變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用初探

杜堅+何振

摘 要：20世紀70年代德國學者F.B：Aschke提出《感應電機磁場定向控制原理》，美國學者提出《感應電機定子電壓的坐標變換控制》，此后交流電機變頻調速技術逐漸開始發展起來。經歷了四十多年的發展變化，變頻調速技術已經廣泛的應用到工業發展過程之中，本文就變頻調速技術的工作原理、特點進行簡要的概述，重點結合實際案例剖析變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用。

關鍵詞：變頻調速技術；工作原理；工業電氣自動化控制；實踐應用

變頻調速技術是依托于微電子技術、電子計算機技術基礎上發展起來的，這一技術從理論要使用推廣經歷了四十多年的時間，這個過程之中，功率集成電路、振諧式逆變器以及各種新型電力電子器件的出現展促進了變頻調速技術的發展。就目前來說，變頻調速技術已經廣泛應用于各行各業之中，在電氣自動化控制領域具有獨特的優點。

1 變頻調速技術概述

1.1 變頻調速技術的基本原理及結構組成

變頻調速技術一種交-直-交電源變換技術，是基于電機轉速與工作電源輸入頻率成本比這一原理實現的，n=60f（1-s）/p，其中n表示電機轉速，f表示電源的輸入頻率，s及p分別表示電機的轉差率以及磁極對數，電機控制過程中，改變電機電源的頻率就能夠改變其轉速。

變頻調速設備主要由轉矩及磁通比較器、脈沖優化選擇器以及自適應電動機模塊三部分組成。它們分別具有不同的功能，其中自適應電動機模塊能夠對輸入電動機的電壓、電流的性質進行檢測，進而識別電動機參數，自適應電動機模塊是直接轉矩控制的關鍵，實際的運行過程中通過定子磁場定向的方式直接控制轉矩，該技術的控制精度可以達到±0.1%。脈沖優化選擇器的主要功能是對一定范圍內的脈沖信號進行優化，為了實現這一功能，首先必須要選擇合適的信息處理選擇芯片，Cyclone ⅡEP2C5Q209C8是現階段比較常見的信息處理選擇芯片。然后，需要合理的設計調制信號源，編寫具有不同功能的電路模塊，比如緩沖功能、星座映射功能等等。最后對信號源進行仿真模擬，判斷這些電路模塊能否實現其功能。為了防止電路的載荷超出設計值，使得控制電路被損壞，需要在電路中增加浪涌抑制保護設備。利用轉矩和磁通比較器，能夠對比反饋信號及參考值，然后通過滯環調節器輸出轉矩或磁場狀態，獲得轉矩及磁場實施狀態，為后期的控制操作提供參考。

1.2 變頻調速技術的特點

變頻調節技術具有設備結構簡單、堅固耐用、經濟可靠，動態數據響應效果好、節電效果好、變頻調速功能優良等優點，在工業電氣自動化控制中十分常見。根據調節電流的類型，變頻裝置主要可以分為交-交系統以及交-直-交系統兩種，其中交-直-交系統又可以分為電流型和電壓型兩種。

2 變頻調速技術應用技術分析

2.1 負荷匹配技術

為了保證變頻調速系統之中屬于穩定安全運行的狀態，變頻調速設備在使用過程中要求設備的容量、型號、載荷等與電動機的功率相匹配，裕量要能夠控制在10%以下。

2.2 抗干擾處理技術

變頻調速設備在使用過程中可能會因為電磁干擾影響系統工作的準確性，因此，一般需要采用抗干擾技術，就目前來說主要有隔離、屏蔽、接地等幾種抗干擾處理技術。變頻調速傳動系統之中，一般需要將噪聲隔離變壓器安裝在電源與放大器連接線纜之間，從而有效的避免信號傳輸過程中的干擾。此外，增加干擾源與受干擾電路、裝置、設備之間的距離也是降低干擾的重要方法。屏蔽技術就是將變頻調速系統的相關設備、元器件、電路等安裝在屏蔽箱之中，屏蔽箱大多數由銅、鋁、磁性材料制成，能夠屏蔽周圍環境的電場及磁場，以免影響信號的傳輸，但這種屏蔽干擾的方式并不能夠緩解噪聲影響，且如果設備周圍的交變磁場比較強烈，或者是在冶煉廠、重型機械廠等工作環境之下，使用這種抗干擾方式效果不夠明顯，還需要輔助以其他屏蔽方式。

2.3 接地技術

接地技術分為保護接地和工作接地兩部分，保護接地就是將變頻調速系統中的不帶電的金屬部分與地面良好導體連接起來，防止靜電積聚，保護現場工作人員以及相關機電設備的安全。工作接地主要有屏蔽接地、信號回路接地以及機器邏輯地幾種處理方法，能夠保證整個系統以及相關測量設備的精度，對于整個變頻調速系統而言同樣十分重要。

3 變頻調速技術應用實例

下文結合三個實際案例，就變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的具體應用進行簡要的分析概述。

