交流變頻調(diào)速技術(shù)及其應(yīng)用研究

梁國(guó)雄

（中石化中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南蘭考 475300）

在全球范圍內(nèi)我國(guó)作為一個(gè)電力能源生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)高耗能國(guó)家，對(duì)于高質(zhì)量電力生產(chǎn)使用均提出了較高的需求。社會(huì)電力能源緊缺會(huì)嚴(yán)重制約到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展，影響社會(huì)民眾的良好生活品質(zhì)。因此，國(guó)家政府部門大力提倡創(chuàng)新研究發(fā)展應(yīng)用各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。交流變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的高效合理運(yùn)用，最大程度降低 能源消耗，并且促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效率的大幅度提升。

1 交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用工作原理與特點(diǎn)

伴隨著我國(guó)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、電力電子技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代，在市場(chǎng)上以工頻交流電為主的用電場(chǎng)合將會(huì)有著極為廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。交流變頻調(diào)速是基于優(yōu)化調(diào)整電機(jī)定子繞組供電頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中定子的構(gòu)成部分包括鐵心和繞組，轉(zhuǎn)子繞組做成籠型，被人們稱之為鼠籠型電動(dòng)機(jī)。當(dāng)三相交流電經(jīng)過異步電動(dòng)機(jī)中的定子繞組時(shí)，就會(huì)在定子與轉(zhuǎn)子之間空氣隙內(nèi)生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)使轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生相對(duì)運(yùn)用，并促使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這樣一來就會(huì)形成感應(yīng)電流。基于電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用下，能夠有效產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，致使三相交流異步電動(dòng)機(jī)成功運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)起來。通過改變輸入電源的實(shí)際頻率，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整三相交流異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這樣就能夠達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的工作目的，幫助企業(yè)節(jié)省更多的電力能源。

圖1 三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

交流變頻調(diào)速的特點(diǎn)主要如下。

（1）交流變頻調(diào)速具有較高的工作效率，并且能夠保持良好的平滑性。在低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，特性靜差率較高，相對(duì)穩(wěn)定性較好。

（2）交流變頻調(diào)速范圍較大，并且具備較高的精度。

（3）交流變頻調(diào)速啟動(dòng)電流低，不會(huì)對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)和電網(wǎng)造成沖擊，能夠節(jié)省更多的能源，避免不必要的電能資源消耗浪費(fèi)。

（4）交流變頻調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程的自動(dòng)化，并且變頻器方便安全調(diào)試，易于進(jìn)行后期的維修管理。

2 交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比區(qū)別較為明顯。直流調(diào)速系統(tǒng)中，鑒于直流電動(dòng)機(jī)裝設(shè)了電刷與整流子，所以需要對(duì)其進(jìn)行檢查，因此對(duì)電機(jī)安裝環(huán)境要求較高，如嚴(yán)禁在有易爆氣體與粉塵含量較大的環(huán)境中使用。這一情況也限制了電機(jī)朝向高轉(zhuǎn)速、大容量的方向發(fā)展。而交流變頻技術(shù)則不存在上述問題。兩者對(duì)比情況如下：①相較而言，交流電機(jī)單機(jī)的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流電機(jī)的單機(jī)容量，能夠達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速；②直流電機(jī)會(huì)受到換向限制，電樞電壓最高約為1 kV，而交流電機(jī)則可達(dá)到6～10 kV；③直流電機(jī)體積、重量都相對(duì)較大，不夠便攜；④交流調(diào)速技術(shù)可大程度節(jié)約能源，獲得較為理想的節(jié)電效益。如輕載時(shí)可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，以得到節(jié)約能源的目的。常用的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等設(shè)備，如使用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能有效提升其工作效率，同時(shí)還能夠減少電能消耗。

綜合上文所述，交流變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①在調(diào)速過程中較為平滑，工作效率較高。低速工作狀態(tài)中，特性靜關(guān)率相對(duì)更高，更加穩(wěn)定。②交流變頻調(diào)速技術(shù)的調(diào)速范圍更廣，能夠適應(yīng)不同的調(diào)速需求，且調(diào)速時(shí)精度更高。③交流變頻調(diào)速啟動(dòng)時(shí)電流較低，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)與電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，能夠節(jié)約電能，節(jié)約成本。④交流變頻調(diào)速的變頻器體積較小，更加便攜，安裝難度較低，容易調(diào)試，后期維修維護(hù)便捷。⑤應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)更易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化，能夠減少人工投入與資源投入。

3 交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用目的及效益

（1）降低電能消耗。交流變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用最為顯著的優(yōu)勢(shì)特征就是其能夠幫助企業(yè)節(jié)約更多電力能源。在市面上各種泵類與風(fēng)機(jī)機(jī)械在加工生產(chǎn)中的應(yīng)用特點(diǎn)是量大、耗電多，而在該類機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)推廣應(yīng)用中選擇應(yīng)用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，能夠有效打破以往直接采用擋板或者閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量流量的弊端，杜絕造成更多不必要的電能損耗。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)機(jī)械設(shè)備的實(shí)踐應(yīng)用中，能夠幫助企業(yè)降低整體電能損耗，節(jié)省更多的經(jīng)營(yíng)管理成本。

