变频调速技术与应用

第1篇：变频调速技术与应用

高压变频调速技术应用现状与发展趋势

【摘 要】目前，高压变频调速技术在世界的各个领域中得到广泛的应用，为各个企业的电气产品的全面发展提供了强大的保障。本文主要介绍了高压变频调速的关键技术，并说明该技术在国内外企业中的应用情况，通过探讨与分析，总结出高压变频调速技术在未来的发展方向，使得高压变频调速技术能够得到不断地提升，为多个科学领域的发展做出巨大的贡献。

【关键词】高压变频调速技术 应用现状 发展趋势

高压变频器指的是驱动1千伏以上的交流电动机的中、大容量变频器。一般我们将电压大于10千伏的电压称为高压，高于1千伏而低于10千伏的电压称为中压。过去，我国的高压电动机主要是风机、泵类负载，消耗的能量高，但是工作效率却很低，由于高压变频调速技术的使用，其优异的性能得到国内外的一致认同，其市场竞争力大幅度提升，因此得到广泛的应用。

1 高压变频调速关键技术

1.1电力电子器件和技术

目前，在高压变频方面适用的电子器件主要有：IGBT、IGCT、GTO等等，大部分的电力电子器件仍然无法承受高强度的电压，所以我们在利用电子期间的时候必须考虑到其本身对于高压的承受能力，选择合适的电力电子器件。因此，电力电子技术是其中的关键所在，它能够为电力电子器件的灵活应用起到非常有效地作用。主要的技术有：过电流吸收技术、过电压吸收技术、驱动技术、保护技术、散热技术等等。表1几种电力电子器件的主要技术参数比较。

1.2隔离技术

对于电力电子器件而言，它们一直处于相对较高的电位环境下，它们需要在中心控制器的统一控制下进行良好的协作运转，因此，我们必须对它们的高电压进行隔离，防止高电压产生的电场、磁场等因素之间相互影响，而影响到器件的工作效率。目前运用的最广泛的高压隔离技术是光纤通信技术和信号传输技术。

1.3保护技术

在高压环境下，对于电力电子器件的保护是十分必要的，保证保护装置在电路正常工作时处于静止状态，一旦电路中出现超负荷、超压、超温等状况，保护装置立即反应，使得电路中的器件免遭损坏。

1.4微处理器技术

由于微处理器技术的发展成熟，CPU处理速度不断地提升，大大增强了外设功能，如果用多相PWM脉冲产生的电路的微处理器，可以实现高压变频设备的数字化控制，大大的提高工作效率和工作质量。

2 国内高压变频调速技术的应用现状

目前，国内的高压变频器取得了巨大的成就，相关的公司企业迅速发展，占领了中国的广大市场，北京利德华公司的高压变频器在2012年的销售业绩已经突破1000台套。国内产品的最大优势在于它的针对性设计和合理的价格，适应中国电力发展的需求。例如：成都的佳灵电气有限公司解决了器件IGBT的直接串联技术问题，实现了高频变压器的无输入、无输出，采用的输出滤波器以及优化的波形降低谐波的含量，简化电路和操作，缩小了器件的体积，减少了资金投入。

3 高压变频调速技术的发展趋势

3.1开关器件方面

就目前的开关器件发展来看，智能化变频器将会是未来的发展潮流，实现功率变化、检测、控制、保护等等功能的全自动化，达到高效节能的目的。让具有更多功能，具有更高特性的开关器件进入我国的电力市场。

3.2变频控制电路方面

目前，我国的高压变频调速装置基本上已经实现了数字化和自动化的全方位控制，但是，在变频调速设备的数字化和自动化方面还有很大的提升空间，我们要不断的将新的先进的科学技术运用其中，用于尝试，实现变频电路的更高效的控制。

3.3矢量控制技术方面

矢量控制技术仍然会是目前和以后很长一段时间内高性能电机的主要控制技术，它包含有多种重要的科学技术，如：PWM技术，参数识别技术、磁通观测技术等等，这些高效的控制技术能够提高开关的频率，改变电压波形。我们需要实现更有效的控制，就必须长期的对矢量控制技术进行研究。

3.4网络配置系统化方面

高压变频器的主要网络配置包括：设备层、控制层以及信息层。以后我们要根据不同的用户要求选择具有针对性的控制系统，选择不同的网络配置和协议，最大限度满足用户需求。对于网络化配置的变频器，我们需要它的高精度的频率，远程控制系统以及远程诊断系统，实现变频器的智能化，这也是我们对于高压变频器未来的发展期望。

4 结束语

高压变频调速技术由于其优越的特点得到社会的高度认同，并将其运用到电力发展的领域之中，我们渴望我国的电力系统能在其帮助下得到快速的突破，让用电客户对于我国的电力部门的满意度能够得到提升，我们通过简单的阐述高压变频中的关键技术以及它们在我国电力系统中的运用情况，了解到高压变频技术今后的发展方向，加强我国高压变频器在世界各国的影响力，让中国品牌不断地进入国际市场，实现更多的国际化交流，促进我国的高压变频调速技术的未来发展.

参考文献：

[1]翁霁程;蔡立峰;高压变频器在烧结主轴同步电机上的应用[J];浙江冶金;2011年02期

[2]张英斌;牛锁良;高压变频调速在火电厂锅炉引风系统中的应用[J];黑龙江科技信息;2011年21期

[3]于国先;张秀华;张德科;;东方电子高压变频器在青岛东亿热电厂送风机上的应用[J];资源节约与环保;2011年02期

作者简介：常正京(1986.04—)，男，本科，助理工程师，现工作于广西柳州钢铁(集团)公司焦化厂，主要从事计量管理方面的工作。

作者：常正京

第2篇：变频调速技术的风机与泵类节能应用

摘要：文章在阐述了变频器的种类和作用之后，具体分析了泵类、风机变频节能的工作原理以及变频器调速与水泵、风机的节能原理，并在实践中证明变频调速是一种理想的调速控制方式，对泵类和风机的节能可以提供很好的借鉴作用。

关键词：变频调速;变频器;水泵;节能减排

在企业的生产过程中，对泵类和风机设备的应用非常广泛，而这类设备的电能消耗非常大，其耗能占企业总耗能比重很大。当前，我国正深化市场经济体制改革，市场竞争已可以用“惨烈”这个词来形容，因此，企业为了增强自身的竞争力，必须优化生产技术和工艺，降低生产过程中的能耗，降低生产成本，提高产品的价格竞争力。

1 变频器的作用

在实现电机控制中经常会用到的设备是变频器，该设备实现对电机控制的方式是改变电源输出的频率。在企业生产过程中，必须追求对电机的更好控制，而实现对整个电机的更好控制，就必须使用变频器，通过该设备来实现被控交流电机的过电流电压保护、过载保护以及变频调速，同时整个系统的电能综合利用率以及工作效率也由变频器来负责调节。

2 不同种类下的变频器

2.1 开关方式不同下的变频器分类

开关不同，则变频器的种类也不同，按照开关分类，变频器可分为四种：第一，SPWM控制变频器;第二，PAM控制变频器;第三，SVPWM控制变频器;第四，PWM变频器。在这四种不同类型的变频器中，PAM控制是脉冲幅度调制，它通过改变脉冲列脉冲的幅度，实现对波形和输出量值的调制，从而实现变频器的变频功能;和PAM控制不同，PWM控制是脉冲宽度调制控制，也就是在调节波形和输出量时，它能用改变脉冲的宽度的方式，从而实现变频器的变频功能;在PWM的基础上，改变调制脉冲后便是SPWM控制，为了做到正弦波输出，需要遵循正弦规律，排列出适当的脉冲宽度来过滤并输出波形，经常在生产中运用到支流交流逆变器;而SVPWM控制则是空间矢量脉宽调制，作为PWM技术调制的一种方法，将PWM插入电机三相定子绕组中，促进旋转磁场在定子中的产生，从而带动电机旋转。

