變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用初探

杜堅(jiān)+何振

摘 要：20世紀(jì)70年代德國(guó)學(xué)者F.B：Aschke提出《感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理》，美國(guó)學(xué)者提出《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》，此后交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)逐漸開始發(fā)展起來(lái)。經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展變化，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)發(fā)展過(guò)程之中，本文就變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，重點(diǎn)結(jié)合實(shí)際案例剖析變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù)；工作原理；工業(yè)電氣自動(dòng)化控制；實(shí)踐應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)是依托于微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這一技術(shù)從理論要使用推廣經(jīng)歷了四十多年的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程之中，功率集成電路、振諧式逆變器以及各種新型電力電子器件的出現(xiàn)展促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。就目前來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)之中，在電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1 變頻調(diào)速技術(shù)概述

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理及結(jié)構(gòu)組成

變頻調(diào)速技術(shù)一種交-直-交電源變換技術(shù)，是基于電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成本比這一原理實(shí)現(xiàn)的，n=60f（1-s）/p，其中n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速，f表示電源的輸入頻率，s及p分別表示電機(jī)的轉(zhuǎn)差率以及磁極對(duì)數(shù)，電機(jī)控制過(guò)程中，改變電機(jī)電源的頻率就能夠改變其轉(zhuǎn)速。

變頻調(diào)速設(shè)備主要由轉(zhuǎn)矩及磁通比較器、脈沖優(yōu)化選擇器以及自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊三部分組成。它們分別具有不同的功能，其中自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊能夠?qū)斎腚妱?dòng)機(jī)的電壓、電流的性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而識(shí)別電動(dòng)機(jī)參數(shù)，自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵，實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)定子磁場(chǎng)定向的方式直接控制轉(zhuǎn)矩，該技術(shù)的控制精度可以達(dá)到±0.1%。脈沖優(yōu)化選擇器的主要功能是對(duì)一定范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，首先必須要選擇合適的信息處理選擇芯片，Cyclone ⅡEP2C5Q209C8是現(xiàn)階段比較常見的信息處理選擇芯片。然后，需要合理的設(shè)計(jì)調(diào)制信號(hào)源，編寫具有不同功能的電路模塊，比如緩沖功能、星座映射功能等等。最后對(duì)信號(hào)源進(jìn)行仿真模擬，判斷這些電路模塊能否實(shí)現(xiàn)其功能。為了防止電路的載荷超出設(shè)計(jì)值，使得控制電路被損壞，需要在電路中增加浪涌抑制保護(hù)設(shè)備。利用轉(zhuǎn)矩和磁通比較器，能夠?qū)Ρ确答佇盘?hào)及參考值，然后通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或磁場(chǎng)狀態(tài)，獲得轉(zhuǎn)矩及磁場(chǎng)實(shí)施狀態(tài)，為后期的控制操作提供參考。

1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)響應(yīng)效果好、節(jié)電效果好、變頻調(diào)速功能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中十分常見。根據(jù)調(diào)節(jié)電流的類型，變頻裝置主要可以分為交-交系統(tǒng)以及交-直-交系統(tǒng)兩種，其中交-直-交系統(tǒng)又可以分為電流型和電壓型兩種。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用技術(shù)分析

2.1 負(fù)荷匹配技術(shù)

為了保證變頻調(diào)速系統(tǒng)之中屬于穩(wěn)定安全運(yùn)行的狀態(tài)，變頻調(diào)速設(shè)備在使用過(guò)程中要求設(shè)備的容量、型號(hào)、載荷等與電動(dòng)機(jī)的功率相匹配，裕量要能夠控制在10%以下。

2.2 抗干擾處理技術(shù)

變頻調(diào)速設(shè)備在使用過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_影響系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性，因此，一般需要采用抗干擾技術(shù)，就目前來(lái)說(shuō)主要有隔離、屏蔽、接地等幾種抗干擾處理技術(shù)。變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)之中，一般需要將噪聲隔離變壓器安裝在電源與放大器連接線纜之間，從而有效的避免信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾。此外，增加干擾源與受干擾電路、裝置、設(shè)備之間的距離也是降低干擾的重要方法。屏蔽技術(shù)就是將變頻調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備、元器件、電路等安裝在屏蔽箱之中，屏蔽箱大多數(shù)由銅、鋁、磁性材料制成，能夠屏蔽周圍環(huán)境的電場(chǎng)及磁場(chǎng)，以免影響信號(hào)的傳輸，但這種屏蔽干擾的方式并不能夠緩解噪聲影響，且如果設(shè)備周圍的交變磁場(chǎng)比較強(qiáng)烈，或者是在冶煉廠、重型機(jī)械廠等工作環(huán)境之下，使用這種抗干擾方式效果不夠明顯，還需要輔助以其他屏蔽方式。

