工业电气自动化控制中变频调速技术的应用探究

汪 浩

（山信软件股份有限公司莱芜自动化分公司，山东 济南 271104）

随着变频调速技术的日渐成熟，其应用领域也逐步扩展到钢铁、冶金、机械制造、化工、石油、汽车、电力等工业生产领域，而且在对电气设备转速进行精准调节的同时，能够节省大量的电力能源，这就给工业生产企业节省了大量的生产成本。另外，由于变频调速技术具有运行噪音低、机械损耗小、调节精度高等特点，因此，在工业电气自动化控制中的实际应用价值也逐步突显出来。

1 变频调速技术的基本原理

变频器是变频调速技术的核心单元，通过变频器可以把50Hz或者60Hz的工频电源转换成为各种不同频率的交流电源，进而使电动机能够实现变速运行。其工作原理主要是整流电路将交流电转化成为直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，同时，逆变电路将直流电再逆变成交流电，进而使电气设备能够正常运转。按照主电路的工作方式划分，变频器主要分为电压型变频器与电流型变频器，在交流（直流）电机中的工作原理如图1所示。

图1 变频器在交流（直流）电机中的工作原理

以交流异步电动机为例，在计算电动机的输出转速时主要运用下面的数学计算式：n=60f（1-s）/p，在公式当中，n代表交流异步电动机的输出转速，f代表输入的电源频率，s代表电动机的转差率，p代表电机的极对数。从公式当中的各个参数之间的关系可以看出，对于交流电动机来说，通过调整电机的极对数能够完成变极调速，通过调整电动机的转差率能够完成串级调速，通过调整输入的电源频率能够完成变频调速。原有交流发动机的工频为50Hz的交流电，经过变频调速以后，这一工频交流电的频率与幅值都可以得到相应的调整而转变成为电动机正常运转的交流电，这一过程既能够节省电力能源，而且也会大幅降低电动机的故障率[1]。

2 变频调速技术的优势分析

2.1 消除对电网的谐波污染

谐波对电网的危害性不言而喻，一方面，谐波的产生可以加快设备的过热速度，进而使电气设备绝缘老化，缩短使用寿命，严重的还可能造成设备烧毁。另一方面，谐波极易对继电保护与自动装置造成影响，而出现误动作，使电能计量工作无法正常进行。但是，变频调速技术可以排除这些干扰因素，主要是由于系统内部的具有拓扑结构，这一结构大幅降低了输出侧的电流谐波，进而使功率因数得以提高，在这种情况之下，不需要其他滤波的或者功率因数的补偿，这就从源头遏制了谐波的产生。

2.2 防护性能优越

在电气设备运转过程中，常常出现过电流现象，一旦电流超过限定值以后，电动机将严重受损，进而影响了电气设备的正常运转。而变频调速技术可以功能较为完善，并且能够有效抑制过电流现象的产生。比如对于超过200%额定电流峰值的电流，可以进行瞬间过流保护，瞬间发生时间仅为10μs，超过150%额定电流峰值的电流，可以3s之内完成动作有效过流保护，而对于超过120%额定电流峰值的电流，可以在1min之内完成过载保护，这就大大降低了电动机的故障率。

2.3 节能降噪效果好

变频器可以实现对电气设备的均匀调速，在速度调节过程中，不会出现忽快忽慢的现象，而且挡板与阀门始终处于全开状态，这就节省了大量的电力能源。同时，当电机的运行频率从50Hz或者60Hz降到40Hz以后，电机的运行速度得到均匀控制，运行噪声也显著下降，在运用变频调速技术之前，电机的运行噪声达到100dB以上，而引入变频调速技术以后，运行噪声将降到80dB以下，当电机处于低速运转状态时，产生的噪声值将下降至65dB以下，现场工作人员几乎听不到机器运转的声音。

2.4 机械磨损度小

众所周知，工业电气设备始终处于高负荷运转状态，在这种情况下，设备的内部元器件之间将出现严重的磨损，如果不能及时采取维修保养措施，那么电气设备的使用寿命将受到严重影响，而运用变频调速主完全可以避免这种情况的发生。究其原因是在转速得到合理控制以后，设备的振动频率下降，内部元器件的磨损度也将大幅下降，这就减少了设备的检修与保养频次，进而给工业生产企业节省了大量的检修费用。比如对于液力偶合器来说，在运用变频调速技术之前，每年的维修费用在5万元左右，而运用变频调速技术后，维修成本将有效控制在2000—5000元的范围之内[2]。

