變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的應用初探

杜堅+何振

摘 要：20世紀70年代德國學者F.B：Aschke提出《感應電機磁場定向控制原理》，美國學者提出《感應電機定子電壓的坐標變換控制》，此后交流電機變頻調速技術逐漸開始發(fā)展起來。經歷了四十多年的發(fā)展變化，變頻調速技術已經廣泛的應用到工業(yè)發(fā)展過程之中，本文就變頻調速技術的工作原理、特點進行簡要的概述，重點結合實際案例剖析變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的應用。

關鍵詞：變頻調速技術；工作原理；工業(yè)電氣自動化控制；實踐應用

變頻調速技術是依托于微電子技術、電子計算機技術基礎上發(fā)展起來的，這一技術從理論要使用推廣經歷了四十多年的時間，這個過程之中，功率集成電路、振諧式逆變器以及各種新型電力電子器件的出現(xiàn)展促進了變頻調速技術的發(fā)展。就目前來說，變頻調速技術已經廣泛應用于各行各業(yè)之中，在電氣自動化控制領域具有獨特的優(yōu)點。

1 變頻調速技術概述

1.1 變頻調速技術的基本原理及結構組成

變頻調速技術一種交-直-交電源變換技術，是基于電機轉速與工作電源輸入頻率成本比這一原理實現(xiàn)的，n=60f（1-s）/p，其中n表示電機轉速，f表示電源的輸入頻率，s及p分別表示電機的轉差率以及磁極對數(shù)，電機控制過程中，改變電機電源的頻率就能夠改變其轉速。

變頻調速設備主要由轉矩及磁通比較器、脈沖優(yōu)化選擇器以及自適應電動機模塊三部分組成。它們分別具有不同的功能，其中自適應電動機模塊能夠對輸入電動機的電壓、電流的性質進行檢測，進而識別電動機參數(shù)，自適應電動機模塊是直接轉矩控制的關鍵，實際的運行過程中通過定子磁場定向的方式直接控制轉矩，該技術的控制精度可以達到±0.1%。脈沖優(yōu)化選擇器的主要功能是對一定范圍內的脈沖信號進行優(yōu)化，為了實現(xiàn)這一功能，首先必須要選擇合適的信息處理選擇芯片，Cyclone ⅡEP2C5Q209C8是現(xiàn)階段比較常見的信息處理選擇芯片。然后，需要合理的設計調制信號源，編寫具有不同功能的電路模塊，比如緩沖功能、星座映射功能等等。最后對信號源進行仿真模擬，判斷這些電路模塊能否實現(xiàn)其功能。為了防止電路的載荷超出設計值，使得控制電路被損壞，需要在電路中增加浪涌抑制保護設備。利用轉矩和磁通比較器，能夠對比反饋信號及參考值，然后通過滯環(huán)調節(jié)器輸出轉矩或磁場狀態(tài)，獲得轉矩及磁場實施狀態(tài)，為后期的控制操作提供參考。

1.2 變頻調速技術的特點

變頻調節(jié)技術具有設備結構簡單、堅固耐用、經濟可靠，動態(tài)數(shù)據(jù)響應效果好、節(jié)電效果好、變頻調速功能優(yōu)良等優(yōu)點，在工業(yè)電氣自動化控制中十分常見。根據(jù)調節(jié)電流的類型，變頻裝置主要可以分為交-交系統(tǒng)以及交-直-交系統(tǒng)兩種，其中交-直-交系統(tǒng)又可以分為電流型和電壓型兩種。

2 變頻調速技術應用技術分析

2.1 負荷匹配技術

為了保證變頻調速系統(tǒng)之中屬于穩(wěn)定安全運行的狀態(tài)，變頻調速設備在使用過程中要求設備的容量、型號、載荷等與電動機的功率相匹配，裕量要能夠控制在10%以下。

