變頻調速技術的發展與在工業控制中的應用

陳銳

【摘 要】近年來，變頻調速技術及其在工業控制中的應用得到了業內的廣泛關注，研究其相關課題有著重要意義。本文首先對變頻調速技術相關內容做了概述，分析了變頻調速技術工業自動化控制中的應用，并結合相關實踐經驗，分別從開關器件方面、變頻控制電路方面，以及矢量控制技術方面等多個角度與方面，就4變頻調速技術的發展趨勢展開了研究，闡述了個人對此的幾點認識。

【關鍵詞】變頻調速技術；發展；工業控制；應用

前言

作為一項實際應用要求較高的技術方法，變頻調速技術的特殊性不言而喻。該項課題的研究，將會更好地提升對變頻調速技術的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與途徑，進一步優化工業控制的最終整體效果。

一、變頻調速技術概述

（一）變頻調速技術的發展歷史

變頻調速技術從理論到使用推廣經歷了40年的時間，在這期間，電子器件的發展促進了這一過程的實現。在20世紀70年代，發達國家為了緩解石油危機，投入大量的人力、物力和財力去研究更加高效的變頻器，使變頻調速技術得到進一步推廣。到今天，依托于電子計算技術和微電子技術的變頻調速技術以優越的性能被各行各業所采用，實現了電氣自動化控制領域的節能減排，提高了生產效率。

（二）變頻調速技術基本原理及組成

變頻調速技術的基本原理為利用電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系n=60f（1-s）/p，其中n為轉速，s為電機轉差率，f為輸入頻率，p為電機磁極對數，改變電動機的工作頻率從而達到控制電機轉速的目的。

變頻調速技術的關鍵部件主要有3部分：自適應電動機模型單元、脈沖優化選擇器、轉矩和磁通比較器。（1）自適應電動機模式單元主要的功能是檢測輸入電動機的電壓、電流的性質，從而識別電動機的參數，它是直接轉矩控制的關鍵單元，以定子磁場定向方式幫助實現對轉矩的直接控制，該技術能夠實現正負0.1%的速度控制精度。（2）脈沖優化選擇器的主要功能是優化選擇在一定范圍內的脈沖信號，功能的實現首先需要選擇合適的信息處理選擇芯片，當前在電氣自動化控制行業中常用的型號為CycloneⅡEP2C5Q209C8；其次需要設計調制方式的信號源并編寫能夠實現不同功能的電路模塊，例如能夠實現星座映射、緩沖功能的模塊；最后，通過信號源進行仿真模擬判斷編寫的電路模塊是否能夠實現既定的功能。影響脈沖優化選擇器性能的重要因素是電解電容器的容量具有很大的離散型，導致部件承受的電壓出現偏差，為此需要對電容進行改進，可以在電容器旁并聯一個與電容器阻值相同的電阻，同時為了防止電路被燒毀，還可以增加抑制浪涌電流的措施。（3）轉矩和磁通比較器的主要功能為每隔20s將反饋值與參考值進行比較，而后通過滯環調節器輸出轉矩或磁場狀態，為工作人員后續的工作提供參考。

（三）變頻器的特征

變頻器是變速調控技術的核心，變頻器具有如下特點：利用變頻技術將電源轉化為不同頻率的交流電源，可對發電廠熱工控制系統的給水泵、送風機等系統進行調節。變頻器分為高壓變頻器和低壓變頻器。其中低壓變頻輸出電壓為380～650V、工作頻率為0～400Hz，輸出功率為0.75～400kW。其主電路由整流和逆變構成，該變頻器采取拓撲結構使得其技術穩定；硬度大、成本支出低。同時可以滿足一般傳動在平滑調速方面的需求，由于低壓變頻與高壓變頻相比，采用的力矩較低，應用較為廣泛。

二、變頻調速技術工業自動化控制中的應用

（一）應用案例。本文選擇是該技術在數控機床中的應用案例，在這個案例中應用該技術的主要目的就是為了完成節能改造，因為數控機床傳統的技術需要耗費很多的電能，無論是對企業，還是數控機床自身都是一種損失，為了減少這種損失，提高企業的整體經濟效益，數控機床人員經常使用的方式是工頻運行，雖然這種方式有一定效果，但是其劣勢也比較明顯，比如齒輪主軸速度可供選擇的范圍過大，這樣就不能對其進行精細控制，特別是恒線速度，再加之，在使用該技術的過程中，也不能完全保證機械從始至終都能夠安全穩定的運行，因此要時時對機械設備進行維修，尤其是離合器；另外雖然使用的主軸屬于直流型，這種類型的注重最大的優勢就是可以進行無級調速，但是卻為后期維護工作帶來了問題，而且在運行的過程中，主軸的最高轉速，根本不能達到，所以其總體效果并不好。因此相關人員決定使用變頻調速技術，希望能夠取得預期的效果，達到降低電能損耗的目標，進而減少企業成本支出。決定使用該技術之后，數控機床人員經過商討確定了使用方案。

（二）應用效果。使用該技術不僅避免了使用工頻技術的劣勢，還提高了機械工作的速度，另外機械消耗的能源也有明顯的下降，減少了企業成本的支出，其使用效果非常好。變頻調速技術主要針對數控機床的結構、功能等多方面，所以效果比較好。因為使用該技術，數控機床自身的結構得到了優化，所以能夠節省大量的金屬材料，再加之，使用該技術之后，機械操作與原來相比比較簡單，這就降低了機械損耗的程度，也減少了機械維修的次數；而且使用該技術之后，數控機床控制范圍有所擴展，無論是控制精度，還是控制效率都得到了有效的提高，最關鍵的是，該技術的使用提高了數控機床加工質量，其生產效率與傳統的方法相比，有所提高，這對企業，甚至是整個數控機床行業來說，都有積極的意義。

三、變頻調速技術的發展趨勢

（一）開關器件方面

就目前的開關器件發展來看，智能化變頻器將會是未來的發展潮流，實現功率變化、檢測、控制、保護等等功能的全自動化，達到高效節能的目的。讓具有更多功能，具有更高特性的開關器件進入我國的電力市場。

（二）變頻控制電路方面

目前，我國的高壓變頻調速裝置基本上已經實現了數字化和自動化的全方位控制，但是，在變頻調速設備的數字化和自動化方面還有很大的提升空間，我們要不斷的將新的先進的科學技術運用其中，用于嘗試，實現變頻電路的更高效的控制。

（三）矢量控制技術方面

矢量控制技術仍然會是目前和以后很長一段時間內高性能電機的主要控制技術，它包含有多種重要的科學技術，如：PWM技術，參數識別技術、磁通觀測技術等等，這些高效的控制技術能夠提高開關的頻率，改變電壓波形。我們需要實現更有效的控制，就必須長期的對矢量控制技術進行研究。

四、結束語

綜上所述，加強對變頻調速技術及其在工業控制中應用的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的工業控制實踐中，應該加強對變頻調速技術的重視程度，并注重其具體應用實施策略的科學性。

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