畢業(yè)論文設(shè)計電機(jī)變頻節(jié)能設(shè)計.pdfVIP

山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 - 1 - 畢業(yè)設(shè)計說明書畢業(yè)設(shè)計說明書 題目題目：電機(jī)變頻節(jié)能設(shè)計電機(jī)變頻節(jié)能設(shè)計 姓姓名：名：吳宏偉 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師：田麗萍郝世宇 系系部部機(jī)電工程系 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 年年 6 月月 4 日日 班級班級： 電氣 330802 學(xué)號學(xué)號： 4333080235 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 1 目目錄錄 摘摘要要.1 1 第一章第一章論述論述.1 1 1.1 我國電機(jī)的現(xiàn)狀.1 1.2 我國煤礦風(fēng)機(jī)運行中普遍存在的問題 1 1.3 課題研究的方向與趨勢.2 第二章第二章電機(jī)基礎(chǔ)知識電機(jī)基礎(chǔ)知識 4 4 2.1 電動機(jī)分類4 2.2 電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速計算以及調(diào)速措施. 4 第三章第三章 變頻器的基本原理和知識變頻器的基本原理和知識8 8 3.1 變頻器的發(fā)展史.8 3.2 變頻技術(shù)的發(fā)展過程10 3.3 變頻器的分類.11 3.4 變頻器的電路組成12 3.4.1 變頻器中的的半導(dǎo)體開關(guān). 15 3.5 變頻調(diào)速方法17 3.6 變頻的控制算法.19 3.7 普通異步電動機(jī)與變頻電機(jī)的區(qū)別. 21 3.8 變頻調(diào)速的優(yōu)點及市場24 第四章第四章 電機(jī)節(jié)能改造項目電機(jī)節(jié)能改造項目 2626 4.1 調(diào)速裝置的運行可靠性和投資對比26 4.2 投資對比.27 4.3 主要調(diào)速方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比 28 4.4 變頻改造節(jié)能案例.29 4.4.1 改造投資估算.31 4.4.2 分機(jī)節(jié)能效益的計算. 32 4.4.3 經(jīng)濟(jì)評價32 4.5 變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析.33 4.6 變頻器的外接電路與參數(shù)設(shè)置. 33 第五章第五章 結(jié)結(jié)論論.3838 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).3939 致致謝謝.4141 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 1 摘摘要要 電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，我國的總 裝機(jī)容量約為 4 億千瓦， 年耗電量約為 6000 億 kWh， 約占工業(yè)用電的 7080%。 我國以中小型電機(jī)為主，約占 80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的 90%。電機(jī)在我國的實際應(yīng)用中，同國外相比差距很大，機(jī)組效率為 75%，比 國外低 10%；系統(tǒng)運行效率為 3040%，比國際先進(jìn)水平低 2030%。因此在 我國中小型電機(jī)具有極大的節(jié)能潛力，推行電機(jī)節(jié)能勢在必行。我國資源以煤 炭為主，電機(jī)是煤礦生產(chǎn)中重要的設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備。對電機(jī)節(jié)能方法 進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。 本文中介紹目前電機(jī)設(shè)備在運行中存在的主要問題，分析了解電機(jī)類設(shè)備 的能耗狀況，討論了電機(jī)的基本參數(shù)、特性曲線，重點闡述了電機(jī)的節(jié)電方法 以及節(jié)能原理。與現(xiàn)有的電機(jī)節(jié)能措施，深入研究了變頻調(diào)速節(jié)能原理和實現(xiàn)。 重點說明了電機(jī)變頻節(jié)能方法與應(yīng)用。 文中給出的電機(jī)節(jié)能改造的變頻技術(shù)方法、基本原理，目的是為企業(yè)進(jìn)行 節(jié)能改造時選擇合理的改造方案提供依據(jù)。同時對調(diào)速裝置的選擇和調(diào)速方案 比較作了介紹，力求技術(shù)先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電機(jī)節(jié)能；電機(jī)調(diào)速；變頻；矢量控制。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 1 第一章第一章論述論述 1.1 我國電機(jī)的現(xiàn)狀我國電機(jī)的現(xiàn)狀 電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，我國的總 裝機(jī)容量約為 4 億千瓦， 年耗電量約為 6000 億 kWh， 約占工業(yè)用電的 7080%。 我國以中小型電機(jī)為主，約占 80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的 90%。電機(jī)在我國的實際應(yīng)用中，同國外相比差距很大，機(jī)組效率為 75%，比 國外低 10%；系統(tǒng)運行效率為 3040%，比國際先進(jìn)水平低 2030%。電機(jī)設(shè) 備是煤礦生產(chǎn)中重要的設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，電機(jī)設(shè)備具有容量大，運行 時間長， 系統(tǒng)運行是要求絕對可靠。 例如主通風(fēng)機(jī)停止供風(fēng) 5min 就是煤礦大事 故。煤礦通風(fēng)電耗一般占生產(chǎn)電耗的 15%25%，高的可達(dá) 40%以上。我國的 能源資源相對擁有量較少，長期以來能源供需矛盾十分緊張。因此，為了緩解 這個矛盾，就必須重視對電機(jī)的節(jié)能改造。通過對電機(jī)的節(jié)能改造，不僅能夠 節(jié)約能源，推動國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有很好的社會效益，而且能夠直接減少企業(yè) 的成本支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時也可以為國家節(jié)約資源造福于我們的 后代。 1.2 我國煤礦風(fēng)機(jī)運行中普遍存在的問題我國煤礦風(fēng)機(jī)運行中普遍存在的問題 各工業(yè)部門調(diào)查資料的大量數(shù)據(jù)表明，目前我國使用的風(fēng)機(jī)、水泵的效率 比國外同類產(chǎn)品的效率低 5%10%。 設(shè)計中過多的考慮建設(shè)前后工藝要求的差 異，選型欲量過大，使設(shè)備長期在低負(fù)荷、低運行效率下工作。如某礦的主風(fēng) 機(jī)以及輔助風(fēng)機(jī)實際運行情況表明，其負(fù)荷率（電動機(jī)輸入功率/電動機(jī)銘牌功 率）在 76%以上者僅占 15.1%，低于 60%者占 65.3%。 作為煤礦企業(yè)，都希望廠家能提供效率更高的風(fēng)機(jī)。提高單體設(shè)備的效率， 可以為國家節(jié)省可觀的能源。但是許多高效設(shè)備在現(xiàn)場往往處于低效運行的狀 態(tài)，并沒有達(dá)到節(jié)能的目的。 風(fēng)機(jī)只有在使用中才能反映出它的經(jīng)濟(jì)性?？v然一臺風(fēng)機(jī)本身效率已經(jīng)很 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 2 高，但由于使用和選型不當(dāng)，也將變成“電老虎” 。近年來，我國風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展 很快，加上引進(jìn)、消化國外的一些先進(jìn)技術(shù)，大部分風(fēng)機(jī)本身的效率已有明顯 提高。