韓 旺，聶昌益，陳 乾

（中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074）

交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當(dāng)今國際上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣的新技術(shù)。它采用微機(jī)控制、電力電子技術(shù)及電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機(jī)的無級(jí)調(diào)速功能。目前在國 內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，是自動(dòng)化電力傳動(dòng)的發(fā)展方向。

1 變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介

電廠化水車間泵站擔(dān)負(fù)著恒壓供水的重要任務(wù)，大量的電能消耗在水泵負(fù)載上，為了完成工作中的一些必須任務(wù)從而所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，提高泵站效率、降低能耗，對(duì)節(jié)省廠用電有重大意義，而變頻器控制是目前較為先進(jìn)的節(jié)能系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)水壓、調(diào)節(jié)水泵頻率，并結(jié)合PLC控制能很好地達(dá)到提高效率、降低能耗的效果。

變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。

從圖1中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，得出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。好地達(dá)到提高效率、降低能耗的效果。在交流調(diào)速領(lǐng)域中,隨著高開關(guān)頻率的功率器件 （如IGBT、MOSFET等）出現(xiàn),脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)取代了老式相控技術(shù),一躍占據(jù)了主導(dǎo)地位。在眾多PWM技術(shù)中,電壓空間矢量PWM（也稱為磁鏈跟蹤PWM）調(diào)制具有比較顯著的優(yōu)點(diǎn):電流諧波少,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,噪聲低。

圖1 變頻恒壓控制原理圖

1.2 系統(tǒng)主要設(shè)備

（1）變頻器。變頻器是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

（2）可編程邏輯控制器?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器（PLC）具有通用性和靈活性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程語言簡單、安裝簡單、維修方便等特點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)過程

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)、PLC及壓力儀表3大部分構(gòu)建而成。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程主要有減泵過程與加泵過程。

2 PWM變頻調(diào)速在農(nóng)業(yè)噴灌中的應(yīng)用

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)中的泵都是以全速方式運(yùn)行,但隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,各種先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,如把PWM變頻器引進(jìn)噴灌系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)泵的運(yùn)行速度由實(shí)際用水量大小來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。這種運(yùn)行方式與傳統(tǒng)的全速運(yùn)行方式相比,節(jié)約了大量的電能,降低了生產(chǎn)成本,還使農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

2.1 噴灌系統(tǒng)中泵的特性

噴灌系統(tǒng)中泵負(fù)載是一種減轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí),其負(fù)載轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速的2次方成比例地減小,而負(fù)載所需的軸功率P與速度的3次方成正比,即泵在運(yùn)行時(shí)其軸功率為：P=

其中，Q為流量m3/s；H為全揚(yáng)程m；K為常數(shù)；η為泵的效率；P為泵的軸功率（kW）。

圖2 泵的負(fù)載特性

2.2 工作原理

采用PWM的噴灌系統(tǒng)的工作原理如下，水泵抽水時(shí)，壓力傳感器將檢測(cè)到的噴灌供水管網(wǎng)上的壓力信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將該信號(hào)處理后傳給變頻器，使變頻器輸出的頻率、電壓發(fā)生變化，從而使泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。當(dāng)開的噴頭多時(shí)，所需的出水量增大，管網(wǎng)的壓力低于設(shè)定的壓力，變頻器輸出的頻率將增大，使泵的轉(zhuǎn)速提高，加大供水量當(dāng)噴頭開得少時(shí)，所需的出水量減小，管網(wǎng)的壓力大于設(shè)定的壓力，變頻器輸出的頻率將減小，使泵的轉(zhuǎn)速降低，減小供水量；當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)，轉(zhuǎn)速不再改變。這樣反復(fù)循環(huán)，使管網(wǎng)水壓保持在一個(gè)設(shè)定的壓力上。

PWM還可以與濕度傳感器配合使用，當(dāng)土層濕度小于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到濕度傳感器信號(hào)后，向變頻器發(fā)出水泵啟動(dòng)指令，啟動(dòng)水泵運(yùn)行，給作物進(jìn)行噴灌；當(dāng)土層濕度等于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)向變頻器發(fā)出停機(jī)指令，停止噴灌。把農(nóng)作物不同時(shí)期所需的濕度數(shù)據(jù)輸人電腦，再把濕度傳感器與電腦聯(lián)機(jī)，由電腦來控制變頻器，就可以根據(jù)農(nóng)作物不同時(shí)期對(duì)濕度的要求，全自動(dòng)地給農(nóng)作物進(jìn)行噴灌，從而實(shí)現(xiàn)噴灌的全自動(dòng)化。

2.3 在噴灌系統(tǒng)中應(yīng)用的意義

（1）可以節(jié)約大量電能。圖3為泵的流量Q與揚(yáng)程H的關(guān)系曲線圖。

圖3 泵的流量Q與揚(yáng)程H的關(guān)系曲線圖

當(dāng)減小流量時(shí)，由于閥門開得小，對(duì)水的阻力變大，當(dāng)阻力曲線由R1變成R2時(shí)，揚(yáng)程則由H0上升到H2,流量由Q1減小到Q2，而采用變頻調(diào)速來控制流量時(shí)，由于沒有閥門阻力，流量由Q1減小到Q2，其阻力曲線沒有變,仍然是R1，流量取決于轉(zhuǎn)速,把轉(zhuǎn)速由n1降到n2，即可得到流量Q2，而揚(yáng)程則由H0變?yōu)镠2。由上可知，采用閥門調(diào)節(jié)控制流量所需的軸功率顯然大于采用變頻調(diào)速方式用的軸功率，故采用變頻方式比采用閥門控制方式節(jié)省電能。

（2）由于采用變頻調(diào)速,可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。采用變頻調(diào)速后，不但減小了人工投入，提高了工作效率，而且還使管網(wǎng)的水壓恒定，提高了噴頭噴水的質(zhì)量。

（3）由于變頻器具有對(duì)電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的保護(hù)功能，增強(qiáng)了設(shè)備的安全運(yùn)行，減少了維修開支。

3 結(jié)論

本文主要介紹了交流變頻調(diào)速在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，具體以變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)噴灌中的應(yīng)用為例，闡述了PWM變頻器的優(yōu)點(diǎn)及其的廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)?？刂萍夹g(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步普及，打破了以往直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能調(diào)速天下的格局。

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]牛鴻.關(guān)于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的一些探討[J].變頻器世界，2010.

[3]李晶.矢量控制在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2010.

[4]李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.