變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與在工業(yè)控制中的應(yīng)用

陳銳

【摘 要】近年來，變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，研究其相關(guān)課題有著重要意義。本文首先對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)相關(guān)內(nèi)容做了概述，分析了變頻調(diào)速技術(shù)工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別從開關(guān)器件方面、變頻控制電路方面，以及矢量控制技術(shù)方面等多個(gè)角度與方面，就4變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)展開了研究，闡述了個(gè)人對(duì)此的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù)；發(fā)展；工業(yè)控制；應(yīng)用

前言

作為一項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用要求較高的技術(shù)方法，變頻調(diào)速技術(shù)的特殊性不言而喻。該項(xiàng)課題的研究，將會(huì)更好地提升對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與途徑，進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)控制的最終整體效果。

一、變頻調(diào)速技術(shù)概述

（一）變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史

變頻調(diào)速技術(shù)從理論到使用推廣經(jīng)歷了40年的時(shí)間，在這期間，電子器件的發(fā)展促進(jìn)了這一過程的實(shí)現(xiàn)。在20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國家為了緩解石油危機(jī)，投入大量的人力、物力和財(cái)力去研究更加高效的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)得到進(jìn)一步推廣。到今天，依托于電子計(jì)算技術(shù)和微電子技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)以優(yōu)越的性能被各行各業(yè)所采用，實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域的節(jié)能減排，提高了生產(chǎn)效率。

（二）變頻調(diào)速技術(shù)基本原理及組成

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理為利用電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系n=60f（1-s）/p，其中n為轉(zhuǎn)速，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，f為輸入頻率，p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，改變電動(dòng)機(jī)的工作頻率從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵部件主要有3部分：自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型單元、脈沖優(yōu)化選擇器、轉(zhuǎn)矩和磁通比較器。（1）自適應(yīng)電動(dòng)機(jī)模式單元主要的功能是檢測(cè)輸入電動(dòng)機(jī)的電壓、電流的性質(zhì)，從而識(shí)別電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，它是直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵單元，以定子磁場(chǎng)定向方式幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)0.1%的速度控制精度。（2）脈沖優(yōu)化選擇器的主要功能是優(yōu)化選擇在一定范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)，功能的實(shí)現(xiàn)首先需要選擇合適的信息處理選擇芯片，當(dāng)前在電氣自動(dòng)化控制行業(yè)中常用的型號(hào)為CycloneⅡEP2C5Q209C8；其次需要設(shè)計(jì)調(diào)制方式的信號(hào)源并編寫能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能的電路模塊，例如能夠?qū)崿F(xiàn)星座映射、緩沖功能的模塊；最后，通過信號(hào)源進(jìn)行仿真模擬判斷編寫的電路模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。影響脈沖優(yōu)化選擇器性能的重要因素是電解電容器的容量具有很大的離散型，導(dǎo)致部件承受的電壓出現(xiàn)偏差，為此需要對(duì)電容進(jìn)行改進(jìn)，可以在電容器旁并聯(lián)一個(gè)與電容器阻值相同的電阻，同時(shí)為了防止電路被燒毀，還可以增加抑制浪涌電流的措施。（3）轉(zhuǎn)矩和磁通比較器的主要功能為每隔20s將反饋值與參考值進(jìn)行比較，而后通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩或磁場(chǎng)狀態(tài)，為工作人員后續(xù)的工作提供參考。

（三）變頻器的特征

變頻器是變速調(diào)控技術(shù)的核心，變頻器具有如下特點(diǎn)：利用變頻技術(shù)將電源轉(zhuǎn)化為不同頻率的交流電源，可對(duì)發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)的給水泵、送風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻器分為高壓變頻器和低壓變頻器。其中低壓變頻輸出電壓為380～650V、工作頻率為0～400Hz，輸出功率為0.75～400kW。其主電路由整流和逆變構(gòu)成，該變頻器采取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得其技術(shù)穩(wěn)定；硬度大、成本支出低。同時(shí)可以滿足一般傳動(dòng)在平滑調(diào)速方面的需求，由于低壓變頻與高壓變頻相比，采用的力矩較低，應(yīng)用較為廣泛。