但是，根據(jù)我國當(dāng)前風(fēng)機(jī)的使用現(xiàn)狀來看，只有注意大力提高“風(fēng)機(jī)系 統(tǒng)效率” ，才能取得較好的節(jié)能效益。 現(xiàn)在煤礦風(fēng)機(jī)普遍存在的問題有：管理制度不完善；需要調(diào)節(jié)流量的地方， 絕大部分采用擋板或閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，節(jié)流功率損失非常大。 1.3 課題研究的方向與趨勢課題研究的方向與趨勢 為在企業(yè)所使用的耗電設(shè)備中風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、液壓油泵、循環(huán)泵等 電機(jī)類負(fù)載占絕大多數(shù)。由受到技術(shù)條件限制，這類負(fù)載的流量、壓力或風(fēng)量 控制系統(tǒng)幾乎全部是閥控系統(tǒng)，即電機(jī)由額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)提供的流量、 壓力或風(fēng)量恒定，當(dāng)設(shè)備工作需求發(fā)生變化時，由設(shè)在出口端的溢流、溢壓閥 或比例調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負(fù)載流量、壓力或風(fēng)量、從而滿足設(shè)備工況變化的需要。而 經(jīng)溢流溢壓閥或比例調(diào)節(jié)閥溢流溢壓后，會釋放大量的能量，這部分耗散的能 量實際上是電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量中的一部分，造成了電能極大的浪費。從這類 負(fù)載的工作特性可知，其電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，而轉(zhuǎn)速又與頻率成正比。 如果我們改變電機(jī)的工作方式，讓它不總是在額定工作頻率下運轉(zhuǎn)，而是改由 變頻調(diào)整控制系統(tǒng)進(jìn)行啟停控制和調(diào)整運行，則其轉(zhuǎn)速就可以在 02900r/min 的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，即輸出的流量、壓力或風(fēng)量也隨之可在 0100%范圍內(nèi)連 續(xù)可調(diào)，使之與負(fù)載的工作需要求精確匹配，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。 變頻電機(jī)節(jié)電器是一種革命性的新一代電機(jī)專用控制產(chǎn)品，基于微處理器 數(shù)字控制技術(shù)，通過其內(nèi)置的專用節(jié)電優(yōu)化控制軟件，動態(tài)調(diào)整電機(jī)運行工程 中的電壓和電流，在不改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)荷需 求精確匹配，從而有效避免電機(jī)因出力過度造成的電能浪費。 交流電動機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，約占各類電動機(jī)總數(shù)的 85%，它具 有結(jié)構(gòu)簡單、價廉、不需維護(hù)等優(yōu)點，但它的弱點是調(diào)速困難，因而在許多應(yīng) 用場合受到限制或借助機(jī)械方式來實現(xiàn)調(diào)速。 隨著電力電子成本降低和系統(tǒng)性能改善以及新型電力電子元件的問世和發(fā) 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 3 展，機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)微型計算機(jī)、數(shù)字信號處理器以及大規(guī)模集成電 路芯片的出現(xiàn)正在意義深遠(yuǎn)地影響著電氣傳動自動化技術(shù)的發(fā)展。因此開發(fā)絕 緣門極雙極型晶體管（IGBT） ，高頻大功率靜電感應(yīng)式晶體管（SIT） ，靜電感 應(yīng)式晶閘管（SITH） ，MOS 控制的晶體管（MCT） ，絕緣門極晶體管（IGT） ， 絕緣門極可關(guān)斷晶閘管（IGTO） ，智能功率集成電路（Smart Power）和光控晶 閘管等元件組成的新型交流傳動裝置是風(fēng)機(jī)交流調(diào)速的發(fā)展方向。 同時電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用使變頻 器的節(jié)能效果更為顯著。它不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且在負(fù)載不同時，始終高 效運行，有良好的動態(tài)特性，能實現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動控制。 相對于其它調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、交流串級調(diào)速等） ， 變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、效率高，隨著現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù) 的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，它已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。變 頻調(diào)速裝置（變頻器）已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 使用變頻器調(diào)速信號傳遞快、控制系統(tǒng)時滯小、反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制 精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，因而使用變 頻器是廠、礦企業(yè)節(jié)能降耗的首選產(chǎn)品。 變頻器就負(fù)載類型而言主要有兩方面的典型應(yīng)用：1、恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用；2、變 轉(zhuǎn)矩應(yīng)用。 就應(yīng)用的目的而言主要有：1、以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過程中的 最佳轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準(zhǔn)確定位等。以其優(yōu)良的調(diào)速性能，提 高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適性，使設(shè)備合理化，適應(yīng)或改善環(huán)境等。2、 以節(jié)能為主要目的以流量或壓力需要調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的轉(zhuǎn)速控制來 實現(xiàn)節(jié)能，改造效果非常顯著。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 4 第二章第二章電機(jī)基礎(chǔ)知識電機(jī)基礎(chǔ)知識 2.1 電動機(jī)分類電動機(jī)分類 電動機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來看，是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成的，其工作原理是 通過電流經(jīng)過轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生勵磁磁場和定子線圈產(chǎn)生的磁場相互作用，從而推 動轉(zhuǎn)子按照左手定律旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動負(fù)載進(jìn)行運動，完成將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 的使命。 按電機(jī)的功能區(qū)分：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、控制電機(jī) 按電流性質(zhì)區(qū)分：有直流電動機(jī)、交流電動機(jī)；直流電動機(jī)如發(fā)電機(jī)，交 流如軋鋼機(jī)等 按用電相位區(qū)分：有二相電動機(jī)、三相電動機(jī)；二相電機(jī)如吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng) 扇等，三相如電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等。 