汪 浩

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動(dòng)化分公司，山東 濟(jì)南 271104）

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)展到鋼鐵、冶金、機(jī)械制造、化工、石油、汽車(chē)、電力等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而且在對(duì)電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的同時(shí)，能夠節(jié)省大量的電力能源，這就給工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本。另外，由于變頻調(diào)速技術(shù)具有運(yùn)行噪音低、機(jī)械損耗小、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)，因此，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也逐步突顯出來(lái)。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理

變頻器是變頻調(diào)速技術(shù)的核心單元，通過(guò)變頻器可以把50Hz或者60Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換成為各種不同頻率的交流電源，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變速運(yùn)行。其工作原理主要是整流電路將交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，同時(shí)，逆變電路將直流電再逆變成交流電，進(jìn)而使電氣設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。按照主電路的工作方式劃分，變頻器主要分為電壓型變頻器與電流型變頻器，在交流（直流）電機(jī)中的工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器在交流（直流）電機(jī)中的工作原理

以交流異步電動(dòng)機(jī)為例，在計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速時(shí)主要運(yùn)用下面的數(shù)學(xué)計(jì)算式：n=60f（1-s）/p，在公式當(dāng)中，n代表交流異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，f代表輸入的電源頻率，s代表電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p代表電機(jī)的極對(duì)數(shù)。從公式當(dāng)中的各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系可以看出，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的極對(duì)數(shù)能夠完成變極調(diào)速，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率能夠完成串級(jí)調(diào)速，通過(guò)調(diào)整輸入的電源頻率能夠完成變頻調(diào)速。原有交流發(fā)動(dòng)機(jī)的工頻為50Hz的交流電，經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速以后，這一工頻交流電的頻率與幅值都可以得到相應(yīng)的調(diào)整而轉(zhuǎn)變成為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的交流電，這一過(guò)程既能夠節(jié)省電力能源，而且也會(huì)大幅降低電動(dòng)機(jī)的故障率[1]。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染

諧波對(duì)電網(wǎng)的危害性不言而喻，一方面，諧波的產(chǎn)生可以加快設(shè)備的過(guò)熱速度，進(jìn)而使電氣設(shè)備絕緣老化，縮短使用壽命，嚴(yán)重的還可能造成設(shè)備燒毀。另一方面，諧波極易對(duì)繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置造成影響，而出現(xiàn)誤動(dòng)作，使電能計(jì)量工作無(wú)法正常進(jìn)行。但是，變頻調(diào)速技術(shù)可以排除這些干擾因素，主要是由于系統(tǒng)內(nèi)部的具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)大幅降低了輸出側(cè)的電流諧波，進(jìn)而使功率因數(shù)得以提高，在這種情況之下，不需要其他濾波的或者功率因數(shù)的補(bǔ)償，這就從源頭遏制了諧波的產(chǎn)生。

2.2 防護(hù)性能優(yōu)越

在電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，常常出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象，一旦電流超過(guò)限定值以后，電動(dòng)機(jī)將嚴(yán)重受損，進(jìn)而影響了電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而變頻調(diào)速技術(shù)可以功能較為完善，并且能夠有效抑制過(guò)電流現(xiàn)象的產(chǎn)生。比如對(duì)于超過(guò)200%額定電流峰值的電流，可以進(jìn)行瞬間過(guò)流保護(hù)，瞬間發(fā)生時(shí)間僅為10μs，超過(guò)150%額定電流峰值的電流，可以3s之內(nèi)完成動(dòng)作有效過(guò)流保護(hù)，而對(duì)于超過(guò)120%額定電流峰值的電流，可以在1min之內(nèi)完成過(guò)載保護(hù)，這就大大降低了電動(dòng)機(jī)的故障率。

