變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用探討

蒙志伍

摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)被公認(rèn)為是當(dāng)前最理想、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一。從上世紀(jì)60年代第一臺(tái)變頻器出現(xiàn)至今，經(jīng)過(guò)50余年的研究和發(fā)展，該技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，在冶金、化工、機(jī)械、石油、食品、造紙、紡織以及家電等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，不僅有利于提高工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化水平，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，更有利于減少設(shè)備維護(hù)成本，降低能源消耗，控制生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本?；诖耍疚脑敿?xì)分析了變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的具體應(yīng)用以及在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：變頻器;變頻調(diào)節(jié)技術(shù);電氣自動(dòng)化;PLC變頻控制

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0056-02

1 變頻調(diào)速技術(shù)概述

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為：n=60*f/p*（1-s），式中，n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，p為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，由此可見(jiàn)，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有三種方法：改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，改變轉(zhuǎn)差率，改變電源頻率。變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電源頻率達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。其原理如下：首先將單相或三相交流電源通過(guò)整流器變換為直流電，經(jīng)電容濾波后形成幅值基本固定的直流電壓，再通過(guò)逆變器將該直流電壓逆變后輸出幅值和頻率都可控的交流電壓，滿足變頻調(diào)速對(duì)U/f協(xié)調(diào)控制的要求。變頻器就是基于上述原理將交-直-交電源變換技術(shù)、電力電子、微電腦控制等技術(shù)集于一身的綜合性電氣產(chǎn)品，通過(guò)控制其內(nèi)部IGBT的通斷來(lái)調(diào)整輸出電機(jī)的電源電壓和頻率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。

1.2 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的特點(diǎn)

與其他調(diào)速方式相比，變頻調(diào)速具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：（1）良好的設(shè)備啟動(dòng)性能。工頻狀況下電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生4～7倍額定電流的啟動(dòng)電流，對(duì)于大功率設(shè)備，這種沖擊不僅會(huì)極大損害設(shè)備本身，而且對(duì)電網(wǎng)也會(huì)造成嚴(yán)重沖擊，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。變頻器可以控制電壓從零開(kāi)始慢慢升高，電流平滑無(wú)沖擊，設(shè)備啟動(dòng)平穩(wěn)，消除對(duì)電網(wǎng)的不利影響，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。（2）調(diào)速范圍寬，變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)全范圍無(wú)極調(diào)速。（3）控制精度高，變頻開(kāi)環(huán)U/f控制精度可達(dá)1%，變頻閉環(huán)U/f控制精度可達(dá)0.5%，變頻矢量控制精度更高，其開(kāi)環(huán)矢量控制精度可達(dá)0.5%（相當(dāng)于閉環(huán)U/f控制），閉環(huán)矢量控制精度可達(dá)0.05%，可滿足一些控制精度要求更高的場(chǎng)合，例如定位、轉(zhuǎn)矩控制等。（4）易于自動(dòng)化控制。通過(guò)變頻器網(wǎng)絡(luò)接口可以輕易將變頻器與PLC控制器連接組成功能更加復(fù)雜和完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，提高設(shè)備自動(dòng)化程度。（5）多重保護(hù)，運(yùn)行安全。變頻器本身具備完善的保護(hù)功能，如過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載保護(hù)、高溫保護(hù)等，可保證設(shè)備運(yùn)行安全可靠。（6）設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠、噪音低。由于變頻器無(wú)物理觸點(diǎn)，與其配套使用的變頻專用電機(jī)經(jīng)過(guò)特殊的工藝制造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，絕緣強(qiáng)度高、耐溫性能好，平衡質(zhì)量高、振動(dòng)等級(jí)高，運(yùn)行過(guò)程更加平穩(wěn)，噪音低。（7）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。（8）模塊化設(shè)計(jì)，互換性高，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便。（9）節(jié)能效果顯著。

