变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用初探

杜坚+何振

摘 要：20世纪70年代德国学者F.B：Aschke提出《感应电机磁场定向控制原理》，美国学者提出《感应电机定子电压的坐标变换控制》，此后交流电机变频调速技术逐渐开始发展起来。经历了四十多年的发展变化，变频调速技术已经广泛的应用到工业发展过程之中，本文就变频调速技术的工作原理、特点进行简要的概述，重点结合实际案例剖析变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用。

关键词：变频调速技术；工作原理；工业电气自动化控制；实践应用

变频调速技术是依托于微电子技术、电子计算机技术基础上发展起来的，这一技术从理论要使用推广经历了四十多年的时间，这个过程之中，功率集成电路、振谐式逆变器以及各种新型电力电子器件的出现展促进了变频调速技术的发展。就目前来说，变频调速技术已经广泛应用于各行各业之中，在电气自动化控制领域具有独特的优点。

1 變频调速技术概述

1.1 变频调速技术的基本原理及结构组成

变频调速技术一种交-直-交电源变换技术，是基于电机转速与工作电源输入频率成本比这一原理实现的，n=60f（1-s）/p，其中n表示电机转速，f表示电源的输入频率，s及p分别表示电机的转差率以及磁极对数，电机控制过程中，改变电机电源的频率就能够改变其转速。

变频调速设备主要由转矩及磁通比较器、脉冲优化选择器以及自适应电动机模块三部分组成。它们分别具有不同的功能，其中自适应电动机模块能够对输入电动机的电压、电流的性质进行检测，进而识别电动机参数，自适应电动机模块是直接转矩控制的关键，实际的运行过程中通过定子磁场定向的方式直接控制转矩，该技术的控制精度可以达到±0.1%。脉冲优化选择器的主要功能是对一定范围内的脉冲信号进行优化，为了实现这一功能，首先必须要选择合适的信息处理选择芯片，Cyclone ⅡEP2C5Q209C8是现阶段比较常见的信息处理选择芯片。然后，需要合理的设计调制信号源，编写具有不同功能的电路模块，比如缓冲功能、星座映射功能等等。最后对信号源进行仿真模拟，判断这些电路模块能否实现其功能。为了防止电路的载荷超出设计值，使得控制电路被损坏，需要在电路中增加浪涌抑制保护设备。利用转矩和磁通比较器，能够对比反馈信号及参考值，然后通过滞环调节器输出转矩或磁场状态，获得转矩及磁场实施状态，为后期的控制操作提供参考。

1.2 变频调速技术的特点

变频调节技术具有设备结构简单、坚固耐用、经济可靠，动态数据响应效果好、节电效果好、变频调速功能优良等优点，在工业电气自动化控制中十分常见。根据调节电流的类型，变频装置主要可以分为交-交系统以及交-直-交系统两种，其中交-直-交系统又可以分为电流型和电压型两种。

2 变频调速技术应用技术分析

2.1 负荷匹配技术

为了保证变频调速系统之中属于稳定安全运行的状态，变频调速设备在使用过程中要求设备的容量、型号、载荷等与电动机的功率相匹配，裕量要能够控制在10%以下。

2.2 抗干扰处理技术

变频调速设备在使用过程中可能会因为电磁干扰影响系统工作的准确性，因此，一般需要采用抗干扰技术，就目前来说主要有隔离、屏蔽、接地等几种抗干扰处理技术。变频调速传动系统之中，一般需要将噪声隔离变压器安装在电源与放大器连接线缆之间，从而有效的避免信号传输过程中的干扰。此外，增加干扰源与受干扰电路、装置、设备之间的距离也是降低干扰的重要方法。屏蔽技术就是将变频调速系统的相关设备、元器件、电路等安装在屏蔽箱之中，屏蔽箱大多数由铜、铝、磁性材料制成，能够屏蔽周围环境的电场及磁场，以免影响信号的传输，但这种屏蔽干扰的方式并不能够缓解噪声影响，且如果设备周围的交变磁场比较强烈，或者是在冶炼厂、重型机械厂等工作环境之下，使用这种抗干扰方式效果不够明显，还需要辅助以其他屏蔽方式。

2.3 接地技术

接地技术分为保护接地和工作接地两部分，保护接地就是将变频调速系统中的不带电的金属部分与地面良好导体连接起来，防止静电积聚，保护现场工作人员以及相关机电设备的安全。工作接地主要有屏蔽接地、信号回路接地以及机器逻辑地几种处理方法，能够保证整个系统以及相关测量设备的精度，对于整个变频调速系统而言同样十分重要。