3 变频调速技术在工业电气自动化控制中的具体应用

3.1 在电气设备减速区段低速控制中的应用

电气设备减速区段的安全性与稳定性至关重要，如果电气设备在该区段出现超临界值运行的情况，将极易埋下重大的安全隐患。为了有效降低安全风险，保证工业生产的各道工序能够顺利进行，工业生产企业可以利用变频器与PLC（可编程逻辑控制器）对减速区段的速度变化情况进行实时监督与有效控制，如果在监控过程中，发现减速频率出现异常状况，或者运行速度已经超过临界值，应当及时查找出产生这些问题的主要原因，并快速启动现场应急机制。与此同时，技术人员应当高度重视安全值与实际运行数据的记录与核对工作，一旦发现电气设备的运行速度与安全数值存在较大的出入，那么应及时向终端控制平台发出预警信号，以便于对运行速度进行合理控制，在电气设备减速区段低速控制中的应用原理如图2所示。

图2 变频调速技术在电气设备减速区段低速控制中的应用原理

3.2 在深度指示器保护控制中的应用

深度指示器主要是用来保护电气设备的一种防护装置，但是，在煤炭生产过程中，由于井下提升装置运转频率高，因此，深度指示器极易出现故障，在这种情况下，深度指示器的保护功能也将丧失。而变频调速技术在保护深度指示器方面发挥着关键性作用。一方面，技术人员可以基于对液压缸的平衡性的考虑，对深度指示器进行有效控制，各项技术参数能够得到精确调节，一旦提升设备的运转速度超过临界值时，系统将自动发出预警信号，这时，技术人员可以第一时间采取故障排除措施，进而保障提升设备能够始终处于正常运转状态。另一方面，通过运用变频调速技术，可以对采集到的脉冲信号进行精准分析与处理，如果脉冲信号数据异常，则说明深度指示器运行状态中止，而电气设备的防护功能也将无法正常开启，这时，技术人员需要及时做出反应，对电气设备进行检查，以确定设备是否处于爬行区。如果确定该设备在爬行区域，在变频调速作用下，深度指示器将直接向系统终端发生预警信号，这就给故障排除节省了大量时间。

3.3 在自适应电机模型中的应用

自适应电机模型可以对电机的输入电压参数进行检验，进而快速掌握电机的实际运转状况，如果发现运行异常，该模型单元可以向终端操作平台发送预警信号。而变频调速技术在这一模型单元中的有效运用，可以将转矩控制在一个合理的范围之内，这样可以节省大量的电力能源。另外，为了提高工业电气自动化控制水平，当自适应电机模型单元与变频器相连接以后，电机转速能够调节至最佳状态，这就给正常工业生产活动的展开提供了强大的技术支撑[3]。

3.4 在风机、泵类设备中的应用

在各类风机与泵类设备中，变频调速技术也得普遍应用，比如以水泵为例，在工业生产当中，水泵的应用领域较为广泛，应用频率较高。但是，在运用变频调速技术之前，水泵的运行速度、水流量以及压力等参数无法控制在合理范围之内，以至于耗费了大量的电力能源，进而增加了企业的经济负担。尤其在运用变频调速技术之前，交流水泵电机一般处于恒速运转状态，在这种状态之下，出口阀与调节阀无法对水的流量与压力进行有效控制。因此，需要采取人工调节的方式，来增加阻力与回流，在这一过程当中，造成了大量能量与能源的损失。影响电机运行速度的主要参数包括流量、总扬程以及总功率，其中流量与转速呈现出线性关系，总扬程与转速呈现出平方关系，而轴功率与转速则呈现出立方关系，在水泵电机运转时，实际扬程将产生一个高低差，扬程越小，则转速越均匀，节能效果也就越好。基于这一理论，如果运用变频调速技术，当工频为50Hz时，电机处于满载运行，这时，功率因数与1最为接近，而工作电流比电机额定电流值要低的多，经过现场实验验证可以得出一个结论，即运用变频调速技术能够节省大约20%的用电量。

比如对于一台功率为800KW的凝结水泵来说，如果将电机改造成为变频无级调节，那么每一个年度的总耗电量将减少200万KW/h左右，换算成节电率大概在45%以上，如果按照0.334元/（KW•h）的电价计算，每个年度节约的电量费用高达66.8万元。由此可以看出，变频调速技术在风机、泵类设备方面的有效运用，不仅可以节省大量的电力能源，而且也为企业经济效益的稳步增长注入了源源不断的内动力。

4 结语

随着变频器功能性的日渐完善，变频调速技术水平也逐年提升，在这一利好形势下，工业生产企业应当充分利用变频器的功能优势，并始终将“节能降耗、降本增效”作为生产经营理念，不断对变频调速技术进行优化和改进，并依托于先进的计算机技术与数字技术，来推进工业电气自动化、智能化发展进程，在为企业创造更多经济效益与社会效益的同时，助力我国的国民经济实现持续稳步增长。