三相異步電動機變頻調速控制方式及其節能原理

丁 偉

（山東南山東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265706）

變頻調速優點眾多，且隨著電力控制系統的不斷完善控制技術的不斷發展，采用變頻調速已經是當前工業自動化中最主要的控制方式了，變頻器也在各種各樣的機械設備和生產流程中得的極為廣泛的應用。由于三相異步電動機的缺點主要在于運行調速難度較大，所以變頻器調速技術的發展尤其推動了具有結構簡單、性能好、價格低的異步電動機的應用范圍迅速的擴大。在電力控制系統中變頻器起著功率變換的作用，所以變頻器為了的主要發展方向是控制系統更加的智能化、數字化變頻器更加高頻化，從業人員充分掌握變頻技術的發展情況能夠進一步的熟悉原理，完善變頻技術的應用理論，確保變頻調速系統方案具有最佳的性能指標。

1 V/F控制原理及其應用

V/F控制方式是指在變頻器正常運行的調節范圍內輸出電壓和輸出頻率的比值是固定的控制方式。因為電機的工作原理決定了電機的極數是固定的且該極數數值不是連續的，所以難以通過改變極數值的方式調節電機的轉速，同時調節頻率可再供給電機，這種情況下電機的旋轉速度就可以更為簡單的進行調節，所以能夠調節頻率的變頻器是調節電機轉速的優選設備，一般而言220V(380V)50Hz是電機的最大額定磁通，如果電機長時間的處于超額定運行會導致電機發熱而不能正常運轉。電機的特性決定了V與F的比例關系，V/F控制時，運行頻率的降低也會引起電壓等比例的降低，而直流電阻并不隨著交流阻抗變小變化，這會引起電機低轉速時產生轉矩降低的傾向，因而需要在低頻時要提供補償使輸出電壓相對提高使得電機獲得啟動時的轉矩，條件運行的情況下提高U/F比，使KU＞KF，以補償轉矩增強電機在較低的轉速下獲得負載能力。

2 變頻器的矢量控制原理及優勢

電機運行時的電流包括轉矩分量和其他分量。對于調節頻率的給定信號，分解成磁場電流i*M和轉矩電流i*T，并假設這是旋轉的直流磁場信號，信號改變時也只改變其中的一個信號，這樣異步電動機的調速控制具有了和直流電機類似的特征。矢量控制分為兩種。即根據電流、電壓以及磁通等數據計算轉速進行修正的頻率控制和相當于帶編碼器的矢量控制的轉速控制。由于頻率控制的計算了較大所以動態響相抵較差，而轉速控制直接由傳感器測量相對的調節范圍較大動態響應能力也交強。

3 變頻控制的節能情況

3.1 設備的負載特性

電機和電機的負載機械特性決定了電機拖動系統的穩定情況，一般設備的負載可分為恒定轉速、恒定扭矩、恒定功率以及應用范圍較少的沖擊負載等，這些不同負載對電機的要求也有所差異需要不同的工作方式，變頻器帶負載的能力是不同的，但其節能效果非常明顯，尤其是在風機、水泵等調節轉速控制的設備用于中能夠節能70%以上。

3.2 變頻器應用在風機及離心泵上的節能原理和運行分析

風機和離心泵是應用最為廣泛的通用型設備，其最大的特點是設備的軸功率與轉速程正比，沒有變頻調速的風機和離心泵一般通過機械控制出口的管道的直徑進行流量調節，這種調節方式改變了設備的特性曲線，使得設備運行的無用功增加，因而增加了設備的能源消耗，尤其是長期需要低流量運行時，縮小設備出口管道口徑而電機始終處于較高的轉速無法降低因而與這種流量控制方式相比，調節設備的旋轉速度控制方式具有非常好的節能效果。

設備采用了U/F控制方式后能夠根據設備負載的不斷變化進行自動調節。當風機、離心泵等設備穩定運行時其負載也較為平穩，這些設備存在著最佳的工作點，而當設備的負載發生變化時設備的這一最佳工作點也隨之變動。針對設備的這一特點大部分的變頻器設有節能運行模式。在這一模式下變頻器能夠根據設備的當前運行參數變化自動搜索設備的最佳工作點，使得設備電機的轉速總是維持在最佳工作點上，從而實現設備的節能運行目的。

4 變頻器節能運行中的實例

4.1 在泵類機械中的應用

泵類設備應用極為廣泛各行各業均有泵類的應用，行業不同對泵類設備的運行要求和控制方式也各不一樣，有些泵需要控制運行時的流量有些泵需要控制運行時的壓力等等，這其中泵的流量和壓力兩種控制方式主要在自來水系統、工業用水系統等各種工藝過程用泵。壓力控制供水系統對工業供水、消防供水和生活供水等非常重要，采用變頻器調節設備轉速實現壓力控制確保供水系統的恒定壓力相比通過管道安裝調節閥控制供水系統的壓力其節能效果更為明顯。變頻器恒壓供水系統利用水泵變頻器內的PID功能實現供水過程的閉環控制，供水系統的管道上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器實時將壓力信號傳送至變頻器反饋端子上，變頻器將這一信號與提前設置的壓力值進續啟動3#水泵，保證管網系統所需的用水量和用水壓力。而當管網用水量減少時管網中的水壓上升，當水壓上升超過設定值時變頻器內的PID控制器輸出頻率降低，降低其中一臺水泵的運行頻率，直至關停，依次類推如果管網中的壓力仍然升高或并不下降則繼續降低另一臺水泵的運行頻率直至關停。當管網中的壓力恒定在設定的壓力值時變頻器降低至20HZ達1分鐘，變頻器可停止工作，進入低水量睡眠狀態。變頻器系統的自動調節運行速度對降低設備運行噪音和節約能都是有非常大的作用的。變頻控制系統的主要優點是設備啟動平穩，啟動電流限制在額定范圍內可以有效避免設備啟動時對電網的沖擊，并且由于泵的轉速降低也可以減少設備的運行故障率。

4.2 變頻器在風機類中的應用

根據工作原理風機可以分為渦輪式和容積式，泵工作原理相同其軸功率與轉速也成正比，但與泵類設備又有所區別不會像離心泵因為揚程的高低而產生損耗，所以在風機類設備的調速系統中，只需改變變頻器的運行模式就能夠降低設備功耗，風機應用的變頻器模式有連續低風量型，全風量變化型，低風量變化型，間接運轉型等。同實際的應用可知不同的電動機容量采用變頻器控制時每年節約電量是不同的。

5 結語

現代工業企業中應用的異步電動機多數都不再局限于單一的轉速，其中以變頻控制轉速具有非常普遍的應用在工業系統中不僅能夠適用于風機、離心泵、卷揚機等設備的使用要求而且具有非常好的節能效果，而且通過調節運行頻率降低設備的轉速的方式也可以有效的延長設備的使用壽命降低設備的故障率，對于提高設備的經濟效益具有重要的作用。