变频调速技术及其在制药工业电气自动化控制中的应用

罗春芳

摘 要：在工业生产中采用先进的技术能够提高工作效率，降低能源消耗，变频调速技术是20世纪70年代提出的一种矢量控制理论，为实现电动机调速节能而出现的技术，当前已经广泛使用在中央空调系统、空气压缩机等大功率动力设备自动控制方面，并取得很好的变频节能效果。文章主要分析变频调速技术在制药工业中央空调系统自动化控制方面的应用，希望能为自动化控制发展提供一些参考。

关键词：变频调速；工业自动化；中央空调系统

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0049-02

随着电力电子技术的不断发展，交流电动机调速性能愈发优越。近些年工业生产技术得到很大的发展，在制药工业中，中央空调系统在洁净厂房中广泛使用，极大地满足了生产要求和药品生产质量管理规范，但是中央空调系统耗费大量的能源，在技术设计中采用变频调速技术，能够保证电机的输出功率随着负载的改变而变化，达到节能目的。

本文先简单分析变频调速技术，进而分析变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用。

1 变频调速技术概述

变频调速技术是为满足实际工作需求而发展起来的，最早出现在20世纪80年代，随着变频调速技术的不断发展，逐渐使用在其他领域。变频器能够起到变频节能作用。根据水泵工作的原理，在其他参数确定的情况下，流量与水泵的转速呈现正相关，水泵的功率变化和转速的立方同样呈现正相关，在水泵功率保持不变的情况下，减小调节流量，能够减少转速。从功率因数补偿功能分析，无功功率的不会大大降低使用效率，还会导致设备发热情况，缩短设备使用寿命，采用变频调速技术能够减少无功功率的损耗。从软启动节能分析，很多电机的启动方式为直接启动或者Y/△启动，启动电流大约是额定电流的5倍，也就是电机启动需要耗费大量能源。采用变频调速技术能够大大降低电容量的要求，同时还能起到减少电网冲击的效果，延长使用寿命。

变频调速技术的组成部分包括自自适应电动机模型单元、脉冲优化选择器，以及转矩和磁通比较器等，自适应电动机模型单元是不可缺少的部分，主要起到检测电压和电流的效果，是转矩直接控制的关键单元，控制精度达到了0.5%；脉冲优化选择器一般采用Sycbne芯片处理I性信息，编制不同的电路，实现不同的功能；转矩和磁通比较器对比分析反馈值和参考值，及时掌握转转矩状态和磁场状态。通用变频器的制动电路是为异步电动机而设计，满足异步电动机的控制需求，可以采用逐渐减小频率的方式以达到减速目的。大中型的通用变频器主要是为了实现节能目的，采用制动电路，将异步电动机回馈的能量消耗掉。

2 变频调速技术在工业电气自动化技术中的应用

变频器可以分为交-交变频器和交-直-交变频器，其中交直交电压型变频器是使用比较广泛的变频器，主要包括整流器、中间直流环节、逆变器、控制电路等。变频调速技术应用到工业生产领域中能够满足生产需求，目前变频调速器中使用的Cyclone-II器件一般采用的是300 mm的晶圆，制造速度比较快速，这项技术在使用中采用最小化硅区，所需花费与专用的集成电路成本相差不大。高性能的变频调速器主要是满足不同工程的需求，硬件结构包括带能量回馈单元变频器、独立式变频器等，其中独立式变频器使用比较广泛，本文主要分析变频调速技术在中央空调系统中的应用。

2.1 变频调速原理

异步电动机转速公式为

n=60f（1-s）/p=no（1-s），

式中：

n为电动机转速，r/min；

f为供电频率，Hz；

s为旋转磁场的同步转速，r/min。

从这个公式中可以看到，在s变化不大的影响下，n与f呈现正比例关系，改变电源频率f就能达到调节电动机转速的效果。在分析异步电动机调速中，希望磁通量Φm保持不变，若是磁通量太弱，电子力矩不够强，影响转速快速改变，若是磁通量过大，容易东芝励磁电流非常大，很容易烧坏电机。

钉子每相电动势的有效值

Eg=4.44f1N1KN1Φm，

f1、N1、KN1、Φm分别代表定子频率、串联匝数、绕组系数、磁通量等。

从公式中可以看到，只要Eg和定子频率得到控制，就控制了磁通量。

2.2 中央空调系统存在问题分析

在制药企业实际生产中，发现中央空调系统耗费大量的功率，存在很多的问题。从设计角度出发，冷却水泵电机功率依照最大换热量计算，但是在很多情况下，开机数目严重不足，实际负荷远远小于电机容量。在冷冻水系统方面，冷冻水泵的作用是将冷冻水送往各组合式空调器的表冷单元热交换后送至各送风口，达到降温目的，也是根据最大制冷量来设计的，目前冷冻水泵做了很多的无用功，除了这些之外，水泵在使用中存在频繁开启的问题。

