基于變頻器的電機控制節能系統研究

樊勇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.146

摘 要：隨著經濟社會的發展和人們環保意識的增強，各項節能環保技術廣泛應用在企業生產活動中，將現代先進技術與傳統行業有機地結合起來，有利于實現企業節能減排的目標。變頻器是現代電力電子、微電子、自動控制等技術的結合體，通過電力電子半導體通斷作用調節電能功率，從而達到節能降耗的目的。該文主要闡述了電機變頻調速原理和電機控制節能技術要求，并將變頻器電機控制節能系統應用在實際工程中，取得了一定的節能效果。

關鍵詞：變頻器 電機控制 節能系統 調速

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0146-02

電機是一種應用范圍廣、高耗能的動力設備，據相關數據顯示，我國總裝機容量是4億kW，年耗電量大概是6 000億kW。我國大部分都是中小型電機，中小型電機的數量占整個電機的80%，占總耗電量的90%，因此，我國電機節能降耗具有很大的潛力，也是符合當下國家提出建設資源節約型戰略方針。變頻器在電機節能方面效果顯著，它具有高性能、高精度，可以實現無極調速，與降壓調速、變極調速相比，變頻調速調速范圍廣、運行穩定，因此，廣泛應用在工業、農業等領域，隨著電力電子技術和控制技術的發展，變頻調速技術也在不斷進步和發展。

1 變頻調速節能的原理

目前大部分風機、水泵、液壓油泵、空壓機、循環泵等電機負荷的壓力、流量以及風量控制系統全部都是閥空系統，也就是電機由額定轉速驅動力進行驅動運轉，系統提供壓力、流量和恒定流量。在實際應用中，如果設備需求發生變化，為了滿足機器運行需求，出口端的溢壓閥、溢流調節負載壓力、流量和風量。但是經過溢壓閥、溢流調節后，會釋放大量的能量，這些釋放的能量其實就是電機從電網中產生的能量的一部分，所以造成嚴重的浪費。從這也可以看出，電機功率和轉速成正比，轉速和頻率成正比，如果想要達到節能的目的，則要改變電機的運行方式，讓它即便不在額定轉速下，也能正常運轉，所以必須改變變頻調控控制系統，讓其停啟和調整設備的運行，讓電機在0至額定轉速內可以進行調節，輸出的壓力、流量或風量在0～100%的范圍內可以調節，從而使得設備運行的頻率和負載所匹配，達到節能降耗的目的。電機轉速的公式：n=60f（1-s）/p，其中：n=電機轉速，f=電源頻率，p=電機的極對數，s=轉差率。從上面的公式可以看出，電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變電源的頻率就可以改變電機的轉速，從而達到調節設備頻率的目的。

2 電機控制系統節能要求

目前大多數電機使用恒V/F控制系統，這種控制系統結構比較簡單、成本低，適合風機、水泵等大型、對調速系統動態性能要求不高的場所。變頻電機系統必須滿足一般平滑調速需求，但是它的動、靜態性能不是很好，如果需要高動、靜特性，則需要反饋轉速進行閉環調節。基于變頻器的電機變頻調速想要達到節能的目的，必須滿足以下幾個方面的要求。

2.1 轉換性

我國基于變頻器電機控制節能系統方面的技術還在進一步研究，但是國外這方面的技術已經比較成熟，基于變頻器的控制系統應用十分廣泛。常見的有機械制造生產技術、數據技術、電子電工技術等，只要有機電的地方，都可以通過變頻器制定小系統代替人工作業。以德國為例，通過變頻器建立控制系統對數控機床設備進行控制，控制系統的程序員只要調整數控機床的運轉速度，就能滿足工業設備切割精度，從而確保產品的質量。這種系統使用了閉環控制系統，包括控制器、電動機、放大器、測量元件，測量元件使用開關式傳感器，這種閉環控制系統具有強抗干擾能力，并利用反饋產生的控制作用消除系統運行過程中的偏差。

2.2 智能化

隨著計算機、信息化、控制技術的發展，電器設備開始逐漸走向智能化、自動化發展，因此，變頻器控制系統也逐漸發展為自動變頻控制系統，自動變頻控制系統是利用計算機、電子設備，收集變頻電機數據資料，并對其進行處理，確保電機信息的準確性，從而對電機的運行和管理提供參考。通過控制器調節系統的運行速度，從而確保變頻電機正常運行。此外，系統還可以利用計算機、放大器、顯示器以及其他元件作為系統的輔助設備，對整個系統進行綜合調節。這樣電機操作人員能夠根據顯示器和放大器顯示的數據，按照設備運行要求對電機進行調控，確保變頻電機轉速處于一個合理的范圍內，避免轉速過高對系統造成的不良影響。而且這種系統結構比較合理，應用性強，非常符合變頻電機變頻控制系統運行的要求。

2.3 靈活性

目前市場上一些變頻器使用先進的轉子磁場矢量動態控制測量，讓異步電動機交流電氣調速轉動系統能夠達到與直流電氣調速傳動系統同等靜、動態實時調節工，變頻器調節控制系統可以自動尋找功能模塊，從而實現系統最優控制調速。并且能夠對系統故障進行自檢，縮短了故障排查檢修的時間，達到提高了系統的運行效率。變頻器與PLC控制器配合使用，能夠實現對變速控制、速差大范圍調節、非線性負荷控制，從而確保系統的安全性和節能性。

3 基于變頻器的電機控制節能系統應用效果

3.1 工程概況

某煉鋼廠1#轉爐氧槍共有2臺冷卻水泵，額定流量為300 m3/h，進口壓力是0.4 MPa，升壓是1.3 MPa，異步電動機機型是Y2355 L-2/380 V，功率是315 kW。由于煉鋼廠的1#轉爐氧槍冷卻水泵控制系統運行效率比較低，耗電量非常大，日常電能轉換率只有35%，因此整個冷水泵耗費了整個系統的45%以上的電能。因此，必須對煉鋼廠的1#轉爐氧槍異步電動機系統進行改造。利用變頻器的綜合控制能力，與電機、傳感器、顯示器等其他硬件組成一個閉環控制系統，提高整個電機控制系統的性能。

3.2 變頻器電機控制節能效果

通過對轉爐氧槍冷卻水泵控制系統進行改造以后，然后2臺水泵其中一臺使用工頻加閥門調節方式運行，另外一臺使用變頻調節，這兩臺水泵運行參數相同，但是實際運行效果也不一樣。表1是兩臺水泵運行數據。

從表1可以看出，在各項運行參數相同的情況下，2號水泵的運行效率更加穩定，平均運行電流為196 A，工頻運行額定480 A的電流下降了284 A，實際節電效率為59.17%，所以可以看出節電效果十分明顯。該系統變頻控制系統設計比較簡單，使用了比例調節器算法，可以對系統設計過程以及運用的原理進行調整和控制，利于后期電機操作人員收集更多的數據信息對系統結構進行完善和調整。

4 結語

在當前資源危機日益嚴重、環境惡化的形勢下，提高電機運行效率是未來發展的方向。而通過變頻器電機轉速控制系統，能有效降低傳統控制系統電能的損耗，讓控制系統實現自動化、智能化，能有效降低工業生產成本，促進變頻器更新換代，應用到更多產品中，從而促進我國工業生產效率。

參考文獻

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