工業(yè)電氣自動化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用探析

曾鑫

[摘 ? ?要 ]近年來，電氣自動化控制技術(shù)取得可喜發(fā)展，且在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，逐漸成為了我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，在很大程度上使得工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品制造精度及生產(chǎn)效率大幅度提升。但是，電氣自動化控制涉及多個設(shè)備與系統(tǒng)，將會產(chǎn)生大量的能源消耗，如何依托變頻調(diào)速技術(shù)解決能耗問題，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前亟待思考和解決的問題。基于此，本文在闡述變頻調(diào)速技術(shù)概及其技術(shù)特征和原理的基礎(chǔ)上，立足工業(yè)視域，分析了變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用，以期能夠為行業(yè)發(fā)展提供參考，推動工業(yè)企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)電氣;自動化控制;變頻調(diào)速技術(shù)

[中圖分類號]TM921.51;TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]In recent years， electrical automation control technology has achieved gratifying development and has been widely used in various fields. It has gradually become a core component of my country's high-tech industry. To a large extent， it has greatly improved product manufacturing accuracy and production efficiency in the industrial field. . However， electrical automation control involves multiple devices and systems， which will generate a lot of energy consumption. How to rely on frequency conversion speed regulation technology to solve energy consumption problems and create more economic benefits for enterprises is a problem that needs to be considered and solved. Based on this， this article analyzes the specific application of frequency conversion technology based on the introduction of frequency conversion technology and its technical characteristics and principles， based on the industrial perspective， in order to provide a reference for the development of the industry and promote the stable development of industrial enterprises.

[Keywords]industrial electrical; automatic control; frequency conversion speed regulation technology

傳統(tǒng)工業(yè)電氣自動化運(yùn)作模式的運(yùn)行機(jī)制相對單一，多是基于一定邏輯下對電氣設(shè)備進(jìn)行控制，這種模式能夠在一定程度上對設(shè)備的運(yùn)作時間進(jìn)行科學(xué)調(diào)配，同時能有效降低設(shè)備故障率。但是，單純的進(jìn)行啟停控制，無法有效提高工作效率，甚至影響產(chǎn)能水平，具有一定的局限性。而隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，在電氣自動化控制中引入變頻調(diào)速技術(shù)，能夠進(jìn)一步細(xì)化設(shè)備的啟停控制，在保障產(chǎn)能最大化的同時，兼顧高效地故障的優(yōu)勢。

1 變頻調(diào)速技術(shù)概念解析

一直以來，直流調(diào)速因控制性較強(qiáng)、安全可靠，且在運(yùn)行過程中噪音小，電路控制較為簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為了工業(yè)領(lǐng)域最常用的控制方法，但伴隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，直流調(diào)速的局限性不斷凸顯。直至20世紀(jì)80年代，集成電路和微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展取得可喜成效，在一定程度上推動了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，并為其提供了良好的技術(shù)支持[1]。當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用是自動化控制領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢，其主要是以電氣設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率之間的關(guān)系為依據(jù)，通過對電氣設(shè)備輸入頻率的改變，來實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及模式的改變，以此來提高設(shè)備自動化控制水平。變頻調(diào)速設(shè)備主要由自適應(yīng)電動機(jī)模型單元、轉(zhuǎn)矩和磁通比較器組成，模型單元主要是借助識別電壓電流來進(jìn)行控制，而轉(zhuǎn)矩和磁通比較器則是通過對比數(shù)值掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)控制和掌握結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)對措施[2]。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用特征與原理

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用特征

2.1.1 經(jīng)濟(jì)適用性

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，電氣自動化領(lǐng)域加大了對變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用力度和廣度，積累了大量的應(yīng)用經(jīng)驗，完善了技術(shù)理論體系，并在實(shí)踐中降低了變頻調(diào)速設(shè)備的研發(fā)成本。與其他電氣自動化控制設(shè)備相比，變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效控制運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。

2.1.2 通用性

變頻調(diào)速技術(shù)與其他電氣自動化控制系統(tǒng)相比，其與設(shè)備功能模塊的匹配度更高，通常情況下，常規(guī)變頻調(diào)速設(shè)備均適用于大多數(shù)工業(yè)電氣系統(tǒng)，通用性好。

2.1.3 優(yōu)化性

從當(dāng)前發(fā)展與應(yīng)用來看，變頻調(diào)速技術(shù)理論體系不斷完善，設(shè)備性能也逐漸優(yōu)化，尤其是穩(wěn)定性、便捷性提升顯著，并在設(shè)備整流、逆變一體化等方面取得突破性進(jìn)展。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理分析

