变频调速在工农业中的应用举例

韩 旺，聂昌益，陈 乾

（中国地质大学 机电学院，湖北 武汉 430074）

交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国 内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。

1 变频调速在恒压供水系统中的应用

1.1 变频器恒压供水系统简介

电厂化水车间泵站担负着恒压供水的重要任务，大量的电能消耗在水泵负载上，为了完成工作中的一些必须任务从而所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。因此，提高泵站效率、降低能耗，对节省厂用电有重大意义，而变频器控制是目前较为先进的节能系统，通过监测水压、调节水泵频率，并结合PLC控制能很好地达到提高效率、降低能耗的效果。

变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的际供水压力维持在设定的供水压力上。

从图1中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，得出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。好地达到提高效率、降低能耗的效果。在交流调速领域中,随着高开关频率的功率器件 （如IGBT、MOSFET等）出现,脉宽调制（PWM）技术取代了老式相控技术,一跃占据了主导地位。在众多PWM技术中,电压空间矢量PWM（也称为磁链跟踪PWM）调制具有比较显著的优点:电流谐波少,转矩脉动小,噪声低。

图1 变频恒压控制原理图

1.2 系统主要设备

（1）变频器。变频器是把工频电源（50 Hz或60 Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

（2）可编程逻辑控制器。可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境条件下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器（PLC）具有通用性和灵活性强、抗干扰能力强、可靠性高、编程语言简单、安装简单、维修方便等特点。

1.3 系统的构成及实现过程

变频恒压供水系统主要由电气系统、PLC及压力仪表3大部分构建而成。系统的实现过程主要有减泵过程与加泵过程。

2 PWM变频调速在农业喷灌中的应用

传统农业喷灌系统中的泵都是以全速方式运行,但随着现代农业的发展,各种先进技术在农业生产中得到了广泛的应用,如把PWM变频器引进喷灌系统,从而实现泵的运行速度由实际用水量大小来进行自动调节。这种运行方式与传统的全速运行方式相比,节约了大量的电能,降低了生产成本,还使农业喷灌系统更容易实现全自动化。

2.1 喷灌系统中泵的特性

喷灌系统中泵负载是一种减转矩负载,其负载的转矩特性如图2所示。当泵的转速降低时,其负载转矩T与转速的2次方成比例地减小,而负载所需的轴功率P与速度的3次方成正比,即泵在运行时其轴功率为：P=

其中，Q为流量m3/s；H为全扬程m；K为常数；η为泵的效率；P为泵的轴功率（kW）。

图2 泵的负载特性

2.2 工作原理

采用PWM的喷灌系统的工作原理如下，水泵抽水时，压力传感器将检测到的喷灌供水管网上的压力信号传送到控制系统，控制系统将该信号处理后传给变频器，使变频器输出的频率、电压发生变化，从而使泵的转速发生改变。当开的喷头多时，所需的出水量增大，管网的压力低于设定的压力，变频器输出的频率将增大，使泵的转速提高，加大供水量当喷头开得少时，所需的出水量减小，管网的压力大于设定的压力，变频器输出的频率将减小，使泵的转速降低，减小供水量；当管网压力达到设定的压力时，转速不再改变。这样反复循环，使管网水压保持在一个设定的压力上。

PWM还可以与湿度传感器配合使用，当土层湿度小于设定值时，控制系统检测到湿度传感器信号后，向变频器发出水泵启动指令，启动水泵运行，给作物进行喷灌；当土层湿度等于设定值时，控制系统向变频器发出停机指令，停止喷灌。把农作物不同时期所需的湿度数据输人电脑，再把湿度传感器与电脑联机，由电脑来控制变频器，就可以根据农作物不同时期对湿度的要求，全自动地给农作物进行喷灌，从而实现喷灌的全自动化。

2.3 在喷灌系统中应用的意义

（1）可以节约大量电能。图3为泵的流量Q与扬程H的关系曲线图。

图3 泵的流量Q与扬程H的关系曲线图

当减小流量时，由于阀门开得小，对水的阻力变大，当阻力曲线由R1变成R2时，扬程则由H0上升到H2,流量由Q1减小到Q2，而采用变频调速来控制流量时，由于没有阀门阻力，流量由Q1减小到Q2，其阻力曲线没有变,仍然是R1，流量取决于转速,把转速由n1降到n2，即可得到流量Q2，而扬程则由H0变为H2。由上可知，采用阀门调节控制流量所需的轴功率显然大于采用变频调速方式用的轴功率，故采用变频方式比采用阀门控制方式节省电能。

（2）由于采用变频调速,可以与计算机联网，实现全自动化生产，对实现农业现代化具有重要意义。采用变频调速后，不但减小了人工投入，提高了工作效率，而且还使管网的水压恒定，提高了喷头喷水的质量。

（3）由于变频器具有对电动机等设备的保护功能，增强了设备的安全运行，减少了维修开支。

3 结论

本文主要介绍了交流变频调速在工农业领域应用，具体以变频调速在恒压供水系统与农业喷灌中的应用为例，阐述了PWM变频器的优点及其的广泛应用。随着电力电子技术。控制技术和计算机技术的发展，交流调速系统已逐步普及，打破了以往直流调速系统一统高性能调速天下的格局。

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