工業電氣自動化控制中變頻調速技術的應用探究

汪 浩

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

隨著變頻調速技術的日漸成熟，其應用領域也逐步擴展到鋼鐵、冶金、機械制造、化工、石油、汽車、電力等工業生產領域，而且在對電氣設備轉速進行精準調節的同時，能夠節省大量的電力能源，這就給工業生產企業節省了大量的生產成本。另外，由于變頻調速技術具有運行噪音低、機械損耗小、調節精度高等特點，因此，在工業電氣自動化控制中的實際應用價值也逐步突顯出來。

1 變頻調速技術的基本原理

變頻器是變頻調速技術的核心單元，通過變頻器可以把50Hz或者60Hz的工頻電源轉換成為各種不同頻率的交流電源，進而使電動機能夠實現變速運行。其工作原理主要是整流電路將交流電轉化成為直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，同時，逆變電路將直流電再逆變成交流電，進而使電氣設備能夠正常運轉。按照主電路的工作方式劃分，變頻器主要分為電壓型變頻器與電流型變頻器，在交流（直流）電機中的工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器在交流（直流）電機中的工作原理

以交流異步電動機為例，在計算電動機的輸出轉速時主要運用下面的數學計算式：n=60f（1-s）/p，在公式當中，n代表交流異步電動機的輸出轉速，f代表輸入的電源頻率，s代表電動機的轉差率，p代表電機的極對數。從公式當中的各個參數之間的關系可以看出，對于交流電動機來說，通過調整電機的極對數能夠完成變極調速，通過調整電動機的轉差率能夠完成串級調速，通過調整輸入的電源頻率能夠完成變頻調速。原有交流發動機的工頻為50Hz的交流電，經過變頻調速以后，這一工頻交流電的頻率與幅值都可以得到相應的調整而轉變成為電動機正常運轉的交流電，這一過程既能夠節省電力能源，而且也會大幅降低電動機的故障率[1]。

2 變頻調速技術的優勢分析

2.1 消除對電網的諧波污染

諧波對電網的危害性不言而喻，一方面，諧波的產生可以加快設備的過熱速度，進而使電氣設備絕緣老化，縮短使用壽命，嚴重的還可能造成設備燒毀。另一方面，諧波極易對繼電保護與自動裝置造成影響，而出現誤動作，使電能計量工作無法正常進行。但是，變頻調速技術可以排除這些干擾因素，主要是由于系統內部的具有拓撲結構，這一結構大幅降低了輸出側的電流諧波，進而使功率因數得以提高，在這種情況之下，不需要其他濾波的或者功率因數的補償，這就從源頭遏制了諧波的產生。

2.2 防護性能優越

在電氣設備運轉過程中，常常出現過電流現象，一旦電流超過限定值以后，電動機將嚴重受損，進而影響了電氣設備的正常運轉。而變頻調速技術可以功能較為完善，并且能夠有效抑制過電流現象的產生。比如對于超過200%額定電流峰值的電流，可以進行瞬間過流保護，瞬間發生時間僅為10μs，超過150%額定電流峰值的電流，可以3s之內完成動作有效過流保護，而對于超過120%額定電流峰值的電流，可以在1min之內完成過載保護，這就大大降低了電動機的故障率。

2.3 節能降噪效果好

變頻器可以實現對電氣設備的均勻調速，在速度調節過程中，不會出現忽快忽慢的現象，而且擋板與閥門始終處于全開狀態，這就節省了大量的電力能源。同時，當電機的運行頻率從50Hz或者60Hz降到40Hz以后，電機的運行速度得到均勻控制，運行噪聲也顯著下降，在運用變頻調速技術之前，電機的運行噪聲達到100dB以上，而引入變頻調速技術以后，運行噪聲將降到80dB以下，當電機處于低速運轉狀態時，產生的噪聲值將下降至65dB以下，現場工作人員幾乎聽不到機器運轉的聲音。

2.4 機械磨損度小

眾所周知，工業電氣設備始終處于高負荷運轉狀態，在這種情況下，設備的內部元器件之間將出現嚴重的磨損，如果不能及時采取維修保養措施，那么電氣設備的使用壽命將受到嚴重影響，而運用變頻調速主完全可以避免這種情況的發生。究其原因是在轉速得到合理控制以后，設備的振動頻率下降，內部元器件的磨損度也將大幅下降，這就減少了設備的檢修與保養頻次，進而給工業生產企業節省了大量的檢修費用。比如對于液力偶合器來說，在運用變頻調速技術之前，每年的維修費用在5萬元左右，而運用變頻調速技術后，維修成本將有效控制在2000—5000元的范圍之內[2]。

