交流变频调速技术及其应用研究

梁国雄

（中石化中原石油工程有限公司钻井三公司，河南兰考 475300）

在全球范围内我国作为一个电力能源生产大国，同时也是一个高耗能国家，对于高质量电力生产使用均提出了较高的需求。社会电力能源紧缺会严重制约到市场经济建设稳定持续的发展，影响社会民众的良好生活品质。因此，国家政府部门大力提倡创新研究发展应用各项节能技术。交流变频调速技术的实践应用实现了对电能的高效合理运用，最大程度降低 能源消耗，并且促进工业生产效率的大幅度提升。

1 交流变频调速技术应用工作原理与特点

伴随着我国现代计算机信息技术、电力电子技术以及自动化控制技术的不断创新完善发展，交流变频调速技术应用研究已经进入了一个崭新时代，在市场上以工频交流电为主的用电场合将会有着极为广阔的应用发展前景。交流变频调速是基于优化调整电机定子绕组供电频率实现调速目的。在市场上广泛应用的三相交流异步电动机结构如图1所示，其中定子的构成部分包括铁心和绕组，转子绕组做成笼型，被人们称之为鼠笼型电动机。当三相交流电经过异步电动机中的定子绕组时，就会在定子与转子之间空气隙内生成一个旋转磁场，该磁场会使转子绕组发生相对运用，并促使转子绕组产生感应电势，这样一来就会形成感应电流。基于电流与旋转磁场的相互作用下，能够有效产生电磁转矩，致使三相交流异步电动机成功运行转动起来。通过改变输入电源的实际频率，可以实现优化调整三相交流异步电动机的同步转速，这样就能够达到异步电机调速的工作目的，帮助企业节省更多的电力能源。

图1 三相交流异步电动机结构

交流变频调速的特点主要如下。

（1）交流变频调速具有较高的工作效率，并且能够保持良好的平滑性。在低速运行状态时，特性静差率较高，相对稳定性较好。

（2）交流变频调速范围较大，并且具备较高的精度。

（3）交流变频调速启动电流低，不会对运行系统和电网造成冲击，能够节省更多的能源，避免不必要的电能资源消耗浪费。

（4）交流变频调速能够实现系统运行过程的自动化，并且变频器方便安全调试，易于进行后期的维修管理。

2 交流变频调速技术的优势

交流变频调速系统与直流调速系统相比区别较为明显。直流调速系统中，鉴于直流电动机装设了电刷与整流子，所以需要对其进行检查，因此对电机安装环境要求较高，如严禁在有易爆气体与粉尘含量较大的环境中使用。这一情况也限制了电机朝向高转速、大容量的方向发展。而交流变频技术则不存在上述问题。两者对比情况如下：①相较而言，交流电机单机的容量远远大于直流电机的单机容量，能够达到更高的电压和转速；②直流电机会受到换向限制，电枢电压最高约为1 kV，而交流电机则可达到6～10 kV；③直流电机体积、重量都相对较大，不够便携；④交流调速技术可大程度节约能源，获得较为理想的节电效益。如轻载时可以对电机转速进行精准调控，以得到节约能源的目的。常用的风机、水泵、压缩机等设备，如使用变频调速技术不仅能有效提升其工作效率，同时还能够减少电能消耗。

综合上文所述，交流变频调速的优势主要表现在以下几个方面：①在调速过程中较为平滑，工作效率较高。低速工作状态中，特性静关率相对更高，更加稳定。②交流变频调速技术的调速范围更广，能够适应不同的调速需求，且调速时精度更高。③交流变频调速启动时电流较低，不会对系统与电网产生较大冲击，能够节约电能，节约成本。④交流变频调速的变频器体积较小，更加便携，安装难度较低，容易调试，后期维修维护便捷。⑤应用交流变频调速技术更易于实现过程自动化，能够减少人工投入与资源投入。