2.3 節(jié)能降噪效果好

變頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的均勻調(diào)速，在速度調(diào)節(jié)過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)忽快忽慢的現(xiàn)象，而且擋板與閥門(mén)始終處于全開(kāi)狀態(tài)，這就節(jié)省了大量的電力能源。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率從50Hz或者60Hz降到40Hz以后，電機(jī)的運(yùn)行速度得到均勻控制，運(yùn)行噪聲也顯著下降，在運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)之前，電機(jī)的運(yùn)行噪聲達(dá)到100dB以上，而引入變頻調(diào)速技術(shù)以后，運(yùn)行噪聲將降到80dB以下，當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的噪聲值將下降至65dB以下，現(xiàn)場(chǎng)工作人員幾乎聽(tīng)不到機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音。

2.4 機(jī)械磨損度小

眾所周知，工業(yè)電氣設(shè)備始終處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在這種情況下，設(shè)備的內(nèi)部元器件之間將出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，如果不能及時(shí)采取維修保養(yǎng)措施，那么電氣設(shè)備的使用壽命將受到嚴(yán)重影響，而運(yùn)用變頻調(diào)速主完全可以避免這種情況的發(fā)生。究其原因是在轉(zhuǎn)速得到合理控制以后，設(shè)備的振動(dòng)頻率下降，內(nèi)部元器件的磨損度也將大幅下降，這就減少了設(shè)備的檢修與保養(yǎng)頻次，進(jìn)而給工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的檢修費(fèi)用。比如對(duì)于液力偶合器來(lái)說(shuō)，在運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)之前，每年的維修費(fèi)用在5萬(wàn)元左右，而運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)后，維修成本將有效控制在2000—5000元的范圍之內(nèi)[2]。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的具體應(yīng)用

3.1 在電氣設(shè)備減速區(qū)段低速控制中的應(yīng)用

電氣設(shè)備減速區(qū)段的安全性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，如果電氣設(shè)備在該區(qū)段出現(xiàn)超臨界值運(yùn)行的情況，將極易埋下重大的安全隱患。為了有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保證工業(yè)生產(chǎn)的各道工序能夠順利進(jìn)行，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)可以利用變頻器與PLC（可編程邏輯控制器）對(duì)減速區(qū)段的速度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督與有效控制，如果在監(jiān)控過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)減速頻率出現(xiàn)異常狀況，或者運(yùn)行速度已經(jīng)超過(guò)臨界值，應(yīng)當(dāng)及時(shí)查找出產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因，并快速啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急機(jī)制。與此同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)高度重視安全值與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄與核對(duì)工作，一旦發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的運(yùn)行速度與安全數(shù)值存在較大的出入，那么應(yīng)及時(shí)向終端控制平臺(tái)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便于對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行合理控制，在電氣設(shè)備減速區(qū)段低速控制中的應(yīng)用原理如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速技術(shù)在電氣設(shè)備減速區(qū)段低速控制中的應(yīng)用原理

3.2 在深度指示器保護(hù)控制中的應(yīng)用

深度指示器主要是用來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備的一種防護(hù)裝置，但是，在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，由于井下提升裝置運(yùn)轉(zhuǎn)頻率高，因此，深度指示器極易出現(xiàn)故障，在這種情況下，深度指示器的保護(hù)功能也將喪失。而變頻調(diào)速技術(shù)在保護(hù)深度指示器方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。一方面，技術(shù)人員可以基于對(duì)液壓缸的平衡性的考慮，對(duì)深度指示器進(jìn)行有效控制，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)能夠得到精確調(diào)節(jié)，一旦提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度超過(guò)臨界值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，這時(shí)，技術(shù)人員可以第一時(shí)間采取故障排除措施，進(jìn)而保障提升設(shè)備能夠始終處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。另一方面，通過(guò)運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)，可以對(duì)采集到的脈沖信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)分析與處理，如果脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)異常，則說(shuō)明深度指示器運(yùn)行狀態(tài)中止，而電氣設(shè)備的防護(hù)功能也將無(wú)法正常開(kāi)啟，這時(shí)，技術(shù)人員需要及時(shí)做出反應(yīng)，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢查，以確定設(shè)備是否處于爬行區(qū)。如果確定該設(shè)備在爬行區(qū)域，在變頻調(diào)速作用下，深度指示器將直接向系統(tǒng)終端發(fā)生預(yù)警信號(hào)，這就給故障排除節(jié)省了大量時(shí)間。