2.3 接地技術(shù)

接地技術(shù)分為保護(hù)接地和工作接地兩部分，保護(hù)接地就是將變頻調(diào)速系統(tǒng)中的不帶電的金屬部分與地面良好導(dǎo)體連接起來(lái)，防止靜電積聚，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及相關(guān)機(jī)電設(shè)備的安全。工作接地主要有屏蔽接地、信號(hào)回路接地以及機(jī)器邏輯地幾種處理方法，能夠保證整個(gè)系統(tǒng)以及相關(guān)測(cè)量設(shè)備的精度，對(duì)于整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)而言同樣十分重要。

3 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

下文結(jié)合三個(gè)實(shí)際案例，就變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的具體應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析概述。

3.1 變頻調(diào)速技術(shù)在門式滾輪堆取料機(jī)上的應(yīng)用

某熱電廠的門式滾輪堆取料機(jī)高度為20m，跨距為50m，該設(shè)備行走機(jī)構(gòu)為四組行走臺(tái)車，軌道跨距也為50m，滾輪機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，剛性側(cè)分布的載荷比柔性側(cè)要多，兩側(cè)負(fù)載存在著比較明顯的不平衡的問(wèn)題，實(shí)際的行走過(guò)程中就會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)的行走速度不同步，很容易使得兩側(cè)行走輪的水平位置存在偏差，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)扭曲，產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而導(dǎo)致啃軌現(xiàn)象。該設(shè)備的行走機(jī)構(gòu)主要由4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這四臺(tái)電機(jī)均為交流電機(jī)，有調(diào)車和工作兩個(gè)速度檔，速度轉(zhuǎn)換時(shí)，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)差率及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)突變，產(chǎn)生電能回饋制動(dòng)，慣性作用下，整個(gè)設(shè)備會(huì)受到較大的沖擊，為了解決這一問(wèn)題，確保滾輪堆取料機(jī)的剛性側(cè)及柔性側(cè)行走臺(tái)車能夠同步行走，消除設(shè)備啟動(dòng)及制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性沖擊，避免速度轉(zhuǎn)換時(shí)交流電機(jī)產(chǎn)生電能回饋制動(dòng)，保證設(shè)備速度平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，相關(guān)研究人員對(duì)該設(shè)備行走電機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改裝，利用兩臺(tái)變頻器分別控制兩側(cè)的行走電機(jī)，實(shí)際的速度調(diào)整過(guò)程中通過(guò)改變頻率，調(diào)整行走電機(jī)速度，以剛性側(cè)的行走速度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)柔性側(cè)設(shè)備電機(jī)速度進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，確保電機(jī)能夠同步運(yùn)行。具體的調(diào)整過(guò)程中，利用增量型光編碼器分別對(duì)兩側(cè)行走輪的位移進(jìn)行檢測(cè)，采用CQM1型可編程控制器，將柔性側(cè)模擬量輸出值進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，調(diào)整高速柔性側(cè)的變頻器的頻率值。由于滾輪機(jī)是熱電廠中十分重要的設(shè)備，為了更加精準(zhǔn)的調(diào)整大車行走輪位置偏差，實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，研究人員分別采用工頻和變頻兩套控制方式，利用可編程控制器保證了電氣控制的穩(wěn)定性及可靠性。變頻改造之后，設(shè)備的啟動(dòng)及制動(dòng)性能得到了明顯的改善，慣性沖擊被消除之后，設(shè)備運(yùn)行更加的平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)速，設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、可靠性都得到了明天的提高，設(shè)備故障發(fā)生率有所降低。利用可編程控制器及光電編碼器、變頻器，程序調(diào)試及修改更加方便，糾正了打車剛性側(cè)及柔性側(cè)的位置偏差。

