工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用探究

摘要：國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，工業(yè)占據(jù)著舉足輕重的地位，起到了重要的支撐作用。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)電氣自動(dòng)化控制有著較高的要求，電氣自動(dòng)化控制水平直接影響著整體工作效率和資源節(jié)約效果。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中，能夠?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)電氣自動(dòng)化控制工作提供極大的便利和幫助，推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。本文首先概述了變頻調(diào)速技術(shù)，其次分析了變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，最后探討了變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化控制；變頻調(diào)速技術(shù)；應(yīng)用；研究

傳統(tǒng)工業(yè)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)模式下，節(jié)能效果差，資源利用率低，整體工作效率不盡如人意。在科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的背景下，變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)電氣自動(dòng)化控制與變頻調(diào)速技術(shù)的深度融合，極大地提升了工業(yè)電氣自動(dòng)化設(shè)備變頻節(jié)能效果、資源利用率、整體生產(chǎn)效率以及工業(yè)電氣自動(dòng)化控制水平，為工業(yè)節(jié)能環(huán)?；l(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)。

一、變頻調(diào)速技術(shù)概述

變頻調(diào)速技術(shù)指的是通過對(duì)電機(jī)頻率、電壓予以改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的一項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)前，變頻調(diào)速技術(shù)憑借自身高效率、高精度、無級(jí)變速、調(diào)速平穩(wěn)等諸多的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、紡織業(yè)、冶金業(yè)、石化業(yè)、電力等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)能效提升中發(fā)揮著不可替代的作用。目前，工業(yè)電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域，對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，電氣設(shè)備作為工業(yè)生產(chǎn)的重要支撐力量，對(duì)其自動(dòng)化控制有著較高的要求，借助變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率電氣設(shè)備的節(jié)能減排，將能源利用最大化，減少資源、能源方面的浪費(fèi)，獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。例如，變頻調(diào)速技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的融合，可優(yōu)化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，降低數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)對(duì)金屬材料的消耗和浪費(fèi)。又如，變頻調(diào)速技術(shù)和中央空調(diào)系統(tǒng)融合，能夠結(jié)合實(shí)際需求對(duì)輸出功率予以自動(dòng)化的調(diào)整，達(dá)到節(jié)能節(jié)電的目的。

變頻器的工作原理非常簡單，利用變頻技術(shù)、微電子技術(shù)改變電機(jī)電流頻率，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的靈活化控制，使得人們對(duì)電氣設(shè)備的使用更加輕松簡單。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用運(yùn)行，是結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速和工作電源輸入頻率兩者的正比例關(guān)系，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作電源頻率進(jìn)行變動(dòng)，最終調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)前變頻器已成為工業(yè)電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要控制單元，在應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)，要保證操作正確，在規(guī)定范圍內(nèi)使用變頻器，避免設(shè)備出現(xiàn)損壞。要重視對(duì)設(shè)備、系統(tǒng)線路的檢查，確保處于正常使用狀態(tài)；要定期保養(yǎng)維護(hù)變頻器，延長其使用壽命，同時(shí)也降低故障和安全隱患問題的發(fā)生概率，提升工業(yè)電氣自動(dòng)化控制水平。

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，離不開電力電子器件和技術(shù)、隔離技術(shù)、保護(hù)技術(shù)、微處理器技術(shù)等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的支撐，具體如下：（1）電力電子器件和技術(shù)。目前大部分的電力電子器件不具備較高的電壓承受能力，因此在使用電氣設(shè)備時(shí)要重視對(duì)承壓能力的考慮，靈活選用電力電子器件，避免發(fā)生危險(xiǎn)。（2）隔離技術(shù)。電力電子器件長時(shí)間處于高電位環(huán)境下，依靠中心控制器的統(tǒng)一控制方可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以要做好高電壓隔離工作，降低高電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響，保證電氣設(shè)備始終處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。（3）保護(hù)技術(shù)。高壓環(huán)境下電力電子器件保護(hù)是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作，若電路出現(xiàn)超壓和超負(fù)荷的現(xiàn)象，保護(hù)裝置會(huì)立即啟動(dòng)，降低電路器件被損壞的概率。（4）微處理器技術(shù)。創(chuàng)新應(yīng)用多相PWM脈沖產(chǎn)生的電路的微處理器數(shù)字化控制變頻設(shè)備，有助于提升工作效率和質(zhì)量。

