王雷

（江蘇省無錫市江陰新華西鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214420）

0 引言

工業(yè)化的生產(chǎn)是經(jīng)濟發(fā)展、社會發(fā)展的大勢所趨。在電氣自動化控制下，工業(yè)生產(chǎn)的效率和穩(wěn)定性得到大幅提升。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)階段更加先進的節(jié)能增效技術(shù)，對提升電氣自動化控制系統(tǒng)的工作效率經(jīng)濟價值具有重要的意義，而且當(dāng)今國內(nèi)生產(chǎn)重視節(jié)能、減排的社會級趨勢中，對變頻調(diào)速技術(shù)的研究，具有更高的經(jīng)濟價值和社會意義。

1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速簡單來說是改變電機的輸入電壓、電流，對電機的轉(zhuǎn)速進行靈活的調(diào)整、控制。工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)的負擔(dān)隨著生產(chǎn)需求，運行環(huán)境而發(fā)生變化，為了保證生產(chǎn)設(shè)備的有效運行，需要在生產(chǎn)負擔(dān)較重的情況下加快生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)壓力較小的情況下，合理降低生產(chǎn)速度來降低設(shè)備磨損。從而在保證生產(chǎn)成果的基礎(chǔ)上，合理使用電能，減少能源消耗。而變頻調(diào)速技術(shù)利用電動機的自適應(yīng)模塊，對輸入電機的電壓、電流進行實時的檢測，并控制電機的運行情況，利用自適應(yīng)模塊，可以對電機的轉(zhuǎn)速進行有效的檢測，并根據(jù)實際的生產(chǎn)需要對電氣自動化控制系統(tǒng)中的電機實時展開調(diào)整。同時變頻調(diào)速技術(shù)會使用轉(zhuǎn)矩和磁通比較器來對電氣自動化系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行檢測、評估，然后使用警報裝置-調(diào)解器來發(fā)出警告和控制，使操作人員及時發(fā)現(xiàn)情況并制定對策[1-2]。

變頻調(diào)速的技術(shù)為電氣自動化系統(tǒng)帶來極大的便利，在工業(yè)生產(chǎn)中，變頻調(diào)速使自動化控制系統(tǒng)的運行呈現(xiàn)一個更加動態(tài)的自動控制過程，及時采集、分析、處理系統(tǒng)運行的情況，并做出調(diào)整，為提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，降低電氣自動化控制系統(tǒng)的反應(yīng)時間，從而在滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的前提下，對電源進行自動調(diào)整，降低電氣自動化系統(tǒng)的能耗水平，從而滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對能耗，經(jīng)濟效益，安全生產(chǎn)的要求。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢

首先，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中采用的電氣自動化控制生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模較大，生產(chǎn)時的耗電量也非常高，這些大功率設(shè)備在啟動、關(guān)閉時會產(chǎn)生瞬間的大電流，嚴重影響設(shè)備的正常運行，一方面電流波動情況下產(chǎn)生的大電流會造成電源、電網(wǎng)的異常影響安全生產(chǎn)，一方面大電流對電機的沖擊會嚴重減少電機的正常使用壽命[3]。而變頻調(diào)速技術(shù)通過控制設(shè)備的啟動頻率，使經(jīng)過設(shè)備的電壓、電流用平緩的方式過渡到正常工作狀態(tài)，從而穩(wěn)定設(shè)備的運行，并對連接設(shè)備的電機、電源、電網(wǎng)進行有效保護。

其次，變頻調(diào)速技術(shù)對設(shè)備的運行條件并不挑剔，現(xiàn)階段功能比較優(yōu)秀的變頻調(diào)速電機能在0-300Hz的頻率范圍內(nèi)進行靈活平穩(wěn)的變化，因此在生產(chǎn)機床、穩(wěn)壓泵等多種工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備中均有使用。而調(diào)速范圍較大的本技術(shù)，對設(shè)備電壓、電流等參數(shù)的感度較高，可以極快的相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備要求，從而提升設(shè)備的運行效率[4]。