按轉(zhuǎn)子工作性質(zhì)區(qū)分：有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)； 按裝配形式區(qū)分：有鼠籠式小功率高功率因數(shù)、繞線式大功率低功率 因數(shù)。 按轉(zhuǎn)子電極對數(shù)區(qū)分： 有 2 級-2950r/min.、4 級-1470r/min.、 6 級-980r/min.、 8 級-720r/min.、10 級-590r/min.。 按使用電壓區(qū)分：有 220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV、 10KV。 以電機(jī)的作為原動機(jī)拖動各種生產(chǎn)機(jī)械運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。 電力拖動系統(tǒng)主要有電源、控制設(shè)備、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械五部分組成。 2.2 電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速計算以及調(diào)速措施電機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速計算以及調(diào)速措施 在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的動力裝置中， 三相交流異步電動機(jī)約占 90%左右的份額， 其原因在于它：體積小、造價低、使用維護(hù)簡單、適應(yīng)各種復(fù)雜工作環(huán)境等。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 5 為了更好地應(yīng)用它，就需要讓它精確地工作，換句話說，就是要對它進(jìn)行精準(zhǔn) 調(diào)速。 額定功率=3額定電流額定電壓功率因數(shù) 功率因數(shù)越高的電機(jī)在變頻使用當(dāng)中，其被調(diào)節(jié)的能力越強(qiáng)，也就是說其 節(jié)電空間的變化可以接近理論值。 三相異步電動機(jī)工作原理：三相異步電動機(jī)工作原理： 1）對稱三相繞組中通入對稱三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流； 3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動； 因此三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式： s p f n 1 60 其中：n：轉(zhuǎn)速； f：頻率； s：轉(zhuǎn)差率； p：極對數(shù) 極對數(shù) P 與同步轉(zhuǎn)速 N 的關(guān)系 P123456 N300015001000750600500 根據(jù)泵與風(fēng)機(jī)學(xué)的知識，在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載變流量、變壓力的運行狀況 中，流量、揚程和消耗的能量之間有下面的關(guān)系： 2 1 2 1 n n Q Q 風(fēng)機(jī)/水泵的流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比； （Q 為分機(jī)和水泵的流量） 2 2 1 2 1 n n H H 風(fēng)機(jī)/水泵的全壓/揚程和電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比； （H 為風(fēng)機(jī)/ 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 6 水泵的全壓/） 3 2 1 2 1 n n P P 風(fēng)機(jī)/水泵消耗的軸功率跟電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比； （P 為風(fēng)機(jī)/ 水泵消耗的軸功率； 軸功率公式：N0/N=r/r1（n0/n）3（N：功率；r：氣體密度；n：轉(zhuǎn)速） 無論是水泵還是風(fēng)機(jī)還是其它的電機(jī)起功率都與轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)，交流電動機(jī) 的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： n60 f(1s)/p(1) 式中：n異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f異步電動機(jī)的頻率； s電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p電動機(jī)極對數(shù)。 如下圖則為電機(jī)的機(jī)械特性圖 圖 2-1 電機(jī)的機(jī)械特性圖 因此三相異步電動機(jī)調(diào)速大致分五種： 1）變極調(diào)速：適用于變極電機(jī)，即電機(jī)有多套繞組，在運行時通過外部開 關(guān)控制繞組連接方式，從而改變極數(shù)，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 2）串電阻調(diào)速：適用于繞線式異步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電 阻，人為改變電動機(jī)機(jī)械特性。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 7 3）降壓調(diào)速：適用于較大電阻的高轉(zhuǎn)差率異步電動機(jī)，通過改變定子電壓 來調(diào)速。 4）串極調(diào)速：適用于繞線式異步電動機(jī)，通過改變轉(zhuǎn)子回路阻抗來調(diào)速。 5）變頻調(diào)速：普遍適用，通過改變供電電源頻率來調(diào)速。 由式(1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的 轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 050Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變 頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高 性能的調(diào)速手段。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 8 第三章第三章 變頻器的基本原理和知識變頻器的基本原理和知識 變頻器是交流電機(jī)的驅(qū)動器，它是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的三 項交流電來驅(qū)動交流電機(jī)（主要是異步電動機(jī)） ，從而使電動機(jī)調(diào)速的。 3.1 變頻器的發(fā)展史變頻器的發(fā)展史 早期通用變頻器如東芝 TOSVERT130 系列、FUJI FVRG5/P5 系列， SANKEN SVF 系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)）的控制方式。其優(yōu)點是 控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵 場合。具體來說，其控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn) 矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性 變差等。對變頻器 U/F 控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段。 第一階段第一階段: 八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡 法） 。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋 轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控 制。典型機(jī)種如 1989 年前后進(jìn)入中國市場的 FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、 SANKEN（三墾）MF 系列等。 