3.2 變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)和水泵中的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)、水泵是工業(yè)生產(chǎn)中十分常見的電氣設(shè)備，為了節(jié)約電力能源，現(xiàn)階段，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)機(jī)及水泵都已經(jīng)采用變頻調(diào)速的運(yùn)行方式。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的工作功率隨著設(shè)備轉(zhuǎn)速三次方成比例變化。如圖1所示，在某送風(fēng)機(jī)控制回路上增加變頻器及其輸入輸出開關(guān)，不改變其它線路就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該送風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。實(shí)際的使用過(guò)程中，調(diào)節(jié)對(duì)象不同，調(diào)速范圍也存在一定的區(qū)別，調(diào)速的運(yùn)行模式也有一定的差異，可以按照實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)需要進(jìn)行控制，如圖2所示。除此之外，還可以通過(guò)控制流體的液位流量、壓力，對(duì)比給定信號(hào)機(jī)檢測(cè)信號(hào)，然后調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，具體選擇哪一種運(yùn)行方式需要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行確定。采用變頻調(diào)節(jié)器能夠明顯的節(jié)約電力能源，設(shè)備優(yōu)化改動(dòng)的投資能夠在較短的時(shí)間內(nèi)回收回來(lái)，現(xiàn)階段已經(jīng)有許多工業(yè)生產(chǎn)廠家對(duì)原有的風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，風(fēng)機(jī)和水泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛的普及開來(lái)。

3.3 變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐給粉機(jī)中的應(yīng)用

燃煤機(jī)組是火電廠的重要設(shè)備之一，燃煤機(jī)組主要通過(guò)調(diào)節(jié)給粉量控制負(fù)荷、汽壓，而給粉量的調(diào)節(jié)則是通過(guò)控制給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。一般情況下，給粉機(jī)主要通過(guò)滑差電機(jī)及直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，但是，火電廠實(shí)際的運(yùn)行管理過(guò)程中，給粉機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，環(huán)境溫度較高，粉塵非常多，對(duì)設(shè)備帶來(lái)了許多不良影響，直流電機(jī)的整流子、電刷等設(shè)備損壞十分頻繁，嚴(yán)重影響了火電廠發(fā)電工作的正常開展。此外，滑差電機(jī)采用非線性調(diào)速方法，運(yùn)行不夠穩(wěn)定，大量粉煤灰積聚在滑差電機(jī)調(diào)速勵(lì)磁線圈之中，很容易導(dǎo)致線圈堵塞，進(jìn)而燒毀。因此，實(shí)際的工作過(guò)程中可以采用交流異步鼠籠式電機(jī)代替滑差電機(jī)，這種交流異步鼠籠式電機(jī)防護(hù)等級(jí)較高，具有防粉塵、耐高溫、變器無(wú)級(jí)平滑地調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速，有利于保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。變頻器操作過(guò)程中可以利用弱電信號(hào)進(jìn)行控制，主電路中不需要交流接觸器，同時(shí)由于配置有人機(jī)界面，方便了檢修控制人員的操作檢查，增加了系統(tǒng)的可靠性。該給粉變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)比較高，具有過(guò)電壓、短路、欠壓保護(hù)等功能，電機(jī)安全性更好。該變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器的調(diào)速性能可以達(dá)到99%，輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速都十分平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)零漂的不良現(xiàn)象，同時(shí)具有給粉均勻、燃燒穩(wěn)定、節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際使用過(guò)程中如果出現(xiàn)給粉機(jī)堵轉(zhuǎn)的不良現(xiàn)象，一般情況下，只需要按正反轉(zhuǎn)按鈕就可以消除故障。

結(jié)束語(yǔ)

在保證工業(yè)生產(chǎn)安全及生產(chǎn)質(zhì)量的前提之下，盡量采用各種先進(jìn)的技術(shù)手段及生產(chǎn)設(shè)備降低企業(yè)的生產(chǎn)成本是當(dāng)前階段各工業(yè)生產(chǎn)廠家重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)階段，節(jié)能減排已經(jīng)成為社會(huì)的主要趨勢(shì)，許多工業(yè)生產(chǎn)廠家都在積極地研究節(jié)能減排技術(shù)，變頻調(diào)速器能夠同時(shí)滿足上述兩個(gè)發(fā)展需求，在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用十分的廣泛。本文結(jié)合實(shí)際案例就變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析概述，想要更好的在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速器的節(jié)能價(jià)值，改善工業(yè)生產(chǎn)的條件，各生產(chǎn)廠家要能夠結(jié)合自身的生產(chǎn)情況，對(duì)相關(guān)的工業(yè)電氣設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，?jié)約能源，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。

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