變頻調(diào)速器節(jié)能、功率因數(shù)補(bǔ)償以及軟啟動器節(jié)能三個方面是變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化控制中應(yīng)用的主要原理。首先，基于電機(jī)工作原理，轉(zhuǎn)速與流量一次功率呈正比，同時功率與轉(zhuǎn)速立方同樣成正比。當(dāng)電機(jī)工作效率恒定，如果減少流量，轉(zhuǎn)速和功率將同時變小。其次，電氣設(shè)備在低功率狀態(tài)下會出現(xiàn)發(fā)熱情況，線路損耗增加，從而使得有效電能減少，設(shè)備使用效率將受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致大量資源被浪費(fèi)，運(yùn)行成本將增加[3]。而變頻調(diào)速技術(shù)通過對功率因素進(jìn)行補(bǔ)償，起到降低電能損耗的目的。再者，通常情況下，電氣自動化系統(tǒng)主要采用的是直接啟動的方式，電流在啟動瞬間可達(dá)到額定電流的5倍，所以對設(shè)備容量提出了較高要求[4]。變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效控制啟動電流，降低啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，延長設(shè)備的使用年限。由此可見，對處于電氣自動化控制系統(tǒng)而言，要想進(jìn)一步促進(jìn)其發(fā)展，就必須要提高變頻調(diào)速技術(shù)水平，切實(shí)發(fā)揮出其功能效用。

3 工業(yè)電氣自動化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 礦井指示器保護(hù)中的應(yīng)用

在礦井作業(yè)中，為確保電氣提升設(shè)備能夠正常運(yùn)行，通常都會采取多種防護(hù)措施，而在整個操作過程中，深度指示器的作用非常重要，一旦指示器發(fā)生故障，會導(dǎo)致很多保護(hù)裝置功能失效，也就無法及時準(zhǔn)確探測到礦下所存在的危險信號，從而導(dǎo)致礦下作業(yè)無法開展。所以，為最大化發(fā)揮出指示器的作用，在使用過程中需要對其進(jìn)行有效的防護(hù)，確保作業(yè)過程中指示器始終處于穩(wěn)定、安全的狀態(tài)[5]。通過變頻調(diào)速技術(shù)記錄編碼采集的脈沖數(shù)信號，在進(jìn)行疊加處理后，與比較器脈沖進(jìn)行對比，若數(shù)據(jù)信號未發(fā)生變化，則表明指示器發(fā)生故障，需要對設(shè)備進(jìn)行全面檢測，以便能及時解除異常，使指示器能夠恢復(fù)正常。

3.2 減速區(qū)段的低速保護(hù)應(yīng)用

減速區(qū)間控制是變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，尤其是在提升設(shè)備穩(wěn)定控制上，一旦系統(tǒng)減速，且達(dá)到預(yù)先設(shè)定的位置，那么就需要應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對其進(jìn)行有效的控制和保護(hù)。相關(guān)操作人員在應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備時，還可以利用PLC設(shè)備取樣監(jiān)控速度，并將所得出的數(shù)值與設(shè)定好的安全值進(jìn)行對比，以此來判斷減速區(qū)段內(nèi)系統(tǒng)是否發(fā)生故障。如果存在超越現(xiàn)象，設(shè)備將自動發(fā)出警報，能夠?qū)υO(shè)備安全運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

3.3 等速區(qū)間的超速控制保護(hù)應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，電機(jī)拉動設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用于等速區(qū)間。當(dāng)電機(jī)拉動設(shè)備發(fā)生超速運(yùn)行或是超載狀態(tài)時，就可以通過變頻調(diào)速技術(shù)及時發(fā)出警報，以便工作人員能夠及時對等速區(qū)間出現(xiàn)的超速現(xiàn)象進(jìn)行處理。通常情況下，電機(jī)拉動設(shè)備正常運(yùn)行速度應(yīng)在既定運(yùn)行速度的15 %以下，如果超過既定速率，變頻調(diào)速系統(tǒng)將會對運(yùn)行速度進(jìn)行控制，并隔開設(shè)備安全回路架構(gòu)，同時為進(jìn)一步降低運(yùn)行速度，還會啟動緊急制動系統(tǒng)。總之，要想確保設(shè)備在等速區(qū)間正常運(yùn)行，需要從兩方面入手：一是速度控制應(yīng)保持在10 %范圍內(nèi);二是在設(shè)備正常運(yùn)行過程中，需要確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

