霍建振

臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 山東臨沂 276000

工業(yè)作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)繁榮起到了重要的作用。提高工業(yè)生產(chǎn)效率，降低能源消耗會(huì)顯著提高工業(yè)企業(yè)的利潤(rùn)和技術(shù)附加值，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的健康綠色發(fā)展。利用變頻調(diào)速技術(shù)，能有效提高工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率，降低電能消耗，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)適應(yīng)性，在整體上提升了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和可靠性。

1 變頻調(diào)速技術(shù)涵義及應(yīng)用價(jià)值

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)述

變頻調(diào)速技術(shù)的主要原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率成正比的關(guān)系：數(shù)學(xué)表達(dá)式為n=60f(1-s)/p，其中n代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f代表電源頻率，s是轉(zhuǎn)差率，p代表電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[1]。工業(yè)變頻器便是基于上述原理研發(fā)設(shè)計(jì)的，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中。

1.2 變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

自動(dòng)化技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是能有效提高工業(yè)生產(chǎn)效率，變頻調(diào)速技術(shù)繼承發(fā)揚(yáng)了這一優(yōu)點(diǎn)，與自動(dòng)化技術(shù)的有效融合，很大程度上提高了工業(yè)電氣生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。工業(yè)產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代社會(huì)的產(chǎn)業(yè)支柱，對(duì)能源的消耗量是巨大的，且電力傳動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出了非常明顯的復(fù)雜性，在電氣系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、低速高速頻繁切換的狀態(tài)下運(yùn)行，利用變頻調(diào)速技術(shù)可保障其安全可靠的運(yùn)行，減少在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電氣設(shè)備的磨損，從而有效節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本，增加工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益[2]。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）電機(jī)啟動(dòng)沖擊小。大功率電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間，啟動(dòng)電流過(guò)大，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命，同時(shí)大啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊影響很大，會(huì)導(dǎo)致電源電壓突然波動(dòng)，影響同一電網(wǎng)內(nèi)其它負(fù)荷設(shè)備的正常工作。利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)頻率的控制，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩慢啟動(dòng)，使電源頻率從低到高輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，從而控制電機(jī)啟動(dòng)電流，變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī)和電源起到了有效的保護(hù)作用。

（2）電機(jī)調(diào)速性能好。變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)速范圍寬，調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且調(diào)速過(guò)程平滑沖擊少，能實(shí)現(xiàn)從0HZ到幾百HZ的頻率輸出范圍，而且線性度很高，適合應(yīng)用于各種電機(jī)各種場(chǎng)合的調(diào)速，如提升機(jī)，機(jī)床，電動(dòng)汽車(chē)，生活水泵、消防泵、穩(wěn)壓泵等調(diào)速速度和精度要求較高的場(chǎng)合均須用到變頻調(diào)速技術(shù)[3]。

（3）可以有效節(jié)約電能。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可以大范圍改變電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低速運(yùn)行工況時(shí)能耗極大下降，能有效節(jié)約電力能源成本。

（4）電源適應(yīng)性強(qiáng)。變頻器通常配置直流母線電容器，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能在額定電壓5%-10%的范圍內(nèi)滿負(fù)荷輸出，在突然出現(xiàn)電網(wǎng)壓降時(shí)，變頻器能在5個(gè)周期內(nèi)失電運(yùn)行不跳閘，在輕載狀態(tài)下可失電運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的缺點(diǎn)和不足

（1）產(chǎn)生諧波。變頻器輸入側(cè)一般采用普通移相整流技術(shù)，低頻狀態(tài)有較大的波形畸變，會(huì)給電網(wǎng)造成一定的諧波污染，尤其在缺少電磁隔離設(shè)備時(shí)，對(duì)電源波形影響較大。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，部分廠家已在變頻器內(nèi)部設(shè)置輸入/輸出濾波器，以避免其產(chǎn)生的諧波。

（2）設(shè)備投入成本較高。變頻調(diào)速技術(shù)中用到的功率器件如IGBT模塊成本較高，并且耐壓能力有限，難以在高壓（10KV等級(jí)）狀態(tài)下工作運(yùn)行，因此，在高電壓、大容量變頻調(diào)速時(shí)，需要利用變壓器先對(duì)電源降壓，再調(diào)頻，再進(jìn)行升壓，這一過(guò)程加大了設(shè)備投資和系統(tǒng)損耗，造成系統(tǒng)成本上升[4]。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 V-F控制技術(shù)

V-F控制技術(shù)是指保證輸出電壓與控制頻率成正比，使電機(jī)的磁通量保持一定，避免出現(xiàn)弱磁場(chǎng)和磁飽和現(xiàn)象。V-F控制模式主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載節(jié)能變頻器，由壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)。V-F控制的原理是產(chǎn)生一種振蕩頻率電路，稱為壓控振蕩器，它是一種受電壓變化而產(chǎn)生電容變化的壓敏電容器。當(dāng)電壓變化時(shí)，它的電容量就會(huì)發(fā)生改變。電容的變化會(huì)引起振蕩頻率的變化，產(chǎn)生頻率的變化，將此控制頻率用于輸出電壓的頻率，使被控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。

3.2 矢量控制技術(shù)

矢量控制技術(shù)是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的采用矢量變換方法對(duì)定子電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行解耦。實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)磁通量和電流分別進(jìn)行控制的目的，使電機(jī)獲得更好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[5]。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

在矢量控制技術(shù)應(yīng)用廣泛之后，德國(guó)誕生了一種新型的高性能變頻調(diào)速技術(shù)——直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。和矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有更為優(yōu)化的性能。它采用電子磁場(chǎng)定向，不需要對(duì)電流進(jìn)行解耦，可以直接控制電機(jī)的磁通量和轉(zhuǎn)矩，從而得到更快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

3.4 數(shù)字控制技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)成為了變頻調(diào)速技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)，數(shù)字控制技術(shù)計(jì)算速度快，控制精度高，能有效提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能和效率，同時(shí)降低了運(yùn)行噪聲。此外，采用數(shù)字控制技術(shù)的變頻器體積會(huì)縮小很多，比傳統(tǒng)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，利用變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)對(duì)電源的適應(yīng)性，同時(shí)能節(jié)約大量電能，提高工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率并降低能源成本，為企業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，變頻調(diào)速技術(shù)在廣泛的應(yīng)用中獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行完善和創(chuàng)新工作，提高我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。