2.2 按照工作原理对变频器进行分类

按照工作原理进行分裂，变频器可以分为三种：第一种是矢量控制变频器，第二种是V/f控制变频器，第三种是转差频率控制变频器。V/f控制变频器可以保证频率与输出电压成正相关，这样就可以实现电动机磁通的一致性，有效地避免了弱磁和、磁饱和问题的产生;所谓转差调速就是在调速时采用改变异步电动机滑差的方式，速度决定滑差要求，通过转差频率控制技术，在一定程度上能够对系统的动态性能和静态性能进行改善;矢量控制变频器最主要的一个特点就是直流电动机调速控制，按照矢量变化的方法分解异步电动机定子绕组电流，可以实现直流电动机的磁场电流分量。

3 风机、泵类变频节能的工作原理分析

风机、泵类变频要实现节能，有两种途径：一种是软启动节能，一种是变频节能。笔者下面具体介绍这两种节能方式的节能原理：

3.1 关于软启动节能

由于电机为Y/D启动或者是直接启动，额定电流的4～7倍就是启动电流，这样就会对供电电网和机电设备产生巨大的冲击，如果对供电容量要求很高，在启动时就会产生很大的损害性，比如阀门和挡板遭到电流和震动的损害，从而缩短设备的使用寿命等。安装变频节能装置以后，变频器的软启动功能能够将开始时的启动电流自动调节为0，这样就不用担心产生的电流会超过额定电流，在一定程度上减轻了对电网产生的冲击，起到了延长阀门和设备使用寿命的作用，从而可以节省变频器维护的相关

费用。

3.2 关于变频节能

流体力学上有一个公式，即P=H×Q，专业人士都知道，P、H和Q三者之间是存在一定的关系的，且都是正比例关系，只是大小有所不同。如果水泵的效率是一个固定值，那么，当降低调节流量时，转速N也会跟着下降，而输出功率P也会跟着下降，且是立方关系的下降。这也就是说，水泵的转速与水泵电机的耗电率是立方关系。

4 变频调速与风机、水泵节能

4.1 调节风机、水泵流量的方法

调节风机、水泵流量的方法多种多样，每种方法各具优点，有三种是经常用到的：(1)交流电动机变频调速;(2)在对水泵、风机的转速进行调节时，采用电磁转差离合器的方式，但是电动机在这种情况下的运转是恒速的;(3)在调节风机挡板时，如果采用传统的机械方法，则可使实现对水泵、导流器的阀门开启度的调节。在节电率百分比相同的情况下，装机容量和电节能会变成最大值，因此，在生产过程中，应广泛应用高压变频调速节能技术，而把变频调速应用到大容量压缩机、水泵和风机上，以达到节能的目的。

4.2 变频调速在风机、水泵节能中的应用

将流体理论作为基本的出发点，可以用三次方函数来表示离心式风机、水泵的轴功率和转速的关系。在研究中表明，滑差后液力调速的效率会随着调速方案效率的变化而降低，当转速下降为50%时，变频调速器会呈现出较高的效率，这样一来，就会发现一切基本没有发生任何变化。所以变频调速是所有调速方案中节能效果最好的。用一个实际例子来说明，同一台水泵、风机的转速流量和轴功率都为100%时，将转速流量调到50%，轴功率也会降到50%。但如果滑差调到50%，则只需从电网中吸入25%左右的功率;假如通过变频的方式，将流量降到50%，则只需从电网中吸入10%左右的功率。因此，我们不难发现，变频调速具有无可比拟的优势。

5 变频调速与环境保护

在企业电能总消耗中，电机驱动耗能占很大比例。我们有理由相信，天然气、燃煤、石油等燃料的枯竭，很大程度上要归咎于过度的电力消耗。二氧化氮和二氧化碳的过量排放，会造成严重的空气污染，会对大气臭氧层造成无法修补的严重破坏，对人类的生活造成极为不利的影响。当前，环境问题日益严重，已经影响到了人们的日常生活，但随着人们环保意识的不断提高，越来越多的人开始关注环境问题，并积极投身到环境保护中来。因此，在企业的生产过程中，企业理应广泛采用变频调速节能技术，这样不仅有效地节约了能源，还减少了污染的排放，起到了保护环境的作用。

6 结语

综上所述，泵类、风机等设备的节能运行通过变频调速技术来实现，受到国家和政府的普遍重视。通过实践表明，在泵类和风机设备驱动控制中运用变频器能够收到明显的节能效果，是一种可广泛采用的调速控制方式。变频调速技术有许多优点，不仅能够提高设备的运转效率，而且能够最大限度满足企业对于高效率生产的需求。同时，它还可以切实减少设备的养护和维修费用，有效延长其寿命，可谓一举多得。在国内外，变频调速技术已经并将持续受到人们的关注，在我国的经济建设中，其也必会发挥重要作用。

参考文献

[1] 黄安林，施涌波，杜剑明.流量控制电磁阀的小流量

特性分析[J].制冷与空调，2008，(6).

[2] 许红.变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析

[J].铁道标准设计，2009，(3).

[3] 龚晟.变频调速技术在风机及泵类中的节能应用[J].

上海铁道科技，2004，(4).

[4] 张雪莲.浅析变频调速技术在风机、泵类中的节能应

用[J].工艺与艺术，2012，(12).

作者：张亚平 王芳 李连海 鞠传胜

第3篇：浅谈变频调速技术在泵与风机应用的节能效果

【摘 要】文章简述了变频调速技术工作原理，详细介绍了变频调速技术的节能原理，并通过变频技术在供水泵的具体应用，说明了变频技术具有较好节能的效果。

【关键词】变频;水泵;电动机;调速节能

能源是全人类赖以生存的基本条件，我国是能源消费大国，能源供需缺口较大，要保证国民经济长期、持续、稳定发展，必须坚持“开发与节约并重，节约放在优先”的方针，大力发展节能技术。随着现代电力电子技术和控制技术的发展，出现了对交流电动机来说最好的调速方法，就是变频调速。变频调速技术，具有调速范围广、动态响应快、运行效率高、功率因数高等优点，充分提高了设备的利用率，有着显著的节能效果。在我国多种行业的电动机传动设备中得到实际应用。

1.变频调速技术

什么叫变频调速技术，根据异步电动机转速公式n =60f(1-s)/p，从式中可知，当转差率s变化不大时，异步电动机的转速n基本与电源频率f成正比。变频调速技术就是连续调节电源频率，以达到平滑改变电动机运行转速的技术。要实现异步电动机的变频调速，必须有能够同时改变电压大小和频率的供电电源。这种装置一般简称为变频器，变频器主要有交—直—交和交—交两类。目前用的比较多的是交—直—交。它是先将工频电源通过整流器变成直流，而后再经逆变器将直流变为可控频率的交流。交—直—交变频器主要由整流器(电网侧把交流电变为固定或可调的直流电)、滤波回路(中间直流环节)、逆变器(负载侧把直流电变为固定或可调的交流电)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。为了使输出电压大小和输出频率都得到控制。通常采用PWM型逆变器。PWM控制方式就是通过改变脉冲宽度来改变电压大小，变压的同时改变频率。这种变频调速方法由于调节同步转速n0 ，故可以在变速时保持有限的转差率，效率高、调速范围大，能够使电动机平稳的运行。

