)，2015，（3）：93.