（2）提升企業(yè)生產(chǎn)效率。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，通過科學(xué)規(guī)范使用交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠全面提升企業(yè)生產(chǎn)效率。比如，基于交流變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用下，能夠充分保障加工生產(chǎn)工藝中的最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速；合理選擇能夠適應(yīng)負(fù)載不同工況的最佳轉(zhuǎn)速；在低速運(yùn)行狀態(tài)下能夠完成高精度的準(zhǔn)確停車，這樣不僅能夠縮短生產(chǎn)過程中間歇時(shí)間，提高工作效率，還可以杜絕發(fā)生安全生產(chǎn)事故。

（3）提高企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)加工質(zhì)量。通過將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在各項(xiàng)加工機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備中，能夠保障加工機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中選擇加工對(duì)象的最佳速度，避免由于加工操作速度過慢或者過快，造成產(chǎn)品生產(chǎn)加工質(zhì)量不佳情況的出現(xiàn)，引起企業(yè)大量的經(jīng)濟(jì)效益損失。此外，交流變頻調(diào)速技術(shù)的使用可以完成對(duì)造紙、塑料生產(chǎn)機(jī)械的高精度轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程的自動(dòng)化控制目標(biāo)，這樣不僅可以減輕企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)操作人員的工作任務(wù)量，還可以大大提高企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)加工質(zhì)量。

（4）優(yōu)化改善和適應(yīng)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。交流變頻調(diào)速技術(shù)能夠適用在各種惡劣生產(chǎn)環(huán)境下的生產(chǎn)設(shè)備中。比如，能夠用在可燃性溶劑和爆炸性氣體的生產(chǎn)設(shè)備中、可用在有腐蝕性和戶外潮濕的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中。交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用能夠最大程度降低生產(chǎn)環(huán)境中的機(jī)械運(yùn)行噪聲，為生產(chǎn)人員和周圍居民創(chuàng)建出更好的生產(chǎn)作業(yè)和生活環(huán)境，保障社會(huì)建設(shè)和諧健康的發(fā)展。

4 交流變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用具有極佳的調(diào)速性能，因此被廣泛應(yīng)用在以下幾個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中：現(xiàn)代自來水廠、污水處理廠的變頻節(jié)電系統(tǒng)；工礦企業(yè)行車設(shè)備變頻調(diào)速系統(tǒng)；風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械設(shè)備高低變頻節(jié)電系統(tǒng)；水泥生產(chǎn)線變頻節(jié)電系統(tǒng)；負(fù)責(zé)輸送各種工業(yè)原料和物資的運(yùn)輸系統(tǒng)。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，交流變頻調(diào)速技術(shù)在各項(xiàng)生產(chǎn)設(shè)備裝置系統(tǒng)中的使用，不僅能夠發(fā)揮出其良好的調(diào)速性能作用，還可以幫助企業(yè)降低各項(xiàng)能源的損耗，方便相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行日常設(shè)備檢修維護(hù)工作。并且在交流變頻調(diào)速技術(shù)加持下的生產(chǎn)設(shè)備能夠適應(yīng)各種惡劣的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，不會(huì)占用到過大的空間。

以山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽(yáng)煤礦分公司副斜井絞車電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，原本該系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)中采用的是TKD 型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式的弊端在于需要消耗轉(zhuǎn)差功率方式展開調(diào)速，需要消耗較大的電能，并且運(yùn)行工作效率偏低、穩(wěn)定性偏差。針對(duì)于此，該企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員通過實(shí)踐，應(yīng)用了現(xiàn)代廣泛流行的交流變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改造，運(yùn)用變頻調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)保留原調(diào)速系統(tǒng)，促使它們兩者之間能夠進(jìn)行互為備用，一定程度提升該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性。除了運(yùn)用到交流變頻調(diào)速技術(shù)，企業(yè)還額外投資引進(jìn)了高壓電源切換柜、變頻電控、通訊控制柜以及變頻柜等配套設(shè)備設(shè)施。基于實(shí)現(xiàn)對(duì)副斜井提升機(jī)的交流變頻調(diào)速優(yōu)化改造作業(yè)，能夠完成對(duì)動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停止操控目標(biāo)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)作業(yè)，防止遭受到電流沖擊情況，不僅能夠提升生產(chǎn)工藝的高效穩(wěn)定性，有效延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命，降低企業(yè)設(shè)備檢修維護(hù)成本，還可以幫助企業(yè)節(jié)省更多的電力能源。改造后的系統(tǒng)節(jié)電率達(dá)到了30%，明顯能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來更好的長(zhǎng)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

5 交流變頻調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)