2.变频节能分析

2.1变频调速节能

变频调速节能运行主要是从泵、风机类机械开始的，根据泵、风机类机械的负载特性，它的最大特点是负载矩转与转速的平方成正比。再根据旋转运动学公式T=P/Ω(式中T为转矩，P为功率，Ω为角速度)。因此，泵、风机的功率与转速的立法成正比。将过去通常采用电动机以固定轉速运行，而用挡板、阀门调节风、水量的方法，改为根据所需要的水流量调节转速。由于水流量正比于转速，所以，当水流量下降时，转速就应成比例下降，需要的功率也就成立方关系下降，由此可见降低电动机转速可得到立方级的节能效果。

2.2最佳工作节能

采用U/f 控制方式的变频器在输出某一频率，负载一定时，存在着一个最佳工作点。负载变化时，最佳工作点也转移。变频器可迅速适应负载变动，自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，达到节能效果。

2.3软启动节能

异步电动机在额定频率和额定电压下直接启动时，要从电网吸收4～7倍的电动机额定电流，这么大的启动电流，不仅造成线路电压降增大，同时也增加了线损和铜损，以及对传动机械带来破坏性冲击力等问题。利用变频器软启动的功能，使电动机在启动过程，频率可以从很低开始，电压按一定规律上升，这样可以有效地将启动电流限制在一定范围内。启动电流的下降，减小了线路电压降，避免了对电网的冲击;同时也减小了线损和铜损，节约了电能;以及减少了启动惯性对传动机械的破坏性冲击，延长了设备的使用寿命。

2.4无功补偿节能

异步电动机在把电能转变为机械能的过程，需要从电网吸收一定的感性无功功率。无功功率的存在，不仅使电动机出现了铁心损耗，引起电动机发热;同时使功率因数降低，造成了大量无功电能在线路中消耗掉，导致设备的使用效率降低。使用了变频器后，由于变频器内部的中间直流环节有大电容存在，对电路起到无功补偿的作用，从而使无功功率得到减少，提高了功率因数，降低了损耗，提高了效率。

3.案例

泵、风机的节能原理就是用调速控制代替节流阀或挡风板控制流量，下面通过在泉州滨江花园城F区生活小区供水泵上安装变频器为例子，对比改造前后的用电情况，来说明变频调速技术在泵与风机应用中的节能效果。供水改造前，用三台7.5KW水泵电动机恒速供水，现改造为变频恒压供水系统，采用三菱FR-A540通用变频器(变频器内置PID控制功能)驱动3台7.5KW水泵电动机，作循环方式运行。当供水压力低于设定压力，变频器将频率升高，反之则降低。

3.1改造前的情况

改造前在供水泵的工作中，采用异步电动机恒速传动的方案运行，当用水量需要改变时，就要调节供水泵出口或入口的阀门开度。为了保证最大供水的需求，电动机的容量选择时，一般都留有一定的富余量，通常电动机在70%～100%负载时效率最高。当电动机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电动机效率降低，同时大量的能源消耗在阀门的截流过程中。所以采用交流电动机恒速传动的方案运行，靠阀门调节水量的泵类设备，使用效率较低，造成大量的能源浪费。

3.2改造后的情况

改造后在供水泵的工作中，当用水量需要改变时，入口或出口的阀门都完全打开，通过传感器检测出口水量，再根据水量调节器的信号用变频器对供水泵的电动机转速进行调节，从而寻找到合适的、新的工作点，得到合适的水量，达到节能的目的。下表为供水改造后的用电情况，一台供水泵电动机额定功率为7.5千瓦。

通过改造前后用电量对比，实践表明用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀来实现恒压供水相比较，取得了显著的节能效果。

4.小结

采用变频调速技术使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出，降低了损耗，节约了能源，是我国重点推广的一项节能技术。变频调速技术的应用，就是要认真分析，结合工艺要求，选用合适的变频器，对原有设备进行改造，以达到节能的效果，从而提高效率。

参考文献：

[1]刘美俊《变频器应用与维护技术》中国电力出版社第1版2008.1.

[2]吴金星《工业节能技术》机械工业出版社2014.

[3]廖为明 张文钢《泵与风机的节能技术》上海交通大学出版社2013.8.

作者：苏翠云　苏两河

第4篇：变频调速技术在暖通空调中的应用

1 引言

近十几年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已广泛地用于交流电动机的速度控制。因为其具有高效率的驱动性能及良好的控制特性，在各行各业得到很好的应用。在暖通空调领域应用变频调速技术，一方面可以极大地节省水泵或风机的电能，实现系统的节能运行;另一方面可以提高系统的运行品质，实现高精度控制，满足对环境的舒适度和生产工艺过程对环境的温、湿度精度要求，从而有效地提高经济效益和产品质量。变频器不仅在大型的通风、空调、供热等系统中得到了有效地利用，而且也已进入家电产品中，如家用空调器，电冰箱等家电设备中都用到了变频调速技术。可以说在暖通空调领域，凡是有需要速度控制的场合，变频器都以其操作方便、体积小、控制性能好而获得了广泛应用。

本文仅就变频器用在泵与风机中的节能运行机理、变频调速控制系统的一般组成，以及变频调速技术在暖通空调领域中的几个具体应用方向做一简单的介绍。

2 泵与风机应用交流变频器节能的运行机理

2、1 泵与风机的特性

泵与风机的轴功率N与其流量Q、扬程H(压力)之间的关系为：

N∝Q×H

当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速由n1变为n2，此时Q、H、N相对于转速的关系如下：

可以看出，泵或风机的轴功率与转速的3次方成正比。扬程与转速的2次方成正比，流量与转速的1次方成正比。图1示出泵和风机的扬程与流量的关系曲线。

2、2 系统特性

流体在管路系统中的特性可以表达成如下的关系式：

其中H为管路系统的压差阻力;P

2、P1为流体高、低压面的压强，Hz为流体高、低压面的高差。S为管路系统的阻力系数，与管路系统的沿程阻力和局部阻力以及几何形状有关。

2、3 泵与风机的工作点

根据管路系统特性所提出的流量及其相应的压头必须由泵或风机来满足。将泵或风机的性能曲线和管路系统的性能曲线同绘在一张坐标图上，如图3所示，两条曲线相交的点O就是泵或风机的工作点。其中O～O′为系统的流动阻力。

在设计工况下,泵或风机可以在流量为Q0的条件下向管路系统提供H0的扬程。

2、4 当需要的流量减少时传统的调节方法

通常泵或风机的容量是按照系统需要的最大要求而设计的，然而在实际应用中，系统大多数时间里在远小于设计容量下工作。传统的调节方法是在泵或风机的出口处加装阀门，用关小阀门加大系统局部阻力即改变管路系统特性曲线的方法来进行调节。如图4工作点从0变到1。这种方法简单有效，但严重影响了系统的效率。虽然流量减少了，但消耗在阀门上的损耗增加了，实践证明，这种调节方法在流量减少的情况下，泵或风机的轴功率基本没有改变。

2、5 变频调速的方法

如果系统安装有变频调速控制装置，当需要的流量减少时，不总采用关小阀门出口的方法，而是利用变频调速控制装置改变泵或风机电动机的转速。在减少系统流量的同时降低了系统阻力，就可以达到既减少流量，又可以极大地减少电动机的轴功率，达到节能的效果。泵或风机的轴功率与转速的3次方成正比，而流量与转速的1次方成正比，故泵或风机的轴功率与流量的3次方成正比。它们之间的关系如图6所示。从图上可以看出，当流量减小为原流量的80%时，轴功率减少为原轴功率的51%;当流量减少为原流量的60%时，轴功率减少为原轴功率的22%左右。如果和改变泵或风机出口阀门开度的方法相比，变频调速方法的节能效果是非常明显的。

