三相异步电动机变频调速控制方式及其节能原理

丁 伟

（山东南山东海氧化铝有限公司，山东 龙口 265706）

变频调速优点众多，且随着电力控制系统的不断完善控制技术的不断发展，采用变频调速已经是当前工业自动化中最主要的控制方式了，变频器也在各种各样的机械设备和生产流程中得的极为广泛的应用。由于三相异步电动机的缺点主要在于运行调速难度较大，所以变频器调速技术的发展尤其推动了具有结构简单、性能好、价格低的异步电动机的应用范围迅速的扩大。在电力控制系统中变频器起着功率变换的作用，所以变频器为了的主要发展方向是控制系统更加的智能化、数字化变频器更加高频化，从业人员充分掌握变频技术的发展情况能够进一步的熟悉原理，完善变频技术的应用理论，确保变频调速系统方案具有最佳的性能指标。

1 V/F控制原理及其应用

V/F控制方式是指在变频器正常运行的调节范围内输出电压和输出频率的比值是固定的控制方式。因为电机的工作原理决定了电机的极数是固定的且该极数数值不是连续的，所以难以通过改变极数值的方式调节电机的转速，同时调节频率可再供给电机，这种情况下电机的旋转速度就可以更为简单的进行调节，所以能够调节频率的变频器是调节电机转速的优选设备，一般而言220V(380V)50Hz是电机的最大额定磁通，如果电机长时间的处于超额定运行会导致电机发热而不能正常运转。电机的特性决定了V与F的比例关系，V/F控制时，运行频率的降低也会引起电压等比例的降低，而直流电阻并不随着交流阻抗变小变化，这会引起电机低转速时产生转矩降低的倾向，因而需要在低频时要提供补偿使输出电压相对提高使得电机获得启动时的转矩，条件运行的情况下提高U/F比，使KU＞KF，以补偿转矩增强电机在较低的转速下获得负载能力。

2 变频器的矢量控制原理及优势

电机运行时的电流包括转矩分量和其他分量。对于调节频率的给定信号，分解成磁场电流i*M和转矩电流i*T，并假设这是旋转的直流磁场信号，信号改变时也只改变其中的一个信号，这样异步电动机的调速控制具有了和直流电机类似的特征。矢量控制分为两种。即根据电流、电压以及磁通等数据计算转速进行修正的频率控制和相当于带编码器的矢量控制的转速控制。由于频率控制的计算了较大所以动态响相抵较差，而转速控制直接由传感器测量相对的调节范围较大动态响应能力也交强。

3 变频控制的节能情况

3.1 设备的负载特性

电机和电机的负载机械特性决定了电机拖动系统的稳定情况，一般设备的负载可分为恒定转速、恒定扭矩、恒定功率以及应用范围较少的冲击负载等，这些不同负载对电机的要求也有所差异需要不同的工作方式，变频器带负载的能力是不同的，但其节能效果非常明显，尤其是在风机、水泵等调节转速控制的设备用于中能够节能70%以上。

3.2 变频器应用在风机及离心泵上的节能原理和运行分析

风机和离心泵是应用最为广泛的通用型设备，其最大的特点是设备的轴功率与转速程正比，没有变频调速的风机和离心泵一般通过机械控制出口的管道的直径进行流量调节，这种调节方式改变了设备的特性曲线，使得设备运行的无用功增加，因而增加了设备的能源消耗，尤其是长期需要低流量运行时，缩小设备出口管道口径而电机始终处于较高的转速无法降低因而与这种流量控制方式相比，调节设备的旋转速度控制方式具有非常好的节能效果。

设备采用了U/F控制方式后能够根据设备负载的不断变化进行自动调节。当风机、离心泵等设备稳定运行时其负载也较为平稳，这些设备存在着最佳的工作点，而当设备的负载发生变化时设备的这一最佳工作点也随之变动。针对设备的这一特点大部分的变频器设有节能运行模式。在这一模式下变频器能够根据设备的当前运行参数变化自动搜索设备的最佳工作点，使得设备电机的转速总是维持在最佳工作点上，从而实现设备的节能运行目的。

4 变频器节能运行中的实例

4.1 在泵类机械中的应用

泵类设备应用极为广泛各行各业均有泵类的应用，行业不同对泵类设备的运行要求和控制方式也各不一样，有些泵需要控制运行时的流量有些泵需要控制运行时的压力等等，这其中泵的流量和压力两种控制方式主要在自来水系统、工业用水系统等各种工艺过程用泵。压力控制供水系统对工业供水、消防供水和生活供水等非常重要，采用变频器调节设备转速实现压力控制确保供水系统的恒定压力相比通过管道安装调节阀控制供水系统的压力其节能效果更为明显。变频器恒压供水系统利用水泵变频器内的PID功能实现供水过程的闭环控制，供水系统的管道上安装有压力传感器，压力传感器实时将压力信号传送至变频器反馈端子上，变频器将这一信号与提前设置的压力值进续启动3#水泵，保证管网系统所需的用水量和用水压力。而当管网用水量减少时管网中的水压上升，当水压上升超过设定值时变频器内的PID控制器输出频率降低，降低其中一台水泵的运行频率，直至关停，依次类推如果管网中的压力仍然升高或并不下降则继续降低另一台水泵的运行频率直至关停。当管网中的压力恒定在设定的压力值时变频器降低至20HZ达1分钟，变频器可停止工作，进入低水量睡眠状态。变频器系统的自动调节运行速度对降低设备运行噪音和节约能都是有非常大的作用的。变频控制系统的主要优点是设备启动平稳，启动电流限制在额定范围内可以有效避免设备启动时对电网的冲击，并且由于泵的转速降低也可以减少设备的运行故障率。

4.2 变频器在风机类中的应用

根据工作原理风机可以分为涡轮式和容积式，泵工作原理相同其轴功率与转速也成正比，但与泵类设备又有所区别不会像离心泵因为扬程的高低而产生损耗，所以在风机类设备的调速系统中，只需改变变频器的运行模式就能够降低设备功耗，风机应用的变频器模式有连续低风量型，全风量变化型，低风量变化型，间接运转型等。同实际的应用可知不同的电动机容量采用变频器控制时每年节约电量是不同的。

5 结语

现代工业企业中应用的异步电动机多数都不再局限于单一的转速，其中以变频控制转速具有非常普遍的应用在工业系统中不仅能够适用于风机、离心泵、卷扬机等设备的使用要求而且具有非常好的节能效果，而且通过调节运行频率降低设备的转速的方式也可以有效的延长设备的使用寿命降低设备的故障率，对于提高设备的经济效益具有重要的作用。