二、變頻調(diào)速技術(shù)工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用案例。本文選擇是該技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用案例，在這個(gè)案例中應(yīng)用該技術(shù)的主要目的就是為了完成節(jié)能改造，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床傳統(tǒng)的技術(shù)需要耗費(fèi)很多的電能，無論是對(duì)企業(yè)，還是數(shù)控機(jī)床自身都是一種損失，為了減少這種損失，提高企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益，數(shù)控機(jī)床人員經(jīng)常使用的方式是工頻運(yùn)行，雖然這種方式有一定效果，但是其劣勢(shì)也比較明顯，比如齒輪主軸速度可供選擇的范圍過大，這樣就不能對(duì)其進(jìn)行精細(xì)控制，特別是恒線速度，再加之，在使用該技術(shù)的過程中，也不能完全保證機(jī)械從始至終都能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，因此要時(shí)時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維修，尤其是離合器；另外雖然使用的主軸屬于直流型，這種類型的注重最大的優(yōu)勢(shì)就是可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，但是卻為后期維護(hù)工作帶來了問題，而且在運(yùn)行的過程中，主軸的最高轉(zhuǎn)速，根本不能達(dá)到，所以其總體效果并不好。因此相關(guān)人員決定使用變頻調(diào)速技術(shù)，希望能夠取得預(yù)期的效果，達(dá)到降低電能損耗的目標(biāo)，進(jìn)而減少企業(yè)成本支出。決定使用該技術(shù)之后，數(shù)控機(jī)床人員經(jīng)過商討確定了使用方案。

（二）應(yīng)用效果。使用該技術(shù)不僅避免了使用工頻技術(shù)的劣勢(shì)，還提高了機(jī)械工作的速度，另外機(jī)械消耗的能源也有明顯的下降，減少了企業(yè)成本的支出，其使用效果非常好。變頻調(diào)速技術(shù)主要針對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、功能等多方面，所以效果比較好。因?yàn)槭褂迷摷夹g(shù)，數(shù)控機(jī)床自身的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，所以能夠節(jié)省大量的金屬材料，再加之，使用該技術(shù)之后，機(jī)械操作與原來相比比較簡單，這就降低了機(jī)械損耗的程度，也減少了機(jī)械維修的次數(shù)；而且使用該技術(shù)之后，數(shù)控機(jī)床控制范圍有所擴(kuò)展，無論是控制精度，還是控制效率都得到了有效的提高，最關(guān)鍵的是，該技術(shù)的使用提高了數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量，其生產(chǎn)效率與傳統(tǒng)的方法相比，有所提高，這對(duì)企業(yè)，甚至是整個(gè)數(shù)控機(jī)床行業(yè)來說，都有積極的意義。

三、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）開關(guān)器件方面

就目前的開關(guān)器件發(fā)展來看，智能化變頻器將會(huì)是未來的發(fā)展潮流，實(shí)現(xiàn)功率變化、檢測(cè)、控制、保護(hù)等等功能的全自動(dòng)化，達(dá)到高效節(jié)能的目的。讓具有更多功能，具有更高特性的開關(guān)器件進(jìn)入我國的電力市場(chǎng)。

（二）變頻控制電路方面

目前，我國的高壓變頻調(diào)速裝置基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和自動(dòng)化的全方位控制，但是，在變頻調(diào)速設(shè)備的數(shù)字化和自動(dòng)化方面還有很大的提升空間，我們要不斷的將新的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)運(yùn)用其中，用于嘗試，實(shí)現(xiàn)變頻電路的更高效的控制。

（三）矢量控制技術(shù)方面

矢量控制技術(shù)仍然會(huì)是目前和以后很長一段時(shí)間內(nèi)高性能電機(jī)的主要控制技術(shù)，它包含有多種重要的科學(xué)技術(shù)，如：PWM技術(shù)，參數(shù)識(shí)別技術(shù)、磁通觀測(cè)技術(shù)等等，這些高效的控制技術(shù)能夠提高開關(guān)的頻率，改變電壓波形。我們需要實(shí)現(xiàn)更有效的控制，就必須長期的對(duì)矢量控制技術(shù)進(jìn)行研究。

四、結(jié)束語

綜上所述，加強(qiáng)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)控制中應(yīng)用的研究分析，對(duì)于其良好實(shí)踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的工業(yè)控制實(shí)踐中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的重視程度，并注重其具體應(yīng)用實(shí)施策略的科學(xué)性。

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