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

王然

摘 要：近些年，隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國變頻調(diào)速技術(shù)取得了質(zhì)的飛躍。變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展速度特別快，在很多大功率設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)能夠促使設(shè)備實現(xiàn)變頻節(jié)能，提高資源利用率。本文研究了變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用，以期有效利用變頻調(diào)速技術(shù)，提升工業(yè)電氣自動化控制水平。

關(guān)鍵詞：工業(yè);電氣自動化控制;變頻調(diào)速;節(jié)能

中圖分類號：TM921.51文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0073-03

Abstract： In recent years， with the vigorous economic development， China's frequency conversion speed regulation technology has made a qualitative leap. The frequency conversion speed regulation technology is developing very fast and is widely used in many high-power equipment. Frequency conversion speed regulation technology can promote equipment to achieve frequency conversion energy saving and improve resource utilization. This paper studied the application of variable frequency speed regulation technology in industrial electrical automation control， in order to effectively use frequency conversion speed regulation technology to improve the level of industrial electrical automation control.

Keywords： industry;electrical automation control;frequency conversion speed regulation;energy saving

現(xiàn)如今，隨著科技的進步，交流電動機的調(diào)速性能變得越來越好，使得工業(yè)快速發(fā)展。大功率設(shè)備能夠很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，但是其耗電量過大，所以人們需要利用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)整電機輸出功率，從而滿足節(jié)能和經(jīng)濟的要求。因此，有必要研究變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化控制中的應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速技術(shù)簡述

當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)電氣自動化控制中不可或缺的環(huán)節(jié)。變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用促使各種大功率設(shè)備完成節(jié)能減排，大幅提升能源利用率，不僅使得工業(yè)企業(yè)獲得更多經(jīng)濟效益，還有效避免能源浪費。例如，數(shù)控機床引入變頻調(diào)速技術(shù)，能夠促使整體結(jié)構(gòu)變得更加精簡、穩(wěn)定，有效降低運行期間對金屬材料的消耗。而中央空調(diào)系統(tǒng)引入變頻調(diào)速技術(shù)，則可以根據(jù)運行需求自動調(diào)整輸出功率，從而有效節(jié)約電能。

自20世紀(jì)80年代開始，變頻調(diào)速技術(shù)便在工業(yè)領(lǐng)域中得到推廣，其實際應(yīng)用范圍變得越來越大。隨著時間的推移，經(jīng)過不斷發(fā)展與優(yōu)化，如今，變頻調(diào)速技術(shù)的性能已經(jīng)逐漸趨于完善，能夠在諸多領(lǐng)域發(fā)揮更多作用。所以，人們應(yīng)該結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)實生產(chǎn)需求，深入研究變頻調(diào)速技術(shù)，促使變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動化控制中發(fā)揮應(yīng)有的效果[1]。工業(yè)變頻控制柜實物圖如圖1所示。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的作用

2.1 提高機械設(shè)備運行的穩(wěn)定性

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，想要確保各種機械設(shè)備長時間保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，人們就需要對電氣設(shè)備的運行狀態(tài)進行管控。生產(chǎn)管理人員要承擔(dān)管理職責(zé)，針對電氣設(shè)備的運行安全性開展統(tǒng)籌規(guī)劃。目前，實際運行期間，很多工業(yè)企業(yè)的電氣設(shè)備往往面對非常多的不穩(wěn)定因素，可能導(dǎo)致機械設(shè)備的運行受到干擾。所以，必須采取合理措施來完成電氣設(shè)備管控，提高電氣設(shè)備的運行穩(wěn)定性。工業(yè)企業(yè)可以在基層全方位推廣電氣自動化設(shè)備，完成對運行情況的自動監(jiān)管。變頻調(diào)速技術(shù)是自動化控制體系的核心內(nèi)容，工業(yè)企業(yè)要結(jié)合自動監(jiān)測的反饋內(nèi)容，完成變頻調(diào)節(jié)，保障電氣設(shè)備長期運行安全，消除設(shè)備安全隱患。

