变频调速技术在工业自动化设备中的应用探讨

蒙志伍

摘 要：变频调速技术被公认为是当前最理想、最有发展前途的调速方式之一。从上世纪60年代第一台变频器出现至今，经过50余年的研究和发展，该技术目前已经发展的相当成熟，在冶金、化工、机械、石油、食品、造纸、纺织以及家电等各行各业得到广泛应用，不仅有利于提高工业设备自动化水平，提高设备的运行效率，更有利于减少设备维护成本，降低能源消耗，控制生产运营成本。基于此，本文详细分析了变频调速技术在工业自动化设备中的具体应用以及在节能降耗方面的应用效果。

关键词：变频器;变频调节技术;电气自动化;PLC变频控制

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0056-02

1 变频调速技术概述

1.1 变频调速技术的工作原理

异步电机的转速可以表示为：n=60*f/p*（1-s），式中，n电动机转速，f为电源频率，p为磁极对数，s为转差率，由此可见，改变电动机转速有三种方法：改变电机磁极对数，改变转差率，改变电源频率。变频调速就是通过改变电源频率达到调节电机转速的目的。其原理如下：首先将单相或三相交流电源通过整流器变换为直流电，经电容滤波后形成幅值基本固定的直流电压，再通过逆变器将该直流电压逆变后输出幅值和频率都可控的交流电压，满足变频调速对U/f协调控制的要求。变频器就是基于上述原理将交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术集于一身的综合性电气产品，通过控制其内部IGBT的通断来调整输出电机的电源电压和频率，进而达到调速的目的。

1.2 变频调节技术的特点

与其他调速方式相比，变频调速具有无可比拟的优势：（1）良好的设备启动性能。工频状况下电动机直接启动时会产生4～7倍额定电流的启动电流，对于大功率设备，这种冲击不仅会极大损害设备本身，而且对电网也会造成严重冲击，影响其他设备正常运行。变频器可以控制电压从零开始慢慢升高，电流平滑无冲击，设备启动平稳，消除对电网的不利影响，延长电机使用寿命。（2）调速范围宽，变频调速可以实现全范围无极调速。（3）控制精度高，变频开环U/f控制精度可达1%，变频闭环U/f控制精度可达0.5%，变频矢量控制精度更高，其开环矢量控制精度可达0.5%（相当于闭环U/f控制），闭环矢量控制精度可达0.05%，可满足一些控制精度要求更高的场合，例如定位、转矩控制等。（4）易于自动化控制。通过变频器网络接口可以轻易将变频器与PLC控制器连接组成功能更加复杂和完善的自动化控制系统，提高设备自动化程度。（5）多重保护，运行安全。变频器本身具备完善的保护功能，如过流、短路、过压、欠压、过载保护、高温保护等，可保证设备运行安全可靠。（6）设备运行平稳可靠、噪音低。由于变频器无物理触点，与其配套使用的变频专用电机经过特殊的工艺制造和结构设计，绝缘强度高、耐温性能好，平衡质量高、振动等级高，运行过程更加平稳，噪音低。（7）动态响应快。（8）模块化设计，互换性高，结构紧凑，维护方便。（9）节能效果显著。

1.3 变频调速的应用范围

变频调速已被公认为当前最理想、最有发展前途的调速方式之一。其应用范围相当广泛，在社会各个领域都已经得到大量应用，例如：写字楼、商场、超市、厂房中央空调系统水泵、风机;高层楼宇升降电梯;商场、火车站、机场内自动扶梯;旅游区高架游览车;游乐场大型娱乐设施;音乐喷泉;冶金、矿山、建材、煤场、码头、煤炭、化工、造纸、食品等工业领域中常用的破碎机、升降机、卷绕机、搅拌机、起重机、挤压机、取料机、拉丝机、压缩机、注塑机、输送机、轧机、机床、水泵、风机等各类设备;工业洗衣机;家用空调、冰箱、洗衣机等。变频调速以其调速性能好、高可靠、高精度、快响应、自动化、节能性等诸多优点，在社会各领域得到越来越多的应用。

2 PLC控制系统简介

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，专为在工业环境应用而设计，可以实现逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等多种功能，广泛应用于目前的工业控制领域。PLC控制系统可以是简单的开关量输入输出控制系统，也可以是集开关控制、模拟控制、温度控制、定位控制、时序控制、高速计数、网络控制等多功能一体的复杂的多功能高度自动化的控制系统。PLC控制程序使用梯形图语言进行编程，梯形图语言简单易学、编程方便、快捷、高效。

