变频调速在工业电气自动化控制中的运行分析

2022-01-17王雷

电子元器件与信息技术 2021年9期

王雷

（江苏省无锡市江阴新华西钢铁有限公司，江苏无锡 214420）

0 引言

工业化的生产是经济发展、社会发展的大势所趋。在电气自动化控制下，工业生产的效率和稳定性得到大幅提升。变频调速技术是现阶段更加先进的节能增效技术，对提升电气自动化控制系统的工作效率经济价值具有重要的意义，而且当今国内生产重视节能、减排的社会级趋势中，对变频调速技术的研究，具有更高的经济价值和社会意义。

1 变频调速技术

变频调速简单来说是改变电机的输入电压、电流，对电机的转速进行灵活的调整、控制。工业电气自动化生产设备在生产的负担随着生产需求，运行环境而发生变化，为了保证生产设备的有效运行，需要在生产负担较重的情况下加快生产效率，在生产压力较小的情况下，合理降低生产速度来降低设备磨损。从而在保证生产成果的基础上，合理使用电能，减少能源消耗。而变频调速技术利用电动机的自适应模块，对输入电机的电压、电流进行实时的检测，并控制电机的运行情况，利用自适应模块，可以对电机的转速进行有效的检测，并根据实际的生产需要对电气自动化控制系统中的电机实时展开调整。同时变频调速技术会使用转矩和磁通比较器来对电气自动化系统的运行状态进行检测、评估，然后使用警报装置-调解器来发出警告和控制，使操作人员及时发现情况并制定对策[1-2]。

变频调速的技术为电气自动化系统带来极大的便利，在工业生产中，变频调速使自动化控制系统的运行呈现一个更加动态的自动控制过程，及时采集、分析、处理系统运行的情况，并做出调整，为提升工业生产的效率，降低电气自动化控制系统的反应时间，从而在满足工业生产需求的前提下，对电源进行自动调整，降低电气自动化系统的能耗水平，从而满足现代工业生产对能耗，经济效益，安全生产的要求。

2 变频调速技术的优势和劣势

2.1 变频调速技术的优势

首先，现代工业生产中采用的电气自动化控制生产设备的规模较大，生产时的耗电量也非常高，这些大功率设备在启动、关闭时会产生瞬间的大电流，严重影响设备的正常运行，一方面电流波动情况下产生的大电流会造成电源、电网的异常影响安全生产，一方面大电流对电机的冲击会严重减少电机的正常使用寿命[3]。而变频调速技术通过控制设备的启动频率，使经过设备的电压、电流用平缓的方式过渡到正常工作状态，从而稳定设备的运行，并对连接设备的电机、电源、电网进行有效保护。

其次，变频调速技术对设备的运行条件并不挑剔，现阶段功能比较优秀的变频调速电机能在0-300Hz的频率范围内进行灵活平稳的变化，因此在生产机床、稳压泵等多种工业电气自动化生产设备中均有使用。而调速范围较大的本技术，对设备电压、电流等参数的感度较高，可以极快的相应生产设备要求，从而提升设备的运行效率[4]。

此外，变频调速在最初研究、使用中便以强大的节能性能得到信赖，在工业电气自动化控制生产设备的运行中，根据实际的生产需求进行定能输出，保证在电能的有效利用，同时在低速运行条件下，变频调速电机的能耗极低，进一步降低生产过程中不必要的能源浪费。

最后，变频调速技术使用直流母线电容器，只需要在生产设备额定电压的5-10%范围内就能启动保持满负荷运载。当电气自动化控制系统出现电压、电流问题时，变频调速装置可以在短时间内让设备处于运行状态下，避免突然断电等情况对生产设备造成的不良影响。

2.2 变频调速技术的劣势

由于变频调速设备在输入端使用整流技术，当电气自动化控制系统工作在低频情况下，变频调速设备会产生波形畸变，对整个系统的电网产生谐波污染，影响电网的正常运行。而通常来说，需要对电气自动化控制系统做好电磁防护来减少谐波污染。但现阶段技术的发展让不少厂商尝试在变频器内部安装滤波器，避免、减少谐波的产生[5-6]。