3 变频调速控制系统的组成

暖通空调中用到的变频调速控制系统一般由传感器、变送器、调节器、控制器、变频器、电动机及被控制设备几部分组成。传感器用来感测被控设备中的被控参量，它可以是流量、压力、温度、湿度、气体含量等，一般是利用传感器把被控参数转换成电信号。变送器的作用是把传感器得到的电信号进行放大、整形等处理，然后统一调整为规则化的电压，如0V～5V或电流信号4mA～20mA等作为调节器的输入。调节器或控制器，它们其实就是一个由单片机组成的微型控制系统。本身具有计算、判断、逻辑分析功能。它有数字和模拟输入端、数字和模拟输出端，可以在软件的控制下实现PID或模糊控制等控制规律，还可以利用数字输出口，指挥数台电动机的调频与工频之间的切换、被控设备相关部件的开启或关闭等多种操作。变频器是利用电子器件的智能控制技术把电压频率固定的交流电变成了电压频率可变的交流电的一种控制设备。用变频器输出的频率、电压可变的交流电去驱动电动机就可以达到电动机的调速。变频器一般由供电部分、输出部分、控制部分、保护部分、显示部分和给定部分组成。容量从几十瓦到几百千瓦，既有三相的也有单项的。十多年以来，变频器的可靠性越来越强，价格越来越低，应用的领域越来越广泛。电动机和被控设备一起构成了生产过程的动力源和执行机构，用以保证生产或系统工作的正常。以上说明的控制系统是一种闭环控制系统，有时对于一些简单的控制系统也采用开环式的控制系统，这时传感器、变送器和调节器由人的五官和大脑来担任。当观测到或感觉到系统的被控参数发生偏差以后，用人工的方法去调整变频器的给定值，使电动机的速度改变，从而达到控制被控参数的目的。

4 变频调速技术在暖通空调中的应用

4、1 变风量控制系统

空调系统的设计一般都是按室内负荷和室外温湿度最不利的情况来设计的。但一年中这

种设计工况的维持时间只有数天或数十小时，绝大多数情况下都是在非满负荷下工作。我国目前大部分空调系统都是采用的定风量系统，在这种系统中，当空调冷负荷变小以后，常采用机器露点不变，再对冷却的空气进行不同程度的“再热”的方法来解决。这种方法虽然可以满足空调负荷变化的需要，但都增加了不必要的“再热”能量，是一种不经济的运行方式。变风量系统在室内冷负荷变小的时候，不是增加“再热”而是用减少风量的方法来适应负荷的变化，即去掉了“再热”又减少了风机的轴功率，如系统全年均在70%风量下工作，风机耗电约可减少一半，因此是一种节能的空调运行方式。在变频器技术不成熟以前，改变交流电动机转速的工作非常困难，限制了变风量空调系统的发展。随着变频器技术的成熟和价格的降低，变风量空调系统将得到广泛的应用。

4、2 变冷水量系统

在非设计负荷条件下，空调区域的需冷量减少，一般是采用二通阀来调节末端设备冷水的流量来适应需冷量的变化，在一级泵系统中，流过末端设备的冷水和流过冷机蒸发器的冷水是串联的。通过冷机蒸发器的水流量是不能低于所需水量额定值的，否则将导致结冰的危险。一般冷机厂家要求通过蒸发器的水流量恒定，即定流量工作。为了解决负荷侧变流与冷源侧定流量之间的矛盾，一般采用在供回水管路上设旁通管，在旁通管上装压差调节器，控制旁通管上的二通阀，即改变旁通水量的方法来解决。这样虽然可以解决上面的矛盾。但是这种系统水泵的能耗没有因为需冷量的减少而降低，因此是不经济的。为了达到既变水量又节能的目的，可以采用二级泵系统，在这种系统中冷源侧采用定流量控制的一次泵，负荷侧增加了采用变流量控制的二次泵。当系统的需冷量减少，二通阀关小，用户侧供回水管压差增大时，降低二次泵的转速以维持用户侧供回水管压差的恒定，这样就达到了节能的目的。实践证明采用具有变频调速功能的二级泵变流量冷水系统具有显著的减少输送能的节能效果。

4、3 锅炉鼓引风机的节能运行

设计人员在确定锅炉鼓引风机的电动机功率时，由于有些系数的具体数值难以准确确定，往往会造成装机容量超过锅炉最大负荷时所需功率的情况，同时锅炉不可能总在满负荷下运行，随着室外温度的提高，供暖负荷会有相应的减少，为了适应负荷的变化就要减少燃料的供应量，同时减少鼓引风机的通风量。采用关小风阀的办法可以达到减少通风量的目的，但会增加系统的阻力和噪声，是不经济的调节方法。采用变频调速技术，根据锅炉的实际燃烧情况，通过控制器直接去调节鼓引风机的转速就可以达到调节风量又节能的要求。据有关锅炉鼓引风机改造工程的实际数据，一台14MW的热水采暖锅炉的鼓引风机年节电可达18万kWh。

4、4 采暖与空调水系统的恒压点控制

采暖与空调水系统的定压常采用高架开口水箱(膨胀水箱)的方法。但有时会遇到没有适当的架设位置的困难，这时常采用气压罐定压和补给水泵等方式，气压罐定压占地面积比较大，在锅炉房面积比较小的地方难以采用。补给水泵定压又可分为间歇补水定压和连续补水定压。间歇补水定压的定压点在上、下限压力之间波动，通常波动范围为0.05MPa左右，

波动范围过小，则接触开关频繁动作易于损坏。连续补水定压的工作原理如图12所示。它有两种工作方式，第一种利用自力式补水调节阀，当定压点6的压力过低时补水调节阀开大，增加进入网路的补水量，使压力上升到要求的压力，如压力过高，补水调节阀关小，减少进入网路的补水量，使压力下降到规定值。在这种工作方式下，水系统定压点的压力稳定，但补给水泵始终以50Hz的频率工作，是不经济的。第二种方式是把补给水泵改成变频调速控制，利用远传压力表测量到的定压点的实际压力值与预先设定的控制压力值在控制器中进行比较，根据其差别的大小调整控制器的输出，进而改变补给水泵运转的速度，达到恒定定压点的要求。因为补给水泵可以根据压力的不同情况在不同的频率下工作，所以可以节省补给水泵电动机的能耗。实际工作表明这种定压方式，控制精度高，定压点的压力值可以精确地控制在0.01MPa的范围内。

4、5 冷却塔风机的变速控制

冷却塔风机的作用是驱动空气与在冷凝器吸收了热量的冷却水强行进行热湿交换，以使冷却水降温后再返回冷凝器进行吸热。为使制冷设备在一定的负荷范围内稳定运行，必须使进入冷凝器的冷却水温度保持稳定。对于吸收式制冷机，冷却水温度过低将出现溶液结晶事故。对于大型封闭式离心机组，冷凝压力过低会引起电机冷却液流动不畅，可能造成电机局部过热甚至烧毁。冷却水温度过高则会降低制冷机效率。稳定冷却水温度可以采用调节运行台数或调节风机转速的方法，也可以采用利用三通阀调节通过冷却塔的水量与通过旁通水量比例的方法。利用三通阀调节旁通水量的方法，冷却水泵的输送能量并没有减少，如果把冷却水泵改成变频泵，因为流过冷凝器的水量一般情况下不能变化很大，所以变频的范围也受到了限制。较好的方法是采用变频调速技术去调节冷却塔风机转速，可以把冷却水温度控制在一个比较高的精度范围内，又可以节省风机的电耗。

4、6 变频空调器

一般的窗式空调器或分体式空调器，采用ON/OFF控制方式，这种控制方式室内温度和湿度会发生波动，影响人的舒适感。压缩机在启动时有很大的冲击电流，需要配置比连续运行时更大的电源容量，为了克服以上缺点，近几年出现了所谓的变频空调器，这种空调器中的控制器根据传感器得到的被控房间的温度值与预先给定的温度设定值比较，根据二者的偏差去控制变频器的频率输出，进而改变制冷压缩机的转速，达到调节被控房间温度的目的。使用变频空调可以达到以下效果：