2.3 中央空调变流量节能原理分析

针对以上中央空调系统在实际使用中存在的问题，拟采用变频调速技术改进中央空调系统达到变频节能目的。当前企业所采用的电力为三相交流电，输送的水量和风量恒定，难以实现变频节能目的，在很多场合下，要求具有不同的物体流量，要满足这个要求就需要供给不同的流量，若采用联运行的风机，采用手动方式，同样能够达到节能目的，但是显然存在很大的工作强度，无法实现自动化控制。

在现代制药工业中，中央空调系统占了很大的部分，空调设备监控包括主机、处理器、变通量等信息的变化，主机的控制依照冷量的需求，控制运行的台数和时间，这是步进式的变通量运行。

目前中央空调监控体系无法实现监视空调主机、冷冻水泵等，仅仅能够维持现在一定范围内，采用变频调速技术能够很好的解决这些问题。电动机在不同转速下，负载的组转矩TL是固定的，因此功率、转矩和转速的关系可以表示为：

PL=T1n/9 550，

采用变频调速技术能够降低运行频率达到技能目的。

2.4 变频调速技术在中央空调系统中的应用

中央空调系统在应用变频调速技术中可以采用两种控制方式，以压差为主的控制方式考虑到了负荷的因素，以温差为主的控制方式非常适合空调的变频改造，无需在各支路增加电动和调节阀，保证了系统的安全性，改造费用低、施工难度小、维护保养非常方便，因此在改造中采用以温度控制为主，保持原有的中央空调系统，增加热泵机组、热交换器以及热水罐等设备，形成完整的自动化控制体系。

冷冻水泵的变频在设计中采用两个温度传感器和变频器组成控制系统，控制冷冻水的出水温度和回水温度。冷冻水泵电动器采用软启动方式，设定频率为45 Hz，冷温水系统最低运行频率设定为30 Hz，控制温差，温差相差超过5 ℃时，能够直接切换频率，保证供回水温度接近最优值。冷冻水泵变频控制见图1所示，冷冻水泵正常运行后，操作人员启动第二台主机，确定冷却水阀门和冷冻水阀门开启后，同样以软启动的方式开启第二台冷冻水泵。第二台水泵正常运行后，如果空调主机制冷量大于实际需求，立刻停止主机。

冷却水泵的变频控制信号以冷却水进出口温度差表示，在大于设定值的情况下，将会提高频率，频率随着设定值的改变而相应的改变，设定变频器频率为30 Hz，保证最小流量。在冷却水泵启动后，温度超过37 ℃时，将频率相应的升高到45 Hz，增加输出流量。

在冷却塔风机的控制中，设定最高频率值为45 Hz，运行30 min后根据冷却水进出口温度相应的调节风机转速，保证冷却水进水温度与设定值接近，冷却塔风机出水温度、进水温度分别设定为32 ℃、37 ℃，在出水温度下降达到28 ℃以下时，风机自动停止运行，若是温度升高到32 ℃以上自行开启风机。为保证冷却塔风机、制冷机的安全等，把变频器的最低工作频率设定为30 Hz，最低控制电压控制在6 V，为保证变频器的安全运行，最高工作频率设定为45 Hz。经过使用能够极大地节省无效能量，实现自动化控制。

3 应注意的问题

变频调速技术虽然得到广泛的使用，但是在使用中需要注意的问题有很多，不正确的使用方式，很容易影响变频调速的应用。在变频器的安装中，需要注意安装的环境的湿度，保证环境无水侵蚀，无腐蚀性气体，保证变频器能够容易移动，在变频调速技术的应用中需要注意电磁干扰问题，可以缩短控制回路配线的距离，变频器的使用中需要严格按照规定连接短租，不能电焊混用。

在使用中需要安装噪声过滤器，避免噪声的干扰。在安装过程中，需要注意避免直接受到阳光的照射，若安装环境存在很大的震动，可以采用橡胶减震的方法，定期检查空气过滤器。在日常的使用维护中，需要加强相关人员的管理工作，对维修人员进行系统的培训。

4 结 语

综上所述，本文主要分析变频调速技术以及其在制药工业生产中的应用。

当前变频调速器已经广泛使用在生产领域中，很好地大大降低了能耗的作用，能够在保证安全生产的同时提高经济效益，随着技术的不断进步，在变频调速的设计改进中还需要根据调速器的作用和功能不断完善，为工业自动化生产发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 杨渭建.变频调速技术及其在工业电气自动化控制中的应用探析[J].科技风，2014，（5）.

[2] 翟昱明.变频调速技术在工业电气自动化控制中的运用探究[J].信息系统工程，2014，（3）.