5.1 電力電子器件更新應(yīng)用

在當(dāng)前市場(chǎng)上的逆變器設(shè)備中采用了GTR 全控器件，該器件的運(yùn)用雖然能夠有效減少諧波分量，并拓寬異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速范圍，降低轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)幅度，但是由于受到載波頻率和最小脈寬的限制，無法獲取到最佳的正弦波脈寬調(diào)制波形，從而導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)在交流變頻調(diào)速過程中容易產(chǎn)生噪聲，影響創(chuàng)建良好的生產(chǎn)工作環(huán)境。針對(duì)于此，相關(guān)技術(shù)人員可以更新應(yīng)用設(shè)備中的電力電子器件，通過運(yùn)用IGBT 器件，能夠有效提升裝置的工作頻率，無論是在電壓指標(biāo)上，還是在電流指標(biāo)上都已超過GTR 電子器件。并且因?yàn)槟孀兤鬏d波頻率的有效提升，以及能夠形成特定的PWM 波形，促使能夠全面降低異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波噪聲，為工作人員創(chuàng)建出更為舒適的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。智能功率模塊是基于利用IGBT 作為核心開關(guān)器件，同時(shí)兼用了功率集成器件PIC。智能功率模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用能夠?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)提供各種保護(hù)功能，常見的有欠電壓、過電壓、短路以及過電流等保護(hù)功能，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)再生制度。此外，由于功率開關(guān)器件的故障檢測(cè)和保護(hù)電路接近故障點(diǎn)，所以能夠起到抑制故障范圍擴(kuò)大的作用，確保設(shè)備裝置能夠保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

5.2 數(shù)字微處理器的配套使用

伴隨著我國(guó)數(shù)字化技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善發(fā)展，市面上的數(shù)字微處理器使得信息處理能力有了大幅度的提升。以往各種難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜技術(shù)操作，在投入使用微機(jī)控制器后都能夠普遍得到有效解決。微機(jī)控制技術(shù)的配合使用能夠賦予交流變頻調(diào)速系統(tǒng)更多的功能，尤其是體現(xiàn)在故障診斷技術(shù)功能服務(wù)方面。在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中綜合應(yīng)用先進(jìn)的微機(jī)控制技術(shù)和大規(guī)模集成電路，能夠最大程度提升交流變頻調(diào)速的安全可靠性、靈活性以及多樣性，還可以有效縮減交流變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)加工成本。當(dāng)前，市面上用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的微處理器主要包括了以下類別。

（1）單片機(jī)的應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用是微機(jī)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，通常情況下一片單片機(jī)芯就是一臺(tái)小型的計(jì)算機(jī)，其不僅能夠完善微機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)功能，還可以大大減小控制器裝置的體積，幫助企業(yè)節(jié)省更多的成本。隨著時(shí)間不斷推移，我國(guó)生產(chǎn)推出的單片機(jī)性能變得越來越強(qiáng)大，單片機(jī)將能夠擁有更為豐富的軟硬件資源；

（2）數(shù)字信號(hào)處理器。數(shù)字信號(hào)處理器在微機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠大大提升其信息處理運(yùn)算速度，從而增加交流變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行控制精確度。近年來，市場(chǎng)相關(guān)技術(shù)人員將數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)制作成磁心，并將脈沖寬度調(diào)制生成、A/D 變換器等集成于一個(gè)芯片上，促使其成為了一種32位的功率強(qiáng)、速度高的單品機(jī)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造出了眾多現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

5.3 功能綜合化

隨著我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的不斷升級(jí)，對(duì)于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能提出了更高需求，新一代變頻器具有功能強(qiáng)大的微處理器支持，其不僅能夠完成異步電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速的基本功能，還具有內(nèi)置的通訊、可編程以及參數(shù)辨識(shí)等功能。

新一代的變頻器能夠完成模糊最優(yōu)化加減速，能夠結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載狀態(tài)，合理設(shè)定加減速的最短時(shí)間，亦或者是在設(shè)定最短加減速時(shí)間內(nèi)，完成對(duì)加速電流的合理控制，促使減速的直流過電壓能夠穩(wěn)定在允許范圍值內(nèi)。新一代變頻器還能夠根據(jù)事先預(yù)設(shè)好的速度值和運(yùn)行時(shí)間有效執(zhí)行多段程序運(yùn)行。

各段運(yùn)行時(shí)間、加減速時(shí)間、正反向均能夠事先進(jìn)行設(shè)定操作。除此之外，新一代變頻器還可以自動(dòng)選定輸出電壓，促使異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于最小的電流狀態(tài)，這樣就能夠幫助企業(yè)節(jié)省更多的電能使用成本。

6 結(jié)束語

在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中，交流變頻調(diào)速技術(shù)的創(chuàng)新研究應(yīng)用是一項(xiàng)極為重要的工作內(nèi)容，值得國(guó)家政府進(jìn)行重點(diǎn)推廣。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用不僅能夠幫助各行業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)節(jié)省更多的電能成本，緩解社會(huì)用電壓力，還可以大大提升企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率。