在數(shù)控機(jī)床中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，能夠在很大程度上降低數(shù)控機(jī)床運(yùn)作過程中的電能消耗。數(shù)控機(jī)床主要是對各種材料進(jìn)行精加工，尤其是一些復(fù)雜零部件，通過機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。在變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用前，數(shù)控機(jī)床多是采用恒流電機(jī)，在不同材料制作過程對電機(jī)傳速進(jìn)行調(diào)整，因此會導(dǎo)致能源出現(xiàn)大量損耗，而且也無法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而影響整體加工效率。引入變頻調(diào)速技術(shù)，以此來縮小機(jī)床齒輪主軸的速度范圍，為精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)速創(chuàng)設(shè)了條件。加之通過調(diào)節(jié)機(jī)床轉(zhuǎn)速，還可以實(shí)現(xiàn)對不同材料的切割，極大地提高了生產(chǎn)效率。

3.5 變頻器節(jié)能中的應(yīng)用

在工業(yè)電氣自動化控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)高技術(shù)低產(chǎn)出的現(xiàn)象，導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)資源被浪費(fèi)，生產(chǎn)效率始終得不到有效提升。近年來，節(jié)能理念在各個領(lǐng)域不斷滲透，如何更好地提高自動控制系統(tǒng)的節(jié)能水平，是當(dāng)前亟待思考的問題。而借助變頻調(diào)速技術(shù)可以在電機(jī)單元模型中有效判斷出電機(jī)電壓、電流等參數(shù)，還可以自動采集電氣自動化裝置在運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)信息，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障[6]。此外，變頻調(diào)速系統(tǒng)還可以第一時間向客戶終端傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)電流值進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，通過數(shù)值對比，及時反饋和報送錯誤信息。可以說，電機(jī)單元模型中如何正確選擇變頻器是極為重要的，變頻器在生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，通常需要對芯片功能進(jìn)行綜合評估，在電氣自動化控制系統(tǒng)中，優(yōu)先選擇性能佳、結(jié)構(gòu)優(yōu)的變頻器，保證變頻器與電動機(jī)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)編碼實(shí)現(xiàn)電路模塊的對應(yīng)。

4 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展前景

變頻調(diào)速設(shè)備作為電力控制設(shè)備的一種，融合了微電子處理技術(shù)、電氣生產(chǎn)技術(shù)以及變頻技術(shù)，主要是通過對電機(jī)電源頻率進(jìn)行改變，從而實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的管控。目前，市場上變頻器主要有高壓和中低壓兩種，尤其是低壓變頻器因調(diào)速范圍大、操作便捷，同時還具有調(diào)節(jié)、軟啟動、功率改善等作用，因此在電梯、紡織機(jī)械、起重機(jī)械、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，國內(nèi)外非常重視高性能變頻控制技術(shù)的研究，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，變頻器與電動機(jī)一體化發(fā)展將成為可能。當(dāng)然，變頻控制的性能將更高，而人們對數(shù)字化信息的依賴度較高，系統(tǒng)必然要實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。隨著大眾環(huán)保意識的覺醒，也要求變頻器抗干擾、高次諧波抑制等方面需要與EMC國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，實(shí)現(xiàn)變頻器低電磁噪音化發(fā)展。總而言之，在今后很長一段時間內(nèi)，變頻調(diào)速技術(shù)必然會朝著人工智能、綠色環(huán)保等方向發(fā)展，不僅能夠提高控制的精準(zhǔn)度，還可以在較短時間內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜控制，同時在故障監(jiān)測和診斷中也更加靈活。

5 結(jié)語

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷程中，工業(yè)電氣發(fā)揮著重要作用，是不可忽視的核心組成要素，不僅能夠提高工業(yè)電氣企業(yè)的工作效率，同時還能有效控制運(yùn)行成本。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，能夠幫助企業(yè)提高工業(yè)生產(chǎn)安全性，使操作更加穩(wěn)定，并進(jìn)一步降低能源損耗與污染情況，從各個方面節(jié)省成本，使工業(yè)電氣企業(yè)主動承擔(dān)起應(yīng)有的社會職責(zé)與使命。此外，工業(yè)電氣電動機(jī)在運(yùn)行過程中，因頻繁的進(jìn)行正反向作業(yè)，切換時間較長，電動機(jī)將長時間處于超負(fù)荷狀態(tài)，而變頻調(diào)速技術(shù)可以保證電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)安全性。所以，對于工業(yè)電氣自動化控制而言，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用具有非常重大的意義。

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