3 变频调速技术应用实例

下文结合三个实际案例，就变频调速技术在工业电气自动化控制中的具体应用进行简要的分析概述。

3.1 变频调速技术在门式滚轮堆取料机上的应用

某热电厂的门式滚轮堆取料机高度为20m，跨距为50m，该设备行走机构为四组行走台车，轨道跨距也为50m，滚轮机金属结构中，刚性侧分布的载荷比柔性侧要多，两侧负载存在着比较明显的不平衡的问题，实际的行走过程中就会导致两侧的行走速度不同步，很容易使得两侧行走轮的水平位置存在偏差，使得设备结构扭曲，产生弹性变形，进而导致啃轨现象。该设备的行走机构主要由4台电机驱动，这四台电机均为交流电机，有调车和工作两个速度档，速度转换时，交流电机的转差率及旋转磁场突变，产生电能回馈制动，惯性作用下，整个设备会受到较大的冲击，为了解决这一问题，确保滚轮堆取料机的刚性侧及柔性侧行走台车能够同步行走，消除设备启动及制动过程中产生的惯性冲击，避免速度转换时交流电机产生电能回馈制动，保证设备速度平稳转换，相关研究人员对该设备行走电机进行了简单的改装，利用两台变频器分别控制两侧的行走电机，实际的速度调整过程中通过改变频率，调整行走电机速度，以刚性侧的行走速度为标准，对柔性侧设备电机速度进行细微的调整，确保电机能够同步运行。具体的调整过程中，利用增量型光编码器分别对两侧行走轮的位移进行检测，采用CQM1型可编程控制器，将柔性侧模拟量输出值进行适当的改变，调整高速柔性侧的变频器的频率值。由于滚轮机是热电厂中十分重要的设备，为了更加精准的调整大车行走轮位置偏差，实际的设计工作中，研究人员分别采用工频和变频两套控制方式，利用可编程控制器保证了电气控制的稳定性及可靠性。变频改造之后，设备的启动及制动性能得到了明显的改善，惯性冲击被消除之后，设备运行更加的平稳，实现了平滑调速，设备的安全性、稳定性、可靠性都得到了明天的提高，设备故障发生率有所降低。利用可编程控制器及光电编码器、变频器，程序调试及修改更加方便，纠正了打车刚性侧及柔性侧的位置偏差。

3.2 变频调速技术在风机和水泵中的应用

风机、水泵是工业生产中十分常见的电气设备，为了节约电力能源，现阶段，大多数工业生产中的风机及水泵都已经采用变频调速的运行方式。风机转速的工作功率随着设备转速三次方成比例变化。如图1所示，在某送风机控制回路上增加变频器及其输入输出开关，不改变其它线路就能够实现对该送风机的变频调速控制。实际的使用过程中，调节对象不同，调速范围也存在一定的区别，调速的运行模式也有一定的差异，可以按照实际的工业生产需要进行控制，如圖2所示。除此之外，还可以通过控制流体的液位流量、压力，对比给定信号机检测信号，然后调节变频器的输出频率，具体选择哪一种运行方式需要根据工业生产的实际情况进行确定。采用变频调节器能够明显的节约电力能源，设备优化改动的投资能够在较短的时间内回收回来，现阶段已经有许多工业生产厂家对原有的风机和水泵进行结构优化，风机和水泵的变频调速系统在工业生产中已经广泛的普及开来。

3.3 变频调速技术在锅炉给粉机中的应用

燃煤机组是火电厂的重要设备之一，燃煤机组主要通过调节给粉量控制负荷、汽压，而给粉量的调节则是通过控制给粉机的转速实现。一般情况下，给粉机主要通过滑差电机及直流电机进行调速，但是，火电厂实际的运行管理过程中，给粉机工作环境比较恶劣，环境温度较高，粉尘非常多，对设备带来了许多不良影响，直流电机的整流子、电刷等设备损坏十分频繁，严重影响了火电厂发电工作的正常开展。此外，滑差电机采用非线性调速方法，运行不够稳定，大量粉煤灰积聚在滑差电机调速励磁线圈之中，很容易导致线圈堵塞，进而烧毁。因此，实际的工作过程中可以采用交流异步鼠笼式电机代替滑差电机，这种交流异步鼠笼式电机防护等级较高，具有防粉尘、耐高温、变器无级平滑地调速的优点，可以实现线性调速，有利于保证电机的平稳运行。变频器操作过程中可以利用弱电信号进行控制，主电路中不需要交流接触器，同时由于配置有人机界面，方便了检修控制人员的操作检查，增加了系统的可靠性。该给粉变频调速系统异步电动机的防护等级比较高，具有过电压、短路、欠压保护等功能，电机安全性更好。该变频调速系统中的变频器的调速性能可以达到99%，输出转矩及转速都十分平稳，不会出现零漂的不良现象，同时具有给粉均匀、燃烧稳定、节约电能等优点。实际使用过程中如果出现给粉机堵转的不良现象，一般情况下，只需要按正反转按钮就可以消除故障。

结束语

在保证工业生产安全及生产质量的前提之下，尽量采用各种先进的技术手段及生产设备降低企业的生产成本是当前阶段各工业生产厂家重点考虑的问题。现阶段，节能减排已经成为社会的主要趋势，许多工业生产厂家都在积极地研究节能减排技术，变频调速器能够同时满足上述两个发展需求，在工业电气自动化领域应用十分的广泛。本文结合实际案例就变频调速技术在工业生产的实践应用问题进行简要的分析概述，想要更好的在实现变频调速器的节能价值，改善工业生产的条件，各生产厂家要能够结合自身的生产情况，对相关的工业电气设备进行适当的改造，节约能源，促进企业经济效益的提升。

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