此外，变频调速设备使用的相关电气零件、设备的成本相对较高，如IGBT模块的功率器件。同时因为变频调速设备的额定工作电压较低，当遇到10kV以上的高压电力输入时，便会失去作用。因此还需要配备相应的降压用变压器。而在变频调速设备运行的过程中，相关的检测、控制等配套设备较多，导致维护、检修的工作难度、成本大幅增加。但是对于采用变频调速设备的工业自动化生产厂家来说，变频调速设备带来的稳定性、安全性、高效率具有更高的价值，因此得到生产厂家的广泛认可。

3 变频调速在工业电气自动化控制中的运行

3.1 自适应电机单元

在工业电气自动化控制系统中，自适应电机单元对电机输入、输出的电压、电流进行自动检测，从而掌握电气自动化控制系统的工作状态，并根据事前确定好的控制规则，根据设备运行状态，进行实时的调整，控制经过电机的电流、电压，来保护电气自动化控制系统的正常工作[7]。

为了保证电机工作的可靠性，厂家在生产电机时，会留下一定的富余量，当电机满载工作时，除去需要达到电力输入的要求外，产生的多余力矩导致额外的电能消耗。而使用自适应电机单元将多余的电能进行阻挡，并调整电机的转速、频率使其维持在稳定工作的状态。

3.2 等速区间控制保护

工业电气自动化控制系统的存在价值在于可以长时间、无人控制地进行稳定、持续的工作。但由于电气自动化控制系统中电机应用面极广，在长时间持续运行的过程中，容易受到温度、湿度、电压、电流波动等客观因素的影响。使用变频调速技术对电机进行保护，是现阶段工业电气自动化生产系统中采用的主要方案。当系统长期工作在满负载的条件下时，变频调速设备会调节系统的工作状态，使其运行在合理、稳定的范围内。通常来说，电机拉动生产设备的运行速率不得超出既定值的15%以上，为了保证生产设备的安全生产，在出现超载、超负荷等不良条件下，需要对设备进行紧急制动，控制设备的运行速率。但在实际的电气自动化生产过程中，需要根据设备运行的条件，设置变频调速器的控制范围区间，当出现异常的速度、电压、电流等因素的变化时，及时发出预警，让相关的管理控制设备自动处理或者技术操作人员进行调节。

3.3 减速区间控制保护

为了保证电气自动化控制系统能够稳定降低运行速度，需要使用变频调速设备来处理电机电压、电流，让电机转速平稳线性的下降。当系统处于减速运行区间时，运行速度超过事先设置的标准值，电变频调速设备就会自动发出警报，并采取相应的调整策略，使系统速度逐步下降到正常运行状态。在此过程中，变频调速装置会主动收集系统的运行速度、电压、电流等运行参数，并将其与预设值进行对比，从而稳定地实现对电气自动化控制设备的平稳控制[8]。通常来说，工业电气自动化控制系统会采用变频调速设备或者PLC控制设备对电流、电压等参数进行自动控制。

3.4 电气自动化生产设备的节能改造

电气自动化生产设备是工业生产中最重要的经济价值来源，而这些设备的规模大，耗电量也极高，为了降低电能消耗来降低成本支出，需要对设备进行节能、减耗的改造，也是变频调速设备最大的应用场合。对于数控机床、引送风机等耗电大户可以使用FR-E740高性能矢量变频器，对电机和机床主轴进行控制，由于FR-E740变频器采用先进的磁通算法，在低频运行的情况下也能保持电机的150%的转矩，并对电机转速进行无级调整如表1所示。

表1 FR-E740高性能矢量变频器运行参数

3.5 深度指示器失效保护

工业电气自动化生产设备需要使用多种保护设备，来保护生产设备的正常运行。当深度指示器保护处于失效的状态下，会导致生产设备整体的保护环境产生变化，对工业电气自动化生产设备带来安全隐患，因此需要安装失效保护装置。利用变频调速技术，使用编码器采集周围设备的脉冲信号，并进行与预设值的比较。当脉冲信号没有发生任何变化的情况下，深度指示器已经无法正常工作的情况，而在工业电气自动化生产系统处于爬行区时，失效保护装置会发出极强的警报，引起系统、技术人员和操作人员的重视，若不处于爬行区时则会自动进行电机制动，并发出报警提示，让相关工作人员进行检修。