基于变频器的电机控制节能系统研究

樊勇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.146

摘 要：随着经济社会的发展和人们环保意识的增强，各项节能环保技术广泛应用在企业生产活动中，将现代先进技术与传统行业有机地结合起来，有利于实现企业节能减排的目标。变频器是现代电力电子、微电子、自动控制等技术的结合体，通过电力电子半导体通断作用调节电能功率，从而达到节能降耗的目的。该文主要阐述了电机变频调速原理和电机控制节能技术要求，并将变频器电机控制节能系统应用在实际工程中，取得了一定的节能效果。

关键词：变频器 电机控制 节能系统 调速

中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0146-02

电机是一种应用范围广、高耗能的动力设备，据相关数据显示，我国总装机容量是4亿kW，年耗电量大概是6 000亿kW。我国大部分都是中小型电机，中小型电机的数量占整个电机的80%，占总耗电量的90%，因此，我国电机节能降耗具有很大的潜力，也是符合当下国家提出建设资源节约型战略方针。变频器在电机节能方面效果显著，它具有高性能、高精度，可以实现无极调速，与降压调速、变极调速相比，变频调速调速范围广、运行稳定，因此，广泛应用在工业、农业等领域，随着电力电子技术和控制技术的发展，变频调速技术也在不断进步和发展。

1 变频调速节能的原理

目前大部分风机、水泵、液压油泵、空压机、循环泵等电机负荷的压力、流量以及风量控制系统全部都是阀空系统，也就是电机由额定转速驱动力进行驱动运转，系统提供压力、流量和恒定流量。在实际应用中，如果设备需求发生变化，为了满足机器运行需求，出口端的溢压阀、溢流调节负载压力、流量和风量。但是经过溢压阀、溢流调节后，会释放大量的能量，这些释放的能量其实就是电机从电网中产生的能量的一部分，所以造成严重的浪费。从这也可以看出，电机功率和转速成正比，转速和频率成正比，如果想要达到节能的目的，则要改变电机的运行方式，让它即便不在额定转速下，也能正常运转，所以必须改变变频调控控制系统，让其停启和调整设备的运行，让电机在0至额定转速内可以进行调节，输出的压力、流量或风量在0～100%的范围内可以调节，从而使得设备运行的频率和负载所匹配，达到节能降耗的目的。电机转速的公式：n=60f（1-s）/p，其中：n=电机转速，f=电源频率，p=电机的极对数，s=转差率。从上面的公式可以看出，电机的转速与电源频率成正比，因此改变电源的频率就可以改变电机的转速，从而达到调节设备频率的目的。

2 电机控制系统节能要求

目前大多数电机使用恒V/F控制系统，这种控制系统结构比较简单、成本低，适合风机、水泵等大型、对调速系统动态性能要求不高的场所。变频电机系统必须满足一般平滑调速需求，但是它的动、静态性能不是很好，如果需要高动、静特性，则需要反馈转速进行闭环调节。基于变频器的电机变频调速想要达到节能的目的，必须满足以下几个方面的要求。

2.1 转换性

我国基于变频器电机控制节能系统方面的技术还在进一步研究，但是国外这方面的技术已经比较成熟，基于变频器的控制系统应用十分广泛。常见的有机械制造生产技术、数据技术、电子电工技术等，只要有机电的地方，都可以通过变频器制定小系统代替人工作业。以德国为例，通过变频器建立控制系统对数控机床设备进行控制，控制系统的程序员只要调整数控机床的运转速度，就能满足工业设备切割精度，从而确保产品的质量。这种系统使用了闭环控制系统，包括控制器、电动机、放大器、测量元件，测量元件使用开关式传感器，这种闭环控制系统具有强抗干扰能力，并利用反馈产生的控制作用消除系统运行过程中的偏差。

2.2 智能化

随着计算机、信息化、控制技术的发展，电器设备开始逐渐走向智能化、自动化发展，因此，变频器控制系统也逐渐发展为自动变频控制系统，自动变频控制系统是利用计算机、电子设备，收集变频电机数据资料，并对其进行处理，确保电机信息的准确性，从而对電机的运行和管理提供参考。通过控制器调节系统的运行速度，从而确保变频电机正常运行。此外，系统还可以利用计算机、放大器、显示器以及其他元件作为系统的辅助设备，对整个系统进行综合调节。这样电机操作人员能够根据显示器和放大器显示的数据，按照设备运行要求对电机进行调控，确保变频电机转速处于一个合理的范围内，避免转速过高对系统造成的不良影响。而且这种系统结构比较合理，应用性强，非常符合变频电机变频控制系统运行的要求。

2.3 灵活性

目前市场上一些变频器使用先进的转子磁场矢量动态控制测量，让异步电动机交流电气调速转动系统能够达到与直流电气调速传动系统同等静、动态实时调节工，变频器调节控制系统可以自动寻找功能模块，从而实现系统最优控制调速。并且能够对系统故障进行自检，缩短了故障排查检修的时间，达到提高了系统的运行效率。变频器与PLC控制器配合使用，能够实现对变速控制、速差大范围调节、非线性负荷控制，从而确保系统的安全性和节能性。

3 基于变频器的电机控制节能系统应用效果

3.1 工程概况

某炼钢厂1#转炉氧枪共有2台冷却水泵，额定流量为300 m3/h，进口压力是0.4 MPa，升压是1.3 MPa，异步电动机机型是Y2355 L-2/380 V，功率是315 kW。由于炼钢厂的1#转炉氧枪冷却水泵控制系统运行效率比较低，耗电量非常大，日常电能转换率只有35%，因此整个冷水泵耗费了整个系统的45%以上的电能。因此，必须对炼钢厂的1#转炉氧枪异步电动机系统进行改造。利用变频器的综合控制能力，与电机、传感器、显示器等其他硬件组成一个闭环控制系统，提高整个电机控制系统的性能。

3.2 变频器电机控制节能效果

通过对转炉氧枪冷却水泵控制系统进行改造以后，然后2台水泵其中一台使用工频加阀门调节方式运行，另外一台使用变频调节，这两台水泵运行参数相同，但是实际运行效果也不一样。表1是两台水泵运行数据。

从表1可以看出，在各项运行参数相同的情况下，2号水泵的运行效率更加稳定，平均运行电流为196 A，工频运行额定480 A的电流下降了284 A，实际节电效率为59.17%，所以可以看出节电效果十分明显。该系统变频控制系统设计比较简单，使用了比例调节器算法，可以对系统设计过程以及运用的原理进行调整和控制，利于后期电机操作人员收集更多的数据信息对系统结构进行完善和调整。

4 结语

在当前资源危机日益严重、环境恶化的形势下，提高电机运行效率是未来发展的方向。而通过变频器电机转速控制系统，能有效降低传统控制系统电能的损耗，让控制系统实现自动化、智能化，能有效降低工业生产成本，促进变频器更新换代，应用到更多产品中，从而促进我国工业生产效率。

参考文献

[1] 刘辉，张斌.基于无源控制的无速度传感器异步电机调速控制[J].传感器与微系统，2016，35（6）：45-47.

[2] 苗俭威，王英.基于DSP的无速度传感器异步电机控制系统设计[J].电气自动化，2015，37（2）：18-20.