工业电气自动化控制中变频调速技术的机制创新

 德国学者Blaschke于20世纪70年代提出矢量控制理论，这一理论的提出使交流电动机实现了解耦，并能够进行矢量的变换，促进交流调速动、静态性能达到直流调速的水平。80年代，德国学者Depenbrock接着提出直接转矩控制原理，从而减少了在矢量的控制较为繁琐的坐标的控制的变换。这种方法是电压型逆变器的工作过程中，控制住转子磁链和定子磁链间的夹角，完成对电动机转矩的直接控制。该种控制方法比较简单且易于操作，而且对电动机模型的参数没有太大的要求。变频调速技术的应用，使控制的效果好于直流调速，而且变频调速的可靠性也在不断的提高，实用性较强，其在工业电气自动化中有着广泛的应用，是科学技术发展的必然结果。 

1 变频器的节能原理及常用功能 

1.1 变频器的节能原理 

①变频调速节能。根据水泵工作的原理，流量和转速的一次方是成正比的，功率和转速的立方成正比，扬程与转速的平方成正比，即水泵的效率保持一定，当调节流量下降，转速也成比例下降，此时功率成立方关系降低。 

②功率因数补偿功能。无功功率容易导致设备发热和增加线损，功率因数降低会使有功功率降低，导致大量电能消耗，降低了设备的使用效率，浪费严重。装置变频调速器能够提高功率因数，减少无功损耗。 

③软启动节能。电机一般为Y/D启动或直接启动，其中启动电流相当于额定电流的4～7倍，这既需要较高的电容量，也容易影响电机使用寿命。变频器能够利用软启动的方式使启动电流极大降低，降低了电容量的要求，减轻了对电网的冲击，延长设备寿命。 

1.2 变频器的常用功能 

①过载保护功能。该功能能够有效保护电动机使其不易被烧坏。电机在低额运行的时候其较差的散热性导致电机发热严重，温度升高超过额定值。变频器具有电子热保护的功能，其中在不同运行的频率下有着相应的保护曲线，运行频率越低，连续运行的时间就越短，对电动机进行有效保护。 

②升速功能。变频器的升速其实就是从一种稳定的状态到另一种稳定的状态，一般情况下，在保证电流低于额定电流的情况下，尽量降低升速时间。其中常见的升速方式有：S形方式、半S形方式、频率和时间呈线性关系。当然需要根据具体的情况选择合适的升速方式。 

2 变频调速技术在电气自动化控制中的应用 

2.1 变频调速技术特征 

在工业生产领域应用变频调速的技术能够满足企业生产的需要，变频调速技术经过长时间的研发和实践而形成，具有显著的特征，影响着工业领域成长和发展。变频调速器中所使用的全部Cyclonell器件运用的都是300 mm晶圆，并且采用低K工艺和TSM90 nm技术而制造，从而加快了制造速度，提高生产效率，并且节约了成本，降低了生产造价。这种技术在设计时使用的的是最小化硅区，在具有复杂性的数字系统中，一个芯片就可以了，所花费的成本仅仅相当于一个专用的集成电路成本。这样既降低了成本，还可以达到使用的要求。高性能的通用变频器的主要目的就是满足不同工程的需求，其硬件结构通常包括带能量回馈单元变频器、公共直流母线式变频器、独立式变频器。特别是独立式变频器应用较为广泛，它能够逆变单元和整流单元共同放在同一个机壳里，并且效果十分不错。 

2.2 变频调速技术的应用 

变频调速技术最早出现于20世纪80年代，是随着科学技术的发展而产生的，该技术的出现使工业生产进入全新的时期，为人类生产力的提高起到了巨大的推动作用。 

变频调速技术主要由以下几个部件组成，其中每个部件都发挥着各自的功能并有着重要的作用。 

①自适应电动机模型单元。这个单元是重要的组成部件，在具体的应用中，它主要的作用是对输入电动机的电流和电压进行检测，从而来识别电动机的基本参数。根据这种电动机的模型来说，它有着十分重要的作用，而且是进行转矩直接控制的关键单元。变频调速技术在工业中应用的时候，一般情况下当转速控制精度大于0.5%的时候，可以运用闭环转速来反馈，最后达到应用的要求。 

②转矩和磁通比较器。两种比较器就是将参考值和反馈值分别对比，每20 ms进行一次比较。在对比完成之后，利用滞换调节器的功能来输出磁场状态或者转矩，然后就能够及时的掌握磁场状态和转矩状态，从而为采取针对性的措施提供重要依据。 

③脉冲优化选择器。一般情况下选择CyclonellEP2C5Q208 

C8芯片来对信息进行处理，完成选择之后，需要设计OFDM信号源，同时还要编写由5个模块所组成的电路，每个模块具有不同的功能，其中包括D/A功能、缓冲模块、插入循环前缀、FFT、星座映射。可以使用OFDM信号源仿真验证的方式对这些模块的功能进行验证。接下来的工作就是完成OFDM信号源的设计，工作内容为FPGA硬件验证和软件仿真验证。一定要认识到电解电容器的容量本身具有强烈的离散性，这种特性的存在很可能会造成他们承受着不相等的电压状况，从而对整个系统造成不利的影响，这时就需要采取一定的措施对这种状况进行必要的改进和优化，最后将离散性可能造成的不利影响消除。常用处理方法：在电容旁各并联一个相等阻值的均压电阻。此外，为了保护整流电路的安全以防止被烧毁，可以在电路中增加抑制浪涌电流的方法。 

3 确保变频器正常运行的预防措施 

变频器的不正确使用容易使变频器发生故障或影响使用效果，为了确保变频器的正常发挥功能需要掌握科学的预防措施。 

针对外部电磁感应的干扰，可以采取缩短控制回路配线的距离，并与主线分离。变频器应该按照规定来接端子，不可以同动力接地、电焊混用。安装噪声过滤器，以防止干扰；针对环境问题，按照要求安装空调或采取一些避免阳光直射，对某些振动冲击大的情况，可以应用橡胶等减震方法，此外还要定期的检查变频器的冷却风扇及空气过滤器；最后，一定要特别注意选择正规厂家的变频器产品，规范对变频器的日常保养，由专人对变频器的日常使用和维修负责，加强对变频器设备的操作和管理人员的培训，对维修人员的专业节能深入或系统的培训，确保变频设备正常运行。 

4 结 语 

目前有很多生产领域都装置了变频调速器，有效地满足了生产中降低能耗的要求，在保证生产安全和产品质量的前提下，其为企业带来了良好的经济效益。调速器的设计应该根据实际要求将调速器的作用和功能不断地创新和完善，为工业电气自动化提供具有优秀节能价值的高质量变频调速器，既起到了节能作用，又达到了改善工艺条件的要求。 

参考文献： 

[1] 张丽峰.变频调速技术及其在工业电气自动化控制中的运行[J].科技风，2013，（21）.

[2] 黄仁勇.浅谈变频调速技术在电气自动化控制中的应用[J].电源技术应用，2013，（2）.