哈爾濱電工儀表研究所 150028

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但是其發(fā)展速度非?？?，當(dāng)前已經(jīng)廣泛使用在中央空調(diào)系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)等大功率動(dòng)力設(shè)備自動(dòng)控制方面，并取得很好的變頻節(jié)能效果。文章主要分析變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用，希望能為自動(dòng)化控制發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；工業(yè)自動(dòng)化；中央空調(diào)系統(tǒng)

0引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能愈發(fā)優(yōu)越。近些年工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)得到很大的發(fā)展，在工業(yè)中，中央空調(diào)系統(tǒng)在潔凈廠房中廣泛使用，極大地滿足了生產(chǎn)要求和生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范，但是中央空調(diào)系統(tǒng)耗電量比較大，在技術(shù)設(shè)計(jì)中采用變頻調(diào)速技術(shù)，能夠保證電機(jī)的輸出功率隨著負(fù)載的改變而變化，達(dá)到節(jié)能目的。

本文先簡(jiǎn)單分析變頻調(diào)速技術(shù)，進(jìn)而分析變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速技術(shù)概述

在工業(yè)生產(chǎn)中采用先進(jìn)的技術(shù)能夠提高工作效率，降低能源消耗，變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)70年代提出的一種矢量控制理論，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能而出現(xiàn)的技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)廣泛使用在中央空調(diào)系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)等大功率動(dòng)力設(shè)備自動(dòng)控制方面，并取得很好的變頻節(jié)能效果。

該技術(shù)起源比較晚，但是發(fā)展比較迅速，從20世紀(jì)80年代至今，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，范圍越來(lái)越大，再加之，該技術(shù)自身也在不斷地進(jìn)行優(yōu)化，所以其性能也越來(lái)越好，為了能夠該技術(shù)更好的發(fā)揮其性能，相關(guān)研究人員根據(jù)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需要對(duì)其進(jìn)行了更加深入的研究，目前也取得一定成績(jī)。使用該技術(shù)需要幾大部件，這幾個(gè)部件的功能不同，但是相互結(jié)合，所以每一個(gè)部件的作用都不能忽視。其主要部件如下：

第一，自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元。這是變頻調(diào)速技術(shù)中最重要的部件，其主要功能就是查看電動(dòng)機(jī)中的電壓以及電流等參數(shù)是否正常，進(jìn)而全面掌握電動(dòng)機(jī)的所有參數(shù)，為后續(xù)工作提供參數(shù)依據(jù)。這個(gè)部件的作用十分重要，它能夠直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，如果轉(zhuǎn)速精度超出規(guī)定的范圍，它會(huì)反饋給相關(guān)人員，從而提高其應(yīng)用效果。

第二，轉(zhuǎn)矩和磁通比較器（這兩類比較器的作用是將反饋值與參考值分別進(jìn)行對(duì)比，并且每20ms比較一次（比較完成后，通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或者磁場(chǎng)狀態(tài)，從而能夠及時(shí)掌握轉(zhuǎn)矩狀態(tài)和磁場(chǎng)狀態(tài)，為采取相應(yīng)的措施提供依據(jù)。

第三，脈沖優(yōu)化選擇器（具體應(yīng)用時(shí)可選用CycloneIIEP2C5Q 208C8芯片處理信息，選擇完成之后，設(shè)計(jì)O FDM調(diào)制方式的信號(hào)源，并編寫(xiě)5個(gè)模塊組成的電路，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，主要包括星座映射*FFT*插入循環(huán)前綴*緩沖模塊*D/A功能。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用

變頻器可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，其中交直交電壓型變頻器是使用比較廣泛的變頻器，主要包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器、控制電路等。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中能夠滿足生產(chǎn)需求，目前變頻調(diào)速器中使用的Cyclone-II器件一般采用的是300 mm的晶圓，制造速度比較快速，這項(xiàng)技術(shù)在使用中采用最小化硅區(qū)，所需花費(fèi)與專用的集成電路成本相差不大。高性能的變頻調(diào)速器主要是滿足不同工程的需求，硬件結(jié)構(gòu)包括帶能量回饋單元變頻器、獨(dú)立式變頻器等，其中獨(dú)立式變頻器使用比較廣泛，本文主要分析變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1 變頻調(diào)速原理

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

n=60f（1-s）/p=no（1-s），

式中：

n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

f為供電頻率，Hz；

s為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，r/min。

從這個(gè)公式中可以看到，在s變化不大的影響下，n與f呈現(xiàn)正比例關(guān)系，改變電源頻率f就能達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的效果。在分析異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速中，希望磁通量Φm保持不變，若是磁通量太弱，電子力矩不夠強(qiáng)，影響轉(zhuǎn)速快速改變，若是磁通量過(guò)大，容易東芝勵(lì)磁電流非常大，很容易燒壞電機(jī)。