(1)在轻负载时，压缩机在较低转速下工作，相对压缩机容量，蒸发器和冷凝器在相对比率较高的情况下工作，整体效率有所提高，因而可以节能。

(2)由于使用了变频技术，压缩机的开停次数减少，制冷系统的压力变化损耗减少。

(3)室内温度不再是一个波动值而是在设定值上下一个极小范围内变化。人的舒适度得到了改善。

(4)减少了电动机的启动电流，可以增加压缩机的使用寿命。日本大金公司生产一种所谓的VRV的变频控制空调系统，它分成室内机和室外机两部分。室内机中由蒸发器、风机组成。室外机由可变频的压缩机、冷凝器、冷凝风机和节流元件组成。两边通过制冷剂管路联接。一台室外机可以根据需要带数台至十几台室内机，它强大的自动控制系统可以根据系统配置的实际情况和被控点的温度情况及时地调整室外机中压缩机的转速及制冷剂的流量，使整个

系统协调一致高效地工作。该产品还有单冷型、热泵型和带热回收型几种型式。

变频调速技术在大型制冷机特别是离心式制冷机中也得到了很好的应用。如美国约克公司生产的离心式制冷机，使用了变频调速技术大大改善了制冷机的调节特性。

5 结论

变频调速技术是随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术发展起来的一门新兴的应用技术，具有控制性能好，运行效率高，体积小，操作方便的特点，特别是在泵与风机的控制方面有很好的节能效果。暖通空调系统耗能在整个建筑物耗能中所占的比例日益增大，其中泵与风机的流体输送能耗又占了很大比例，把变频调速技术应用于暖通空调系统，对减少建筑物的整体能耗，提高系统运行效率有很大的意义。同时，应用变频调速技术还可以改进自动控制系统的控制效果，可以提高被控环境的质量和生产工艺过程对温湿度的精度要求，从而提高产品质量，有很好的经济效益和社会效益。

第5篇：PLC 变频调速技术在泵站恒压供水中应用

0 引言

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：(1)维持水压恒定;(2)控制系统可手动/自动运行;(3)多台泵自动切换运行;(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒;(5)在线调整PID参数;(6)泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵 转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

1 系统硬件构成

系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。

安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20 mA的电流信号，提供给PLC与变频器。

变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止(DI

1、DI5)、模拟量给定(AI1)、实际值(AI2)、控制方式选择(DI2)、恒速(DI3)、允许运行(DI4);3个输出信号：模拟输出(频率)、继电器输出1(故障)、继电器输出2(运行);DIP开关选择输入0～10 V电压值或0～20 mA电流值(系统采用电流值)。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。

根据泵站供水实际情况与需求，利用一台变频器控制3台水泵，因此除改变水泵电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要投入下一台泵运行。反之，当变频器输出频率降至最小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX-4AD(4模拟量入)获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限(考虑到水泵电机在低速运行时危险，必须保证其频率不低于20Hz，因此频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz)进行比较，实现泵的切换与转速的变化。

系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。

2 系统软件设计

控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决 系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。

当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下限时，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，首先启动一号泵即可。但考虑3台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，因此必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。

为了防止故障的发生，软件上也必须设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时必须设置元件动作顺序及延时，防止误动作发生。

考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来消除干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63%的变化发生在所定义的时间常数中;软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法[2>。

计算最近10次采样的平均值，其计算公式如下：

3 系统参数的确定

系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。

除基本参数外，还必须对完整参数进行设定。

完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。控制表达式为：

变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态[

3、4>。

4 试验结果

由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，因此泵站出水口压力必须维持5kg。试验条件为管网初始无压 力，电磁阀控制一定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线[5>。

试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重，见图5。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在;当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。

该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定和安全性，在长时间运行中取得了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中。

第6篇：现代交流调速技术及其在除尘电机调速中的应用

康玉龙

(河北钢铁集团宣钢公司焦化厂 075100)

摘要：本文以现代交流调速技术的应用领域及发展趋势为背景，介绍中压交-直-交电压型H桥级联变频器的工作原理、控制方式和技术优缺点，并通过宣钢焦化厂除尘电机变频与液力耦合器不同调速方式下的对比分析，指出变频调速在高压大功率风机上使用的优越性能和良好的节能效果。

关键词：交流调速 中压H桥级联变频器 除尘风机 干法熄焦 节能

0前言

电力电子技术的发展产生了采用半导体开关器件的交流调速系统，随着对大规模集成电路和计算机控制技术的研究，以及现代控制理论的应用，促进了各种类型的交流调速技术的飞速发展，如串联调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统及矢量控制调速和直接转矩调速系统等。其中变频器作为较为成熟的高科技调速产品，其性能稳定、操作调节方便、自动化程度高、节能效果明显等优点，已普及国民经济各部门的传动领域，得到了广泛的推广应用。

1交流调速技术概况

1.1应用领域

1.1.1通用机械的节能调速

通用机械指风机、泵、压缩机等，量大而广，应用于各行各业。此类机械由交流电动机驱动，经调速改造，替代原有挡板及阀门调节，使其风量、流量可实现连续平滑和快速精确控制，优化了工艺控制过程，有助于提高产品的质量和产量。

1.1.2工艺调速

由于机械设备的工艺需要，要求驱动电动机必须调速运行的传动系统，如金属加工、造纸、提升等机械的传动系统。 1.1.3牵引调速

各种电动机车及船舶等运输机械的电驱动系统，要求在运行中及时调速，属于工艺调速范畴，但有许多不同于一般机械的特殊要求，如供电电源、设备尺寸、散热及防护要求等，正由于牵引机械对设备尺寸、防护严格要求及交流较直流调速的优势，交流牵引调速取得更快发展。 1.1.4特殊调速

某些应用场合为满足用户对调速特殊要求的调速系统，如转速6000r/min以上的高速系统，调速范围1:50000至1:100000的极宽调速系统，只有采用特殊的永磁交流电动机才能实现。 1.2调速用电力电子装置

交流调速用电力电子装置有交流调压装置和变频装置两大类。现有交流调压装置仅晶闸管交流调压器一种，变频装置有交-直-交间接变频器和交-交直接变频器两种，其中交-直-交间接变频器又分为电压型和电流型型两种，电压型储能元件为电容，在控制规律不变而负载变化时输出电压基本不变，电流型储能元件为电感，在控制规律不变而负载变化时输出电流基本不变。 1.3发展趋势

1.3.1电力电子器件与材料的更新

在提高现有电力电子开关器件的同时，研发新型大容量电力电子器件，通过降低MOSFET通态电阻，提高电压;研制集成电力电子模块(简称IPEM)实现标准化、模块化、高效率、低成本、低污染、可编程;采用新型半导体材料碳化硅(SiC)，其工作温度可达600℃，PN结耐压可达5000KV以上，导通电阻小，导热性能好，漏电流特别小。 1.3.2控制策略和手段研究

在以矢量控制和直接转矩控制技术为中心的控制理论不断完善的研究中，开辟了自适应和滑膜变结构控制、模糊控制、神经网络控制、无速度传感器控制系统等。

2中压交-直-交电压型H桥级联变频器

随着交流调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛的应用并取得了良好的效果，其中电压型H桥级联变频器由于其电压畸变率小、功率因数高、逆变模块技术要求低、技术成熟、运行效果好等特点，得到了广泛的应用。 2.1工作原理

