变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用研究

林泽武

摘 要：随着半导体技术的发展，变频调速技术逐渐深入生产和生活的每个角落，对人们的生活产生了深远影响，大到数控机床小到冰箱电视，我们都能发现变频调速技术的身影，其大大提高了电气设备运转的效率。本文主要介绍该技术的相关概念以及以数控机床为例，分析其在电气自动化控制中的应用。

关键词：变频调速技术；工业电气自动化控制；应用研究

众所周知，传统的电气自动化控制技术的运行需要耗费大量的能源，不仅不符合当前国家对节能减排的要求，也会增加企业的生产成本，对企业发展而言是一种负担。为此，企业技术人员急，需寻找一种更为先进环保的技术，并将其应用于电气自动化控制中。当前，随着半导体技术的不断创新，变频调速技术作为一种新兴技术已经成功在工业生产的各行各业得到广泛使用，在实现节能降耗、改善控制性能的同时也提高了产品的产量和质量。

1 变频调速技术概述

1.1 变频调速技术的发展历史

变频调速技术从理论到使用推广经历了40年的时间，在这期间，电子器件的发展促进了这一过程的实现。在20世纪70年代，发达国家为了缓解石油危机，投入大量的人力、物力和财力去研究更加高效的变频器，使变频调速技术得到进一步推广。到今天，依托于电子计算技术和微电子技术的变频调速技术以优越的性能被各行各业所采用，实现了电气自动化控制领域的节能减排，提高了生产效率。

1.2 变频调速技术基本原理及组成

变频调速技术的基本原理为利用电机转速与工作电源输入频率成正比的关系n=60f（1-s）/p，其中n为转速，s为电机转差率，f为输入频率，p为电机磁极对数，改变电动机的工作频率从而达到控制电机转速的目的。

变频调速技术的关键部件主要有3部分：自适应电动机模型单元、脉冲优化选择器、转矩和磁通比较器。（1）自适应电动机模式单元主要的功能是检测输入电动机的电压、电流的性质，从而识别电动机的参数，它是直接转矩控制的关键单元，以定子磁场定向方式帮助实现对转矩的直接控制，该技术能够实现正负0.1%的速度控制精度。（2）脉冲优化选择器的主要功能是优化选择在一定范围内的脉冲信号，功能的实现首先需要选择合适的信息处理选择芯片，当前在电气自动化控制行业中常用的型号为Cyclone ⅡEP2C5Q209C8；其次需要设计调制方式的信号源并编写能够实现不同功能的电路模块，例如能够实现星座映射、缓冲功能的模块；最后，通过信号源进行仿真模拟判断编写的电路模块是否能够实现既定的功能。影响脉冲优化选择器性能的重要因素是电解电容器的容量具有很大的离散型，导致部件承受的电压出现偏差，为此需要对电容进行改进，可以在电容器旁并聯一个与电容器阻值相同的电阻，同时为了防止电路被烧毁，还可以增加抑制浪涌电流的措施。（3）转矩和磁通比较器的主要功能为每隔20s将反馈值与参考值进行比较，而后通过滞环调节器输出转矩或磁场状态，为工作人员后续的工作提供参考。

1.3 变频调速技术的特点

变频调速技术中应用了交流电机，克服了直流电机的缺点，使得结构更加简单，同时更为坚固耐用、经济可靠，对动态数据的响应效果好。变频调速技术的调速性能优良、节电效果好，是一种有巨大发展前景的交流调速方式。根据调节电流的类型可以将变频装置分有两类：交—直—交系统和交—交系统，其中交—直—交系统又分为电压型和电流型，其中电压型交—直—交系统在工业中的应用最为广泛。该技术在设计时，选用了最小化的硅区，在完成复杂运算的同时使占用的体积最小。

2 变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用

2.1 在数控机床中的应用方式

在现代工业中，机床的作用是加工复杂的零部件，完成高精度部件的批量生产，而普通机床效率低下无法满足需要，因此现在常使用数控机床进行操作。数控机床一般采用电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机带动，由于数控机床加工的范围广，需要完成不同的工序、完成对不同材料的切割作业，要求机床能够执行不同的运动速度，对主运动进行调速。

使用传统控制技术的数控机床需要耗费大量的电能，企业为了节约成本、节能减排的需要应当对其进行改造，例如，某数控机床的标称功率为15kW，n为2000r/min，企业曾尝试使用工频电机，但是这种电流恒为50Hz的交流电机所取得的效果并不明显，特别是由于该技术可供选择的齿轮主轴速度的范围过大，很难实现精准控制，使节能与提高效率无法兼得。基于此，技术人员决定使用变频调速技术，使用变频器作为驱动部件，调节数控机床的主速度。该技术的优势在于可供选择的齿轮主轴速度的范围小，能够精确控制转速，同时系统更加稳定，不需要对离合器进行定期维护，最高转速受到的限制小，能够满足不同转速的需求，提高切割不同材料的效率和品质。

2.2 在数控机床中的应用效果

在采用变频调速技术后，数控机床的主轴速度得到有效控制，主驱动电机通过皮带传动带动主轴旋转或通过减速齿轮带动主轴扭转，使主轴能够获得精确的转矩，速度稳定精度高，运行平顺，从而满足不同切割条件下的速度要求，能够进行复杂、不规则形状的高深度和高强度的削切，在低频情况下也能满足大转矩输出，优化了调速范围、速度精度、机床结构，大大提高了生产的效率和品质，同时抗干扰能力强，通过严格的CNC综合测试，不会对其他系统造成干扰，降低能耗和故障发生率，提高了机床的可靠性和操作的简便性。

3 结束语

综上所述，基于计算机技术及微电子技术的变频调速技术作为一种新兴技术，其卓越的节能优势和精准控制的特点使得它在越来越多的行业得到应用。当前，制造业仍为我国经济发展的支柱产业，提高制造业的生产效率，降低能耗成为无法回避的任务，为此，技术人员必须将变频调速技术引入到工业生产中来，将其应用到不仅限于数控机床的其他电气自动化控制中去，不断提高企业的生产效益。

参考文献

[1]鲍杰.变频调速技术及其在工业电气自动化控制中的应用探析[J].科技与企业，2015，（3）：93.