3 交流变频调速技术应用目的及效益

（1）降低电能消耗。交流变频调速技术实践应用最为显著的优势特征就是其能够帮助企业节约更多电力能源。在市面上各种泵类与风机机械在加工生产中的应用特点是量大、耗电多，而在该类机械设备生产推广应用中选择应用电动机变频调速，能够有效打破以往直接采用挡板或者阀门调节风量流量的弊端，杜绝造成更多不必要的电能损耗。交流变频调速技术在工业机械设备的实践应用中，能够帮助企业降低整体电能损耗，节省更多的经营管理成本。

（2）提升企业生产效率。在现代工业生产活动中，通过科学规范使用交流变频调速技术能够全面提升企业生产效率。比如，基于交流变频调速技术的实践应用下，能够充分保障加工生产工艺中的最佳运行转速；合理选择能够适应负载不同工况的最佳转速；在低速运行状态下能够完成高精度的准确停车，这样不仅能够缩短生产过程中间歇时间，提高工作效率，还可以杜绝发生安全生产事故。

（3）提高企业产品生产加工质量。通过将交流变频调速技术应用在各项加工机械生产设备中，能够保障加工机械设备在运行过程中选择加工对象的最佳速度，避免由于加工操作速度过慢或者过快，造成产品生产加工质量不佳情况的出现，引起企业大量的经济效益损失。此外，交流变频调速技术的使用可以完成对造纸、塑料生产机械的高精度转矩控制，实现产品生产加工过程的自动化控制目标，这样不仅可以减轻企业内部生产操作人员的工作任务量，还可以大大提高企业产品生产加工质量。

（4）优化改善和适应生产作业环境。交流变频调速技术能够适用在各种恶劣生产环境下的生产设备中。比如，能够用在可燃性溶剂和爆炸性气体的生产设备中、可用在有腐蚀性和户外潮湿的生产作业环境中。交流变频调速技术的应用能够最大程度降低生产环境中的机械运行噪声，为生产人员和周围居民创建出更好的生产作业和生活环境，保障社会建设和谐健康的发展。

4 交流变频调速技术实践应用

交流变频调速技术应用具有极佳的调速性能，因此被广泛应用在以下几个行业领域中：现代自来水厂、污水处理厂的变频节电系统；工矿企业行车设备变频调速系统；风机、泵类机械设备高低变频节电系统；水泥生产线变频节电系统；负责输送各种工业原料和物资的运输系统。

在现代工业生产活动中，交流变频调速技术在各项生产设备装置系统中的使用，不仅能够发挥出其良好的调速性能作用，还可以帮助企业降低各项能源的损耗，方便相关技术人员进行日常设备检修维护工作。并且在交流变频调速技术加持下的生产设备能够适应各种恶劣的生产作业环境，不会占用到过大的空间。

以山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司副斜井绞车电控系统优化设计为例，原本该系统的运行设计中采用的是TKD 型转子串电阻调速方式，该调速方式的弊端在于需要消耗转差功率方式展开调速，需要消耗较大的电能，并且运行工作效率偏低、稳定性偏差。针对于此，该企业相关技术人员通过实践，应用了现代广泛流行的交流变频调速技术进行系统改造，运用变频调速系统，同时保留原调速系统，促使它们两者之间能够进行互为备用，一定程度提升该系统运行的稳定和可靠性。除了运用到交流变频调速技术，企业还额外投资引进了高压电源切换柜、变频电控、通讯控制柜以及变频柜等配套设备设施。基于实现对副斜井提升机的交流变频调速优化改造作业，能够完成对动机的软启动、软停止操控目标，同时还可以实现转速的连续可调作业，防止遭受到电流冲击情况，不仅能够提升生产工艺的高效稳定性，有效延长机械设备的使用寿命，降低企业设备检修维护成本，还可以帮助企业节省更多的电力能源。改造后的系统节电率达到了30%，明显能够为企业带来更好的长期社会经济效益。