之后，1991 年由富士電機(jī)推出大家熟知的 FVR 與 FRNG7/P7 系列的設(shè)計 中，三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引 入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。 第二階段：第二階段： 矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke 等人首 先提出，以直流電動機(jī)和交流電動機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開 創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動機(jī)盡管控 制復(fù)雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。 矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流， 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 9 使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由 于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果往往難 以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外，它必須直 接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種 矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來 不便。 盡管如此， 矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中， 1992 年開始， 德國西門子開發(fā)了 6SE70 通用型系列，通過 FC、VC、SC 板可以分別實現(xiàn)頻率 控制、 矢量控制、 伺服控制。 1994 年將該系列擴(kuò)展至 315kW 以上。 目前， 6SE70 系列除了 200kW 以下價格較高，在 200kW 以上有很高的性價比。 第三階段：第三階段： 1985 年德國魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control 簡稱 DTC） 。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電 流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。 轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn) 速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定 子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器 化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計之中，是很自然的事，這種控制 被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模 型和對電機(jī)參數(shù)的自動識別，通過 ID 運行自動確立電機(jī)實際的定子阻抗互感、 飽和因素、電動機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機(jī)模型估算出電動機(jī) 的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand 控制產(chǎn)生 PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到2ms 的 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶 PG 時的靜態(tài)速度精度達(dá)土 0.01%， 在不帶 PG 的情況下即使 受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，可以達(dá)到正負(fù) 0.1的速度控制精度。 其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)， 如安川 VS676H5 高性能無速度傳感 器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了 100ms 的轉(zhuǎn)矩 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 10 響應(yīng)和正負(fù) 0.2%（無 PG） ，正負(fù) 0.01（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制 精度在正負(fù) 3左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的 FRN 5000G9/P9 以及最 新的 FRN5000Gll/P11 系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計， 性能有了進(jìn) 一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。 控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從 1991 年 INTEL 公 司推出 8X196MC 系列以來，專門用于電動機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、 性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開發(fā)用于電動機(jī)控制的 M37705、 M7906 單片機(jī)和美國德州儀器的 TMS320C240DSP 等都是頗具代表性 的產(chǎn)品。 3.2 變頻技術(shù)的發(fā)展過程變頻技術(shù)的發(fā)展過程 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。20 世紀(jì) 60 年代后半期 開始，電力電子器件從 SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功 率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜 電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS 控制晶體管)、MCT(MOS 控制品閘管)發(fā)展到今天 的 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件 的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20 世紀(jì) 70 年BANNED始，脈寬調(diào)制 變壓變頻(PWMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。 20 世紀(jì) 80 年代， 作 為變頻技術(shù)核心的 PWM 模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu) 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世紀(jì) 80 年代后半期開始，美、 日、德、英等發(fā)達(dá)國家的 VVVF 變頻器已投入市場并廣泛應(yīng)用 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 11 圖 3-1 變頻器發(fā)展示意圖 3.3 變頻器的分類變頻器的分類 變頻器主要包括三個部分：一是主電路接線端，包括接工頻電網(wǎng)的輸入端 （R、S、T） ，接電動機(jī)的頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的輸出端（U、V、W） ；二是控 制端子，包括外部信號控制端子、變頻器工作狀態(tài)指示端子、變頻器與微機(jī)或 其他變頻器的通信接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤 圖 3-2 變頻器的組成 變頻器分為： 交交變頻器（將頻率固定的交流電變成連續(xù)可調(diào)） 交直交變頻器（將頻率固定的交流電變成直流，再把直流變成連續(xù)可 調(diào)的三相交流電） 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 12 表 3-1 交交和交直交變頻器優(yōu)缺點對比表 變頻器優(yōu)點缺點 交交變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高連續(xù)可調(diào)、頻率范圍窄 交直交變頻器調(diào)節(jié)范圍廣，變頻后的機(jī)械特性好 目前使用最多的是交直交變頻器，而它又分為電壓型（整流后靠電容 來濾波，比較常見）和電流型（整流后靠電感濾波，較少見） 。