2.2 抗干擾處理技術

變頻調速設備在使用過程中可能會因為電磁干擾影響系統(tǒng)工作的準確性，因此，一般需要采用抗干擾技術，就目前來說主要有隔離、屏蔽、接地等幾種抗干擾處理技術。變頻調速傳動系統(tǒng)之中，一般需要將噪聲隔離變壓器安裝在電源與放大器連接線纜之間，從而有效的避免信號傳輸過程中的干擾。此外，增加干擾源與受干擾電路、裝置、設備之間的距離也是降低干擾的重要方法。屏蔽技術就是將變頻調速系統(tǒng)的相關設備、元器件、電路等安裝在屏蔽箱之中，屏蔽箱大多數(shù)由銅、鋁、磁性材料制成，能夠屏蔽周圍環(huán)境的電場及磁場，以免影響信號的傳輸，但這種屏蔽干擾的方式并不能夠緩解噪聲影響，且如果設備周圍的交變磁場比較強烈，或者是在冶煉廠、重型機械廠等工作環(huán)境之下，使用這種抗干擾方式效果不夠明顯，還需要輔助以其他屏蔽方式。

2.3 接地技術

接地技術分為保護接地和工作接地兩部分，保護接地就是將變頻調速系統(tǒng)中的不帶電的金屬部分與地面良好導體連接起來，防止靜電積聚，保護現(xiàn)場工作人員以及相關機電設備的安全。工作接地主要有屏蔽接地、信號回路接地以及機器邏輯地幾種處理方法，能夠保證整個系統(tǒng)以及相關測量設備的精度，對于整個變頻調速系統(tǒng)而言同樣十分重要。

3 變頻調速技術應用實例

下文結合三個實際案例，就變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的具體應用進行簡要的分析概述。

3.1 變頻調速技術在門式滾輪堆取料機上的應用

某熱電廠的門式滾輪堆取料機高度為20m，跨距為50m，該設備行走機構為四組行走臺車，軌道跨距也為50m，滾輪機金屬結構中，剛性側分布的載荷比柔性側要多，兩側負載存在著比較明顯的不平衡的問題，實際的行走過程中就會導致兩側的行走速度不同步，很容易使得兩側行走輪的水平位置存在偏差，使得設備結構扭曲，產生彈性變形，進而導致啃軌現(xiàn)象。該設備的行走機構主要由4臺電機驅動，這四臺電機均為交流電機，有調車和工作兩個速度檔，速度轉換時，交流電機的轉差率及旋轉磁場突變，產生電能回饋制動，慣性作用下，整個設備會受到較大的沖擊，為了解決這一問題，確保滾輪堆取料機的剛性側及柔性側行走臺車能夠同步行走，消除設備啟動及制動過程中產生的慣性沖擊，避免速度轉換時交流電機產生電能回饋制動，保證設備速度平穩(wěn)轉換，相關研究人員對該設備行走電機進行了簡單的改裝，利用兩臺變頻器分別控制兩側的行走電機，實際的速度調整過程中通過改變頻率，調整行走電機速度，以剛性側的行走速度為標準，對柔性側設備電機速度進行細微的調整，確保電機能夠同步運行。具體的調整過程中，利用增量型光編碼器分別對兩側行走輪的位移進行檢測，采用CQM1型可編程控制器，將柔性側模擬量輸出值進行適當?shù)母淖儯{整高速柔性側的變頻器的頻率值。由于滾輪機是熱電廠中十分重要的設備，為了更加精準的調整大車行走輪位置偏差，實際的設計工作中，研究人員分別采用工頻和變頻兩套控制方式，利用可編程控制器保證了電氣控制的穩(wěn)定性及可靠性。變頻改造之后，設備的啟動及制動性能得到了明顯的改善，慣性沖擊被消除之后，設備運行更加的平穩(wěn)，實現(xiàn)了平滑調速，設備的安全性、穩(wěn)定性、可靠性都得到了明天的提高，設備故障發(fā)生率有所降低。利用可編程控制器及光電編碼器、變頻器，程序調試及修改更加方便，糾正了打車剛性側及柔性側的位置偏差。