电压型H桥级联变频器中每一项都由多个H桥功率单元串联而成，串联数取决于变频器输出电压等级，每个H桥由4个IGBT构成，并用独立彼此隔离的整流电源供电。

图一 H桥级联变频器和H级功率单元

2.2控制方式

H桥级联变频器的输出电压电平数多，通常采用三角载波比较法实现PWM(脉宽调制)，通过给定频率的等腰三角载波与给定频率的正弦调制波相比较，以二者交点确定功率单元中逆变器的开关时刻，使脉冲宽度按正弦规律变化，输出频率等于且幅值正比于指定调制电压的基波成分。 2.3特点及问题

此类H桥级联变频器使用1200V或1700V低压IGBT不需均压措施，且输出电压电平数多，电压畸变率小，电压波形每次跳变幅值小，无需输出滤波器，同时输入整流桥数多，通过输入变压器二次绕组移相，进线交流电流谐波小，功率因数高。

但是由于H桥级联数多，主电路复杂，储能电解电容技术要求高，可靠性受一定影响;整流电源数多，电机制动再生能量吸收或回馈技术实现难度大、成本高。

3除尘高压风机中的应用

除尘风机作为焦化行业环保除尘环节中重要设备，其运行状态将直接影响烟尘回收处理效果。现以河北钢铁集团宣钢公司焦化厂1#、2#干熄焦地面除尘风机调速方式为例，对比分析变频和液力耦合调速方式下的风机运行技术特点。 3.1工艺概况

干法熄焦过程中会产生大量焦灰尘和有害物，这些有害物不仅对现场操作人员造成危害，而且将对环境造成严重污染，为消除生产过程中产生的粉尘，由除尘风机负压收集各收尘点含尘气体经管道送至脉冲布袋除尘站，净化后排放至大气。根据宣钢焦化厂干熄焦除尘工艺所需除尘风量，综合考虑系统漏风等因素，选用10KV 800KW单吸入离心式除尘风机。

其中1#干熄焦2010年投产，设计初期，由于考虑高压变频器投资高、技术不够成熟、市场应用不普及等多方面因素，该项目除尘风机设计为液力耦合调速方式;随着电力电子技术的高速发展，高压变频基本成熟，其性能稳定、控制操作方便，节能明显等优点得到普遍认可，2#干熄焦除尘风机2014年设计采用高压变频调速方式，装焦时高速运行，非装焦时低速运行。 3.2二者调速性能比较 3.2.1调速效率

液力耦合器是装于电动机轴和负载轴之间的机械无极调速装置，利用油和两个互不接触的金属叶轮的摩擦力传导转矩，带动负载转动，可通过调节油压改变输出转矩，实现调速。当忽略轴承、鼓风损失和工作液体容积损失及摩擦力矩损失等，其调速效率近似为：nT=i;式中i为液力耦合器转速比，因此转速比nB减小调速效率降低，同时作为一种低效调速方法，其转差能量转换为油的热能儿消耗掉，当小于0.4时工作油升温加快，给设备运行带来不稳定状况。

而变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，仅控制电路本身需消耗很少一部分能量，因此可在全转速范围内保持较高的效率运行。 3.2.2启动性能

液力耦合器不能直接改善启动性能，启动电流仍达到电机额定电流的5至7倍，而变频启动可实现软启动，启动电流小，且启动全过程可控，启动点和爬坡时间可设置，可避免启动电流对电网和电动机的冲击。 3.2.3运行维护

结合焦化厂1#干熄焦除尘风机调速设备运行情况来看，液力耦合器机械结构和管路系统复杂，日常维护工作量大，且在故障下无法定速运行，必须停机检修;而2#干熄焦除尘风机H桥级联变频调速装置虽电子线路复杂，但技术成熟，尤其是单元自动切换和冗余运行特性，可在单元故障下实现不停机连续运行，运行可靠性较高，且其检修维护只需定期更换进风滤网。 3.2.4调节控制特性

液力耦合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢(需30秒左右)，速度调节精度较低，在干熄焦装焦过程期间灰尘负压回收能力不能及时跟上，影响烟尘回收效果;而变频调速属于数字式控制，频率改变速度快，稳频精度高，可实现精准控制，提高了装焦过程期间烟尘回收率。 3.3节能经济效益分析

由于液力耦合器液力效率、转差消耗及变频器自身能量消耗的存在，其二者均存在额外的功率损耗，但变频调速运行效率随输出转速降低变化不大，而液力耦合器效率基本呈正比降低，且综合轴功率随转速呈三次方比例下降，节能和运行效率均不及变频调速。

下面在忽略液力耦合器辅机(冷油器、油泵等)所消耗功率和设备自身消耗等的理想状态下，对比1#、2#干熄焦除尘风机调速耗能情况：

1#干熄焦除尘风机为24小时工作，电机输入电流平均约为50A，年运行时间为300天，其全年用电量为：

F13UIcosHD1.732105024300=6235200kWh

2#干熄焦除尘风机为24小时工作，高速运行时，电机输入电流平均约为50A，低速运行时，电机输入电流平均约为30A，按每15min装焦一次，装焦时间5min，即每天高速运行时间为8小时，低速运行运行时间为16小时，年运行时间为300天，其全年用电量为：

F213UIcosHD1.73210508300=2078400kWh F223UIcosHD1.732103016300=2494080kWh F2F21F224572480kWh 综上可得：

全年节电量为FF1-F26235200-4572480=1662720kWh 节电率为=F166272027% F162352004结束语

通过中压交-直-交电压型H桥级联变频器与液力耦合器运行节能效果的对比分析，不难发现其在运行效率、启动性能、运行维护等方面有着突出的优势，且随着电力电子技术和控制理论的不断进步，会有更高性能的设备应用到国民经济的电气传动领域。

参考文献：

[1]电气传动自动化技术手册(第二版).机械工业出版社，2005. [2]姚绪梁，现代交流调速技术.哈尔滨工程大学出版社，2009. [2]钢铁企业电力设计手册.冶金工业出版社，1996.

第7篇：变频器及PLC控制技术在恒压供水系统中的应用

1引言

供水系统在各行各业的生产和生活中都起着至关重要的作用。如何保证供水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都很关注的问题。把先进的PLC控制技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。

在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全隐患。因此，在一些用水量变化大、水压控制高且流量完全由用户确定的供水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。

图1变频恒压供水系统原理图

2变频恒压供水工作原理

变频恒压供水就是变频调速技术在供水中的应用，其采用PID调节技术，使供水压力恒定在一个设定范围，其具有恒水压力波动小，节能效果明显。实验中采用循环软启方式。

它的工作原理是：当变频泵运行到工频50Hz时，此时的实际供水压力若还没有达到设定的供水压力，不是直接启动另外一台水泵，而是将当前以变频运行的水泵直接切换到工频方式运行，而以变频方式启动另外一台水泵，以达到维持系统压力的目的。在切换水泵时，按照先启先停的方式进行。这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到。变频恒压供水系统的原理图，如图1所示。

从图1可以看出，在系统运行过程中，将供水管网实际压力与设定压力比较，将得到的压力差经过PID控制器计算与转换，得到变频器输出频率的变化值后，调节水泵机组的运行方式和运行速度，最终使实际供水压力与设定压力值相等。

图2 系统结构框图

3 系统硬件设计

变频恒压供水系统结构原理图[1][2]如图2所示。系统由水箱、管路、阀门和水泵机组、电气操作系统和各种传感器、仪表等组成。电气操作系统由PLC(德国SIEMENS公司的S7-200型)、变频器(MM440)、小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源、小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成;传感器和仪表包括温度传感器、压力传感器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等。

在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。变频器[3]是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力[4]，实现恒压供水的要求。PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行PID运算，然后将计算值输出变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电机转速的调节，改变管内压力值。

根据控制要求[5]，水泵机组由四台水泵组成。第一台水泵变压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵第四台水泵启动。停泵时先停第一台工频泵，再停第二台工频先开先停。