2.2 提升工業(yè)企業(yè)的節(jié)能減排效果

在我國，工業(yè)是推動國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，但是由于工業(yè)生產(chǎn)的特殊性，設(shè)備運行容易破壞周圍環(huán)境。隨著電氣自動化控制的持續(xù)優(yōu)化，變頻調(diào)速技術(shù)同樣獲得長足的進步。變頻調(diào)節(jié)的自動化控制既可以降低人工成本，又能夠在設(shè)備運行期間結(jié)合生產(chǎn)需求控制能源消耗，避免資源浪費。因此，變頻調(diào)速技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展理念，可以促使工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排，使得國民經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 工業(yè)電氣自動化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速原理

3.1.1 軟啟動節(jié)能。通常，自動化電氣設(shè)備啟動時，其瞬時電流能夠提升至額定電流的五倍。如果電氣設(shè)備的電容量難以滿足需求，就會導(dǎo)致超額現(xiàn)象，長此以往，將會導(dǎo)致電氣設(shè)備使用壽命下降。變頻調(diào)速技術(shù)則可以通過軟啟動完成變頻調(diào)節(jié)，從而降低設(shè)備啟動電流，此時，電氣設(shè)備便不再需要高電容，電網(wǎng)沖擊下降，使得設(shè)備使用年限增加，提高了設(shè)備經(jīng)濟性。通用變頻調(diào)速器通常很難滿足自動化控制需求，因為其內(nèi)控系數(shù)難以達到自動化控制的使用要求。軟啟動期間利用變頻調(diào)速器，可以讓電機實現(xiàn)短時間停機、減速，降低輸出頻率，此時，電機的消耗功率同樣會有所降低[2]。然而，電機減速期間，若采用大容量變頻調(diào)速器，則需要利用電源再生單元進行能量回饋，以達到節(jié)能降耗的目的。如果采用小容量變頻調(diào)速器，就要通過制動電路消耗反饋能量。

3.1.2 變頻調(diào)速節(jié)能。變頻調(diào)速節(jié)能是變頻調(diào)速技術(shù)的重要功能。一般而言，電機運行時的轉(zhuǎn)速和流量的一次方成正比，而功率與轉(zhuǎn)速立方同樣成正比。在電機運行效率不發(fā)生改變時，其流量調(diào)節(jié)效果將會下滑，此時，轉(zhuǎn)速將會出現(xiàn)下滑趨勢，功率與轉(zhuǎn)速立方同樣會按比例降低。

3.2 變頻調(diào)速的優(yōu)缺點

3.2.1 優(yōu)點。變頻調(diào)速具有四大應(yīng)用優(yōu)勢。一是啟動沖擊小。大功率電機啟動瞬間產(chǎn)生的強電流會縮短電機使用壽命，在電網(wǎng)沖擊下，電源電壓同樣會產(chǎn)生波動，從而影響電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備。而變頻調(diào)速可以有效控制電機啟動頻率，大幅降低電機運行期間逐漸上升的電機轉(zhuǎn)速帶來的負面影響。二是調(diào)速性能好。變頻調(diào)速器具有較寬的調(diào)速范圍，調(diào)速動態(tài)響應(yīng)非?？?，因此在實際應(yīng)用中可以完成多種場合的變頻調(diào)速工作。三是節(jié)約電能。通過改變電機轉(zhuǎn)速，人們能夠控制電機在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下工作，從而達到節(jié)約電能的目的。四是適應(yīng)能力強。變頻調(diào)速器通常會配置直流母線電容器，所以面對電網(wǎng)、電壓波動時，其往往具有較強的適應(yīng)能力，即使運行期間發(fā)生電網(wǎng)、電壓下滑，也能在一定周期內(nèi)保證失電時的運行質(zhì)量。

3.2.2 缺點。變頻調(diào)速主要有兩大缺點。一是諧波污染。輸入側(cè)大多采用普通移相整流，因此在低頻情況下會產(chǎn)生較大的波形畸變，從而導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染。若沒有使用電磁隔離設(shè)備，電源波形就會受到影響。為了避免諧波污染，人們可以采用濾波器，保證運行效率。二是投入成本高。變頻調(diào)速器的功率器件成本相對偏高，而且不具備較高的耐壓能力，因此難以在高壓狀態(tài)下長時間運行。若采用電源降壓、調(diào)頻、升壓的運行方式，則會加速設(shè)備損耗，導(dǎo)致成本上升[3]。

