变频技术在工业企业中的应用

胡俊伟

摘要：节能减排工业改造计划已在我国大规模推行，工业企业为了适应低碳社会的需要，必须在动力节能方面进行改革，而变频器在工业电机节能减排方面具有优越性，被广泛应用于钢铁、石油、化工、纺织、建筑、煤炭等工业行业。

关键词：变频技术;工业企业;应用

前言

随着社会经济的不断发展和进步，各领域的运作模式与过去相比也发生了非常大的变化，而人们的物质需求也变得越来越高。物质需求的提升也促进了社会生产力的进步，也在这时诞生了自动化技术，并开始被广泛应用到各领域中，其中的工业电气自动化控制变频调速技术的应用就是一较明显的例子。变频技术的使用不仅能起到资源节约的效果，而且还能提高整体的工作效率，这对工业发展来说无疑是一大优势。

1、高压变频器

高压变频系统主要由移相变压器、功率单元和控制器等部分组成。移相变压器是将进入变频器的三相高压电进行降压和移相，转变成可用电源;功率单元有若干，分成三组，每组功率单元串联组成一相，共三相，相与相之间串联;控制器由控制单元组成，通过对功率卑元的控制，实现对变频器工作过程的控制。

（1）功率单元结构

随着工业化的逐步发展，智能应用在生产和生活中越来越受欢迎。还需要在变频器中应用智能设计，系统产生故障时，系统将大大增强及时响应的能力，不仅可以起保护作用，而且能够定位故障的准确位置，将类别显示在人机界面，用于快速识别和消除故障。为了确保单元模块设计时结构和功能的一致性，已考虑在一定的范围内电力标准化单元模块。为了避免故障导致的停机现象，确保变频设备的可靠性，当发生故障时，必须能够在短时间内故障信息确认使用备用设备来取代。

（2）输入侧结构

输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组。例如，3000V系列，為24脉冲整流方式;6000V系列，为30或42脉冲整流方式;10000V系列，为48脉冲整流方式;这种多级移相叠加的整流方式可以极大的改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。此外，由于副绕组变器的独立性，让每个主电路功率的单位是相对独立的，类似传统的低压变频器，利便于采用现有的成熟技术。

（3）输出侧结构

输出侧由每个单元的U、V输出端子首尾相互串连成星型结构给电机供电，对每个单元的PWM波形进行重组，可得到PWM阶梯波形，这种dv/dt波形较小，正弦度较好，能够减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器，电机无需降额使用，可直接用于旧设备的改造;同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

（4）控制器

由高速单片机组成控制器核心，精心设计的算法可以实现发动机的最优性能。控制器还包括一个内置PLC用以进行逻辑处理柜体内位置开关信号，以及与各种信号和状态的协调操作提高系统的灵活性。

2、变频技术在工业企业中的应用

交流电机变频调速成为节约电能、改善生产工艺流程、提高产品质量、以及改善运行环境的一种主要手段。与之相对应，我们变频器以高效率、高功率因数，以及优异的调速和启制动性能而广受用户青睐，在众多领域发挥着重要作用。

首先是软启动功能。电机硬启动，直接启动电流往往是其额定电流的5～8倍，忽然增高的电流不仅增加了电机的设计生产难度，而且对电网系统容量、输配电设施造成严重冲击，对挡板、阀门等设备的损害也极大。变频器的作用就是改变交流电机供电的频率和幅值，从而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。

其次是优化电机运行。在风机、中央空调等系统中，传统的供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现的。出水口水压大小往往受水箱高度、储水量等因素影响，时常发生变化，要真正实现恒压并不容易。另外，风机、泵类等设备传统的调速方法是靠调节出入口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量。当输入功率过大时，大量能源就消耗在挡板、阀门的截流过程中，造成了浪费。这就像是人们在没有准确核算工程量的前提下就把大大超出需求量的砖块运上了高楼，造成人力和工时的浪费。

如今，工程师们组合变频器、PID调节器、单片机、PLC等，形成一个控制系统，就可以调节水泵的输出流量，减少无效劳动。人们只要设定泵站总管的出水压力，设定值与反馈的实际值进行比较，其差值经过运算处理后，系统会发出控制指令，控制水泵电动机的投运台数和转速，从而达到给水总管压力恒定的目标。另外，在中央空调、风机等系统中，变频器也有不俗的表现。中央空调是按照最大需要冷（热）量再加10%～20%来设计的，耗电量大，节能潜力也大。用变频器去对中央空调制冷压缩机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风扇、回风装置等进行调速节能控制，就可以避免过大流量和过大压力，保证系统正常有效运行，可以节电20%～50%。又如，在“万里长江第一隧”——上海长江隧道建设过程中，建设者需要确保长约8.9km，内径13.7m的隧道内通风良好。

3、变频器技术发展态势

由于国内电机变频调速产品日趋成熟，节能效果逐渐得到市场全面认可，工业企业对电动机的投资改造积极性日益提高，变频器行业在中国的快速发展将是必然，今后技术和产品发展将呈现三大趋势。

一是功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。目前，采用功率单元串联多电平技术的高压变频器国内市场份额已经超过三分之二，包括利德华福、东方日立、山东风光等高压变频器生产厂商采用的都是这种技术。二是向大功率方向发展。大功率变频器市场份额前些年基本掌握在国外厂商手中，随着国内企业技术水平的提高，国产变频器产品的功率也随之逐步提高。三是随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。如应用于轧钢机、矿井提升机、电气机车牵引系统等工业领域和高端军事领域等，进一步拓展了高压变频调速技术的应用领域。

参考文献：

[1]  宋晓芳.论工业电气自动化控制中变频调速技术的应用[J].课程教育研究，2017（34）：281-288.

[2]  朱娟娟.刍议工业电气自动化控制中变频调速技术的应用[J].企业技术开发（下半月），2014（18）：60-70.

（作者单位：中治葫芦岛有色金属集团有限公司）