二、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值分析

（一）消除諧波污染

電網(wǎng)及電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，諧波的影響危害巨大，會(huì)提高設(shè)備運(yùn)行溫度．導(dǎo)致設(shè)備絕緣老化，使用壽命明顯縮短，甚至?xí)龤щ姎庠O(shè)備。不僅如此，諧波會(huì)嚴(yán)重影響繼電保護(hù)自動(dòng)系統(tǒng)和裝置，增加誤動(dòng)作的概率，不利于電能計(jì)量工作的順利進(jìn)行。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可極大地規(guī)避、消除諧波污染和干擾，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低輸出側(cè)電流諧波，提高功率因數(shù)，并不需要其他濾波、功率因數(shù)的補(bǔ)償，抑制諧波的產(chǎn)生。

（二）防護(hù)性能優(yōu)越

電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，過電流現(xiàn)象極為常見，當(dāng)電流超過限定值，極易燒毀電動(dòng)機(jī)，影響電氣設(shè)備的正常使用。借助變頻調(diào)速技術(shù)，可極大地避免發(fā)生過電流的現(xiàn)象。一旦電流超過限定值，可在極短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)過電流保護(hù)。以超過200%額定電流峰值的電流為例，在10秒內(nèi)即可完成動(dòng)作有效過電流保護(hù)，這樣一來，就極大地降低了電動(dòng)機(jī)故障問題的發(fā)生概率，為電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行奠定了有利的基礎(chǔ)。

（三）節(jié)能降噪效果好

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中，使得電氣設(shè)備調(diào)速更加均勻，避免了忽快忽慢現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且閥門、擋板始終處于全開狀態(tài)，因此能夠有效地節(jié)省電能。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行效率從60Hz降至40Hz的情況下，能夠均勻控制電機(jī)的運(yùn)行速度，并降低運(yùn)行噪聲。傳統(tǒng)定頻運(yùn)行模式下，電機(jī)運(yùn)行噪聲極大，往往超過100dB，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可將噪聲降至80dB以下，若電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，噪聲值可降至65dB以下，這使得電氣設(shè)備運(yùn)行更加安靜，極大地減輕了噪聲污染。

（四）機(jī)械磨損度小

工業(yè)電氣設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，內(nèi)部元器件的磨損會(huì)異常嚴(yán)重，進(jìn)而縮短電氣設(shè)備的使用壽命，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中，能夠?qū)㈦姎庠O(shè)備的運(yùn)行速度始終控制在合理范圍內(nèi)，降低設(shè)備震動(dòng)頻率，進(jìn)而最大限度地減輕內(nèi)部元器件之間的磨損，有效延長使用壽命，節(jié)省設(shè)備檢修、養(yǎng)護(hù)成本。以液力偶合器為例，每年維修保養(yǎng)費(fèi)用超過5萬元，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，每年的維修保養(yǎng)費(fèi)用降至2000-5000元，極大地節(jié)省了成本支出。

三、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

（一）應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)

工業(yè)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，離不開電力資源的支撐，同時(shí)對(duì)供電質(zhì)量有著較高的要求。單純依靠外接電源供應(yīng)，不僅無法很好地保障供電質(zhì)量，而且極易造成資源浪費(fèi)，影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，設(shè)置獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)至關(guān)重要，這是滿足供電需求，保證供電質(zhì)量的重要舉措。但是發(fā)電系統(tǒng)具備較高的復(fù)雜性，運(yùn)行應(yīng)用時(shí)極易出現(xiàn)電流輸出和實(shí)際需求兩者不符的現(xiàn)象，進(jìn)而造成電氣設(shè)備短路、斷路，威脅電氣設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)中，能夠極大地解決上述問題，工業(yè)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行安全系數(shù)顯著提升，工業(yè)生產(chǎn)效率得到了更好的保障，為企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展奠定了有利的基礎(chǔ)。不僅如此，通過發(fā)揮變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)劃分電力資源，減少資源浪費(fèi)，有利于節(jié)約電力資源，助力企業(yè)節(jié)能環(huán)?；l(fā)展。具備變頻調(diào)速功能的發(fā)電系統(tǒng)，能夠結(jié)合負(fù)載情況對(duì)輸出頻率、力矩予以自動(dòng)化、靈活化的調(diào)整，并且該系統(tǒng)還具有能量回饋功能，能夠極大地節(jié)約電力能源消耗。此外，變頻調(diào)速設(shè)備應(yīng)用成本低，有助于縮減工業(yè)電氣自動(dòng)化控制成本，在保障工業(yè)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)