根據(jù)電壓又分脈 幅調(diào)制（改變直流電壓來改變輸出電壓大小，即 PAM）和脈寬調(diào)制（改變輸出 脈沖的占空比來改變輸出電壓的大小，即 SPWM ；SPWM 調(diào)制是：采用三角 波和正弦波相交獲得的 PWM 波形直接控制各個開關(guān)可以得到脈沖寬度和各脈 沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓， 能獲得理想的控制效果： 輸出電流近似正弦） 。為此常見的變頻器為交直交電壓脈寬調(diào)制。 3.4 變頻器的電路組成變頻器的電路組成 圖 3-3 變頻器電路圖 如圖所示變頻器主要有整流單元、逆變部分和制動部分組成的！ 其中整流單元它的作用是把工頻電源變換成直流電源將交流電變換成直流 的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 13 圖 3-4 整流電路 cos35. 1cos34. 2 2ld UUU 逆變部分逆變部分 逆變部分則是把直流變成交流，是變頻器的核心部分將直流電轉(zhuǎn)換成交流 電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電流近似正弦 圖 3-5 單相逆變電路圖 通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時間改變輸出電壓的頻率 通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序 圖 3-單相逆變電路原理圖 當(dāng) S1、S3 同時閉合時，U1 電壓為正；但 S2、S4 同時閉合時，U1 電壓為 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 14 負(fù)。因此開關(guān) S1S4 的輪番通斷，從而將直流電壓 Ed 變成交流電壓 U1。可 以看到在交流電變化的一個周期中，每個開關(guān)導(dǎo)通電角度度。因此交流電的 周期（頻率）可以通過改變開關(guān)的通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流 電壓幅值的 U1。 圖中 S1S6 組成了橋式逆變電路， 這 6 個開關(guān)交替的接通、 關(guān)斷就可以在 輸出端得到一個相位差 2/3 的三相交流電 圖 3-7 三相逆變電路 圖 3-8 三相逆變電路原理圖 當(dāng) S1、S6 同時閉合時，Uu-v 為正；S3、S4 同時閉合得到 Uu-v 為負(fù)； 同理：S3、S2 同時閉合和 S5、S6 同時閉合，得到 Uv-w； S5、S4 同時閉 合和 S1、S2 同時閉合，得到 Uw-u。 為了是三相交流電 Uu-v、Uv-w 、Uw-u 在相位上依次相差 2/3；各開關(guān) 的接通、關(guān)斷須符合一定的規(guī)律，即： 1)各橋臂上的開關(guān)始終是交替打開和關(guān)斷的狀態(tài)。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 15 2)各相位的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)互差 2/3 的電角度。 通過以上分析說明 6 個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào) 節(jié)開關(guān)的通斷速度就可以調(diào)節(jié)就交流電的頻率。 3.4.1 變頻器中的的半導(dǎo)體開關(guān)變頻器中的的半導(dǎo)體開關(guān) 如上所述可知，逆變電路的工作是在逆變管高頻率的通斷下完成的。如果 輸出的交流電頻率為 50Hz，在、逆變管則需要每 0.01s 通斷一次（通斷頻率為 25Hz） ，如此高的斷速度普通開關(guān)器件是不可能勝任的。隨著電力電子技術(shù)的 發(fā)展，大功率開關(guān)器件經(jīng)歷了以下階段： （一）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)上有三極：陽極（A） 、陰極（K） 、門極（G） 。其 工作特點是：它是通過門極信號進(jìn)行接通和和關(guān)斷的晶閘管。具體如下： 1 導(dǎo)通條件 在門極和陰極之間加一正向電壓，即：G(+)，K(-)，GTO 導(dǎo)通。 2 關(guān)斷條件 在門極和陰極之間加一反向電壓，G(-)，K(+)，GTO 關(guān)斷。 GTO 可以方便的通斷，是一種無觸點開關(guān)，它是逆變電路中的主要開關(guān)元 件，但是 GTO 的關(guān)斷需極大的反向脈沖，控制容易失敗，工作頻率也不夠高， 所以GTO晶閘管在大小容量變頻器中已經(jīng)被新型的大功率晶閘管GTR所取代， 但在大容量變頻器中，GTO 以其工作電流(4500A)，耐壓高的特性(8000V)，仍 得到普遍應(yīng)用。 （二）大功率晶閘管（GTR 或 BJT） 1 結(jié)構(gòu) 大功率晶閘管，又叫雙極性晶閘管（BJT） ，GTR 在結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上常采用達(dá)林 頓結(jié)構(gòu)的形式，由多個晶閘管復(fù)和組成大功率的晶閘管，同時還可將反相續(xù)流 二極管與 GTR 組成一個模塊。這樣 GTR 也像普通的晶體管一樣，有三個級分 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 16 別是基極、 （B） 、發(fā)射極（E） 、集電極（C） 。 2GTR 的工作特征 GTR 也有三種工作狀態(tài)， 即放大、 飽和、 截止。 在電力電子的應(yīng)用中， GTR 主要工作在開關(guān)的狀態(tài)，即飽和和截止?fàn)顟B(tài)。 GTR 具有自管斷能力及開關(guān)時間段、飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點， 廣泛用于交流調(diào)速、變頻電源中。在中小容量的變頻器中(工作范圍 400A/1200V、1000A/400V，頻率 5000Hz)，曾一度占據(jù)餓了主導(dǎo)地位 GTR 所 需的驅(qū)動功率較大，故基極驅(qū)動系統(tǒng)較復(fù)雜，從而使得工作頻率難以提高，這 是 GTR 存在的足之處。 （三）功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET） MOSFET 與場效應(yīng)晶體管一樣也是有三個級， 分別是源極 S.漏極 D.和柵極 G，管子的連接及工作特性也基本與場效應(yīng)晶體管一樣。MOSFET 是一個電壓 控 制 型 器 件 ， 所 需 的 驅(qū) 動 功 率 很 小 ， 使 用 方 便 ， 開 關(guān) 頻 率 比 較 高 （1000V/200A/1000kHz） 。其缺點是擊穿電壓及工作電流大不是特別大，所以 應(yīng)用不是特別廣泛。 （四）絕緣柵雙極晶體管（IGBT） IGBT是一種結(jié)合了大功率晶體管GTR和功率場效應(yīng)晶體管MOSFET兩者 特點的復(fù)合型器件，它有三個級：集電極（C） 、發(fā)射極（E） 、柵極(G)，它既 有 MOS 的器件的工作速度快，驅(qū)動功率小的特點，又具備了大功率晶體管的 電流大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。 由于 IGBT 性能優(yōu)良(1800A/4500V/50kHz)，已全面取代了功率晶體管而成 為中小容量電力交流裝置中的主力器件，并廣泛用于交流變調(diào)速、開關(guān)電源及 其他設(shè)備中。同時 IGBT 的單管容量也不斷提高，并開始進(jìn)入中大容量的電力 交流裝置中，用 IGBT 作為逆變器的變頻容量也從原來的 250kVA 有了大幅提 高。