三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制方式及其節(jié)能原理

丁 偉

（山東南山東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265706）

變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)眾多，且隨著電力控制系統(tǒng)的不斷完善控制技術(shù)的不斷發(fā)展，采用變頻調(diào)速已經(jīng)是當(dāng)前工業(yè)自動化中最主要的控制方式了，變頻器也在各種各樣的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)流程中得的極為廣泛的應(yīng)用。由于三相異步電動機(jī)的缺點(diǎn)主要在于運(yùn)行調(diào)速難度較大，所以變頻器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展尤其推動了具有結(jié)構(gòu)簡單、性能好、價格低的異步電動機(jī)的應(yīng)用范圍迅速的擴(kuò)大。在電力控制系統(tǒng)中變頻器起著功率變換的作用，所以變頻器為了的主要發(fā)展方向是控制系統(tǒng)更加的智能化、數(shù)字化變頻器更加高頻化，從業(yè)人員充分掌握變頻技術(shù)的發(fā)展情況能夠進(jìn)一步的熟悉原理，完善變頻技術(shù)的應(yīng)用理論，確保變頻調(diào)速系統(tǒng)方案具有最佳的性能指標(biāo)。

1 V/F控制原理及其應(yīng)用

V/F控制方式是指在變頻器正常運(yùn)行的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)輸出電壓和輸出頻率的比值是固定的控制方式。因?yàn)殡姍C(jī)的工作原理決定了電機(jī)的極數(shù)是固定的且該極數(shù)數(shù)值不是連續(xù)的，所以難以通過改變極數(shù)值的方式調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時調(diào)節(jié)頻率可再供給電機(jī)，這種情況下電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以更為簡單的進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以能夠調(diào)節(jié)頻率的變頻器是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)選設(shè)備，一般而言220V(380V)50Hz是電機(jī)的最大額定磁通，如果電機(jī)長時間的處于超額定運(yùn)行會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的特性決定了V與F的比例關(guān)系，V/F控制時，運(yùn)行頻率的降低也會引起電壓等比例的降低，而直流電阻并不隨著交流阻抗變小變化，這會引起電機(jī)低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩降低的傾向，因而需要在低頻時要提供補(bǔ)償使輸出電壓相對提高使得電機(jī)獲得啟動時的轉(zhuǎn)矩，條件運(yùn)行的情況下提高U/F比，使KU＞KF，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)電機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下獲得負(fù)載能力。

2 變頻器的矢量控制原理及優(yōu)勢

電機(jī)運(yùn)行時的電流包括轉(zhuǎn)矩分量和其他分量。對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成磁場電流i*M和轉(zhuǎn)矩電流i*T，并假設(shè)這是旋轉(zhuǎn)的直流磁場信號，信號改變時也只改變其中的一個信號，這樣異步電動機(jī)的調(diào)速控制具有了和直流電機(jī)類似的特征。矢量控制分為兩種。即根據(jù)電流、電壓以及磁通等數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正的頻率控制和相當(dāng)于帶編碼器的矢量控制的轉(zhuǎn)速控制。由于頻率控制的計算了較大所以動態(tài)響相抵較差，而轉(zhuǎn)速控制直接由傳感器測量相對的調(diào)節(jié)范圍較大動態(tài)響應(yīng)能力也交強(qiáng)。

3 變頻控制的節(jié)能情況

3.1 設(shè)備的負(fù)載特性

電機(jī)和電機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性決定了電機(jī)拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定情況，一般設(shè)備的負(fù)載可分為恒定轉(zhuǎn)速、恒定扭矩、恒定功率以及應(yīng)用范圍較少的沖擊負(fù)載等，這些不同負(fù)載對電機(jī)的要求也有所差異需要不同的工作方式，變頻器帶負(fù)載的能力是不同的，但其節(jié)能效果非常明顯，尤其是在風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備用于中能夠節(jié)能70%以上。

3.2 變頻器應(yīng)用在風(fēng)機(jī)及離心泵上的節(jié)能原理和運(yùn)行分析

風(fēng)機(jī)和離心泵是應(yīng)用最為廣泛的通用型設(shè)備，其最大的特點(diǎn)是設(shè)備的軸功率與轉(zhuǎn)速程正比，沒有變頻調(diào)速的風(fēng)機(jī)和離心泵一般通過機(jī)械控制出口的管道的直徑進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式改變了設(shè)備的特性曲線，使得設(shè)備運(yùn)行的無用功增加，因而增加了設(shè)備的能源消耗，尤其是長期需要低流量運(yùn)行時，縮小設(shè)備出口管道口徑而電機(jī)始終處于較高的轉(zhuǎn)速無法降低因而與這種流量控制方式相比，調(diào)節(jié)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度控制方式具有非常好的節(jié)能效果。