1.3 變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍

變頻調(diào)速已被公認(rèn)為當(dāng)前最理想、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一。其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)得到大量應(yīng)用，例如：寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、超市、廠房中央空調(diào)系統(tǒng)水泵、風(fēng)機(jī);高層樓宇升降電梯;商場(chǎng)、火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)扶梯;旅游區(qū)高架游覽車(chē);游樂(lè)場(chǎng)大型娛樂(lè)設(shè)施;音樂(lè)噴泉;冶金、礦山、建材、煤場(chǎng)、碼頭、煤炭、化工、造紙、食品等工業(yè)領(lǐng)域中常用的破碎機(jī)、升降機(jī)、卷繞機(jī)、攪拌機(jī)、起重機(jī)、擠壓機(jī)、取料機(jī)、拉絲機(jī)、壓縮機(jī)、注塑機(jī)、輸送機(jī)、軋機(jī)、機(jī)床、水泵、風(fēng)機(jī)等各類設(shè)備;工業(yè)洗衣機(jī);家用空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等。變頻調(diào)速以其調(diào)速性能好、高可靠、高精度、快響應(yīng)、自動(dòng)化、節(jié)能性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)各領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

2 PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，時(shí)序控制、模擬控制、多機(jī)通信等多種功能，廣泛應(yīng)用于目前的工業(yè)控制領(lǐng)域。PLC控制系統(tǒng)可以是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制系統(tǒng)，也可以是集開(kāi)關(guān)控制、模擬控制、溫度控制、定位控制、時(shí)序控制、高速計(jì)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制等多功能一體的復(fù)雜的多功能高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)。PLC控制程序使用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，梯形圖語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)、編程方便、快捷、高效。

3 變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在大型工廠，變頻器是必不可少的一種控制設(shè)備。特別是在當(dāng)前國(guó)家工業(yè)化加快發(fā)展，制造業(yè)加快升級(jí)、各行業(yè)節(jié)能減排壓力增大的大背景下，新建工廠、舊生產(chǎn)線或設(shè)備升級(jí)改造過(guò)程中變頻器大量的普遍的使用將成為一種趨勢(shì)。一方面是因?yàn)楝F(xiàn)代化工廠對(duì)設(shè)備自動(dòng)化程度、設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性以及生產(chǎn)效率提升的高要求，變頻控制可以保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率;另一方面是因?yàn)楦髌髽I(yè)成本壓力和節(jié)能減排壓力增大，對(duì)生產(chǎn)成本控制越來(lái)越嚴(yán)格，采用變頻控制節(jié)能效果顯著，尤其是對(duì)于風(fēng)機(jī)類、水泵類，其節(jié)能效果可達(dá)30%～60%，可以減少后期設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。

在工業(yè)企業(yè)中，對(duì)于無(wú)調(diào)速、無(wú)流量控制要求的設(shè)備，設(shè)備恒速運(yùn)行，閥門(mén)只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)，使用變頻控制并不能節(jié)能，對(duì)于30KW以下電機(jī)可采用傳統(tǒng)的全壓、星三角控制方式，大于30KW的電機(jī)可采用軟啟動(dòng)控制或變頻控制，其中變頻控制因具有優(yōu)良的控制性能和網(wǎng)絡(luò)功能，應(yīng)用更為普遍;對(duì)于有調(diào)速和流量控制要求的設(shè)備，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的變極、滑差調(diào)速方式調(diào)速性能差、精度差、響應(yīng)慢、噪聲大等缺點(diǎn)，已經(jīng)很少使用，而變頻控制具有良好的調(diào)速性能、穩(wěn)定可靠、精度高、響應(yīng)快、易于自動(dòng)化控制、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

變頻器可通過(guò)其網(wǎng)絡(luò)接口接入PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，通過(guò)PLC控制器可以讀取、保存、修改變頻器的一些相關(guān)參數(shù)并控制變頻器運(yùn)行，大大提高了設(shè)備自動(dòng)化水平。