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 17 3.5 變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速方法 由于異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 0 n與電源頻率 1 f成正比，所以改變 1 f就改變了 0 n而實現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。它的調(diào)速特性基本保持了異步電機(jī)固有特性 轉(zhuǎn)差率小的特點，所以具有效率高，范圍寬，精度高，是異步電動機(jī)比較理想 的調(diào)速方法。 變頻調(diào)速的原理和特性變頻調(diào)速的原理和特性 （一）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（一）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式 1 00 60 (1) f nsnn p ，只要改變 f1 就可以 實現(xiàn)調(diào)速。但是變頻率的時候，電源的電壓 U 與頻率 f 的關(guān)系如何呢？ 一般來說，電動機(jī)的感應(yīng)電動勢 E1與外加電源電壓 U1近似即： E1=4.44f1Kn1N1m； （于 4.44Kn1N1是個常熟電動機(jī)的感應(yīng)電動勢 E1與 f1m正比的） 所以 U1也和 f1m成比， 從公式中可以看出：如果 U1不變，則 f1變化時在變。我們希望在調(diào)節(jié) 頻率 f 時能夠維持（因為在額定工作時電機(jī)的磁通已經(jīng)接近飽和，繼續(xù) 增大，將會是電機(jī)鐵芯出現(xiàn)深度的飽和，這將使勵磁電流急劇升高，導(dǎo)致定子 電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機(jī)工作不正常影響電機(jī)的使用。 ）為此當(dāng)我們在 額定頻率 f1以下調(diào)節(jié)時就要保證不變的。 即稱為 U/f=常數(shù)的控制方法：也叫恒轉(zhuǎn)矩不變；因此在額定頻率 f1以下調(diào) 頻時也需要調(diào)節(jié)電壓變頻又變壓方法PWM 利用調(diào)制波與三角波信號比較后 獲得一系列等幅不等寬的脈沖序列。原理：利用三角波載波作為信號與調(diào)制信 號（一般為正弦波）相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。改變調(diào)制波的電 壓脈沖頻率時，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調(diào)制波的幅值時，各段 脈沖寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)減少） 。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 18 當(dāng)用 1 U/ 1 f=常數(shù)協(xié)調(diào)控制，在低速時最大轉(zhuǎn)矩 m M減小，起動轉(zhuǎn)矩也減小 表現(xiàn)在機(jī)械特性上就是臨界轉(zhuǎn)矩 Tkx變小是電動機(jī)的過載能力變小。 為了低速時 保持轉(zhuǎn)矩不變，提高起動能力，能夠帶動負(fù)載能力，就必須采用：采用電壓補(bǔ) 償（V/F 控制）控制方法，此時隨著轉(zhuǎn)速的降低，定子電壓要適當(dāng)提高，補(bǔ)償 后機(jī)械特性有了恒轉(zhuǎn)矩的特性。 （二）恒功率調(diào)速（二）恒功率調(diào)速 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使 11e ff，得到 e nn，從而實現(xiàn)調(diào)速控制。由 于定子電壓不允許超過額定電壓，則磁通 11 / e Uf 將隨著 1 f升高而降低電機(jī) 的輸出功率 P 基本維持不變的， 相對應(yīng)額定電流的轉(zhuǎn)矩也減小， 特性也要變軟， 則可得近似恒功率的調(diào)速特性。 如下圖所示為變頻調(diào)速的機(jī)械特性圖： 圖 3.9 額定頻率以下的機(jī)械特性 圖 3.10 額定頻率以上的機(jī)械特性 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 19 3.6 變頻的控制算法變頻的控制算法 V/F 控制控制：簡單實用，性能一般，使用最為廣泛只要保證輸出電壓和輸出 頻率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例: 對于 380V 50Hz 電機(jī)，當(dāng)運行頻率為 40HZ 時，要保持 V/F 恒定，則 40HZ 時電機(jī)的供電電壓:380（40/50)304V 低頻時，定子阻抗壓降會導(dǎo)致磁通下降，需將輸出電壓適當(dāng)提高用戶可以 根據(jù)自我選擇四種控制方式： 1. 基本的 U/F 控制曲線； 2. 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)?U/F 控制曲線；適用于低速時需要較大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。 3. 負(fù)補(bǔ)償?shù)?U/F 控制曲線；主要適用于風(fēng)機(jī)、泵類的平方負(fù)載。 4. 分段補(bǔ)償；主要適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大致長比例的負(fù)載。在低速時補(bǔ) 償少，在高速是補(bǔ)償多。 矢量控制矢量控制：性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，技術(shù)成較晚 模仿直流電機(jī)的控制方法，采用矢量坐標(biāo)變換來實現(xiàn)對異步電機(jī)定子勵磁 電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，保持電機(jī)磁通的恒定，進(jìn)而達(dá)到良好的 轉(zhuǎn)矩控制性能，實現(xiàn)高性能控制。性能優(yōu)良，控制相同復(fù)雜，直到 90 代計算機(jī) 技術(shù)迅速發(fā)展才真正大范圍使用。 矢量基本思想： (1) 對直流電動機(jī)的分析在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機(jī)的調(diào)速 特性被公認(rèn)為是最好的。究其原因，是因為它具有兩個十分重要的特點: (a) 磁場特點它的主磁場和電樞磁場在空間是互相垂直的，如圖(a)所示； 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 20 （a）直流電動機(jī)的磁通（b）直流電動機(jī)的電路 圖 3-11 (b) 電路特點 它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖(b)所示。在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時，只 調(diào)節(jié)其中一個電路的參數(shù)。 仿照直流電動機(jī)的控制特點，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電 動機(jī)具有相同特點的磁場電流信號 iM和轉(zhuǎn)矩電流信號 iT，并且假想地看作是兩 個旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。當(dāng)給定信號改變時，也和直流電動機(jī)一樣，只改 變其中一個信號， 從而使異步電動機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動機(jī)類似的特點。 對于控制電路分解出的控制信號 iM和 iT，根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的 等效變換，得到三相逆變橋的控制信號 iA、iB和 iC，對三相逆變橋進(jìn)行控制， 如圖所示。從而得到與直流電動機(jī)類似的硬機(jī)械特性，提高了低頻時的帶負(fù)載 能力。 圖 3-12 矢量控制圖 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 21 表 2V/F 控制和適量控制的對比 項項目目V/F 控制控制矢量控制矢量控制 調(diào)速范圍 響應(yīng)性 1：10 動態(tài)響應(yīng)較差 1：100 以上 高達(dá) 1000r/s 過渡過程特性加減速有限制，過流控制能力小加減速無限制，過流控制能力高 通用性通用性好與電動機(jī)特性有關(guān) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜 3.7 普通異步電動機(jī)與變頻電機(jī)的區(qū)別普通異步電動機(jī)與變頻電機(jī)的區(qū)別 一、普通異步電動機(jī)都是按恒頻恒壓設(shè)計的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的 要求。