設(shè)備采用了U/F控制方式后能夠根據(jù)設(shè)備負(fù)載的不斷變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)機(jī)、離心泵等設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時其負(fù)載也較為平穩(wěn)，這些設(shè)備存在著最佳的工作點(diǎn)，而當(dāng)設(shè)備的負(fù)載發(fā)生變化時設(shè)備的這一最佳工作點(diǎn)也隨之變動。針對設(shè)備的這一特點(diǎn)大部分的變頻器設(shè)有節(jié)能運(yùn)行模式。在這一模式下變頻器能夠根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)變化自動搜索設(shè)備的最佳工作點(diǎn)，使得設(shè)備電機(jī)的轉(zhuǎn)速總是維持在最佳工作點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行目的。

4 變頻器節(jié)能運(yùn)行中的實(shí)例

4.1 在泵類機(jī)械中的應(yīng)用

泵類設(shè)備應(yīng)用極為廣泛各行各業(yè)均有泵類的應(yīng)用，行業(yè)不同對泵類設(shè)備的運(yùn)行要求和控制方式也各不一樣，有些泵需要控制運(yùn)行時的流量有些泵需要控制運(yùn)行時的壓力等等，這其中泵的流量和壓力兩種控制方式主要在自來水系統(tǒng)、工業(yè)用水系統(tǒng)等各種工藝過程用泵。壓力控制供水系統(tǒng)對工業(yè)供水、消防供水和生活供水等非常重要，采用變頻器調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)壓力控制確保供水系統(tǒng)的恒定壓力相比通過管道安裝調(diào)節(jié)閥控制供水系統(tǒng)的壓力其節(jié)能效果更為明顯。變頻器恒壓供水系統(tǒng)利用水泵變頻器內(nèi)的PID功能實(shí)現(xiàn)供水過程的閉環(huán)控制，供水系統(tǒng)的管道上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器實(shí)時將壓力信號傳送至變頻器反饋端子上，變頻器將這一信號與提前設(shè)置的壓力值進(jìn)續(xù)啟動3#水泵，保證管網(wǎng)系統(tǒng)所需的用水量和用水壓力。而當(dāng)管網(wǎng)用水量減少時管網(wǎng)中的水壓上升，當(dāng)水壓上升超過設(shè)定值時變頻器內(nèi)的PID控制器輸出頻率降低，降低其中一臺水泵的運(yùn)行頻率，直至關(guān)停，依次類推如果管網(wǎng)中的壓力仍然升高或并不下降則繼續(xù)降低另一臺水泵的運(yùn)行頻率直至關(guān)停。當(dāng)管網(wǎng)中的壓力恒定在設(shè)定的壓力值時變頻器降低至20HZ達(dá)1分鐘，變頻器可停止工作，進(jìn)入低水量睡眠狀態(tài)。變頻器系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)運(yùn)行速度對降低設(shè)備運(yùn)行噪音和節(jié)約能都是有非常大的作用的。變頻控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備啟動平穩(wěn)，啟動電流限制在額定范圍內(nèi)可以有效避免設(shè)備啟動時對電網(wǎng)的沖擊，并且由于泵的轉(zhuǎn)速降低也可以減少設(shè)備的運(yùn)行故障率。

4.2 變頻器在風(fēng)機(jī)類中的應(yīng)用

根據(jù)工作原理風(fēng)機(jī)可以分為渦輪式和容積式，泵工作原理相同其軸功率與轉(zhuǎn)速也成正比，但與泵類設(shè)備又有所區(qū)別不會像離心泵因?yàn)閾P(yáng)程的高低而產(chǎn)生損耗，所以在風(fēng)機(jī)類設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)中，只需改變變頻器的運(yùn)行模式就能夠降低設(shè)備功耗，風(fēng)機(jī)應(yīng)用的變頻器模式有連續(xù)低風(fēng)量型，全風(fēng)量變化型，低風(fēng)量變化型，間接運(yùn)轉(zhuǎn)型等。同實(shí)際的應(yīng)用可知不同的電動機(jī)容量采用變頻器控制時每年節(jié)約電量是不同的。

5 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用的異步電動機(jī)多數(shù)都不再局限于單一的轉(zhuǎn)速，其中以變頻控制轉(zhuǎn)速具有非常普遍的應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中不僅能夠適用于風(fēng)機(jī)、離心泵、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備的使用要求而且具有非常好的節(jié)能效果，而且通過調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率降低設(shè)備的轉(zhuǎn)速的方式也可以有效的延長設(shè)備的使用壽命降低設(shè)備的故障率，對于提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的作用。