煤礦生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，需要應(yīng)用礦井提升機(jī)等設(shè)備，電控系統(tǒng)作為其重要組成部分，將電控系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)融合，可極大地保障礦井作業(yè)效率和安全。首先，借助變頻調(diào)速技術(shù)，可滿足深度指示器失效保護(hù)需求。提升機(jī)的保護(hù)功能均是建立在行程分析的基礎(chǔ)之上的，若深度指示器處于失效狀態(tài)，會(huì)影響數(shù)據(jù)正常顯示，導(dǎo)致保護(hù)功能失效，威脅提升機(jī)安全運(yùn)行。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在啟動(dòng)電機(jī)后系統(tǒng)累加所有采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器所發(fā)送的脈沖數(shù)，同時(shí)比較采樣前后數(shù)值差異，若數(shù)值無變化，代表深度指示器處于失效狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)檢查提升容器是否進(jìn)入爬行區(qū)，如果沒有進(jìn)入，則會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，若已進(jìn)入，那么會(huì)啟動(dòng)安全制動(dòng)，并進(jìn)行聲光報(bào)警。其次，借助變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)等速段超速保護(hù)，等速段提升容器處于快速運(yùn)行時(shí)，一旦系統(tǒng)緊急制動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，進(jìn)而損壞提升系統(tǒng)設(shè)備，所以做好等速段超速保護(hù)工作非常重要。發(fā)揮變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)勢(shì)，若提升機(jī)運(yùn)行速度超出額定速度的15%，此時(shí)自動(dòng)斷開安全回路，進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)，降低對(duì)提升系統(tǒng)所造成的損壞。最后，變頻調(diào)速技術(shù)在等速段超速保護(hù)中也發(fā)揮著非常重要的作用，提升機(jī)等速段運(yùn)行狀態(tài)直接影響著提升機(jī)能否安全停車，若無法安全停車，則會(huì)引發(fā)安全事故，所以做好等速段超速保護(hù)意義重大。借助變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)提升容器運(yùn)行速度持續(xù)檢測(cè)，并比較實(shí)際運(yùn)行速度和既定運(yùn)行速度，若實(shí)際速度超過既定速度的10%，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并進(jìn)入安全制動(dòng)狀態(tài)，防止發(fā)生安全事故，保障生產(chǎn)作業(yè)安全性。

（三）應(yīng)用于帶式輸送機(jī)中

工業(yè)生產(chǎn)中，帶式輸送機(jī)發(fā)揮著重要作用，能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)及貨物的運(yùn)輸提供巨大的便利，進(jìn)而達(dá)到更快的生產(chǎn)和工作效率。變頻調(diào)速技術(shù)與帶式輸送機(jī)的融合，編制變頻調(diào)速自控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由變頻器、PLC、電流互感器和變送器、帶速傳感器等多個(gè)部分組成，應(yīng)用變頻調(diào)速自控系統(tǒng)時(shí)，可將其分為三個(gè)單元，不同單元發(fā)揮著不同的功能作用，具體如下：首先，檢測(cè)單元。電流互感器、電流變送器獲取電機(jī)電流信號(hào)，帶速傳感器采集帶速信號(hào)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)后，均將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送人核心模塊。其次，控制單元。PLC接收檢測(cè)信號(hào)并分析判斷后，完成帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、節(jié)能調(diào)速等各項(xiàng)動(dòng)作。不僅如此，主控制單元還具有諸多的故障保護(hù)功能，如斷帶、撕帶、打滑等。最后，執(zhí)行單元。變頻器接收PLC控制信號(hào)后，將電壓加至電動(dòng)機(jī)，然后均勻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，確保袋式輸送機(jī)的勻速運(yùn)輸。同時(shí)，在變頻調(diào)速技術(shù)的支撐下，皮帶機(jī)具備了軟起、軟停等功能和運(yùn)行模式，極大地保障了皮帶機(jī)的運(yùn)行安全和性能穩(wěn)定。

