叶智平

【摘要】近些年來，我国经济的快速发展和工业技术的不断进步，要求电机等用电设备需更加节能或便于控制。本文笔者总结工作经验，阐述电机变频控制的特点，并重点分析电机变频调速的经济收益及其发展方向，以期达到技术探讨之目的。

【关键词】电机；变频控制；经济效益；发展方向

随着经济飞速发展，我国对于能源的需求量也越来越大，这对电能的生产提出了较高的要求。但很多调研可知，我国目前电能合理利用率较低，尤其是在电机使用方面，应用不合理以及驱动控制技术不高都导致电机能耗过高，相较于国外电机能耗水平。因此，作为自动化控制专业技术人员，有必要对电机节能技术进行深入研究及技术应用。本文笔者总结工作经验，阐述电机变频控制的特点，并重点分析电机变频调速的经济收益及其发展方向，以期达到技术探讨之目的。

1.变频调速控制技术原理

变频调速技术是机电一体的综合性技术，是计算机技术、电子技术、电机传动技术的综合应用。其基本原理是通过整流桥将工频交流电压转换为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电作为电机驱动电源[1]。

从理论上可知，电机的转速N与供电频率f有以下关系：

式中：q——电机极数；

s——转速差

由上式可知，转速n与频率f成正比。如果不改变电动机的极数，只要改变频率f即可改变电动机的转速。当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速就可以在0～额定转速间调节。变频调速技术就是这样通过改变电动机的供电电源频率，从而实现速度的自动、平滑调节。

2.电机变频调速的特点

（1）保护功能完善。具有过载、过流、过电压和欠电压等功能，在这此保护中，保证负载在正常情况下避免出现故障而引起的电能浪费。

（2）控制功能简单。具有面板、外部两方面整体控制，正反转、多段速、外部信号给定等，使其操作简单，效率提升。

（3）参数设置多样化。加减速、制动、频率跳变、程序运行等，从根本上调节启动电流，启动转矩等，减少对电网的冲击，能量的浪费。

（4）控制方式多样。① U/f控制，在实现调频的同时改变电压，这样，在不损坏电动机的情况下，利用铁芯发挥转矩的能力，补偿电压的大小可调节，便可应用于不同负载。②矢量控制，该控制使电动机有很硬的机械特性，有很好的动态响应[2]。

3.电机变频器调速的经济效益

我国经济现显快速增长的发表着，并努力争取在2020年达到全面建成小康社会的目标。而2005年，我国国民生产总值已达182321亿元，经济总量达22500亿美元，占世界第四位[3]。这些显著成果的同时，需要求工业生产不能减少损失。而电机变频调速技术的应用，可大大增强电机节能的经济效益，以保证更好的实现工业生产高效益的进行。

3.1故障率的减少提高经济效益

在直流系统中，调速性能好，但故障多。1）每次在加工中零件的损失；2）修理过程中耽搁的时间造成的损失；3）本身修理的损失等。

3.2设备寿命的延长提高经济效益

1）有此设备全速运行时阻矩大，摩损严重，使用变频调速后，运行平稳，磨损大大减少，寿命延长；2）在电动机直接启动和停止过程中，设备冲击大而使寿命减少，变频调速后启动停止过程得到改善而使寿命延长；3）在水力管网中，水泵直接控制而导玫水锤效应减少水泵和管网的寿命，变频的恒压控制使压力变化平稳而提高寿命。

3.3质量的提升提高的经济效益

1）变频器无极调速能使质量提升；2）接受反馈能使质量提升；3）检测的准确是质量提升。

4.电机变频控制的应用及发展方向

在传统的电机控制中，电机运行的驱动频率是一个定值，变频调速使通过调节电机频率节约能源成为可能。近年来，随着电子技术和控制技术的飞速发展，人们对节能的要求也在不断提高，这使得电机的变频技术在很大程度上得到了提升，并且其应用范围也越来越广。

4.1变频电机的发展状况

电机的变频调速目前大多使用恒V/F控制系统。该控制系统结构简单、成本低，适用于电机等较大型、且对调速系统动态性能要求小高的地方。变频电机开环调速系统能满足一般的平滑调速需求，但它的静、动态性能都很有限。如果需要提高静、动态特性，则需要反馈转速进行闭环调节。因此，人们又提出了控制闭环转差频率的电机调速方式。转差频率控制使用异步电机稳态等效电路和转矩公式来保持磁通恒定，这种方式只有在稳态情况下成立，多用来控制慢速电机。在对转速必须做出快速反应的动态系统中，电机会额外产生比较大的瞬态电流，使电机的转矩受到很大影响。因此，在动态过程中控制电动机的转矩是做好动态控制的关键。

4.2电机变频控制的应用

电机70%的耗能是在风机和泵类负载中，变频技术在这类电机控制中的优势更体现出了其重要性。例如，没有调速功能的空调，当温度低至阂值时风路就被关掉，但此时电机依然在运行，造成不必要的能量损耗。如果空调系统采用变频调速电机，当温度降低时就不必关掉风路，而是降低电机转速，这样就不会损耗电能。空调系统中加入变频器，可以使系统节能20%～30%[4]。

另外，在实际应用中需要根据小同的需要选择大小合适、性能高的电机，减小电机的浮装容量，防止能量的浪费。同时，在实际应用中还要不断优化电机系统结构，尽可能降低额外能量的损失，并选择导磁性高的材料，比如冷轧硅钢片等。

4.3变频与控制相结合是电机的发展方向

变频器节能主要体现在电机输出功率方面。传统的调速系统，电机工作在额定转速，恒功率运转，通过齿轮箱、皮带轮等传动机构达到转速要求，这样齿轮箱、皮带轮传动摩擦会产生能量浪费。矢量控制技术变频器可以让电机在低频率，甚至是零频率下都有150%甚至180%以上的额定转矩输出，这样使得电机在低速运转时也能保证足够的力矩输出，电机低速直接驱动负载，调速系统机构变得非常简单。变频驱动技术和控制技术的结合是变频器发展的一个趋势。随着高效能电机的发展，以及网络化技术、数字技术的普及，小型的、低功耗的电力电子技术和执行机构集成发展，这样每台电极就相当于一个高效能的驱动系统。所以说，拥有节能功能的变频调速电机在未来的发展也是大有潜力的。当然，这种产品目前还处于刚起步阶段。在工业现场的控制技术以及产品的可靠性方面都需要得到更好的解决。包括环境的适应性、封装、散热等很多的问题都要处理。

另外，由通用的矢量控制变频器驱动高效能的同步马达这种使用方式也越来越普及。同步马达比异步马达调速系统的效率要高许多，使得变频节能的效果更加明显。

5.结束语

采用变频控制技术，可大大提高电机的运行效率，节能降耗，降低企业的生产成本，值得企业积极推广应用。

参考文献：

[1] 巨志忠，杨小强. 试论电机变频控制节能技术和运用[J]. 科技与创新，2014，（07）：124-125.

[2] 李宏慧，臧朝伟，张兵. 异步电机变频控制技术研究[J]. 煤炭工程，2014，（12）：222-223.

[3] 王瑞泽. 对2005年GDP季度数据的预测——基于包含趋势和季节成分的ARMA模型的分析[J]. 统计与决策，2005，（15）：127-128.

[4] 李崇坚. 交流电机变频调速控制系统的探讨[J]. 电力电子，2004，（01）：116-117.