以下為變頻器對電機(jī)的影響 1、電動機(jī)的效率和溫升的問題 不論那種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使 電動機(jī)在非正弦電壓、 電流下運行。 拒資料介紹， 以目前普遍使用的正弦波 PWM 型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧 波分量為：2u+1（u 為調(diào)制比） 。 高次諧波會引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增 加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因為異步電動機(jī)是以接近于基波頻率所對 應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便 會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。 這些損耗都會使電動機(jī) 額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異 步電動機(jī)運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加 10% 20%。 2、電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題 目前中小型變頻器，不少是采用 PWM 的控制方式。他的載波頻率約為幾 千到十幾千赫，這就使得電動機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對 電動機(jī)施加陡 度很大的沖擊電壓，使電動機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗。 另外，由 PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機(jī)運行電壓上，會 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 22 對電動機(jī)對地絕緣構(gòu)成 威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。 3、諧波電磁噪聲與震動 普通異步電動機(jī)采用變頻器供電時，會使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引 起的震動和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機(jī)電磁 部分的固有空 間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電 動機(jī)機(jī)體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。由 于電動機(jī)工作頻率范圍 寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電 動機(jī)的各構(gòu)件的固有震動頻率。 4、電動機(jī)對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力 由于采用變頻器供電后，電動機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流 的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進(jìn)行快速制動，為實現(xiàn)頻繁 啟動和制動創(chuàng) 造了條件， 因而電動機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的 作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。 5、低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題 首先，異步電動機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較底時，電源中高次諧波 所引起的損耗較大。其次，普通異步電動機(jī)再轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的 三次方成比例減小，致使電動機(jī)的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實 現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。 二、變頻電動機(jī)的特點 1、電磁設(shè)計 對普通異步電動機(jī)來說，再設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動 性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可 以在臨界轉(zhuǎn) 差率接近 1 時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多 考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機(jī)對非正弦波電源的適應(yīng)能力。方 式一般如下： 1）盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 23 補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增 2）為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較 大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機(jī)漏抗的大小要兼顧到 整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。 3）變頻電動機(jī)的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深 磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電 壓。 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計 再結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振 動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題： 1）絕緣等級，一般為 F 級或更高，加強(qiáng)對地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要 考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。 2）對電機(jī)的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力 提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 3）冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨立的電機(jī) 驅(qū)動。 4）防止軸電流措施，對容量超過 160kW 電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主 要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合 一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措 施。 5）對恒功率變頻電動機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過 3000/min 時，應(yīng)采用耐高溫的特殊 潤滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。 變頻電機(jī)可在：0.1Hz130Hz 范圍長期運行， 普通電機(jī)可在：2 極的為 2065Hz 范圍長期運行； 4 極的為 2575Hz 范圍長期運行； 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 24 6 極的為 3085hz 范圍長期運行； 8 極的為 35100hz 范圍長期運行。 