汪 浩

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴展到鋼鐵、冶金、機械制造、化工、石油、汽車、電力等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而且在對電氣設(shè)備轉(zhuǎn)速進行精準調(diào)節(jié)的同時，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)具有運行噪音低、機械損耗小、調(diào)節(jié)精度高等特點，因此，在工業(yè)電氣自動化控制中的實際應(yīng)用價值也逐步突顯出來。

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，進而使電動機能夠?qū)崿F(xiàn)變速運行。其工作原理主要是整流電路將交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，同時，逆變電路將直流電再逆變成交流電，進而使電氣設(shè)備能夠正常運轉(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）電機中的工作原理如圖1所示。

圖1 變頻器在交流（直流）電機中的工作原理

以交流異步電動機為例，在計算電動機的輸出轉(zhuǎn)速時主要運用下面的數(shù)學(xué)計算式：n=60f（1-s）/p，在公式當(dāng)中，n代表交流異步電動機的輸出轉(zhuǎn)速，f代表輸入的電源頻率，s代表電動機的轉(zhuǎn)差率，p代表電機的極對數(shù)。從公式當(dāng)中的各個參數(shù)之間的關(guān)系可以看出，對于交流電動機來說，通過調(diào)整電機的極對數(shù)能夠完成變極調(diào)速，通過調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)差率能夠完成串級調(diào)速，通過調(diào)整輸入的電源頻率能夠完成變頻調(diào)速。原有交流發(fā)動機的工頻為50Hz的交流電，經(jīng)過變頻調(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)變成為電動機正常運轉(zhuǎn)的交流電，這一過程既能夠節(jié)省電力能源，而且也會大幅降低電動機的故障率[1]。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢分析

2.1 消除對電網(wǎng)的諧波污染

諧波對電網(wǎng)的危害性不言而喻，一方面，諧波的產(chǎn)生可以加快設(shè)備的過熱速度，進而使電氣設(shè)備絕緣老化，縮短使用壽命，嚴重的還可能造成設(shè)備燒毀。另一方面，諧波極易對繼電保護與自動裝置造成影響，而出現(xiàn)誤動作，使電能計量工作無法正常進行。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)部的具有拓撲結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)大幅降低了輸出側(cè)的電流諧波，進而使功率因數(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)的補償，這就從源頭遏制了諧波的產(chǎn)生。

2.2 防護性能優(yōu)越

在電氣設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，常常出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，一旦電流超過限定值以后，電動機將嚴重受損，進而影響了電氣設(shè)備的正常運轉(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電流現(xiàn)象的產(chǎn)生。比如對于超過200%額定電流峰值的電流，可以進行瞬間過流保護，瞬間發(fā)生時間僅為10μs，超過150%額定電流峰值的電流，可以3s之內(nèi)完成動作有效過流保護，而對于超過120%額定電流峰值的電流，可以在1min之內(nèi)完成過載保護，這就大大降低了電動機的故障率。

2.3 節(jié)能降噪效果好

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

2.4 機械磨損度小

眾所周知，工業(yè)電氣設(shè)備始終處于高負荷運轉(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)嚴重的磨損，如果不能及時采取維修保養(yǎng)措施，那么電氣設(shè)備的使用壽命將受到嚴重影響，而運用變頻調(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，進而給工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的檢修費用。比如對于液力偶合器來說，在運用變頻調(diào)速技術(shù)之前，每年的維修費用在5萬元左右，而運用變頻調(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，保證工業(yè)生產(chǎn)的各道工序能夠順利進行，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）對減速區(qū)段的速度變化情況進行實時監(jiān)督與有效控制，如果在監(jiān)控過程中，發(fā)現(xiàn)減速頻率出現(xiàn)異常狀況，或者運行速度已經(jīng)超過臨界值，應(yīng)當(dāng)及時查找出產(chǎn)生這些問題的主要原因，并快速啟動現(xiàn)場應(yīng)急機制。與此同時，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)高度重視安全值與實際運行數(shù)據(jù)的記錄與核對工作，一旦發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的運行速度與安全數(shù)值存在較大的出入，那么應(yīng)及時向終端控制平臺發(fā)出預(yù)警信號，以便于對運行速度進行合理控制，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 在深度指示器保護控制中的應(yīng)用