3 變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的具體應用

3.1 在電氣設備減速區段低速控制中的應用

電氣設備減速區段的安全性與穩定性至關重要，如果電氣設備在該區段出現超臨界值運行的情況，將極易埋下重大的安全隱患。為了有效降低安全風險，保證工業生產的各道工序能夠順利進行，工業生產企業可以利用變頻器與PLC（可編程邏輯控制器）對減速區段的速度變化情況進行實時監督與有效控制，如果在監控過程中，發現減速頻率出現異常狀況，或者運行速度已經超過臨界值，應當及時查找出產生這些問題的主要原因，并快速啟動現場應急機制。與此同時，技術人員應當高度重視安全值與實際運行數據的記錄與核對工作，一旦發現電氣設備的運行速度與安全數值存在較大的出入，那么應及時向終端控制平臺發出預警信號，以便于對運行速度進行合理控制，在電氣設備減速區段低速控制中的應用原理如圖2所示。

圖2 變頻調速技術在電氣設備減速區段低速控制中的應用原理

3.2 在深度指示器保護控制中的應用

深度指示器主要是用來保護電氣設備的一種防護裝置，但是，在煤炭生產過程中，由于井下提升裝置運轉頻率高，因此，深度指示器極易出現故障，在這種情況下，深度指示器的保護功能也將喪失。而變頻調速技術在保護深度指示器方面發揮著關鍵性作用。一方面，技術人員可以基于對液壓缸的平衡性的考慮，對深度指示器進行有效控制，各項技術參數能夠得到精確調節，一旦提升設備的運轉速度超過臨界值時，系統將自動發出預警信號，這時，技術人員可以第一時間采取故障排除措施，進而保障提升設備能夠始終處于正常運轉狀態。另一方面，通過運用變頻調速技術，可以對采集到的脈沖信號進行精準分析與處理，如果脈沖信號數據異常，則說明深度指示器運行狀態中止，而電氣設備的防護功能也將無法正常開啟，這時，技術人員需要及時做出反應，對電氣設備進行檢查，以確定設備是否處于爬行區。如果確定該設備在爬行區域，在變頻調速作用下，深度指示器將直接向系統終端發生預警信號，這就給故障排除節省了大量時間。

3.3 在自適應電機模型中的應用

自適應電機模型可以對電機的輸入電壓參數進行檢驗，進而快速掌握電機的實際運轉狀況，如果發現運行異常，該模型單元可以向終端操作平臺發送預警信號。而變頻調速技術在這一模型單元中的有效運用，可以將轉矩控制在一個合理的范圍之內，這樣可以節省大量的電力能源。另外，為了提高工業電氣自動化控制水平，當自適應電機模型單元與變頻器相連接以后，電機轉速能夠調節至最佳狀態，這就給正常工業生產活動的展開提供了強大的技術支撐[3]。

3.4 在風機、泵類設備中的應用

在各類風機與泵類設備中，變頻調速技術也得普遍應用，比如以水泵為例，在工業生產當中，水泵的應用領域較為廣泛，應用頻率較高。但是，在運用變頻調速技術之前，水泵的運行速度、水流量以及壓力等參數無法控制在合理范圍之內，以至于耗費了大量的電力能源，進而增加了企業的經濟負擔。尤其在運用變頻調速技術之前，交流水泵電機一般處于恒速運轉狀態，在這種狀態之下，出口閥與調節閥無法對水的流量與壓力進行有效控制。因此，需要采取人工調節的方式，來增加阻力與回流，在這一過程當中，造成了大量能量與能源的損失。影響電機運行速度的主要參數包括流量、總揚程以及總功率，其中流量與轉速呈現出線性關系，總揚程與轉速呈現出平方關系，而軸功率與轉速則呈現出立方關系，在水泵電機運轉時，實際揚程將產生一個高低差，揚程越小，則轉速越均勻，節能效果也就越好。基于這一理論，如果運用變頻調速技術，當工頻為50Hz時，電機處于滿載運行，這時，功率因數與1最為接近，而工作電流比電機額定電流值要低的多，經過現場實驗驗證可以得出一個結論，即運用變頻調速技術能夠節省大約20%的用電量。

比如對于一臺功率為800KW的凝結水泵來說，如果將電機改造成為變頻無級調節，那么每一個年度的總耗電量將減少200萬KW/h左右，換算成節電率大概在45%以上，如果按照0.334元/（KW?h）的電價計算，每個年度節約的電量費用高達66.8萬元。由此可以看出，變頻調速技術在風機、泵類設備方面的有效運用，不僅可以節省大量的電力能源，而且也為企業經濟效益的穩步增長注入了源源不斷的內動力。

4 結語

隨著變頻器功能性的日漸完善，變頻調速技術水平也逐年提升，在這一利好形勢下，工業生產企業應當充分利用變頻器的功能優勢，并始終將“節能降耗、降本增效”作為生產經營理念，不斷對變頻調速技術進行優化和改進，并依托于先進的計算機技術與數字技術，來推進工業電氣自動化、智能化發展進程，在為企業創造更多經濟效益與社會效益的同時，助力我國的國民經濟實現持續穩步增長。