變頻調速技術在生產(chǎn)中的應用

馬錦源

【摘要】變頻調速技術具有高效率、寬范圍和高精度等特點，是目前應用廣泛且最具發(fā)展前途的一種調速方式。本文簡單介紹了變頻調速的工作原理、發(fā)展階段及現(xiàn)狀，重點介紹了變頻調速技術在工業(yè)生產(chǎn)領域中的一些應用。

【關鍵詞】變頻調速技術；階段；應用；恒壓供水系統(tǒng)

變頻調速技術，是一項以電力電子器件制造技術、微處理器技術、PWM控制技術和現(xiàn)代控制理論發(fā)展為基礎的技術。其基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻調速在交流調速技術中具有絕對優(yōu)勢，且其調速性能與可靠性不斷完善，變頻調速節(jié)電效果更加明顯，適用范圍廣泛，在工業(yè)自動化領域起著越來越重要的作用，并已滲透到社會經(jīng)濟的各個角落。所以在世界能源緊缺的今天，推廣交流變頻調速技術的應用，有著非常積極的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值以及社會價值。

一、變頻調速技術的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1.發(fā)展歷程

從20世紀60年代末至90年代，變頻器的控制方法大致經(jīng)歷了三個階段，每一個階段都推出了一個更先進的控制理論，在技術上都有一個突破性進展[1]。第一代變頻調速控制系統(tǒng)是以恒壓頻比或變壓變頻（VVVF）控制方式為理論基礎的變頻調速。 可以通過改變電機的供電頻率在交流電機調速系統(tǒng)中實現(xiàn)控制電機轉速的目的，但系統(tǒng)中并沒有嚴格的磁通控制，所以此階段對系統(tǒng)的控制是粗略的。第二代變頻調速是以矢量控制理論為基礎的變頻調速系統(tǒng)?？刂妻D子磁鏈是其基本點，以轉子磁通定向，分解定子電流，使其成為磁場和轉矩兩個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)解耦控制或正交。 但是，由于矢量變換的復雜性以及轉子磁鏈難以準確觀測，使實際控制效果通常難以達到理論分析效果，成為矢量控制技術在實踐上的不足。第三代是以直接轉矩控制理論為基礎的變頻調速系統(tǒng)。直接轉矩控制的主要對象是對轉矩進行綜合控制，與矢量控制的區(qū)別是它不是通過控制磁鏈和電流等變量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制。此控制理論的系統(tǒng)結構簡單，不僅控制轉矩也用于對磁鏈的控制，其各項指標都更加優(yōu)越。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

電氣傳動系統(tǒng)可分為不調速和調速兩大類，不調速電動機直接由電網(wǎng)供電，調速又分為直流調速和交流調速兩種方式[2]。電氣傳動控制系統(tǒng)一般由電動機、信息裝置和控制裝置三部分組成。但是，隨著電子電力技術的迅猛發(fā)展，原本不調速的機械被改用調速傳動以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質量以及提高產(chǎn)量。目前，變頻調速技術已成為交流調速中最活躍、發(fā)展最快、國內外公認為最有發(fā)展前途的調速技術。

（1）國外現(xiàn)狀

近十年內變頻調速技術得以高速發(fā)展，主要由以下幾個方面因素決定：

①市場有大量需求

②功率器件發(fā)展迅速

③控制理論和微電子技術的支持

（2）國內現(xiàn)狀

改革開放以來，國內在自行設計制造的成套裝置中采用合資企業(yè)和外國進口公司的先進設備，自己開發(fā)應用軟件，為國內外重大工程項目提供了一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。但是，由于國內生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重?？傮w上，我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平存在10～15年的差距[3]。特別是系統(tǒng)可靠性及數(shù)字化方面與國外還有較大差距。目前國內交流變頻調速技術產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下：