此外，變頻調(diào)速在最初研究、使用中便以強大的節(jié)能性能得到信賴，在工業(yè)電氣自動化控制生產(chǎn)設(shè)備的運行中，根據(jù)實際的生產(chǎn)需求進行定能輸出，保證在電能的有效利用，同時在低速運行條件下，變頻調(diào)速電機的能耗極低，進一步降低生產(chǎn)過程中不必要的能源浪費。

最后，變頻調(diào)速技術(shù)使用直流母線電容器，只需要在生產(chǎn)設(shè)備額定電壓的5-10%范圍內(nèi)就能啟動保持滿負荷運載。當(dāng)電氣自動化控制系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、電流問題時，變頻調(diào)速裝置可以在短時間內(nèi)讓設(shè)備處于運行狀態(tài)下，避免突然斷電等情況對生產(chǎn)設(shè)備造成的不良影響。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的劣勢

由于變頻調(diào)速設(shè)備在輸入端使用整流技術(shù)，當(dāng)電氣自動化控制系統(tǒng)工作在低頻情況下，變頻調(diào)速設(shè)備會產(chǎn)生波形畸變，對整個系統(tǒng)的電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響電網(wǎng)的正常運行。而通常來說，需要對電氣自動化控制系統(tǒng)做好電磁防護來減少諧波污染。但現(xiàn)階段技術(shù)的發(fā)展讓不少廠商嘗試在變頻器內(nèi)部安裝濾波器，避免、減少諧波的產(chǎn)生[5-6]。

此外，變頻調(diào)速設(shè)備使用的相關(guān)電氣零件、設(shè)備的成本相對較高，如IGBT模塊的功率器件。同時因為變頻調(diào)速設(shè)備的額定工作電壓較低，當(dāng)遇到10kV以上的高壓電力輸入時，便會失去作用。因此還需要配備相應(yīng)的降壓用變壓器。而在變頻調(diào)速設(shè)備運行的過程中，相關(guān)的檢測、控制等配套設(shè)備較多，導(dǎo)致維護、檢修的工作難度、成本大幅增加。但是對于采用變頻調(diào)速設(shè)備的工業(yè)自動化生產(chǎn)廠家來說，變頻調(diào)速設(shè)備帶來的穩(wěn)定性、安全性、高效率具有更高的價值，因此得到生產(chǎn)廠家的廣泛認可。

3 變頻調(diào)速在工業(yè)電氣自動化控制中的運行

3.1 自適應(yīng)電機單元

在工業(yè)電氣自動化控制系統(tǒng)中，自適應(yīng)電機單元對電機輸入、輸出的電壓、電流進行自動檢測，從而掌握電氣自動化控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)事前確定好的控制規(guī)則，根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)，進行實時的調(diào)整，控制經(jīng)過電機的電流、電壓，來保護電氣自動化控制系統(tǒng)的正常工作[7]。

為了保證電機工作的可靠性，廠家在生產(chǎn)電機時，會留下一定的富余量，當(dāng)電機滿載工作時，除去需要達到電力輸入的要求外，產(chǎn)生的多余力矩導(dǎo)致額外的電能消耗。而使用自適應(yīng)電機單元將多余的電能進行阻擋，并調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速、頻率使其維持在穩(wěn)定工作的狀態(tài)。