3.1 變頻調速技術在門式滾輪堆取料機上的應用

某熱電廠的門式滾輪堆取料機高度為20m，跨距為50m，該設備行走機構為四組行走臺車，軌道跨距也為50m，滾輪機金屬結構中，剛性側分布的載荷比柔性側要多，兩側負載存在著比較明顯的不平衡的問題，實際的行走過程中就會導致兩側的行走速度不同步，很容易使得兩側行走輪的水平位置存在偏差，使得設備結構扭曲，產生彈性變形，進而導致啃軌現象。該設備的行走機構主要由4臺電機驅動，這四臺電機均為交流電機，有調車和工作兩個速度檔，速度轉換時，交流電機的轉差率及旋轉磁場突變，產生電能回饋制動，慣性作用下，整個設備會受到較大的沖擊，為了解決這一問題，確保滾輪堆取料機的剛性側及柔性側行走臺車能夠同步行走，消除設備啟動及制動過程中產生的慣性沖擊，避免速度轉換時交流電機產生電能回饋制動，保證設備速度平穩轉換，相關研究人員對該設備行走電機進行了簡單的改裝，利用兩臺變頻器分別控制兩側的行走電機，實際的速度調整過程中通過改變頻率，調整行走電機速度，以剛性側的行走速度為標準，對柔性側設備電機速度進行細微的調整，確保電機能夠同步運行。具體的調整過程中，利用增量型光編碼器分別對兩側行走輪的位移進行檢測，采用CQM1型可編程控制器，將柔性側模擬量輸出值進行適當的改變，調整高速柔性側的變頻器的頻率值。由于滾輪機是熱電廠中十分重要的設備，為了更加精準的調整大車行走輪位置偏差，實際的設計工作中，研究人員分別采用工頻和變頻兩套控制方式，利用可編程控制器保證了電氣控制的穩定性及可靠性。變頻改造之后，設備的啟動及制動性能得到了明顯的改善，慣性沖擊被消除之后，設備運行更加的平穩，實現了平滑調速，設備的安全性、穩定性、可靠性都得到了明天的提高，設備故障發生率有所降低。利用可編程控制器及光電編碼器、變頻器，程序調試及修改更加方便，糾正了打車剛性側及柔性側的位置偏差。

3.2 變頻調速技術在風機和水泵中的應用

風機、水泵是工業生產中十分常見的電氣設備，為了節約電力能源，現階段，大多數工業生產中的風機及水泵都已經采用變頻調速的運行方式。風機轉速的工作功率隨著設備轉速三次方成比例變化。如圖1所示，在某送風機控制回路上增加變頻器及其輸入輸出開關，不改變其它線路就能夠實現對該送風機的變頻調速控制。實際的使用過程中，調節對象不同，調速范圍也存在一定的區別，調速的運行模式也有一定的差異，可以按照實際的工業生產需要進行控制，如圖2所示。除此之外，還可以通過控制流體的液位流量、壓力，對比給定信號機檢測信號，然后調節變頻器的輸出頻率，具體選擇哪一種運行方式需要根據工業生產的實際情況進行確定。采用變頻調節器能夠明顯的節約電力能源，設備優化改動的投資能夠在較短的時間內回收回來，現階段已經有許多工業生產廠家對原有的風機和水泵進行結構優化，風機和水泵的變頻調速系統在工業生產中已經廣泛的普及開來。

3.3 變頻調速技術在鍋爐給粉機中的應用

燃煤機組是火電廠的重要設備之一，燃煤機組主要通過調節給粉量控制負荷、汽壓，而給粉量的調節則是通過控制給粉機的轉速實現。一般情況下，給粉機主要通過滑差電機及直流電機進行調速，但是，火電廠實際的運行管理過程中，給粉機工作環境比較惡劣，環境溫度較高，粉塵非常多，對設備帶來了許多不良影響，直流電機的整流子、電刷等設備損壞十分頻繁，嚴重影響了火電廠發電工作的正常開展。此外，滑差電機采用非線性調速方法，運行不夠穩定，大量粉煤灰積聚在滑差電機調速勵磁線圈之中，很容易導致線圈堵塞，進而燒毀。因此，實際的工作過程中可以采用交流異步鼠籠式電機代替滑差電機，這種交流異步鼠籠式電機防護等級較高，具有防粉塵、耐高溫、變器無級平滑地調速的優點，可以實現線性調速，有利于保證電機的平穩運行。變頻器操作過程中可以利用弱電信號進行控制，主電路中不需要交流接觸器，同時由于配置有人機界面，方便了檢修控制人員的操作檢查，增加了系統的可靠性。該給粉變頻調速系統異步電動機的防護等級比較高，具有過電壓、短路、欠壓保護等功能，電機安全性更好。該變頻調速系統中的變頻器的調速性能可以達到99%，輸出轉矩及轉速都十分平穩，不會出現零漂的不良現象，同時具有給粉均勻、燃燒穩定、節約電能等優點。實際使用過程中如果出現給粉機堵轉的不良現象，一般情況下，只需要按正反轉按鈕就可以消除故障。

結束語

在保證工業生產安全及生產質量的前提之下，盡量采用各種先進的技術手段及生產設備降低企業的生產成本是當前階段各工業生產廠家重點考慮的問題。現階段，節能減排已經成為社會的主要趨勢，許多工業生產廠家都在積極地研究節能減排技術，變頻調速器能夠同時滿足上述兩個發展需求，在工業電氣自動化領域應用十分的廣泛。本文結合實際案例就變頻調速技術在工業生產的實踐應用問題進行簡要的分析概述，想要更好的在實現變頻調速器的節能價值，改善工業生產的條件，各生產廠家要能夠結合自身的生產情況，對相關的工業電氣設備進行適當的改造，節約能源，促進企業經濟效益的提升。

參考文獻

[1]李仕菊.變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的運用探究[J].科技創新與應用，2017（04）.

[2]張樂.論工業電氣自動化控制中變頻調速技術的應用[J].科技展望，2015（27）.

[3]席李巖.變頻調速在工業電氣自動化控制中的運行思路探究[J].江西建材，2014（20）.

[4]朱娟娟.芻議工業電氣自動化控制中變頻調速技術的應用[J].企業技術開發，2014（27）.

[5]田彪.變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用分析[J].科技展望，2015（32）.

[6]楊克香.變頻調速在工業電氣自動化控制中的運行思路[J].科技傳播，2014（9）.