①變頻器的整機技術落后，缺乏技術和生產(chǎn)規(guī)模；

②變頻器產(chǎn)品所用的半導體功率器件制造業(yè)幾乎是空白；

③配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后；

④產(chǎn)銷量較少，工藝水平及可靠性不高。

二、變頻調速技術的應用

目前，就我國變頻調速技術在生產(chǎn)上的應用而言，總體上是一個低級到高級的過程，即由試驗到實用，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由小范圍到大范圍，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動控制到自動控制的過程。我國的變頻調速技術應用已取得顯著成績，主要體現(xiàn)在下面幾個方面：

（1）變頻調速技術的應用范圍已逐步擴大

以石油、石化、電力節(jié)能系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、冶金以及機械等行業(yè)為例，都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個發(fā)展階段[4]。如九江石油化工廠和廣東茂名石化公司已引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了顯著效果。

（2）變頻調速技術已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質量的有效措施

變頻調速技術是技術含量很高的機泵節(jié)能運行技術，2009年，通過對安裝在黃山水廠、江河清水廠等油田水廠泵站的變頻調速裝置進行調試，實現(xiàn)了恒壓供水，供水壓力恒定在0.33MPa，到目前為止運行狀況良好實施后黃山水廠節(jié)能28%、江河水廠節(jié)能30%，節(jié)能效果明顯。采用變頻裝置后，包鋼1150軋機年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下，大大提高了產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，年節(jié)約電費約50萬元。在電力系統(tǒng)節(jié)能方面，交流變頻調速技術在電力系統(tǒng)提高控制精度、改善生產(chǎn)工藝等方面也有廣泛實際應用。交流電力拖動具備較高調速精度、較寬調速范圍、較快動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。因此在電力系統(tǒng)中，不僅在節(jié)能方面需要變頻器，許多需要精確控制壓力、液位及流量的場所都需要。

（3）發(fā)電廠的應用

在發(fā)電廠中，水泵和風機是主要的耗電設備，且由于容量大、耗電多，加上這些設備都是長期運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，具有巨大節(jié)能潛力。通過變頻調速技術下調電機的運行速度，可達到顯著的節(jié)能效果。水泵和風機用電量是發(fā)電廠的主要部分，如果這一部分能源得以節(jié)約，會極提高發(fā)電廠的經(jīng)濟效益。

（4）在恒壓供水系統(tǒng)的應用

恒壓供水是利用高壓變頻器對水泵電動機進行變頻控制，以此用來實現(xiàn)供水流量的變負荷調節(jié)。在變頻恒壓供水方式下，可正確推算當天的供水量，從而合理調配工頻車運行車次。通過控制變頻機組運行頻率在合理的范圍內，使每臺水泵都處于高效區(qū)運行狀態(tài)，壓縮富裕水頭；根據(jù)供水量的變化情況和變頻機組的實際運行頻率，及時調整，使不同的供水壓力段，均能將能量損失降低到最小，且使運行工況平穩(wěn)可靠[5]。

三、結束語

變頻調速技術具有高效性、精確性、可靠性等優(yōu)點，廣泛應用于供水、發(fā)電和石油化工等多種工業(yè)領域，具有廣闊的發(fā)展前景。在世界能源日益枯竭的今天，結合我國國情開發(fā)自己的產(chǎn)品，積極開展變頻調速系統(tǒng)的控制策略，加快變頻調速技術的推廣應用，具有十分重要的意義，有著顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]吳靜.變頻調速技術的發(fā)展與展望[J].科技信息，2009 （23）：65-93.

[2]熊幸明.變頻調速技術的應用與發(fā)展[J].長沙大學學報，2005（19）：65-68.

[3]趙相賓.談我國變頻調速技術的發(fā)展及應用[J].電氣傳動，2002（2）：18-20.

[4]孟憲軍.變頻調速技術的現(xiàn)狀與應用[J].佳木斯大學學報，2007（25）：38-40.

[5]郝淑榮.變頻調速技術的應用與分析[J].電器開關，2012 （2）：79-83.