變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用

哈爾濱電工儀表研究所 150028

摘要：變頻調速技術發展歷史并不長，但是其發展速度非常快，當前已經廣泛使用在中央空調系統、空氣壓縮機等大功率動力設備自動控制方面，并取得很好的變頻節能效果。文章主要分析變頻調速技術在工業中央空調系統自動化控制方面的應用，希望能為自動化控制發展提供一些參考。

關鍵詞：變頻調速；工業自動化；中央空調系統

0引言

隨著電力電子技術的不斷發展，交流電動機調速性能愈發優越。近些年工業生產技術得到很大的發展，在工業中，中央空調系統在潔凈廠房中廣泛使用，極大地滿足了生產要求和生產質量管理規范，但是中央空調系統耗電量比較大，在技術設計中采用變頻調速技術，能夠保證電機的輸出功率隨著負載的改變而變化，達到節能目的。

本文先簡單分析變頻調速技術，進而分析變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用。

1 變頻調速技術概述

在工業生產中采用先進的技術能夠提高工作效率，降低能源消耗，變頻調速技術是20世紀70年代提出的一種矢量控制理論，為實現電動機調速節能而出現的技術，當前已經廣泛使用在中央空調系統、空氣壓縮機等大功率動力設備自動控制方面，并取得很好的變頻節能效果。

該技術起源比較晚，但是發展比較迅速，從20世紀80年代至今，其應用領域越來越廣，范圍越來越大，再加之，該技術自身也在不斷地進行優化，所以其性能也越來越好，為了能夠該技術更好的發揮其性能，相關研究人員根據現實生產需要對其進行了更加深入的研究，目前也取得一定成績。使用該技術需要幾大部件，這幾個部件的功能不同，但是相互結合，所以每一個部件的作用都不能忽視。其主要部件如下：

第一，自適應電動機模型單元。這是變頻調速技術中最重要的部件，其主要功能就是查看電動機中的電壓以及電流等參數是否正常，進而全面掌握電動機的所有參數，為后續工作提供參數依據。這個部件的作用十分重要，它能夠直接進行轉矩控制，如果轉速精度超出規定的范圍，它會反饋給相關人員，從而提高其應用效果。

第二，轉矩和磁通比較器（這兩類比較器的作用是將反饋值與參考值分別進行對比，并且每20ms比較一次（比較完成后，通過滯環調節器輸出轉矩或者磁場狀態，從而能夠及時掌握轉矩狀態和磁場狀態，為采取相應的措施提供依據。

第三，脈沖優化選擇器（具體應用時可選用CycloneIIEP2C5Q 208C8芯片處理信息，選擇完成之后，設計O FDM調制方式的信號源，并編寫5個模塊組成的電路，分別實現不同的功能，主要包括星座映射*FFT*插入循環前綴*緩沖模塊*D/A功能。

2 變頻調速技術在工業電氣自動化技術中的應用

變頻器可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，其中交直交電壓型變頻器是使用比較廣泛的變頻器，主要包括整流器、中間直流環節、逆變器、控制電路等。變頻調速技術應用到工業生產領域中能夠滿足生產需求，目前變頻調速器中使用的Cyclone-II器件一般采用的是300 mm的晶圓，制造速度比較快速，這項技術在使用中采用最小化硅區，所需花費與專用的集成電路成本相差不大。高性能的變頻調速器主要是滿足不同工程的需求，硬件結構包括帶能量回饋單元變頻器、獨立式變頻器等，其中獨立式變頻器使用比較廣泛，本文主要分析變頻調速技術在中央空調系統中的應用。

2.1 變頻調速原理

異步電動機轉速公式為

n=60f（1-s）/p=no（1-s），

式中：

n為電動機轉速，r/min；

f為供電頻率，Hz；

s為旋轉磁場的同步轉速，r/min。

從這個公式中可以看到，在s變化不大的影響下，n與f呈現正比例關系，改變電源頻率f就能達到調節電動機轉速的效果。在分析異步電動機調速中，希望磁通量Φm保持不變，若是磁通量太弱，電子力矩不夠強，影響轉速快速改變，若是磁通量過大，容易東芝勵磁電流非常大，很容易燒壞電機。

釘子每相電動勢的有效值

Eg=4.44f1N1KN1Φm，

f1、N1、KN1、Φm分別代表定子頻率、串聯匝數、繞組系數、磁通量等。

從公式中可以看到，只要Eg和定子頻率得到控制，就控制了磁通量。

2.2 中央空調系統存在問題分析

在工業實際生產中，發現中央空調系統耗費大量的功率，存在很多的問題。從設計角度出發，冷卻水泵電機功率依照最大換熱量計算，但是在很多情況下，開機數目嚴重不足，實際負荷遠遠小于電機容量。在冷凍水系統方面，冷凍水泵的作用是將冷凍水送往各組合式空調器的表冷單元熱交換后送至各送風口，達到降溫目的，也是根據最大制冷量來設計的，目前冷凍水泵做了很多的無用功，除了這些之外，水泵在使用中存在頻繁開啟的問題。

2.3 中央空調變流量節能原理分析

針對以上中央空調系統在實際使用中存在的問題，擬采用變頻調速技術改進中央空調系統達到變頻節能目的。當前企業所采用的電力為三相交流電，輸送的水量和風量恒定，難以實現變頻節能目的，在很多場合下，要求具有不同的物體流量，要滿足這個要求就需要供給不同的流量，若采用聯運行的風機，采用手動方式，同樣能夠達到節能目的，但是顯然存在很大的工作強度，無法實現自動化控制。

在現代工業中，中央空調系統占了很大的部分，空調設備監控包括主機、處理器、變通量等信息的變化，主機的控制依照冷量的需求，控制運行的臺數和時間，這是步進式的變通量運行。

目前中央空調監控體系無法實現監視空調主機、冷凍水泵等，僅僅能夠維持現在一定范圍內，采用變頻調速技術能夠很好的解決這些問題。電動機在不同轉速下，負載的組轉矩TL是固定的，因此功率、轉矩和轉速的關系可以表示為：

PL=T1n/9 550，

采用變頻調速技術能夠降低運行頻率達到技能目的。

2.4 變頻調速技術在中央空調系統中的應用

中央空調系統在應用變頻調速技術中可以采用兩種控制方式，以壓差為主的控制方式考慮到了負荷的因素，以溫差為主的控制方式非常適合空調的變頻改造，無需在各支路增加電動和調節閥，保證了系統的安全性，改造費用低、施工難度小、維護保養非常方便，因此在改造中采用以溫度控制為主，保持原有的中央空調系統，增加熱泵機組、熱交換器以及熱水罐等設備，形成完整的自動化控制體系。

冷凍水泵的變頻在設計中采用兩個溫度傳感器和變頻器組成控制系統，控制冷凍水的出水溫度和回水溫度。冷凍水泵電動器采用軟啟動方式，設定頻率為45 Hz，冷溫水系統最低運行頻率設定為30 Hz，控制溫差，溫差相差超過5 ℃時，能夠直接切換頻率，保證供回水溫度接近最優值。冷凍水泵變頻控制見圖1所示，冷凍水泵正常運行后，操作人員啟動第二臺主機，確定冷卻水閥門和冷凍水閥門開啟后，同樣以軟啟動的方式開啟第二臺冷凍水泵。第二臺水泵正常運行后，如果空調主機制冷量大于實際需求，立刻停止主機。

冷卻水泵的變頻控制信號以冷卻水進出口溫度差表示，在大于設定值的情況下，將會提高頻率，頻率隨著設定值的改變而相應的改變，設定變

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