高占全

國(guó)家新聞出版廣電總局723臺(tái) 河北省 石家莊市 050800

數(shù)字變頻技術(shù)在廣播發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用

高占全

國(guó)家新聞出版廣電總局723臺(tái) 河北省 石家莊市 050800

本文簡(jiǎn)要介紹了變頻器的工作原理和交流電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電電源頻率的關(guān)系，利用變頻器加自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)水溫實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷凝器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到保護(hù)發(fā)射機(jī)和節(jié)能降耗的效果。

數(shù)字變頻 調(diào)速 電機(jī) 應(yīng)用

引言

變頻器（frequency changer/frequency converter）是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。數(shù)字變頻技術(shù)是近年來國(guó)際電子技術(shù)領(lǐng)域全面開發(fā)和應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)，它采用新型變頻器，將50Hz的固定供電頻率轉(zhuǎn)換為30～130Hz的變化頻率，實(shí)現(xiàn)電器控制運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和提高效率的目的。變頻器通常包含3個(gè)組成部分：整流器（rectifier）、逆變器（Inverter）和直流部分（DC）。其中，整流器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，逆變器將直流電再轉(zhuǎn)換成所需頻率的交流電。除了這2個(gè)部分之外，變頻器還可能包含變壓器和電池。其中，變壓器用來改變電壓并可以隔離輸入/輸出的電路，電池用來補(bǔ)償變頻器內(nèi)部線路上的能量損失。不同的變頻器能夠處理的電源功率是不一樣的，從幾瓦到幾兆瓦不等。變頻器原理，如圖1所示。

圖1 變頻器原理

變頻器用于家電產(chǎn)品，使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，主要利用變頻器的變頻功能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)領(lǐng)域所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位r/min，每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm，例如：4極電機(jī)60Hz 1，800[r/min]，4極電機(jī) 50Hz 1，500[r/min]，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例（n=60f/p，n：同步速度，f：電源頻率，p：電機(jī)極數(shù)），感應(yīng)式交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的，由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)），因此，不適合改變?cè)撝祦碚{(diào)整電機(jī)的速度。此外，頻率是電機(jī)供電電源的電信號(hào)，該值能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，因而，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以被自由的控制。以控制頻率為目的的變頻器，是電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)先選擇。

圖2 變頻器內(nèi)部組成

1 數(shù)字變頻器的主要功能

通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作變頻器。數(shù)字變頻器 （digtalVariable-frequencyDrive，DVFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和微處理單元等部分組成，如圖2所示。

通過改變電源的頻率達(dá)到改變驅(qū)動(dòng)電壓的目的，變頻器可以使電機(jī)以較小的啟動(dòng)電流，獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即變頻器可以啟動(dòng)重載負(fù)荷。變頻器可根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。此外，變頻器還有保護(hù)功能，如過流、過壓和過載保護(hù)等等。

數(shù)字變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但使用簡(jiǎn)單，不僅應(yīng)用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在到各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

2 數(shù)字變頻器節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

發(fā)射機(jī)冷凝器風(fēng)機(jī)使用數(shù)字變頻器的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能耗，其次可延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命。數(shù)字變頻器節(jié)能的實(shí)現(xiàn)：一是改善功率因數(shù)；二是通過減少電機(jī)的速度，減少輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而減少輸入功率。

使用數(shù)字變頻器后之所以能節(jié)能，其主要原因是功率因數(shù)得到改善，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的無功功率，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，其對(duì)電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗。電機(jī)在工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)是0.8左右，采用變頻器后，功率因數(shù)可提高到0.90以上。根據(jù)三相電機(jī)功率計(jì)算公式：P＝1.732×UI×cosφ，其中U是線電壓，I是相電流?？梢姡?dāng)輸入功率一定時(shí)，增加變頻器后，由于功率因數(shù)（cosφ）提高了，使有效功率增大，提高了風(fēng)機(jī)的效率。

根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率公式：n=60f/p，式中n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；60為每分鐘（秒）；f為電源頻率（Hz）；p為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。

我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為f=50Hz，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速的大小只與磁極對(duì)數(shù)有關(guān)。磁極對(duì)數(shù)多，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速就低。極對(duì)數(shù)P=1時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n=3000；極對(duì)數(shù)P=2時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n=1500；極對(duì)數(shù)P=3時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n= 1000；極對(duì)數(shù)P=4時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n=750；極對(duì)數(shù)P=5時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n=600。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)公式n=60f/p可知：改變頻率f就可改變轉(zhuǎn)速，降低頻率↓f，轉(zhuǎn)速就變小，即60f↓/p=n↓，增加頻率↑f，轉(zhuǎn)速就加大：即60f↑/p=n↑。

任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是電流和磁通相互作用的結(jié)果，電流是不允許超過額定值的，否則將引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。因此，如果磁通減小，電磁轉(zhuǎn)矩也必然減小，導(dǎo)致帶載能力降低。