深度指示器主要是用來保護電氣設(shè)備的一種防護裝置，但是，在煤炭生產(chǎn)過程中，由于井下提升裝置運轉(zhuǎn)頻率高，因此，深度指示器極易出現(xiàn)故障，在這種情況下，深度指示器的保護功能也將喪失。而變頻調(diào)速技術(shù)在保護深度指示器方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。一方面，技術(shù)人員可以基于對液壓缸的平衡性的考慮，對深度指示器進行有效控制，各項技術(shù)參數(shù)能夠得到精確調(diào)節(jié)，一旦提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度超過臨界值時，系統(tǒng)將自動發(fā)出預(yù)警信號，這時，技術(shù)人員可以第一時間采取故障排除措施，進而保障提升設(shè)備能夠始終處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。另一方面，通過運用變頻調(diào)速技術(shù)，可以對采集到的脈沖信號進行精準分析與處理，如果脈沖信號數(shù)據(jù)異常，則說明深度指示器運行狀態(tài)中止，而電氣設(shè)備的防護功能也將無法正常開啟，這時，技術(shù)人員需要及時做出反應(yīng)，對電氣設(shè)備進行檢查，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，這就給故障排除節(jié)省了大量時間。

3.3 在自適應(yīng)電機模型中的應(yīng)用

自適應(yīng)電機模型可以對電機的輸入電壓參數(shù)進行檢驗，進而快速掌握電機的實際運轉(zhuǎn)狀況，如果發(fā)現(xiàn)運行異常，該模型單元可以向終端操作平臺發(fā)送預(yù)警信號。而變頻調(diào)速技術(shù)在這一模型單元中的有效運用，可以將轉(zhuǎn)矩控制在一個合理的范圍之內(nèi)，這樣可以節(jié)省大量的電力能源。另外，為了提高工業(yè)電氣自動化控制水平，當(dāng)自適應(yīng)電機模型單元與變頻器相連接以后，電機轉(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)活動的展開提供了強大的技術(shù)支撐[3]。

3.4 在風(fēng)機、泵類設(shè)備中的應(yīng)用

在各類風(fēng)機與泵類設(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，在運用變頻調(diào)速技術(shù)之前，水泵的運行速度、水流量以及壓力等參數(shù)無法控制在合理范圍之內(nèi)，以至于耗費了大量的電力能源，進而增加了企業(yè)的經(jīng)濟負擔(dān)。尤其在運用變頻調(diào)速技術(shù)之前，交流水泵電機一般處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在這種狀態(tài)之下，出口閥與調(diào)節(jié)閥無法對水的流量與壓力進行有效控制。因此，需要采取人工調(diào)節(jié)的方式，來增加阻力與回流，在這一過程當(dāng)中，造成了大量能量與能源的損失。影響電機運行速度的主要參數(shù)包括流量、總揚程以及總功率，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，在水泵電機運轉(zhuǎn)時，實際揚程將產(chǎn)生一個高低差，揚程越小，則轉(zhuǎn)速越均勻，節(jié)能效果也就越好?；谶@一理論，如果運用變頻調(diào)速技術(shù)，當(dāng)工頻為50Hz時，電機處于滿載運行，這時，功率因數(shù)與1最為接近，而工作電流比電機額定電流值要低的多，經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證可以得出一個結(jié)論，即運用變頻調(diào)速技術(shù)能夠節(jié)省大約20%的用電量。

比如對于一臺功率為800KW的凝結(jié)水泵來說，如果將電機改造成為變頻無級調(diào)節(jié)，那么每一個年度的總耗電量將減少200萬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）的電價計算，每個年度節(jié)約的電量費用高達66.8萬元。由此可以看出，變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機、泵類設(shè)備方面的有效運用，不僅可以節(jié)省大量的電力能源，而且也為企業(yè)經(jīng)濟效益的穩(wěn)步增長注入了源源不斷的內(nèi)動力。

4 結(jié)語

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，并始終將“節(jié)能降耗、降本增效”作為生產(chǎn)經(jīng)營理念，不斷對變頻調(diào)速技術(shù)進行優(yōu)化和改進，并依托于先進的計算機技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，來推進工業(yè)電氣自動化、智能化發(fā)展進程，在為企業(yè)創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益與社會效益的同時，助力我國的國民經(jīng)濟實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)步增長。