（四）應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備

風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)常用設(shè)備，變頻調(diào)速技術(shù)的融合應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢(shì)。例如，水泵在工業(yè)生產(chǎn)中具備極高的應(yīng)用頻率，尚未應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)前，水泵運(yùn)行速度、水流量、壓力均是恒定的，出口閥、調(diào)節(jié)閥無法控制水流量、水壓力，導(dǎo)致在運(yùn)行時(shí)極易浪費(fèi)水能、電能，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。雖然可以通過人工方式予以調(diào)整，但會(huì)導(dǎo)致人力資源浪費(fèi)，并且所獲得的效果并不理想。水泵等設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)包括流量、總揚(yáng)程等，其和轉(zhuǎn)速呈平方關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速兩者呈立方關(guān)系。水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際揚(yáng)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低差，揚(yáng)程越小，那么其轉(zhuǎn)速也就越均勻，可達(dá)到理想的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)表明，將水泵等設(shè)備和變頻調(diào)速技術(shù)融合，在50Hz工頻下，電機(jī)處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)功率因數(shù)接近1，工作電流遠(yuǎn)低于電機(jī)額定電流值，節(jié)電效果能夠達(dá)到20%左右。以1臺(tái)功率為800kW的凝結(jié)水泵為例，將其電機(jī)升級(jí)為變頻無級(jí)調(diào)節(jié)，每年度總耗電量能夠減少200萬kW/h，節(jié)電效率超過45%。不難看出，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備中，可極大地節(jié)約電能、水能，在提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，促進(jìn)企業(yè)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

四、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)探討

現(xiàn)階段，我國高壓變頻器功能不斷完善，大部分器件ICBT的直接串聯(lián)技術(shù)問題得到了有效的解決，高頻率電壓器具備了無輸入、無輸出功能，并且所應(yīng)用的輸出濾波器、優(yōu)化的波形，極大地降低了諧波含量及所造成的干擾影響，變頻器的運(yùn)行應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠，電路操作得以優(yōu)化，器件體積明顯縮小，資金投入減少。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將會(huì)賦予變頻調(diào)速技術(shù)更大的發(fā)展機(jī)遇，其將會(huì)具備更加廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，具體如下：首先，開關(guān)器件方面，智能化變頻器將是接下來一段時(shí)間的發(fā)展潮流，智能變頻器具有智能化、全自動(dòng)化的特征和優(yōu)勢(shì)，極大地便利了檢測(cè)、控制、保護(hù)等功能作用的發(fā)揮，促進(jìn)高效節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。其次，變頻控制電路方面，當(dāng)前大部分變頻調(diào)速裝置均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化全方位控制，但是仍然具有較大的提升空間，因此在接下來的時(shí)間里，要加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，以便于更高效地控制變頻電路。再次，矢量控制技術(shù)方面，未來一段時(shí)間里，矢量控制技術(shù)將是高性能電機(jī)的主要控制技術(shù)之一，其主要由PWM技術(shù)、參數(shù)識(shí)別技術(shù)、磁通觀測(cè)技術(shù)等多項(xiàng)學(xué)科技術(shù)組成，有助于提升開關(guān)頻率，將電壓波形改變，保障工業(yè)電氣自動(dòng)化控制水平。最后，網(wǎng)絡(luò)配置系統(tǒng)化方面，變頻器由設(shè)備層、控制層和信息層等多個(gè)層次組成，在接下來的時(shí)間里，需要結(jié)合用戶實(shí)際情況靈活選用針對(duì)性的控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)配置、協(xié)議，進(jìn)而滿足用戶及企業(yè)的個(gè)性化、多元化需求。尤其是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化配置的變頻器，要將其遠(yuǎn)程控制、診斷等功能最大化，提升其智能化水平，為變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)。

結(jié)語

綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要產(chǎn)物，當(dāng)前憑借自身的諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。將變頻調(diào)速技術(shù)和工業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)深度融合，發(fā)揮變頻調(diào)速技術(shù)功能與優(yōu)勢(shì)，提高工業(yè)電氣自動(dòng)化設(shè)備控制效果，提升工業(yè)生產(chǎn)效率，降低資源、能源消耗，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的，推動(dòng)企業(yè)節(jié)能環(huán)保化發(fā)展，促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)良性發(fā)展。

作者簡介：單瑩（1985-），女，漢族，山東乳山人，本科，工程師，研究方向：電氣控制。