圖3 控制原理

由公示e=4.44×k×f×n×Ф（其中：e是定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，f是電源頻率，n為繞組線圈匝數(shù)，k為繞組分布系數(shù)，Ф為磁通量）可以看出，在變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁路隨著運(yùn)行頻率fx在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，它極容易使電動(dòng)機(jī)的磁路嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流的波形嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生峰值很高的尖峰電流。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)，控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種控制方式多用于風(fēng)機(jī)、泵類數(shù)字變頻器。

當(dāng)電機(jī)工作頻率和電壓下降時(shí)，電機(jī)的額定功率也會(huì)下降，而且是與頻率成正比的下降；假如10KW電機(jī)，節(jié)能型變頻頻率25Hz，額定功率是原值的一半，也就是5KW，功率可節(jié)省1/2。

數(shù)字變頻器自帶軟啟動(dòng)節(jié)能，風(fēng)機(jī)在工頻電源供電時(shí)，起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，當(dāng)使用數(shù)字變頻器供電時(shí)，沖擊就會(huì)減弱很多。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)電流，大的啟動(dòng)電流不僅浪費(fèi)電力，對(duì)電網(wǎng)的損害也很大，增加了線損和變損。國(guó)產(chǎn)DF100A型100KW短波發(fā)射機(jī)上用到的電機(jī)很多，冷凝器風(fēng)機(jī)最適合使用變頻器進(jìn)行控制。由于北方發(fā)射臺(tái)，一年四季及晝夜溫差極大，發(fā)射機(jī)冷卻純水的溫度也隨季節(jié)和晝夜發(fā)生改變，但冷凝器風(fēng)機(jī)一直保持工頻（50Hz）恒速，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)同樣速度運(yùn)轉(zhuǎn)溫度低時(shí)白白消耗電能，溫度高時(shí)又由于散熱不充分水溫過高掉高壓。為此，設(shè)計(jì)了利用水溫控制變頻器的頻率輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，溫度越高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，達(dá)到水溫恒定。同時(shí)，可以利用plc或工控機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)溫度過低時(shí)，發(fā)射機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)并自動(dòng)啟動(dòng)水泵防止凍壞冷凝器，如圖3所示。

具體實(shí)施辦法有兩種，都需把水溫表由模擬指針換成數(shù)字指針。第一種方法針對(duì)發(fā)射機(jī)無加裝自動(dòng)化，可購(gòu)買帶plc功能的變頻器，通過對(duì)plc的編程實(shí)現(xiàn)水溫實(shí)時(shí)控制變頻器頻率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。第二種方法針對(duì)發(fā)射機(jī)加裝自動(dòng)化，可直接在工控機(jī)上加裝外掛程序?qū)崿F(xiàn)水溫實(shí)時(shí)控制變頻器頻率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。水溫在環(huán)境溫度最高時(shí)，風(fēng)機(jī)工頻頻率工作下不越限，只考慮溫度低時(shí)降頻達(dá)到節(jié)能降耗的目的。如果室溫最高時(shí)水溫越限，就要更換高頻電機(jī)，保證高頻（50Hz以上）時(shí)電機(jī)運(yùn)行正常。溫度過低時(shí)，水泵自啟動(dòng)可以在發(fā)射機(jī)控制回路1K3三相電進(jìn)出兩端，并接一個(gè)受plc或工控機(jī)控制的繼電器，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，繼電器吸合電源接通水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

水溫和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及啟動(dòng)水泵的對(duì)應(yīng)值，見表1。

表1 水溫和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及啟動(dòng)水泵的對(duì)應(yīng)值

具體數(shù)值可根據(jù)在不同地域、季節(jié)及環(huán)境溫度的實(shí)驗(yàn)中取得，并且留有一定的富裕量，保證冷凝器散熱充分。當(dāng)自動(dòng)控制失靈時(shí)，可以甩開溫控直接在變頻器面板輸入所需的輸出頻率，同時(shí)在變頻器上加裝三相開關(guān)K1、K2，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)K1閉合，K2打開；緊急故障時(shí)K1打開，K2閉合，把變頻器甩開保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用數(shù)字變頻器控制后，高溫時(shí)加大送風(fēng)量，有效降低了水溫，防止水溫過高掉高壓，保護(hù)了機(jī)器；低溫時(shí)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，起到了防凍、節(jié)能和減少風(fēng)機(jī)維護(hù)的效果。此外，在溫度過低發(fā)射機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵，防止出現(xiàn)凍壞冷凝器造成維護(hù)不周的停播事故。電臺(tái)內(nèi)的其他送風(fēng)降溫設(shè)備和恒壓供水等也可以采用變頻器控制，達(dá)到恒定及節(jié)能降耗的目的。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字變頻器在冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用后，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，較為穩(wěn)定可靠，達(dá)到了節(jié)約能源的設(shè)計(jì)目的，可以為發(fā)射臺(tái)起到節(jié)約效果。通過以上數(shù)字變頻技術(shù)在廣播發(fā)射機(jī)等相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)，確實(shí)起到精確控制和節(jié)能降耗的實(shí)際效果。此項(xiàng)技術(shù)可以廣泛在廣電相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，能夠不斷推動(dòng)技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展。

審稿人：嚴(yán)志剛 內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái) 正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

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2096-0751（2017）03-0017-04

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