釘子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值

Eg=4.44f1N1KN1Φm，

f1、N1、KN1、Φm分別代表定子頻率、串聯(lián)匝數(shù)、繞組系數(shù)、磁通量等。

從公式中可以看到，只要Eg和定子頻率得到控制，就控制了磁通量。

2.2 中央空調(diào)系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)耗費(fèi)大量的功率，存在很多的問(wèn)題。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，冷卻水泵電機(jī)功率依照最大換熱量計(jì)算，但是在很多情況下，開(kāi)機(jī)數(shù)目嚴(yán)重不足，實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)容量。在冷凍水系統(tǒng)方面，冷凍水泵的作用是將冷凍水送往各組合式空調(diào)器的表冷單元熱交換后送至各送風(fēng)口，達(dá)到降溫目的，也是根據(jù)最大制冷量來(lái)設(shè)計(jì)的，目前冷凍水泵做了很多的無(wú)用功，除了這些之外，水泵在使用中存在頻繁開(kāi)啟的問(wèn)題。

2.3 中央空調(diào)變流量節(jié)能原理分析

針對(duì)以上中央空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際使用中存在的問(wèn)題，擬采用變頻調(diào)速技術(shù)改進(jìn)中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到變頻節(jié)能目的。當(dāng)前企業(yè)所采用的電力為三相交流電，輸送的水量和風(fēng)量恒定，難以實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能目的，在很多場(chǎng)合下，要求具有不同的物體流量，要滿足這個(gè)要求就需要供給不同的流量，若采用聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，采用手動(dòng)方式，同樣能夠達(dá)到節(jié)能目的，但是顯然存在很大的工作強(qiáng)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

在現(xiàn)代工業(yè)中，中央空調(diào)系統(tǒng)占了很大的部分，空調(diào)設(shè)備監(jiān)控包括主機(jī)、處理器、變通量等信息的變化，主機(jī)的控制依照冷量的需求，控制運(yùn)行的臺(tái)數(shù)和時(shí)間，這是步進(jìn)式的變通量運(yùn)行。

目前中央空調(diào)監(jiān)控體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)視空調(diào)主機(jī)、冷凍水泵等，僅僅能夠維持現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，采用變頻調(diào)速技術(shù)能夠很好的解決這些問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的組轉(zhuǎn)矩TL是固定的，因此功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以表示為：

PL=T1n/9 550，

采用變頻調(diào)速技術(shù)能夠降低運(yùn)行頻率達(dá)到技能目的。

2.4 變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

中央空調(diào)系統(tǒng)在應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)中可以采用兩種控制方式，以壓差為主的控制方式考慮到了負(fù)荷的因素，以溫差為主的控制方式非常適合空調(diào)的變頻改造，無(wú)需在各支路增加電動(dòng)和調(diào)節(jié)閥，保證了系統(tǒng)的安全性，改造費(fèi)用低、施工難度小、維護(hù)保養(yǎng)非常方便，因此在改造中采用以溫度控制為主，保持原有的中央空調(diào)系統(tǒng)，增加熱泵機(jī)組、熱交換器以及熱水罐等設(shè)備，形成完整的自動(dòng)化控制體系。

冷凍水泵的變頻在設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)溫度傳感器和變頻器組成控制系統(tǒng)，控制冷凍水的出水溫度和回水溫度。冷凍水泵電動(dòng)器采用軟啟動(dòng)方式，設(shè)定頻率為45 Hz，冷溫水系統(tǒng)最低運(yùn)行頻率設(shè)定為30 Hz，控制溫差，溫差相差超過(guò)5 ℃時(shí)，能夠直接切換頻率，保證供回水溫度接近最優(yōu)值。冷凍水泵變頻控制見(jiàn)圖1所示，冷凍水泵正常運(yùn)行后，操作人員啟動(dòng)第二臺(tái)主機(jī)，確定冷卻水閥門和冷凍水閥門開(kāi)啟后，同樣以軟啟動(dòng)的方式開(kāi)啟第二臺(tái)冷凍水泵。第二臺(tái)水泵正常運(yùn)行后，如果空調(diào)主機(jī)制冷量大于實(shí)際需求，立刻停止主機(jī)。

冷卻水泵的變頻控制信號(hào)以冷卻水進(jìn)出口溫度差表示，在大于設(shè)定值的情況下，將會(huì)提高頻率，頻率隨著設(shè)定值的改變而相應(yīng)的改變，設(shè)定變

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