工業電氣自動化控制中變頻調速技術的應用探究

摘要：國民經濟發展中，工業占據著舉足輕重的地位，起到了重要的支撐作用。現代工業發展對電氣自動化控制有著較高的要求，電氣自動化控制水平直接影響著整體工作效率和資源節約效果。將變頻調速技術應用于工業電氣自動化控制中，能夠為現代工業電氣自動化控制工作提供極大的便利和幫助，推動工業領域高質量發展。本文首先概述了變頻調速技術，其次分析了變頻調速技術的應用價值，最后探討了變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的具體應用。

關鍵詞：電氣自動化控制；變頻調速技術；應用；研究

傳統工業電氣自動化控制技術模式下，節能效果差，資源利用率低，整體工作效率不盡如人意。在科學技術不斷創新的背景下，變頻調速技術實現了質的飛越，并廣泛應用于現代工業領域。工業電氣自動化控制與變頻調速技術的深度融合，極大地提升了工業電氣自動化設備變頻節能效果、資源利用率、整體生產效率以及工業電氣自動化控制水平，為工業節能環保化發展奠定了堅實有力的基礎。

一、變頻調速技術概述

變頻調速技術指的是通過對電機頻率、電壓予以改變，進而實現電機調速的一項技術。當前，變頻調速技術憑借自身高效率、高精度、無級變速、調速平穩等諸多的特點和優勢，被廣泛應用于工業、紡織業、冶金業、石化業、電力等多個行業和領域中，尤其是在現代工業電機能效提升中發揮著不可替代的作用。目前，工業電氣自動化控制領域，對變頻調速技術的應用極為廣泛，電氣設備作為工業生產的重要支撐力量，對其自動化控制有著較高的要求，借助變頻調速技術，可實現對高功率電氣設備的節能減排，將能源利用最大化，減少資源、能源方面的浪費，獲取更高的經濟效益。例如，變頻調速技術和數控機床的融合，可優化數控機床結構，降低數控機床運行時對金屬材料的消耗和浪費。又如，變頻調速技術和中央空調系統融合，能夠結合實際需求對輸出功率予以自動化的調整，達到節能節電的目的。

變頻器的工作原理非常簡單，利用變頻技術、微電子技術改變電機電流頻率，進而控制電機的運行速度，實現對電機運行的靈活化控制，使得人們對電氣設備的使用更加輕松簡單。變頻調速技術應用運行，是結合電機轉速和工作電源輸入頻率兩者的正比例關系，對電動機的工作電源頻率進行變動，最終調整電機的轉速。當前變頻器已成為工業電氣自動化控制領域的重要控制單元，在應用變頻調速技術時，要保證操作正確，在規定范圍內使用變頻器，避免設備出現損壞。要重視對設備、系統線路的檢查，確保處于正常使用狀態；要定期保養維護變頻器，延長其使用壽命，同時也降低故障和安全隱患問題的發生概率，提升工業電氣自動化控制水平。

變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用，離不開電力電子器件和技術、隔離技術、保護技術、微處理器技術等各項關鍵技術的支撐，具體如下：（1）電力電子器件和技術。目前大部分的電力電子器件不具備較高的電壓承受能力，因此在使用電氣設備時要重視對承壓能力的考慮，靈活選用電力電子器件，避免發生危險。（2）隔離技術。電力電子器件長時間處于高電位環境下，依靠中心控制器的統一控制方可正常運轉，所以要做好高電壓隔離工作，降低高電壓所產生的電場和磁場所產生的影響，保證電氣設備始終處于高效的運行狀態。（3）保護技術。高壓環境下電力電子器件保護是一項非常關鍵的工作，若電路出現超壓和超負荷的現象，保護裝置會立即啟動，降低電路器件被損壞的概率。（4）微處理器技術。創新應用多相PWM脈沖產生的電路的微處理器數字化控制變頻設備，有助于提升工作效率和質量。

二、變頻調速技術的應用價值分析

（一）消除諧波污染

電網及電氣設備運行時，諧波的影響危害巨大，會提高設備運行溫度．導致設備絕緣老化，使用壽命明顯縮短，甚至會燒毀電氣設備。不僅如此，諧波會嚴重影響繼電保護自動系統和裝置，增加誤動作的概率，不利于電能計量工作的順利進行。應用變頻調速技術，可極大地規避、消除諧波污染和干擾，利用拓撲結構，降低輸出側電流諧波，提高功率因數，并不需要其他濾波、功率因數的補償，抑制諧波的產生。

（二）防護性能優越

電氣設備運行時，過電流現象極為常見，當電流超過限定值，極易燒毀電動機，影響電氣設備的正常使用。借助變頻調速技術，可極大地避免發生過電流的現象。一旦電流超過限定值，可在極短的時間內啟動過電流保護。以超過200%額定電流峰值的電流為例，在10秒內即可完成動作有效過電流保護，這樣一來，就極大地降低了電動機故障問題的發生概率，為電氣設備的可靠運行奠定了有利的基礎。

