變頻調速技術在工業自動化設備中的應用探討

蒙志伍

摘 要：變頻調速技術被公認為是當前最理想、最有發展前途的調速方式之一。從上世紀60年代第一臺變頻器出現至今，經過50余年的研究和發展，該技術目前已經發展的相當成熟，在冶金、化工、機械、石油、食品、造紙、紡織以及家電等各行各業得到廣泛應用，不僅有利于提高工業設備自動化水平，提高設備的運行效率，更有利于減少設備維護成本，降低能源消耗，控制生產運營成本。基于此，本文詳細分析了變頻調速技術在工業自動化設備中的具體應用以及在節能降耗方面的應用效果。

關鍵詞：變頻器;變頻調節技術;電氣自動化;PLC變頻控制

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0056-02

1 變頻調速技術概述

1.1 變頻調速技術的工作原理

異步電機的轉速可以表示為：n=60*f/p*（1-s），式中，n電動機轉速，f為電源頻率，p為磁極對數，s為轉差率，由此可見，改變電動機轉速有三種方法：改變電機磁極對數，改變轉差率，改變電源頻率。變頻調速就是通過改變電源頻率達到調節電機轉速的目的。其原理如下：首先將單相或三相交流電源通過整流器變換為直流電，經電容濾波后形成幅值基本固定的直流電壓，再通過逆變器將該直流電壓逆變后輸出幅值和頻率都可控的交流電壓，滿足變頻調速對U/f協調控制的要求。變頻器就是基于上述原理將交-直-交電源變換技術、電力電子、微電腦控制等技術集于一身的綜合性電氣產品，通過控制其內部IGBT的通斷來調整輸出電機的電源電壓和頻率，進而達到調速的目的。

1.2 變頻調節技術的特點

與其他調速方式相比，變頻調速具有無可比擬的優勢：（1）良好的設備啟動性能。工頻狀況下電動機直接啟動時會產生4～7倍額定電流的啟動電流，對于大功率設備，這種沖擊不僅會極大損害設備本身，而且對電網也會造成嚴重沖擊，影響其他設備正常運行。變頻器可以控制電壓從零開始慢慢升高，電流平滑無沖擊，設備啟動平穩，消除對電網的不利影響，延長電機使用壽命。（2）調速范圍寬，變頻調速可以實現全范圍無極調速。（3）控制精度高，變頻開環U/f控制精度可達1%，變頻閉環U/f控制精度可達0.5%，變頻矢量控制精度更高，其開環矢量控制精度可達0.5%（相當于閉環U/f控制），閉環矢量控制精度可達0.05%，可滿足一些控制精度要求更高的場合，例如定位、轉矩控制等。（4）易于自動化控制。通過變頻器網絡接口可以輕易將變頻器與PLC控制器連接組成功能更加復雜和完善的自動化控制系統，提高設備自動化程度。（5）多重保護，運行安全。變頻器本身具備完善的保護功能，如過流、短路、過壓、欠壓、過載保護、高溫保護等，可保證設備運行安全可靠。（6）設備運行平穩可靠、噪音低。由于變頻器無物理觸點，與其配套使用的變頻專用電機經過特殊的工藝制造和結構設計，絕緣強度高、耐溫性能好，平衡質量高、振動等級高，運行過程更加平穩，噪音低。（7）動態響應快。（8）模塊化設計，互換性高，結構緊湊，維護方便。（9）節能效果顯著。

1.3 變頻調速的應用范圍

變頻調速已被公認為當前最理想、最有發展前途的調速方式之一。其應用范圍相當廣泛，在社會各個領域都已經得到大量應用，例如：寫字樓、商場、超市、廠房中央空調系統水泵、風機;高層樓宇升降電梯;商場、火車站、機場內自動扶梯;旅游區高架游覽車;游樂場大型娛樂設施;音樂噴泉;冶金、礦山、建材、煤場、碼頭、煤炭、化工、造紙、食品等工業領域中常用的破碎機、升降機、卷繞機、攪拌機、起重機、擠壓機、取料機、拉絲機、壓縮機、注塑機、輸送機、軋機、機床、水泵、風機等各類設備;工業洗衣機;家用空調、冰箱、洗衣機等。變頻調速以其調速性能好、高可靠、高精度、快響應、自動化、節能性等諸多優點，在社會各領域得到越來越多的應用。

2 PLC控制系統簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）一種具有微處理機的數字電子設備，用于自動化控制的數字邏輯控制器，專為在工業環境應用而設計，可以實現邏輯控制，時序控制、模擬控制、多機通信等多種功能，廣泛應用于目前的工業控制領域。PLC控制系統可以是簡單的開關量輸入輸出控制系統，也可以是集開關控制、模擬控制、溫度控制、定位控制、時序控制、高速計數、網絡控制等多功能一體的復雜的多功能高度自動化的控制系統。PLC控制程序使用梯形圖語言進行編程，梯形圖語言簡單易學、編程方便、快捷、高效。