图3 主程序流程图

4 系统软件设计 4.1程序模块设计

软件系统设计基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7 Micro WIN，采用模块化设计方法，主程序的流程图如图3所示。

除主程序的流程以外，程序模块设计还涉及到定时器T0初始化程序、中断服务程序、故障报警子程序等相应的模块。

4.2组态软件

本系统我们采用WINCC组态软件[6]。WINCC是一个工控系统中的一个电脑控制组态软件，它他可以和PLC通讯，可以点击组态中的按钮来操作一些设备的运行或停止;PLC是可编程控制器[7]，可以利用自己的程序来控制一些设备的运行顺序和状态，是工业中必不可少的一种控制方式。

因组态软件不能直接读取AIW通道中的数据，所以运用STEP7中的传送指令，将AIW通道中的数据传送到变量存储区中，以便组态软件从中读取数据。

4.3WINCC与S7-200PLC的通信

WINCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和PROFIBUS两种协议之一进行。通过PROFIBUS协议进行WINCC与S7-200系列PLC通信的实现,需要以下几点： (1)软硬件要求

PC机，Windows98操作系统;S7-200系列PLC;CP5412板卡或者其他同类板卡，如：CP5613，CP5611;EM277 Profibus DP模块;Profibus电缆及接头;安装CP5412板卡的驱动;安装WINCC 4.0或以上版本;安装COM Profibus软件。 (2)组态

首先，打开SIMATIC NETCOM Profibus，重新建立一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277 Profibus-DP。 (3)设置PG/PC interface 在设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。 (4)WINCC的设置

在WINCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUS DP.CHN，设定参数。 (5)建立变量

WINCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WINCC从S7-200系列PLC读入数据，Out表示WINCC向S7-200系列PLC写出数据。In和Out与数据存储区V区对应。 (6)优缺点

优点：该方法数据传输速度快，易扩展，实时性好;

缺点：传送数据区域有限(最大64字节)，在PLC中也必须进行相应的处理，且硬件成本高，需要Profibus总线等硬件，还需要Com Profibus软件。

应用场合：适用于要求高速数据通信和实时性要求高的系统。

图4 系统实时监测界面

5系统运行实时监测界面 图4为系统实时监测界面。

6结束语

文中介绍的新型供水方式不论在设备的投资运行的经济性，还是系统的稳定性和可靠性，自动化程序等方面，都是具有无法替代的优势，而且具有显著的节能效果。目前，该系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展，而追求高度智能化、系列化、标准化将成为必然趋势。

于平

第8篇：变频调速在天车的应用分析

PLC-变频器在桥式起重机中的应用分析

引言

随着电力电子技术的发展，PLC、变频器等自动化产品在电力拖动领域得到了广泛应用。起重机械采用PLC-变频器调速逐渐得到推广和普及， PLC程序控制取代传统的继电-接触器控制逐渐成为起重机械电气控制的主流;用变频电动机或异步电动机取代绕线电机，再配合先进的现场总线技术和人机界面系统，提高了设备控制精度和稳定性，降低了故障率，且节能效果显著，易于检修维护，成为提高企业生产效率的好途径。

1 起重机械的组成及负载特点

起重机械最基本的工作机构有以下四种：即起升机构、小车机构、大车机构。起升机构是主要功能机构，其正反转工作变换比较频繁，每次的起吊重量差别比较大，且具有恒转矩负载的特点。起重机械的起升机构由电动机、减速器、卷筒等部分组成，其作用可将原动机的旋转运动转变为吊钩的垂直升降运动，实现吊具垂直升降的目的功能不可缺少的部分。

由于重物在空中具有位能，重物上升时，是电动机克服各种阻力(包括重物的重力、摩擦阻力等)而做功，属于阻力负载;重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力(位能)，因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。

为使重物在空中停止在某一位置，在起升机构中还必须设置制动器和停止器等控制部件。为了适应不同吊重对作业速度的不同要求，起升速度应能调节，并具有良好的微动控制性能。微动速度一般在0.25～0.4m/min范围。

通过对起升机构分析不难发现，其工作中的主要有三种转矩：

(1)电动机的转矩TM，即由电动机产生的转矩是主动转矩，其方向可正可负;

(2)重力转矩TG，即由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的复合重量G与卷筒半径r的乘积：

TG=G·r (1)

TG的方向永远是向下的。

(3)摩擦转矩T0，即由于减速机构的传动比较大，减速机构的摩擦转矩(包括其他损失转矩)不可忽视。摩擦转矩的特点是，其方向永远与运动方向相反。

2 变频调速的基本原理与电动机的机械特性 2.1 变频调速的基本原理

一般三相异步电动机调速方法有：(1)改变磁极对数p来改变电机转速，所得到的转速只能是3000、1500、1000…，为有级调速;(2)改变转差率s调速，常用的方法是改变定子电压调速和滑差电机调速，该方法转子损耗较大，效率低;(3)改变定子电源频率f1，其调速属于改变同步转速n1调速，由于没有人为的改变s，转子中不产生附加的转差功率损耗，所以效率高。其是一种较为理想的调速方法，但变频调速需要较复杂的控制电路组成。

三相异步电动机同步转速为 (2)

式中，p——磁极对数;

f1——定子电流频率，即电源的频率，f1=50Hz;

s——转差率，即同步转速与转子转速二者之差与同步转速的比值。

由于交流电的频率，T为交流电的周期。变频调速就是改变逆变器输出交流电压的周期，就可以改变交流

电压的频率f。所谓改变周期，实际上是在控制电路上采用晶闸管，通过改变晶闸管的导通时间，实现交流电周期的改变。导通时间越短，输出交流电压周期越短，频率越高。即从控制上，用改变晶闸管门极驱动信号的频率控制逆变器输出电压的频率f1，从而实现电动机工作速度的调节。 2.2 电动机变频调速的机械特性

起重机械各部分的拖动系统，一般都需要调速，在变频调速问世之前，已经发明了多种调速方法，获得了广泛的应用。例如：增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等等。比较常见的是采用绕线转子异步电动机，调速方法是通过滑环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控制了转速。

n = n0 - k ( Ra + Ri ) T (3) 式中，n——电动机的输出转速;

n0 ——电动机理想空载转速;

k——比例系数;

Ra——电枢电阻;

Ri——回路内串电阻;

T ——电枢电流切割磁力线所产生的电磁转矩。

从图2不难发现，由于回路内串电阻的存在，其电动机的机械特性变软，输出速度降低;而机械特性越软，电动机的负载能力越差。

电动机采用变频调速，一方面可以实现节能，另一方面可以保持较硬的机械特性，负载能力较好。下面就起升过程中的电动机工作状态说明变频调速对机械特性的影响情况。

(1)重物起吊上升时，其旋转方向与电枢电流产生的转矩方向相同，即电动机受正向转矩作用，其机械特性在第1象限，如图3中之曲线①和所示，工作点为A点，转速为n1;

当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线②了，工作点由A点跳变至A’点，进入第二象限，其转矩变为反方向的制动转矩，使转速短时下降，并重新进入第一象限，至B点时，又处于稳定运行状态，B点便是频率降低后的新的工作点，这时，转速已降为n2。

(2)空钩(包括轻载)下降时，吊钩自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现。此时电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第三象限，如图4中之曲线③，工作点为C点，转速为n3;

当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线④、工作点由C点跳变至C’点，进入第四象限，其转矩变为正方向，以阻止吊钩下降，所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并重新进入第三象限，至D点时，又处于稳定运行状态，D点便是频率降低后的新的工作点，这时，转速为n4。

(3)重载下降时，重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转方向是反转(下降)的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其机械特性如图5的曲线⑤所示，工作点为E点，转速为n5。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速、达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。

