變頻調(diào)速在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)行分析

王雷

（江蘇省無錫市江陰新華西鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214420）

0 引言

工業(yè)化的生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展的大勢(shì)所趨。在電氣自動(dòng)化控制下，工業(yè)生產(chǎn)的效率和穩(wěn)定性得到大幅提升。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)階段更加先進(jìn)的節(jié)能增效技術(shù)，對(duì)提升電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作效率經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要的意義，而且當(dāng)今國(guó)內(nèi)生產(chǎn)重視節(jié)能、減排的社會(huì)級(jí)趨勢(shì)中，對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的研究，具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速簡(jiǎn)單來說是改變電機(jī)的輸入電壓、電流，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈活的調(diào)整、控制。工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)隨著生產(chǎn)需求，運(yùn)行環(huán)境而發(fā)生變化，為了保證生產(chǎn)設(shè)備的有效運(yùn)行，需要在生產(chǎn)負(fù)擔(dān)較重的情況下加快生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)壓力較小的情況下，合理降低生產(chǎn)速度來降低設(shè)備磨損。從而在保證生產(chǎn)成果的基礎(chǔ)上，合理使用電能，減少能源消耗。而變頻調(diào)速技術(shù)利用電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)模塊，對(duì)輸入電機(jī)的電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并控制電機(jī)的運(yùn)行情況，利用自適應(yīng)模塊，可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需要對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的電機(jī)實(shí)時(shí)展開調(diào)整。同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)會(huì)使用轉(zhuǎn)矩和磁通比較器來對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估，然后使用警報(bào)裝置-調(diào)解器來發(fā)出警告和控制，使操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)情況并制定對(duì)策[1-2]。

變頻調(diào)速的技術(shù)為電氣自動(dòng)化系統(tǒng)帶來極大的便利，在工業(yè)生產(chǎn)中，變頻調(diào)速使自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行呈現(xiàn)一個(gè)更加動(dòng)態(tài)的自動(dòng)控制過程，及時(shí)采集、分析、處理系統(tǒng)運(yùn)行的情況，并做出調(diào)整，為提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，降低電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，從而在滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的前提下，對(duì)電源進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，降低電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的能耗水平，從而滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)能耗，經(jīng)濟(jì)效益，安全生產(chǎn)的要求。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

首先，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中采用的電氣自動(dòng)化控制生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模較大，生產(chǎn)時(shí)的耗電量也非常高，這些大功率設(shè)備在啟動(dòng)、關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間的大電流，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，一方面電流波動(dòng)情況下產(chǎn)生的大電流會(huì)造成電源、電網(wǎng)的異常影響安全生產(chǎn)，一方面大電流對(duì)電機(jī)的沖擊會(huì)嚴(yán)重減少電機(jī)的正常使用壽命[3]。而變頻調(diào)速技術(shù)通過控制設(shè)備的啟動(dòng)頻率，使經(jīng)過設(shè)備的電壓、電流用平緩的方式過渡到正常工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定設(shè)備的運(yùn)行，并對(duì)連接設(shè)備的電機(jī)、電源、電網(wǎng)進(jìn)行有效保護(hù)。

其次，變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行條件并不挑剔，現(xiàn)階段功能比較優(yōu)秀的變頻調(diào)速電機(jī)能在0-300Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行靈活平穩(wěn)的變化，因此在生產(chǎn)機(jī)床、穩(wěn)壓泵等多種工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中均有使用。而調(diào)速范圍較大的本技術(shù)，對(duì)設(shè)備電壓、電流等參數(shù)的感度較高，可以極快的相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備要求，從而提升設(shè)備的運(yùn)行效率[4]。

此外，變頻調(diào)速在最初研究、使用中便以強(qiáng)大的節(jié)能性能得到信賴，在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行中，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求進(jìn)行定能輸出，保證在電能的有效利用，同時(shí)在低速運(yùn)行條件下，變頻調(diào)速電機(jī)的能耗極低，進(jìn)一步降低生產(chǎn)過程中不必要的能源浪費(fèi)。

最后，變頻調(diào)速技術(shù)使用直流母線電容器，只需要在生產(chǎn)設(shè)備額定電壓的5-10%范圍內(nèi)就能啟動(dòng)保持滿負(fù)荷運(yùn)載。當(dāng)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、電流問題時(shí)，變頻調(diào)速裝置可以在短時(shí)間內(nèi)讓設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)下，避免突然斷電等情況對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成的不良影響。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的劣勢(shì)

由于變頻調(diào)速設(shè)備在輸入端使用整流技術(shù)，當(dāng)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作在低頻情況下，變頻調(diào)速設(shè)備會(huì)產(chǎn)生波形畸變，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。而通常來說，需要對(duì)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)做好電磁防護(hù)來減少諧波污染。但現(xiàn)階段技術(shù)的發(fā)展讓不少廠商嘗試在變頻器內(nèi)部安裝濾波器，避免、減少諧波的產(chǎn)生[5-6]。