3.3 在自適應(yīng)電機(jī)模型中的應(yīng)用

自適應(yīng)電機(jī)模型可以對(duì)電機(jī)的輸入電壓參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而快速掌握電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常，該模型單元可以向終端操作平臺(tái)發(fā)送預(yù)警信號(hào)。而變頻調(diào)速技術(shù)在這一模型單元中的有效運(yùn)用，可以將轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，這樣可以節(jié)省大量的電力能源。另外，為了提高工業(yè)電氣自動(dòng)化控制水平，當(dāng)自適應(yīng)電機(jī)模型單元與變頻器相連接以后，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)，這就給正常工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的展開(kāi)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐[3]。

3.4 在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備中的應(yīng)用

在各類(lèi)風(fēng)機(jī)與泵類(lèi)設(shè)備中，變頻調(diào)速技術(shù)也得普遍應(yīng)用，比如以水泵為例，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，水泵的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，應(yīng)用頻率較高。但是，在運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)之前，水泵的運(yùn)行速度、水流量以及壓力等參數(shù)無(wú)法控制在合理范圍之內(nèi)，以至于耗費(fèi)了大量的電力能源，進(jìn)而增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。尤其在運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)之前，交流水泵電機(jī)一般處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在這種狀態(tài)之下，出口閥與調(diào)節(jié)閥無(wú)法對(duì)水的流量與壓力進(jìn)行有效控制。因此，需要采取人工調(diào)節(jié)的方式，來(lái)增加阻力與回流，在這一過(guò)程當(dāng)中，造成了大量能量與能源的損失。影響電機(jī)運(yùn)行速度的主要參數(shù)包括流量、總揚(yáng)程以及總功率，其中流量與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出線性關(guān)系，總揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出平方關(guān)系，而軸功率與轉(zhuǎn)速則呈現(xiàn)出立方關(guān)系，在水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際揚(yáng)程將產(chǎn)生一個(gè)高低差，揚(yáng)程越小，則轉(zhuǎn)速越均勻，節(jié)能效果也就越好?；谶@一理論，如果運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)，當(dāng)工頻為50Hz時(shí)，電機(jī)處于滿載運(yùn)行，這時(shí)，功率因數(shù)與1最為接近，而工作電流比電機(jī)額定電流值要低的多，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出一個(gè)結(jié)論，即運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)能夠節(jié)省大約20%的用電量。

比如對(duì)于一臺(tái)功率為800KW的凝結(jié)水泵來(lái)說(shuō)，如果將電機(jī)改造成為變頻無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，那么每一個(gè)年度的總耗電量將減少200萬(wàn)KW/h左右，換算成節(jié)電率大概在45%以上，如果按照0.334元/（KW?h）的電價(jià)計(jì)算，每個(gè)年度節(jié)約的電量費(fèi)用高達(dá)66.8萬(wàn)元。由此可以看出，變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備方面的有效運(yùn)用，不僅可以節(jié)省大量的電力能源，而且也為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)步增長(zhǎng)注入了源源不斷的內(nèi)動(dòng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著變頻器功能性的日漸完善，變頻調(diào)速技術(shù)水平也逐年提升，在這一利好形勢(shì)下，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分利用變頻器的功能優(yōu)勢(shì)，并始終將“節(jié)能降耗、降本增效”作為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)理念，不斷對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并依托于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，來(lái)推進(jìn)工業(yè)電氣自動(dòng)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，在為企業(yè)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的同時(shí)，助力我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)。