（三）節能降噪效果好

變頻調速技術應用于工業電氣自動化控制中，使得電氣設備調速更加均勻，避免了忽快忽慢現象的出現，并且閥門、擋板始終處于全開狀態，因此能夠有效地節省電能。電機運行時，運行效率從60Hz降至40Hz的情況下，能夠均勻控制電機的運行速度，并降低運行噪聲。傳統定頻運行模式下，電機運行噪聲極大，往往超過100dB，應用變頻調速技術，可將噪聲降至80dB以下，若電機處于低速運轉狀態，噪聲值可降至65dB以下，這使得電氣設備運行更加安靜，極大地減輕了噪聲污染。

（四）機械磨損度小

工業電氣設備高負荷運轉狀態下，內部元器件的磨損會異常嚴重，進而縮短電氣設備的使用壽命，甚至會造成巨大的經濟損失，影響企業經濟效益。將變頻調速技術應用于工業電氣自動化控制中，能夠將電氣設備的運行速度始終控制在合理范圍內，降低設備震動頻率，進而最大限度地減輕內部元器件之間的磨損，有效延長使用壽命，節省設備檢修、養護成本。以液力偶合器為例，每年維修保養費用超過5萬元，應用變頻調速技術后，每年的維修保養費用降至2000-5000元，極大地節省了成本支出。

三、變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的具體應用

（一）應用于發電系統

工業電氣自動化控制設備及系統運行時，離不開電力資源的支撐，同時對供電質量有著較高的要求。單純依靠外接電源供應，不僅無法很好地保障供電質量，而且極易造成資源浪費，影響經濟效益。因此，設置獨立的發電系統至關重要，這是滿足供電需求，保證供電質量的重要舉措。但是發電系統具備較高的復雜性，運行應用時極易出現電流輸出和實際需求兩者不符的現象，進而造成電氣設備短路、斷路，威脅電氣設備和系統安全運行。將變頻調速技術應用于發電系統中，能夠極大地解決上述問題，工業電氣自動化控制設備和系統運行安全系數顯著提升，工業生產效率得到了更好的保障，為企業穩定發展奠定了有利的基礎。不僅如此，通過發揮變頻調速技術的優勢，科學劃分電力資源，減少資源浪費，有利于節約電力資源，助力企業節能環保化發展。具備變頻調速功能的發電系統，能夠結合負載情況對輸出頻率、力矩予以自動化、靈活化的調整，并且該系統還具有能量回饋功能，能夠極大地節約電力能源消耗。此外，變頻調速設備應用成本低，有助于縮減工業電氣自動化控制成本，在保障工業電氣自動化控制設備和系統安全穩定運行的同時，創造更高的經濟效益。

（二）應用于礦井提升機電控系統

煤礦生產作業時，需要應用礦井提升機等設備，電控系統作為其重要組成部分，將電控系統和變頻調速技術融合，可極大地保障礦井作業效率和安全。首先，借助變頻調速技術，可滿足深度指示器失效保護需求。提升機的保護功能均是建立在行程分析的基礎之上的，若深度指示器處于失效狀態，會影響數據正常顯示，導致保護功能失效，威脅提升機安全運行。應用變頻調速技術，在啟動電機后系統累加所有采樣周期內旋轉編碼器所發送的脈沖數，同時比較采樣前后數值差異，若數值無變化，代表深度指示器處于失效狀態。此時系統檢查提升容器是否進入爬行區，如果沒有進入，則會發出聲光報警信號，若已進入，那么會啟動安全制動，并進行聲光報警。其次，借助變頻調速技術，可實現等速段超速保護，等速段提升容器處于快速運行時，一旦系統緊急制動，會產生巨大的沖擊力，進而損壞提升系統設備，所以做好等速段超速保護工作非常重要。發揮變頻調速技術優勢，若提升機運行速度超出額定速度的15%，此時自動斷開安全回路，進入緊急制動狀態，降低對提升系統所造成的損壞。最后，變頻調速技術在等速段超速保護中也發揮著非常重要的作用，提升機等速段運行狀態直接影響著提升機能否安全停車，若無法安全停車，則會引發安全事故，所以做好等速段超速保護意義重大。借助變頻調速技術，對提升容器運行速度持續檢測，并比較實際運行速度和既定運行速度，若實際速度超過既定速度的10%，則系統自動報警并進入安全制動狀態，防止發生安全事故，保障生產作業安全性。