3.2 變頻調速技術在風機和水泵中的應用

風機、水泵是工業(yè)生產中十分常見的電氣設備，為了節(jié)約電力能源，現(xiàn)階段，大多數(shù)工業(yè)生產中的風機及水泵都已經采用變頻調速的運行方式。風機轉速的工作功率隨著設備轉速三次方成比例變化。如圖1所示，在某送風機控制回路上增加變頻器及其輸入輸出開關，不改變其它線路就能夠實現(xiàn)對該送風機的變頻調速控制。實際的使用過程中，調節(jié)對象不同，調速范圍也存在一定的區(qū)別，調速的運行模式也有一定的差異，可以按照實際的工業(yè)生產需要進行控制，如圖2所示。除此之外，還可以通過控制流體的液位流量、壓力，對比給定信號機檢測信號，然后調節(jié)變頻器的輸出頻率，具體選擇哪一種運行方式需要根據(jù)工業(yè)生產的實際情況進行確定。采用變頻調節(jié)器能夠明顯的節(jié)約電力能源，設備優(yōu)化改動的投資能夠在較短的時間內回收回來，現(xiàn)階段已經有許多工業(yè)生產廠家對原有的風機和水泵進行結構優(yōu)化，風機和水泵的變頻調速系統(tǒng)在工業(yè)生產中已經廣泛的普及開來。

3.3 變頻調速技術在鍋爐給粉機中的應用

燃煤機組是火電廠的重要設備之一，燃煤機組主要通過調節(jié)給粉量控制負荷、汽壓，而給粉量的調節(jié)則是通過控制給粉機的轉速實現(xiàn)。一般情況下，給粉機主要通過滑差電機及直流電機進行調速，但是，火電廠實際的運行管理過程中，給粉機工作環(huán)境比較惡劣，環(huán)境溫度較高，粉塵非常多，對設備帶來了許多不良影響，直流電機的整流子、電刷等設備損壞十分頻繁，嚴重影響了火電廠發(fā)電工作的正常開展。此外，滑差電機采用非線性調速方法，運行不夠穩(wěn)定，大量粉煤灰積聚在滑差電機調速勵磁線圈之中，很容易導致線圈堵塞，進而燒毀。因此，實際的工作過程中可以采用交流異步鼠籠式電機代替滑差電機，這種交流異步鼠籠式電機防護等級較高，具有防粉塵、耐高溫、變器無級平滑地調速的優(yōu)點，可以實現(xiàn)線性調速，有利于保證電機的平穩(wěn)運行。變頻器操作過程中可以利用弱電信號進行控制，主電路中不需要交流接觸器，同時由于配置有人機界面，方便了檢修控制人員的操作檢查，增加了系統(tǒng)的可靠性。該給粉變頻調速系統(tǒng)異步電動機的防護等級比較高，具有過電壓、短路、欠壓保護等功能，電機安全性更好。該變頻調速系統(tǒng)中的變頻器的調速性能可以達到99%，輸出轉矩及轉速都十分平穩(wěn)，不會出現(xiàn)零漂的不良現(xiàn)象，同時具有給粉均勻、燃燒穩(wěn)定、節(jié)約電能等優(yōu)點。實際使用過程中如果出現(xiàn)給粉機堵轉的不良現(xiàn)象，一般情況下，只需要按正反轉按鈕就可以消除故障。

結束語

在保證工業(yè)生產安全及生產質量的前提之下，盡量采用各種先進的技術手段及生產設備降低企業(yè)的生產成本是當前階段各工業(yè)生產廠家重點考慮的問題。現(xiàn)階段，節(jié)能減排已經成為社會的主要趨勢，許多工業(yè)生產廠家都在積極地研究節(jié)能減排技術，變頻調速器能夠同時滿足上述兩個發(fā)展需求，在工業(yè)電氣自動化領域應用十分的廣泛。本文結合實際案例就變頻調速技術在工業(yè)生產的實踐應用問題進行簡要的分析概述，想要更好的在實現(xiàn)變頻調速器的節(jié)能價值，改善工業(yè)生產的條件，各生產廠家要能夠結合自身的生產情況，對相關的工業(yè)電氣設備進行適當?shù)母脑欤?jié)約能源，促進企業(yè)經濟效益的提升。

參考文獻

[1]李仕菊.變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的運用探究[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（04）.

[2]張樂.論工業(yè)電氣自動化控制中變頻調速技術的應用[J].科技展望，2015（27）.

[3]席李巖.變頻調速在工業(yè)電氣自動化控制中的運行思路探究[J].江西建材，2014（20）.

[4]朱娟娟.芻議工業(yè)電氣自動化控制中變頻調速技術的應用[J].企業(yè)技術開發(fā)，2014（27）.

[5]田彪.變頻調速技術在工業(yè)電氣自動化控制中的應用分析[J].科技展望，2015（32）.

[6]楊克香.變頻調速在工業(yè)電氣自動化控制中的運行思路[J].科技傳播，2014（9）.