馬錦源

【摘要】變頻調(diào)速技術(shù)具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣泛且最具發(fā)展前途的一種調(diào)速方式。本文簡單介紹了變頻調(diào)速的工作原理、發(fā)展階段及現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù)；階段；應(yīng)用；恒壓供水系統(tǒng)

變頻調(diào)速技術(shù)，是一項(xiàng)以電力電子器件制造技術(shù)、微處理器技術(shù)、PWM控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論發(fā)展為基礎(chǔ)的技術(shù)。其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速在交流調(diào)速技術(shù)中具有絕對優(yōu)勢，且其調(diào)速性能與可靠性不斷完善，變頻調(diào)速節(jié)電效果更加明顯，適用范圍廣泛，在工業(yè)自動化領(lǐng)域起著越來越重要的作用，并已滲透到社會經(jīng)濟(jì)的各個(gè)角落。所以在世界能源緊缺的今天，推廣交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，有著非常積極的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及社會價(jià)值。

一、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1.發(fā)展歷程

從20世紀(jì)60年代末至90年代，變頻器的控制方法大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，每一個(gè)階段都推出了一個(gè)更先進(jìn)的控制理論，在技術(shù)上都有一個(gè)突破性進(jìn)展[1]。第一代變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是以恒壓頻比或變壓變頻（VVVF）控制方式為理論基礎(chǔ)的變頻調(diào)速。 可以通過改變電機(jī)的供電頻率在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但系統(tǒng)中并沒有嚴(yán)格的磁通控制，所以此階段對系統(tǒng)的控制是粗略的。第二代變頻調(diào)速是以矢量控制理論為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速系統(tǒng)?？刂妻D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)瞧浠军c(diǎn)，以轉(zhuǎn)子磁通定向，分解定子電流，使其成為磁場和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)解耦控制或正交。 但是，由于矢量變換的復(fù)雜性以及轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，使實(shí)際控制效果通常難以達(dá)到理論分析效果，成為矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。第三代是以直接轉(zhuǎn)矩控制理論為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制的主要對象是對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行綜合控制，與矢量控制的區(qū)別是它不是通過控制磁鏈和電流等變量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制。此控制理論的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不僅控制轉(zhuǎn)矩也用于對磁鏈的控制，其各項(xiàng)指標(biāo)都更加優(yōu)越。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

電氣傳動系統(tǒng)可分為不調(diào)速和調(diào)速兩大類，不調(diào)速電動機(jī)直接由電網(wǎng)供電，調(diào)速又分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種方式[2]。電氣傳動控制系統(tǒng)一般由電動機(jī)、信息裝置和控制裝置三部分組成。但是，隨著電子電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，原本不調(diào)速的機(jī)械被改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質(zhì)量以及提高產(chǎn)量。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已成為交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快、國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速技術(shù)。

（1）國外現(xiàn)狀

近十年內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)得以高速發(fā)展，主要由以下幾個(gè)方面因素決定：

①市場有大量需求

②功率器件發(fā)展迅速

③控制理論和微電子技術(shù)的支持

（2）國內(nèi)現(xiàn)狀

改革開放以來，國內(nèi)在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用合資企業(yè)和外國進(jìn)口公司的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供了一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。但是，由于國內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴(yán)重。總體上，我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平存在10～15年的差距[3]。特別是系統(tǒng)可靠性及數(shù)字化方面與國外還有較大差距。目前國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下：

①變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，缺乏技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模；

②變頻器產(chǎn)品所用的半導(dǎo)體功率器件制造業(yè)幾乎是空白；

③配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后；

④產(chǎn)銷量較少，工藝水平及可靠性不高。

二、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

目前，就我國變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)上的應(yīng)用而言，總體上是一個(gè)低級到高級的過程，即由試驗(yàn)到實(shí)用，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由小范圍到大范圍，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動控制到自動控制的過程。我國的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已取得顯著成績，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

（1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已逐步擴(kuò)大

以石油、石化、電力節(jié)能系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、冶金以及機(jī)械等行業(yè)為例，都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段[4]。如九江石油化工廠和廣東茂名石化公司已引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了顯著效果。

（2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施

變頻調(diào)速技術(shù)是技術(shù)含量很高的機(jī)泵節(jié)能運(yùn)行技術(shù)，2009年，通過對安裝在黃山水廠、江河清水廠等油田水廠泵站的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，供水壓力恒定在0.33MPa，到目前為止運(yùn)行狀況良好實(shí)施后黃山水廠節(jié)能28%、江河水廠節(jié)能30%，節(jié)能效果明顯。采用變頻裝置后，包鋼1150軋機(jī)年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)間的0.1%以下，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，年節(jié)約電費(fèi)約50萬元。在電力系統(tǒng)節(jié)能方面，交流變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)提高控制精度、改善生產(chǎn)工藝等方面也有廣泛實(shí)際應(yīng)用。交流電力拖動具備較高調(diào)速精度、較寬調(diào)速范圍、較快動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。因此在電力系統(tǒng)中，不僅在節(jié)能方面需要變頻器，許多需要精確控制壓力、液位及流量的場所都需要。

（3）發(fā)電廠的應(yīng)用

在發(fā)電廠中，水泵和風(fēng)機(jī)是主要的耗電設(shè)備，且由于容量大、耗電多，加上這些設(shè)備都是長期運(yùn)行和常常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，具有巨大節(jié)能潛力。通過變頻調(diào)速技術(shù)下調(diào)電機(jī)的運(yùn)行速度，可達(dá)到顯著的節(jié)能效果。水泵和風(fēng)機(jī)用電量是發(fā)電廠的主要部分，如果這一部分能源得以節(jié)約，會極提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用

恒壓供水是利用高壓變頻器對水泵電動機(jī)進(jìn)行變頻控制，以此用來實(shí)現(xiàn)供水流量的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。在變頻恒壓供水方式下，可正確推算當(dāng)天的供水量，從而合理調(diào)配工頻車運(yùn)行車次。通過控制變頻機(jī)組運(yùn)行頻率在合理的范圍內(nèi)，使每臺水泵都處于高效區(qū)運(yùn)行狀態(tài)，壓縮富裕水頭；根據(jù)供水量的變化情況和變頻機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行頻率，及時(shí)調(diào)整，使不同的供水壓力段，均能將能量損失降低到最小，且使運(yùn)行工況平穩(wěn)可靠[5]。

三、結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)具有高效性、精確性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、發(fā)電和石油化工等多種工業(yè)領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。在世界能源日益枯竭的今天，結(jié)合我國國情開發(fā)自己的產(chǎn)品，積極開展變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，加快變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用，具有十分重要的意義，有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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[2]熊幸明.變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（19）：65-68.

[3]趙相賓.談我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電氣傳動，2002（2）：18-20.

[4]孟憲軍.變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（25）：38-40.

[5]郝淑榮.變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與分析[J].電器開關(guān)，2012 （2）：79-83.