（三）應用于帶式輸送機中

工業生產中，帶式輸送機發揮著重要作用，能夠為工業生產及貨物的運輸提供巨大的便利，進而達到更快的生產和工作效率。變頻調速技術與帶式輸送機的融合，編制變頻調速自控系統。該系統主要由變頻器、PLC、電流互感器和變送器、帶速傳感器等多個部分組成，應用變頻調速自控系統時，可將其分為三個單元，不同單元發揮著不同的功能作用，具體如下：首先，檢測單元。電流互感器、電流變送器獲取電機電流信號，帶速傳感器采集帶速信號后，電機轉速傳感器采集轉速信號后，均將其轉化為電壓信號，送人核心模塊。其次，控制單元。PLC接收檢測信號并分析判斷后，完成帶式輸送機啟動、節能調速等各項動作。不僅如此，主控制單元還具有諸多的故障保護功能，如斷帶、撕帶、打滑等。最后，執行單元。變頻器接收PLC控制信號后，將電壓加至電動機，然后均勻調速電動機，確保袋式輸送機的勻速運輸。同時，在變頻調速技術的支撐下，皮帶機具備了軟起、軟停等功能和運行模式，極大地保障了皮帶機的運行安全和性能穩定。

（四）應用于風機、泵類設備

風機、泵類設備是現代工業生產常用設備，變頻調速技術的融合應用是發展的必然趨勢。例如，水泵在工業生產中具備極高的應用頻率，尚未應用變頻調速技術前，水泵運行速度、水流量、壓力均是恒定的，出口閥、調節閥無法控制水流量、水壓力，導致在運行時極易浪費水能、電能，給企業造成一定的經濟損失。雖然可以通過人工方式予以調整，但會導致人力資源浪費，并且所獲得的效果并不理想。水泵等設備的電機運行參數包括流量、總揚程等，其和轉速呈平方關系，軸功率和轉速兩者呈立方關系。水泵電機運轉時，實際揚程會產生一個高低差，揚程越小，那么其轉速也就越均勻，可達到理想的節能效果。實驗表明，將水泵等設備和變頻調速技術融合，在50Hz工頻下，電機處于滿載運行狀態，此時功率因數接近1，工作電流遠低于電機額定電流值，節電效果能夠達到20%左右。以1臺功率為800kW的凝結水泵為例，將其電機升級為變頻無級調節，每年度總耗電量能夠減少200萬kW/h，節電效率超過45%。不難看出，變頻調速技術應用于風機、泵類設備中，可極大地節約電能、水能，在提升企業經濟效益的同時，促進企業節能環保目標的實現。

四、變頻調速技術的應用發展趨勢探討

現階段，我國高壓變頻器功能不斷完善，大部分器件ICBT的直接串聯技術問題得到了有效的解決，高頻率電壓器具備了無輸入、無輸出功能，并且所應用的輸出濾波器、優化的波形，極大地降低了諧波含量及所造成的干擾影響，變頻器的運行應用更加穩定可靠，電路操作得以優化，器件體積明顯縮小，資金投入減少。隨著科學技術的不斷創新，將會賦予變頻調速技術更大的發展機遇，其將會具備更加廣闊的應用發展前景，具體如下：首先，開關器件方面，智能化變頻器將是接下來一段時間的發展潮流，智能變頻器具有智能化、全自動化的特征和優勢，極大地便利了檢測、控制、保護等功能作用的發揮，促進高效節能目標的實現。其次，變頻控制電路方面，當前大部分變頻調速裝置均實現了自動化全方位控制，但是仍然具有較大的提升空間，因此在接下來的時間里，要加強科學技術創新應用，以便于更高效地控制變頻電路。再次，矢量控制技術方面，未來一段時間里，矢量控制技術將是高性能電機的主要控制技術之一，其主要由PWM技術、參數識別技術、磁通觀測技術等多項學科技術組成，有助于提升開關頻率，將電壓波形改變，保障工業電氣自動化控制水平。最后，網絡配置系統化方面，變頻器由設備層、控制層和信息層等多個層次組成，在接下來的時間里，需要結合用戶實際情況靈活選用針對性的控制系統及網絡配置、協議，進而滿足用戶及企業的個性化、多元化需求。尤其是經過網絡化配置的變頻器，要將其遠程控制、診斷等功能最大化，提升其智能化水平，為變頻調速技術在工業電氣自動化控制中的應用奠定堅實有力的基礎。

結語

綜上所述，變頻調速技術作為現代科學技術的重要產物，當前憑借自身的諸多優勢，被廣泛應用于各個領域當中。將變頻調速技術和工業電氣自動化技術深度融合，發揮變頻調速技術功能與優勢，提高工業電氣自動化設備控制效果，提升工業生產效率，降低資源、能源消耗，降低生產成本，提高經濟效益，最終達到節能減排的目的，推動企業節能環保化發展，促進現代工業良性發展。

作者簡介：單瑩（1985-），女，漢族，山東乳山人，本科，工程師，研究方向：電氣控制。