3.3 深度指示器保護中變頻調(diào)速的應(yīng)用

在工業(yè)電氣自動化控制中，企業(yè)經(jīng)營者通常會引進多種工業(yè)設(shè)備，以提高工業(yè)生產(chǎn)效率。其中，深度指示器可以在設(shè)備運行期間發(fā)揮至關(guān)重要的作用。如果深度指示器無法順利運行，就會導(dǎo)致大量工業(yè)設(shè)備的保護裝置受到影響并失效。設(shè)備保護能力的喪失不僅影響工業(yè)生產(chǎn)效率，還會留下非常嚴(yán)重的安全隱患，所以深度指示器的重要性毋庸置疑。通過合理利用變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計人員可以對深度指示器加裝失效保護。電機開機期間，其可以讀取編碼器脈沖信號，若數(shù)據(jù)沒有發(fā)生改變，則說明深度指示器沒有順利運行，此時不具備保護能力。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備進入爬行區(qū)，深度指示器便會發(fā)出報警并處理，反之則會制動并報警。

3.4 脈沖優(yōu)化選擇器中變頻調(diào)速的應(yīng)用

采用變頻調(diào)速技術(shù)時，人們可以利用芯片完成信息的分析、處理，在電路編寫完成后發(fā)揮各個模塊的功能。系統(tǒng)運行期間，如果電解電容器容量離散性過高，就會導(dǎo)致電壓不相等，此時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性將會出現(xiàn)大幅下滑。人們可以利用并聯(lián)，在電容周圍設(shè)置均壓電阻，從而提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，降低浪涌電流的影響，避免電路運行期間發(fā)生燒毀現(xiàn)象。

3.5 電機組系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)在電機組中主要有兩種應(yīng)用方式。第一，變頻調(diào)速技術(shù)可以根據(jù)聯(lián)動裝置的運行情況，完成對整體線路的布局。例如，在電機數(shù)量較少時，可以聯(lián)合驅(qū)動裝置完成電壓調(diào)節(jié)，從而避免出現(xiàn)電機負載過高的情況。第二，電路配置期間，變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成運行模塊的劃分，將各個獨立部分集中起來，然后利用主電路，使用電壓逆變來完成能量的傳遞。變頻調(diào)速器與自動化系統(tǒng)融合后，電力參數(shù)可以顯示在客戶終端，即便是用電高峰期，系統(tǒng)同樣可以結(jié)合設(shè)備情況完成模式切換，并啟動仿真保護[4]。電機組實物圖如圖2所示。

4 結(jié)論

變頻調(diào)速屬于強弱電混合的綜合技術(shù)，運行期間不僅需要處理龐大的電能轉(zhuǎn)換，而且需要完成信息的收集與傳輸，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)通常分為軟、硬件兩部分。當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)表現(xiàn)出四大發(fā)展趨勢。一是智能化。交流電機的性能控制比較困難，但是因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身具有非常強大的信息處理能力，可以通過學(xué)習(xí)來解決很多復(fù)雜問題，所以人們可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能化變頻調(diào)速。二是高度集成化。如今，變頻調(diào)速裝置體積已經(jīng)非常小巧，但是依然很難滿足使用需求，所以人們需要在保證變頻調(diào)速器性能不受影響的同時，通過集成電路工藝進一步提高其集成度，使系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)更加小巧、便捷，研究強弱電一體化的集成化智能電機[5]。三是高頻化。變頻調(diào)速器的開關(guān)頻率可以對諧波起到抑制作用，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能，但是開關(guān)頻率的提升會加速器件損耗，影響變頻調(diào)速器的運行穩(wěn)定性，所以人們需要優(yōu)化電子器件，促使變頻調(diào)速器完成高頻化。四是軟開關(guān)化。硬件開關(guān)會影響變頻調(diào)速器的頻率和容量，而軟開關(guān)則可以有效降低變頻調(diào)速器開關(guān)期間元件的損耗，從而提升變頻調(diào)速器的運行質(zhì)量?？偠灾?，在工業(yè)電氣自動化控制中，變頻調(diào)速技術(shù)的重要性毋庸置疑。變頻調(diào)速不僅能夠在工業(yè)生產(chǎn)中降低生產(chǎn)成本，還能夠有效提高各種電氣設(shè)備的運行穩(wěn)定性。未來，隨著時代的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)會變得更加完善。

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