此外，變頻調(diào)速設(shè)備使用的相關(guān)電氣零件、設(shè)備的成本相對(duì)較高，如IGBT模塊的功率器件。同時(shí)因?yàn)樽冾l調(diào)速設(shè)備的額定工作電壓較低，當(dāng)遇到10kV以上的高壓電力輸入時(shí)，便會(huì)失去作用。因此還需要配備相應(yīng)的降壓用變壓器。而在變頻調(diào)速設(shè)備運(yùn)行的過程中，相關(guān)的檢測(cè)、控制等配套設(shè)備較多，導(dǎo)致維護(hù)、檢修的工作難度、成本大幅增加。但是對(duì)于采用變頻調(diào)速設(shè)備的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)廠家來說，變頻調(diào)速設(shè)備帶來的穩(wěn)定性、安全性、高效率具有更高的價(jià)值，因此得到生產(chǎn)廠家的廣泛認(rèn)可。

3 變頻調(diào)速在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)行

3.1 自適應(yīng)電機(jī)單元

在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，自適應(yīng)電機(jī)單元對(duì)電機(jī)輸入、輸出的電壓、電流進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，從而掌握電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)事前確定好的控制規(guī)則，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，控制經(jīng)過電機(jī)的電流、電壓，來保護(hù)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常工作[7]。

為了保證電機(jī)工作的可靠性，廠家在生產(chǎn)電機(jī)時(shí)，會(huì)留下一定的富余量，當(dāng)電機(jī)滿載工作時(shí)，除去需要達(dá)到電力輸入的要求外，產(chǎn)生的多余力矩導(dǎo)致額外的電能消耗。而使用自適應(yīng)電機(jī)單元將多余的電能進(jìn)行阻擋，并調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率使其維持在穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

3.2 等速區(qū)間控制保護(hù)

工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的存在價(jià)值在于可以長(zhǎng)時(shí)間、無人控制地進(jìn)行穩(wěn)定、持續(xù)的工作。但由于電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中電機(jī)應(yīng)用面極廣，在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的過程中，容易受到溫度、濕度、電壓、電流波動(dòng)等客觀因素的影響。使用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，是現(xiàn)階段工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中采用的主要方案。當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在滿負(fù)載的條件下時(shí)，變頻調(diào)速設(shè)備會(huì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使其運(yùn)行在合理、穩(wěn)定的范圍內(nèi)。通常來說，電機(jī)拉動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行速率不得超出既定值的15%以上，為了保證生產(chǎn)設(shè)備的安全生產(chǎn)，在出現(xiàn)超載、超負(fù)荷等不良條件下，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行緊急制動(dòng)，控制設(shè)備的運(yùn)行速率。但在實(shí)際的電氣自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的條件，設(shè)置變頻調(diào)速器的控制范圍區(qū)間，當(dāng)出現(xiàn)異常的速度、電壓、電流等因素的變化時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，讓相關(guān)的管理控制設(shè)備自動(dòng)處理或者技術(shù)操作人員進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 減速區(qū)間控制保護(hù)

為了保證電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定降低運(yùn)行速度，需要使用變頻調(diào)速設(shè)備來處理電機(jī)電壓、電流，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)線性的下降。當(dāng)系統(tǒng)處于減速運(yùn)行區(qū)間時(shí)，運(yùn)行速度超過事先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值，電變頻調(diào)速設(shè)備就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并采取相應(yīng)的調(diào)整策略，使系統(tǒng)速度逐步下降到正常運(yùn)行狀態(tài)。在此過程中，變頻調(diào)速裝置會(huì)主動(dòng)收集系統(tǒng)的運(yùn)行速度、電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)，并將其與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，從而穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的平穩(wěn)控制[8]。通常來說，工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)會(huì)采用變頻調(diào)速設(shè)備或者PLC控制設(shè)備對(duì)電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.4 電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)能改造

電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來源，而這些設(shè)備的規(guī)模大，耗電量也極高，為了降低電能消耗來降低成本支出，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能、減耗的改造，也是變頻調(diào)速設(shè)備最大的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于數(shù)控機(jī)床、引送風(fēng)機(jī)等耗電大戶可以使用FR-E740高性能矢量變頻器，對(duì)電機(jī)和機(jī)床主軸進(jìn)行控制，由于FR-E740變頻器采用先進(jìn)的磁通算法，在低頻運(yùn)行的情況下也能保持電機(jī)的150%的轉(zhuǎn)矩，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級(jí)調(diào)整如表1所示。

表1 FR-E740高性能矢量變頻器運(yùn)行參數(shù)

3.5 深度指示器失效保護(hù)

工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備需要使用多種保護(hù)設(shè)備，來保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。當(dāng)深度指示器保護(hù)處于失效的狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備整體的保護(hù)環(huán)境產(chǎn)生變化，對(duì)工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備帶來安全隱患，因此需要安裝失效保護(hù)裝置。利用變頻調(diào)速技術(shù)，使用編碼器采集周圍設(shè)備的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行與預(yù)設(shè)值的比較。當(dāng)脈沖信號(hào)沒有發(fā)生任何變化的情況下，深度指示器已經(jīng)無法正常工作的情況，而在工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)處于爬行區(qū)時(shí)，失效保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出極強(qiáng)的警報(bào)，引起系統(tǒng)、技術(shù)人員和操作人員的重視，若不處于爬行區(qū)時(shí)則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警提示，讓相關(guān)工作人員進(jìn)行檢修。

4 結(jié)語

變頻調(diào)速技術(shù)為工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)提供了更加穩(wěn)定、安全、低耗的運(yùn)行空間，具有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。雖然變頻調(diào)速需要輔助設(shè)備進(jìn)行工作而提升了維護(hù)和設(shè)備采購的成本，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義上來看，變頻調(diào)控技術(shù)為系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值都是無可替代的，使工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展得到有效保證。