3 变频器在自动化控制系统中的应用

在大型工厂，变频器是必不可少的一种控制设备。特别是在当前国家工业化加快发展，制造业加快升级、各行业节能减排压力增大的大背景下，新建工厂、旧生产线或设备升级改造过程中变频器大量的普遍的使用将成为一种趋势。一方面是因为现代化工厂对设备自动化程度、设备稳定性、可靠性以及生产效率提升的高要求，变频控制可以保证设备稳定可靠运行，提高生产效率;另一方面是因为各企业成本压力和节能减排压力增大，对生产成本控制越来越严格，采用变频控制节能效果显著，尤其是对于风机类、水泵类，其节能效果可达30%～60%，可以减少后期设备运营成本。

在工业企业中，对于无调速、无流量控制要求的设备，设备恒速运行，阀门只有全开和全关两种状态，使用变频控制并不能节能，对于30KW以下电机可采用传统的全压、星三角控制方式，大于30KW的电机可采用软启动控制或变频控制，其中变频控制因具有优良的控制性能和网络功能，应用更为普遍;对于有调速和流量控制要求的设备，因为传统的变极、滑差调速方式调速性能差、精度差、响应慢、噪声大等缺点，已经很少使用，而變频控制具有良好的调速性能、稳定可靠、精度高、响应快、易于自动化控制、节能等诸多优点，在工业领域已经得到普遍应用。

变频器可通过其网络接口接入PLC控制系统，实现网络化控制，通过PLC控制器可以读取、保存、修改变频器的一些相关参数并控制变频器运行，大大提高了设备自动化水平。

4 风机、水泵变频控制应用节能分析

风机、水泵作为工业、农业、生活的通用类机械，在社会各个领域应用非常广泛，其在国民经济中发挥着重要作用。有资料统计，我国风机、水泵总装机容量达1.5亿KW，耗电量占全国总发电量的20%以上。由于工艺、成本等原因，大部分风机、水泵采用机械截流方式调节，其调节方式落后，效率低下，造成大量的电能浪费，在能源供应日益紧张的今天，减少浪费，节约能源，控制成本已成为各个企业重点控制的对象。

图1图2中，横纵坐标分别表示水泵的流量与扬程，对应点与横纵坐标围成的面积表示水泵的运行功率，QN表示水泵额定流量，QNX表示目标流量，0QNAHN表示水泵额定运行功率。

图1表示水泵转速不变，通过控制阀门开度大小调节水泵流量，当阀门由全开状态慢慢调小，A点向B点移动，当水泵流量达到目标流量QNX时，A点到达B点，水泵运行功率为0QNXBHNX;图2表示水泵阀门完全打开，通过控制水泵转速调节水泵流量，当水泵转速慢慢调小，A点向C点移动，当水泵流量达到目标流量QNX时，A点到达C点，水泵运行功率为0QNXCHNY，由图1图2可知，0QNAHN与0QNXBHNX相差不大，而0QNAHN远大于0QNXCHNY，且转速越低，两则相差越大，可见，相同的流量控制下，变频调节运行功率比阀门调节运行功率小，更节能。这是因为泵类负载的流量与转速成正比，扬程与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。当流量需要改变时，只改变阀门的开度，而电机保持恒速运转，所需功率降幅很小，工作效率低。如通过调节转速来控制，则所需功率以近似转速的三次方大幅度下降。风机、泵类具有相似的负载特性，故变频调节对于风机、泵类的节能效果相当可观，例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%。

由于管路管道设计、水泵风机选型以及设计余量、工艺需要等原因，现场水泵风机阀门很难100%打开。据有关现场数据显示，有80%的风机、水泵阀门需要调节才能满足流量控制要求，而其中有60%采用变频器控制，在这些需要调节的设备中，额定转速运行仅占5%，90%～100%额定转速运行占15%，80%～90%额定转速运行占35%，70%～80%额定转速运行占35%，小于70%额定转速运行占20%，由此可见，采用变频控制节能效果非常大，可以大大减少设备后期运营成本。

5 结语

随着我国工业化的快速发展以及制造业改造升级的加快，高能耗、低能效、生产效率低下、生产方式落后的企业临着巨大的压力，设备改造升级、转变生产方式在所难免，在改造升级的过程中，变频控制技术以其无可比拟的优势必将在新建工厂及生产线改造过程中得到越来越多的应用，与PLC控制技术相融合，不仅提升了电气自动化水平，提高设备运行效率，减少设备故障及后期维护成本，改善工作环境，而且还可以节约能源，有效控制生产成本，实现节能减排目标，创造出巨大的经济与社会效益。

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