3.2 等速區(qū)間控制保護

工業(yè)電氣自動化控制系統(tǒng)的存在價值在于可以長時間、無人控制地進行穩(wěn)定、持續(xù)的工作。但由于電氣自動化控制系統(tǒng)中電機應(yīng)用面極廣，在長時間持續(xù)運行的過程中，容易受到溫度、濕度、電壓、電流波動等客觀因素的影響。使用變頻調(diào)速技術(shù)對電機進行保護，是現(xiàn)階段工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中采用的主要方案。當(dāng)系統(tǒng)長期工作在滿負載的條件下時，變頻調(diào)速設(shè)備會調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使其運行在合理、穩(wěn)定的范圍內(nèi)。通常來說，電機拉動生產(chǎn)設(shè)備的運行速率不得超出既定值的15%以上，為了保證生產(chǎn)設(shè)備的安全生產(chǎn)，在出現(xiàn)超載、超負荷等不良條件下，需要對設(shè)備進行緊急制動，控制設(shè)備的運行速率。但在實際的電氣自動化生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)設(shè)備運行的條件，設(shè)置變頻調(diào)速器的控制范圍區(qū)間，當(dāng)出現(xiàn)異常的速度、電壓、電流等因素的變化時，及時發(fā)出預(yù)警，讓相關(guān)的管理控制設(shè)備自動處理或者技術(shù)操作人員進行調(diào)節(jié)。

3.3 減速區(qū)間控制保護

為了保證電氣自動化控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定降低運行速度，需要使用變頻調(diào)速設(shè)備來處理電機電壓、電流，讓電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)線性的下降。當(dāng)系統(tǒng)處于減速運行區(qū)間時，運行速度超過事先設(shè)置的標準值，電變頻調(diào)速設(shè)備就會自動發(fā)出警報，并采取相應(yīng)的調(diào)整策略，使系統(tǒng)速度逐步下降到正常運行狀態(tài)。在此過程中，變頻調(diào)速裝置會主動收集系統(tǒng)的運行速度、電壓、電流等運行參數(shù)，并將其與預(yù)設(shè)值進行對比，從而穩(wěn)定地實現(xiàn)對電氣自動化控制設(shè)備的平穩(wěn)控制[8]。通常來說，工業(yè)電氣自動化控制系統(tǒng)會采用變頻調(diào)速設(shè)備或者PLC控制設(shè)備對電流、電壓等參數(shù)進行自動控制。

3.4 電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)能改造

電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的經(jīng)濟價值來源，而這些設(shè)備的規(guī)模大，耗電量也極高，為了降低電能消耗來降低成本支出，需要對設(shè)備進行節(jié)能、減耗的改造，也是變頻調(diào)速設(shè)備最大的應(yīng)用場合。對于數(shù)控機床、引送風(fēng)機等耗電大戶可以使用FR-E740高性能矢量變頻器，對電機和機床主軸進行控制，由于FR-E740變頻器采用先進的磁通算法，在低頻運行的情況下也能保持電機的150%的轉(zhuǎn)矩，并對電機轉(zhuǎn)速進行無級調(diào)整如表1所示。

表1 FR-E740高性能矢量變頻器運行參數(shù)

3.5 深度指示器失效保護

工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備需要使用多種保護設(shè)備，來保護生產(chǎn)設(shè)備的正常運行。當(dāng)深度指示器保護處于失效的狀態(tài)下，會導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備整體的保護環(huán)境產(chǎn)生變化，對工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)設(shè)備帶來安全隱患，因此需要安裝失效保護裝置。利用變頻調(diào)速技術(shù)，使用編碼器采集周圍設(shè)備的脈沖信號，并進行與預(yù)設(shè)值的比較。當(dāng)脈沖信號沒有發(fā)生任何變化的情況下，深度指示器已經(jīng)無法正常工作的情況，而在工業(yè)電氣自動化生產(chǎn)系統(tǒng)處于爬行區(qū)時，失效保護裝置會發(fā)出極強的警報，引起系統(tǒng)、技術(shù)人員和操作人員的重視，若不處于爬行區(qū)時則會自動進行電機制動，并發(fā)出報警提示，讓相關(guān)工作人員進行檢修。

4 結(jié)語

變頻調(diào)速技術(shù)為工業(yè)電氣自動化系統(tǒng)提供了更加穩(wěn)定、安全、低耗的運行空間，具有極強的實用價值。雖然變頻調(diào)速需要輔助設(shè)備進行工作而提升了維護和設(shè)備采購的成本，但從長遠的意義上來看，變頻調(diào)控技術(shù)為系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益和社會價值都是無可替代的，使工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展得到有效保證。