3 變頻器在自動化控制系統中的應用

在大型工廠，變頻器是必不可少的一種控制設備。特別是在當前國家工業化加快發展，制造業加快升級、各行業節能減排壓力增大的大背景下，新建工廠、舊生產線或設備升級改造過程中變頻器大量的普遍的使用將成為一種趨勢。一方面是因為現代化工廠對設備自動化程度、設備穩定性、可靠性以及生產效率提升的高要求，變頻控制可以保證設備穩定可靠運行，提高生產效率;另一方面是因為各企業成本壓力和節能減排壓力增大，對生產成本控制越來越嚴格，采用變頻控制節能效果顯著，尤其是對于風機類、水泵類，其節能效果可達30%～60%，可以減少后期設備運營成本。

在工業企業中，對于無調速、無流量控制要求的設備，設備恒速運行，閥門只有全開和全關兩種狀態，使用變頻控制并不能節能，對于30KW以下電機可采用傳統的全壓、星三角控制方式，大于30KW的電機可采用軟啟動控制或變頻控制，其中變頻控制因具有優良的控制性能和網絡功能，應用更為普遍;對于有調速和流量控制要求的設備，因為傳統的變極、滑差調速方式調速性能差、精度差、響應慢、噪聲大等缺點，已經很少使用，而變頻控制具有良好的調速性能、穩定可靠、精度高、響應快、易于自動化控制、節能等諸多優點，在工業領域已經得到普遍應用。

變頻器可通過其網絡接口接入PLC控制系統，實現網絡化控制，通過PLC控制器可以讀取、保存、修改變頻器的一些相關參數并控制變頻器運行，大大提高了設備自動化水平。

4 風機、水泵變頻控制應用節能分析

風機、水泵作為工業、農業、生活的通用類機械，在社會各個領域應用非常廣泛，其在國民經濟中發揮著重要作用。有資料統計，我國風機、水泵總裝機容量達1.5億KW，耗電量占全國總發電量的20%以上。由于工藝、成本等原因，大部分風機、水泵采用機械截流方式調節，其調節方式落后，效率低下，造成大量的電能浪費，在能源供應日益緊張的今天，減少浪費，節約能源，控制成本已成為各個企業重點控制的對象。

圖1圖2中，橫縱坐標分別表示水泵的流量與揚程，對應點與橫縱坐標圍成的面積表示水泵的運行功率，QN表示水泵額定流量，QNX表示目標流量，0QNAHN表示水泵額定運行功率。

圖1表示水泵轉速不變，通過控制閥門開度大小調節水泵流量，當閥門由全開狀態慢慢調小，A點向B點移動，當水泵流量達到目標流量QNX時，A點到達B點，水泵運行功率為0QNXBHNX;圖2表示水泵閥門完全打開，通過控制水泵轉速調節水泵流量，當水泵轉速慢慢調小，A點向C點移動，當水泵流量達到目標流量QNX時，A點到達C點，水泵運行功率為0QNXCHNY，由圖1圖2可知，0QNAHN與0QNXBHNX相差不大，而0QNAHN遠大于0QNXCHNY，且轉速越低，兩則相差越大，可見，相同的流量控制下，變頻調節運行功率比閥門調節運行功率小，更節能。這是因為泵類負載的流量與轉速成正比，揚程與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。當流量需要改變時，只改變閥門的開度，而電機保持恒速運轉，所需功率降幅很小，工作效率低。如通過調節轉速來控制，則所需功率以近似轉速的三次方大幅度下降。風機、泵類具有相似的負載特性，故變頻調節對于風機、泵類的節能效果相當可觀，例如：一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

由于管路管道設計、水泵風機選型以及設計余量、工藝需要等原因，現場水泵風機閥門很難100%打開。據有關現場數據顯示，有80%的風機、水泵閥門需要調節才能滿足流量控制要求，而其中有60%采用變頻器控制，在這些需要調節的設備中，額定轉速運行僅占5%，90%～100%額定轉速運行占15%，80%～90%額定轉速運行占35%，70%～80%額定轉速運行占35%，小于70%額定轉速運行占20%，由此可見，采用變頻控制節能效果非常大，可以大大減少設備后期運營成本。

5 結語

隨著我國工業化的快速發展以及制造業改造升級的加快，高能耗、低能效、生產效率低下、生產方式落后的企業臨著巨大的壓力，設備改造升級、轉變生產方式在所難免，在改造升級的過程中，變頻控制技術以其無可比擬的優勢必將在新建工廠及生產線改造過程中得到越來越多的應用，與PLC控制技術相融合，不僅提升了電氣自動化水平，提高設備運行效率，減少設備故障及后期維護成本，改善工作環境，而且還可以節約能源，有效控制生產成本，實現節能減排目標，創造出巨大的經濟與社會效益。

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