5 交流变频调速技术未来发展应用趋势

5.1 电力电子器件更新应用

在当前市场上的逆变器设备中采用了GTR 全控器件，该器件的运用虽然能够有效减少谐波分量，并拓宽异步电动机的变频调速范围，降低转矩的脉动幅度，但是由于受到载波频率和最小脉宽的限制，无法获取到最佳的正弦波脉宽调制波形，从而导致异步电动机在交流变频调速过程中容易产生噪声，影响创建良好的生产工作环境。针对于此，相关技术人员可以更新应用设备中的电力电子器件，通过运用IGBT 器件，能够有效提升装置的工作频率，无论是在电压指标上，还是在电流指标上都已超过GTR 电子器件。并且因为逆变器载波频率的有效提升，以及能够形成特定的PWM 波形，促使能够全面降低异步电动机变频调速控制器在运行过程中产生的谐波噪声，为工作人员创建出更为舒适的生产作业环境。智能功率模块是基于利用IGBT 作为核心开关器件，同时兼用了功率集成器件PIC。智能功率模块的设计应用能够为异步电动机提供各种保护功能，常见的有欠电压、过电压、短路以及过电流等保护功能，同时还能够实现再生制度。此外，由于功率开关器件的故障检测和保护电路接近故障点，所以能够起到抑制故障范围扩大的作用，确保设备装置能够保持安全稳定的运行状态。

5.2 数字微处理器的配套使用

伴随着我国数字化技术的不断创新完善发展，市面上的数字微处理器使得信息处理能力有了大幅度的提升。以往各种难以实现的复杂技术操作，在投入使用微机控制器后都能够普遍得到有效解决。微机控制技术的配合使用能够赋予交流变频调速系统更多的功能，尤其是体现在故障诊断技术功能服务方面。在交流变频调速系统设计中综合应用先进的微机控制技术和大规模集成电路，能够最大程度提升交流变频调速的安全可靠性、灵活性以及多样性，还可以有效缩减交流变频调速装置的设计加工成本。当前，市面上用于交流变频调速系统的微处理器主要包括了以下类别。

（1）单片机的应用。单片机应用是微机控制系统中的重要组成部分，通常情况下一片单片机芯就是一台小型的计算机，其不仅能够完善微机控制系统的运行服务功能，还可以大大减小控制器装置的体积，帮助企业节省更多的成本。随着时间不断推移，我国生产推出的单片机性能变得越来越强大，单片机将能够拥有更为丰富的软硬件资源；

（2）数字信号处理器。数字信号处理器在微机控制系统中的应用，能够大大提升其信息处理运算速度，从而增加交流变频调速系统运行控制精确度。近年来，市场相关技术人员将数字信号处理器设计制作成磁心，并将脉冲宽度调制生成、A/D 变换器等集成于一个芯片上，促使其成为了一种32位的功率强、速度高的单品机，被广泛应用在各个行业领域中，创造出了众多现实价值。

5.3 功能综合化

随着我国工业化生产的不断升级，对于交流变频调速系统的功能提出了更高需求，新一代变频器具有功能强大的微处理器支持，其不仅能够完成异步电动机交流变频调速的基本功能，还具有内置的通讯、可编程以及参数辨识等功能。

新一代的变频器能够完成模糊最优化加减速，能够结合异步电动机的实际负载状态，合理设定加减速的最短时间，亦或者是在设定最短加减速时间内，完成对加速电流的合理控制，促使减速的直流过电压能够稳定在允许范围值内。新一代变频器还能够根据事先预设好的速度值和运行时间有效执行多段程序运行。

各段运行时间、加减速时间、正反向均能够事先进行设定操作。除此之外，新一代变频器还可以自动选定输出电压，促使异步电动机运行于最小的电流状态，这样就能够帮助企业节省更多的电能使用成本。

6 结束语

在现代社会发展中，交流变频调速技术的创新研究应用是一项极为重要的工作内容，值得国家政府进行重点推广。该项技术的实践应用不仅能够帮助各行业领域的企业节省更多的电能成本，缓解社会用电压力，还可以大大提升企业生产质量和效率。