4 風(fēng)機(jī)、水泵變頻控制應(yīng)用節(jié)能分析

風(fēng)機(jī)、水泵作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活的通用類機(jī)械，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。有資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵總裝機(jī)容量達(dá)1.5億KW，耗電量占全國(guó)總發(fā)電量的20%以上。由于工藝、成本等原因，大部分風(fēng)機(jī)、水泵采用機(jī)械截流方式調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)方式落后，效率低下，造成大量的電能浪費(fèi)，在能源供應(yīng)日益緊張的今天，減少浪費(fèi)，節(jié)約能源，控制成本已成為各個(gè)企業(yè)重點(diǎn)控制的對(duì)象。

圖1圖2中，橫縱坐標(biāo)分別表示水泵的流量與揚(yáng)程，對(duì)應(yīng)點(diǎn)與橫縱坐標(biāo)圍成的面積表示水泵的運(yùn)行功率，QN表示水泵額定流量，QNX表示目標(biāo)流量，0QNAHN表示水泵額定運(yùn)行功率。

圖1表示水泵轉(zhuǎn)速不變，通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度大小調(diào)節(jié)水泵流量，當(dāng)閥門(mén)由全開(kāi)狀態(tài)慢慢調(diào)小，A點(diǎn)向B點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)水泵流量達(dá)到目標(biāo)流量QNX時(shí)，A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)，水泵運(yùn)行功率為0QNXBHNX;圖2表示水泵閥門(mén)完全打開(kāi)，通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水泵流量，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速慢慢調(diào)小，A點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)水泵流量達(dá)到目標(biāo)流量QNX時(shí)，A點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)，水泵運(yùn)行功率為0QNXCHNY，由圖1圖2可知，0QNAHN與0QNXBHNX相差不大，而0QNAHN遠(yuǎn)大于0QNXCHNY，且轉(zhuǎn)速越低，兩則相差越大，可見(jiàn)，相同的流量控制下，變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行功率比閥門(mén)調(diào)節(jié)運(yùn)行功率小，更節(jié)能。這是因?yàn)楸妙愗?fù)載的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)流量需要改變時(shí)，只改變閥門(mén)的開(kāi)度，而電機(jī)保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，所需功率降幅很小，工作效率低。如通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制，則所需功率以近似轉(zhuǎn)速的三次方大幅度下降。風(fēng)機(jī)、泵類具有相似的負(fù)載特性，故變頻調(diào)節(jié)對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類的節(jié)能效果相當(dāng)可觀，例如：一臺(tái)水泵電機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

由于管路管道設(shè)計(jì)、水泵風(fēng)機(jī)選型以及設(shè)計(jì)余量、工藝需要等原因，現(xiàn)場(chǎng)水泵風(fēng)機(jī)閥門(mén)很難100%打開(kāi)。據(jù)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，有80%的風(fēng)機(jī)、水泵閥門(mén)需要調(diào)節(jié)才能滿足流量控制要求，而其中有60%采用變頻器控制，在這些需要調(diào)節(jié)的設(shè)備中，額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行僅占5%，90%～100%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行占15%，80%～90%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行占35%，70%～80%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行占35%，小于70%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行占20%，由此可見(jiàn)，采用變頻控制節(jié)能效果非常大，可以大大減少設(shè)備后期運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展以及制造業(yè)改造升級(jí)的加快，高能耗、低能效、生產(chǎn)效率低下、生產(chǎn)方式落后的企業(yè)臨著巨大的壓力，設(shè)備改造升級(jí)、轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式在所難免，在改造升級(jí)的過(guò)程中，變頻控制技術(shù)以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)必將在新建工廠及生產(chǎn)線改造過(guò)程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，與PLC控制技術(shù)相融合，不僅提升了電氣自動(dòng)化水平，提高設(shè)備運(yùn)行效率，減少設(shè)備故障及后期維護(hù)成本，改善工作環(huán)境，而且還可以節(jié)約能源，有效控制生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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