2.3 电动机变频调速与原拖动系统调速的机械特性比较

(1)重物上升时，两种调速方式其机械特性都在第一象限，如图6所示，曲线①表示变频调速时的机械特性，转速为nl。曲线②表示通过转子电路串入电阻来实现调速时的机械特性，即电压调速。从两条曲线可以看出，工作点由A点对应A’点，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时，电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速为降n2，负载能力相对于变频调速变化明显。

(2)轻载下降时两种调速方式其工作特点与重物上升时相同，只是转矩和转速都是负的，机械特性在第三象限，如图6的曲线③和曲线④所示。

(3)重载下降时，原拖动系统的电动机从接法上说，是正方向的，产生的转矩也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如曲线⑤所示。这时，电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，如图中E点所示，这时，转速为n5。这种工作状态的特点是：电动机的转矩是正的、却被重物“倒拉”着反转。解决这种现象的途径只能是选择较大的功率，这无形便增加了设备成本。

与变频调速方式(如图5所示)相比较，在重载下降时，两种调速方法的工作点都在第四象限，但电动机的工作状态是不同的。

3 采用变频调速需要注意的问题

(1)重物起吊时起动转矩Ts较大，通常在额定转矩 TN的150%以上。考虑到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素，一般情况下，起动转矩 Ts应按照额定转矩TN的150%～180%来进行选择：

Ts = ( 150% ~ 180 % ) TN (4)

(2)起升机构工作过程中，在重物刚离开泊位上升的瞬间以及在重物刚到达新泊位下降的瞬间，负载转矩的变化是十分激烈的，应引起注意。

(3)起升装置在调整缆绳松弛度时，以及移动装置在进行定位控制时，都需要点动运行，应充分注意点动时的工作特性。

(4)在重物开始升降或停止时，要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要一定的时间(约6s)，而电动机转矩的产生或消失是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因此，两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电，而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载;反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。

4 起重机械变频调速采取的措施

4.1 选择合适的变频器容量

在起重机械中，因为升、降速时的电流较大，应求出对应于最大起动转矩和升降速转矩的电动机电流。

通常，起重机械用变频器容量按以下步骤求出：

(1)恒定负荷上升时的电动机容量PMN (kW) (5)

式中，GN——额定重量(kg)，具体计算时，应考虑须有125%的过载能力;

v——额定线速度(m/min)：

η——机械效率。

(2)变频器容量

变频器的额定电流可由下式求出：

变频器额定电流>电动机额定电流× (6) 式中，k1——所需最大转矩÷电动机额定转矩;

k2——1.5(变频器的过载能力);

k3——1.1(余量)。 4.2 溜钩的预防措施

起升机构中，由于重物具有重力的原因，如没有专门的制动装置，重物在空中是停不住的。为此，电动机轴上必须加装制动器，常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。多数制动器都采用常闭式的，即：线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住，线圈通电时松开。

为了有效地防止溜钩，某些新型变频器设置了一些独特的制动功能，如：

(1)零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，电动机的转矩也能达到额定转矩的150%。这就保证了吊钩由升、降速状态降为零速时，电动机能够使重物在空中暂时停住，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。

(2)直流强励磁功能变频器可以在起动之前和停止时，自动进行强直流励磁。使电动机有足够大的转矩(可达额定转矩的200%)，维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放和抱住过程中不会溜钩。

4.3 变频调速系统的控制

起重机械拖动系统的控制动作包括：吊钩的升降及速度档次、变幅功能等，都可以通过可编程序控制器(PLC)进行无触点控制。

5 结 语

异步电动机变频调速的电源是一种能调压的变频装置，应用时常采用由晶闸管元件或自关断的功率晶体管器件组成的变频器。除起重机械外，变频调速已经在许多领域内获得广泛应用。可以预见，随着生产技术水平的不断提高，变频调速必将获得更大的发展。

参考文献

1.王进. 施工机械概论.北京:人民交通出版社,2002

2.李发海，王岩. 电机与拖动基础(第二版).北京:清华大学出版社,2001

3.陈洪礼. 交流电动机的近代调速系统.内蒙古:内蒙古大学出版社,1992

4.郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社,2002

第9篇：变频调速在天车上的应用研究

[摘要]文章论述变频调速的原理、变频调速的优点和ABB调压装置的不足，并对变频调速取代转子串电阻调速的理论依据进行可行性分析。

[关键词]变频调速;变频器;恒转矩;天车

[作者简介]常海吉，安钢第一炼轧厂电气助理工程师，河南安阳，455004;杜奇超，安钢第一炼轧厂电气工程师，河南安阳，455004

[中图分类号] TH16 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723(2007)09-0047-0001

目前，天车的调速是通过绕线异步电动机转子串电阻来实现，即不同的转子电阻，理想空载转速n1(同步转速)不变，电动机的最大转矩也不变，但临界转差率Sm却随着转子电阻的增大而增大，从而实现调速。这种调速控制简单，容易实现，投资少。但低速时损耗大，不能平滑调速。变频调速是取代接触器及电阻箱的模块化调速，具有故障自诊断功能，响应速度快，调速平滑，是一种比较理想的调速方法。

一、变频调速原理

异步电动机的转速 n=60f(1-s)/p

其中：f――电源频率

S――转差率

P――电机极对数

可以看出，改变频率f可以改变转速n。

对异步电动机而言，电动机定子回路的电压平衡方程式为：

U≈E1=4.44fw1φmkw1∝fφm

其中：U――定子电压

E1――定子电势

w1――定子绕组每相串联匝数

φm――气隙主磁通

kw1――定子绕组的绕组系数

变频调速在改变f的同时，要求改变定子电压U，以保持气隙主磁通φm不变，从而保持电动机的过载能力不变;否则，将引起气隙主磁通的变化，当气隙主磁通增加时，会引起电动机磁路过分饱和，定子电流会急剧增加，影响电动机的负载能力。变频调速的理论依据正是在保证电动机的过载能力不变情况下，依据不同的负载，对f和U按一定的比例调节。天车中的负载是恒转矩负载，负载转矩与U和f的比值成正比关系，当f增加时，U增加，电磁转矩大于负载转矩，电动机加速运行;否则，电动机减速运行，当U和f的比值不变时，电磁转矩等于负载转矩，电动机匀速运行。

二、天车运行分析

以安钢第一炼轧厂200T天车主起升为例，采用ABB定子调压和转子串电阻相结合方式进行速度调节，电动机启动时低电压全电阻控制，低电压由ABB调压装置提供，启动后由ABB调压装置和转子切换电阻共同控制电动机速度，属于有级调节;运行中，通过对测速发电机信号的检测完成对电动机的失速控制。

系统提供对ABB调压装置限流保护的熔断器以及检测主回路缺相或断线的电压监测继电器。该控制方式的不足：(1)ABB调压装置属于可控硅调压调速，过载能力低，控制有死区，且不能单独完成调速过程，保护速度响应慢(需要经过测速发电机的反馈)。(2)转子串电阻回路没有保护与检测，当回路出现短路、断路、接地时，容易损坏电机。电阻切换是有级切换，速度调节不平滑，电流常发生突变，容易损坏转子滑环、炭刷和电器控制元件。

三、改造方法及优点

采用变频调速恒转矩控制方式，取代ABB调压装置，将转子短接，失速控制可以由转子上的失速开关直接控制。控制中，只对相关参数进行设置或修改，就能获得需要的速度。采用变频调速具有以下优点：(1)控制线路简单，调速平滑。(2)有故障自诊断功能，内部设置有过电压、过电流、短路、接地等保护，保证运行的可靠性。(3)控制元件采用IGBT，过载能力高、速度响应快。

总之，变频调速是一种先进的控制方式，其采用的IGBT具有通态压降小、断态阻抗大、开关频率高等优点，使得变频调速在高速传动中具有无可比拟的优势。