浅论电气自动化控制中变频调速技术应用

浅论电气自动化控制中变频调速技术应用

发表时间：2019-07-18T09:10:46.590Z 来源：《科技尚品》2019年第3期作者：郭泓辰

[导读] 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。石油工业作为我国重要的经济支柱产业对国家的经济发展和社会繁荣起到了重要的作用。提高石油工业生产效率，降低能源消耗会显著提高石油企业的利润和技术附加值，实现石油工业的健康绿色发展。利用变频调速技术，能有效提高石油工业自动化生产中电机驱动效率，降低电能消耗，并提高系统的稳定性和生产适应性，在整体上提升石油工业自动化系统的性能和可靠性。

中石化胜利油建工程有限公司

20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。变频调速器是把工频电源(50Hz 或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。本文简要阐述了变频调速技术的含义以及应用价值，总结了变频调速技术的优缺点，并分析了几种变频调速技术在石油工业电气自动化控制系统中的实际应用。

1 变频调速技术涵义及应用价值

1.1 变频调速技术简述

变频调速技术的主要原理是根据电机转速与电源输入频率成正比的关系：数学表达式为 n=60f (1-s) /p，其中 n 代表电动机转速，f 代表电源频率，s 是转差率，p 代表电动机的

极对数，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。石油工业变频器便是基于上述原理研发设计的，并广泛应用于石油工业电气自动化系统中。

1.2 变频调速技术在石油工业电气自动化系统中的应用价值

自动化技术的显著优点是能有效提高工业生产效率，变频调速技术继承发扬了这一优点，与自动化技术的有效融合，很大程度上提高了石油工业电气生产的自动化水平和生产效率。

石油工业产业作为现代社会的产业支柱，对能源的消耗量是巨大的，且电力传动系统表现出了非常明显的复杂性，在电气系统运行过程中，电动机长时间处于正转反转、低速高速频繁切换的状态下运行，利用变频调速技术可保障其安全可靠的运行，减少在运行过程中对电气设备的磨损，从而有效节约设备维护成本，增加石油企业的生产经营效益。

2 变频调速技术的优缺点分析

2.1 变频调速技术的优点

2.1.1 电机启动冲击校大功率电动机在启动瞬间，启动电流过大，会影响电动机的使用寿命，同时大启动电流对生产冲击影响很大，会导致电源电压突然波动，影响同一生产内其它负荷设备的正常工作。利用变频调速技术，通过对电机启动频率的控制，能实现电机缓慢启动，使电源频率从低到高输出，电机转速逐渐上升，从而控制电机启动电流，变频调速技术对电机和电源起到了有效的保护作用。

2.1.2 电机调速性能好。变频调速技术调速范围宽，调速动态响应快，且调速过程平滑冲击少，能实现从0HZ到几百 HZ 的频率输出范围，而且线性度很高，适合应用于各种电机各种场合的调速，如提升机，机床，电动汽车，生活水泵、消防泵、稳压泵等调速速度和精度要求较高的场合均须用到变频调速技术。

2.1.3 可以有效节约电能。变频调速技术的应用可以大范围改变电机运行转速，电机在低速运行工况时能耗极大下降，能有效节约电力能源成本。

2.1.4 电源适应性强。变频器通常配置直流母线电容器，对生产电压波动具有较强的适应性，能在额定电压5%-10% 的范围内满负荷输出，在突然出现生产压降时，变频器能在 5 个周期内失电运行不跳闸，在轻载状态下可失电运行更长时间。

2.2 变频调速技术的缺点和不足

2.2.1 产生谐波。变频器输入侧一般采用普通移相整流技术，低频状态有较大的波形畸变，会给生产造成一定的谐波污染，尤其在缺少电磁隔离设备时，对电源波形影响较大。随着变频调速技术的发展，部分厂家已在变频器内部设置输入 /输出滤波器，以避免其产生的谐波。

2.2.2 设备投入成本较高。变频调速技术中用到的功率器件如 IGBT模块成本较高，并且耐压能力有限，难以在高压（10KV 等级）状态下工作运行，因此，在高电压、大容量变频调速时，需要利用变压器先对电源降压，再调频，再进行升压，这一过程加大了设备投资和系统损耗，造成系统成本上升。

3 变频调速技术在石油工业电气自动化控制系统中的实际应用

3.1 V-F控制技术

V-F 控制技术是指保证输出电压与控制频率成正比，使电机的磁通量保持一定，避免出现弱磁场和磁饱和现象。V-F 控制模式主要应用于风机水泵类负载节能变频器，由压控振荡

器实现。V-F 控制的原理是产生一种振荡频率电路，称为压控振荡器，它是一种受电压变化

而产生电容变化的压敏电容器。当电压变化时，它的电容量就会发生改变。电容的变化会引起振荡频率的变化，产生频率的变化，将此控制频率用于输出电压的频率，使被控制电机的转速发生改变。

3.2 矢量控制技术

矢量控制技术是基于转子磁场定向的采用矢量变换方法对定子电流的激励分量和转矩分量进行解耦。实现了对交流电动机磁通量和电流分别进行控制的目的，使电机获得更好的静态和动态性能。

3.3 直接转矩控制技术

在矢量控制技术应用广泛之后，德国诞生了一种新型的高性能变频调速技术--直接转矩控制（DTC）。和矢量控制相比，直接转矩控制

技术具有更为优化的性能。它采用电子磁场定向，不需要对电流进行解耦，可以直接控制电机的磁通量和转矩，从而得到更快速的转矩响应。

3.4 数字控制技术

随着计算机和电子信息技术的快速发展，数字控制技术成为了变频调速技术未来发展的主流趋势，数字控制技术计算速度快，控制精度高，能有效提升电机驱动性能和效率，同时降低了运行噪声。此外，采用数字控制技术的变频器体积会缩小很多，比传统的矢量控制和直接转矩控制具有更明显的优势。

4 结语

综上所述，在石油工业电气自动化系统中，利用变频调速技术能够有效提升系统的可靠性和稳定性，提高系统对电源的适应性，同时能节约大量电能，提高石油企业的生产效率并降低能源成本，为企业带来更高的经济效益，变频调速技术在广泛的应用中获得了长足的发展和进步，未来应继续进行完善和创新工作，提高石油工业生产的自动化水平。

参考文献

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[2] 变频调速张力控制方法及其应用研究[J]. 朱涛. 电气传动自动化. 2010(01)

[3] 多组灰渣泵变频调速的设计和应用[J]. 马福江,王忠军. 热电技术. 2006(03)