3.8 變頻調(diào)速的優(yōu)點及市場變頻調(diào)速的優(yōu)點及市場 變頻調(diào)速的優(yōu)點主要有如下一些優(yōu)點： 1、調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速精度大大提 2、啟動電流小，而啟動轉(zhuǎn)矩大； 3、啟動平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備； 4、對電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費用； 5、具有顯著的節(jié)電效果； 6、通過調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便的實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速。平滑軟 啟動，降低啟動沖擊電流，減少變壓器占有量，確保電機(jī)安全 7、電機(jī)正反向無需通過接觸器切換 8、非常方便接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制 提升機(jī)變頻操控系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：實現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動； 實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速；運行平穩(wěn)， 無轉(zhuǎn)差沖擊；響應(yīng)迅速，便于實現(xiàn)集中控制和系統(tǒng)集成；集信號處理、運 行控制、 電子 制動、機(jī)械制動、安全保護(hù)為一體，提高了設(shè)備的整體功能； 操作直觀簡便；節(jié)能率高。 從節(jié)能來說，當(dāng)前，電機(jī)是我國主要的工業(yè)耗電設(shè)備，據(jù)清華大學(xué)電機(jī)權(quán) 威人士統(tǒng)計， 我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千瓦， 年耗電量達(dá) 6000 億千瓦時， 約占工業(yè)耗電量的 80%。我國在用的電機(jī)拖動系統(tǒng)總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá) 國家 50 年代水平。另外據(jù)統(tǒng)計，對于塑膠行業(yè)的電費成本，約占整個生產(chǎn)成本 的 20%50%。在發(fā)達(dá)國家，變頻器在電機(jī)投用的普及率已達(dá)到 80%，而我國 變頻器的運用還在起步階段，普及率不到 10%。從以上可以看出，變頻調(diào)速系 統(tǒng)有利于我國的電能消耗的節(jié)約，同時在我國有著非常巨大的市場需求。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 25 從應(yīng)用領(lǐng)域來說，國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)在經(jīng)過幾年的應(yīng)用推廣下已得到了較 快的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的領(lǐng)域已初步涉及到電子、機(jī)械、石化、冶煉、紡織、 汽車等多種行業(yè)，應(yīng)用范圍已覆蓋注塑機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)、恒壓供水、紡織機(jī) 等各種交流電機(jī)設(shè)備。 從發(fā)展區(qū)域來說，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用在我國沿海省份和南方城市發(fā)展較 快，目前已有向內(nèi)地快速滲透的趨勢。 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 26 第四章第四章 電機(jī)節(jié)能改造項目電機(jī)節(jié)能改造項目 交流電動機(jī)特別是異步電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便等優(yōu)點 被廣泛使用。但其調(diào)速性能在以前趕不上直流電動機(jī)，所以交流電動機(jī)的調(diào)速 技術(shù)一直是世界各國研究的課題。20 世紀(jì) 60 年代以后，隨著電力電子技術(shù)的 發(fā)展，半導(dǎo)體變流技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，特別是大規(guī)模集成電路和計算 機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，都為交流調(diào)速的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng) 造了條件。人們研究出很多類型的交流調(diào)速系統(tǒng)，其中有些方法的調(diào)速性能已 可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，交流調(diào)速得到日益廣泛的應(yīng)用，目前在調(diào)速 傳動領(lǐng)域交流電動機(jī)已有取代直流電動機(jī)的趨勢。 早期的交流電動機(jī)調(diào)速方法，如采用繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、 籠型異步電動機(jī)變極調(diào)速，在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì) 等缺點。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在 20 世紀(jì) 20 年代就已被人們認(rèn)識，但受到 元器件的限制，當(dāng)時只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于技資大，效率低，體積大 而未能推廣。20 世紀(jì) 50 年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術(shù) 發(fā)展的新時代。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等一系列優(yōu) 點，交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串 級調(diào)速等系統(tǒng)。20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速，比上述兩種調(diào)速方式效 率更高，性能更好，在近 30 年得到了迅速發(fā)展。 為確保電機(jī)節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益，克服改造的盲目性，對每個項目都應(yīng)進(jìn) 行可行性研究。可行性研究應(yīng)在認(rèn)真分析設(shè)備運行存在問題的基礎(chǔ)上，運用相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行情況作出評價 4.1 調(diào)速裝置的運行可靠性和投資對比調(diào)速裝置的運行可靠性和投資對比 調(diào)速裝置的可靠性對于用戶是至關(guān)重要的，而一種裝置運行的可靠性又受 多種因素制約。從調(diào)速裝置本身來看，液力耦合器、變極及電磁調(diào)速電動機(jī)、 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速可靠性較高，也容易維修；定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子斬波調(diào)速、晶 閘管串級調(diào)速、變頻器調(diào)速等電子器件為核心的調(diào)速裝置的可靠性，則主要取 山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011 屆畢業(yè)設(shè)計 27 決于元器件本身的質(zhì)量、裝置部件的工藝性和抗干擾能力 保護(hù)措施及日常維修能力。隨著電子器件質(zhì)量的不斷提高和裝置生產(chǎn)工藝 的改善，調(diào)速裝置的可靠性已經(jīng)越來越高。 4.2 投資對比投資對比 根據(jù)市場情況，在上海地區(qū)收集了生產(chǎn)調(diào)速裝置和電機(jī)有關(guān)廠家的產(chǎn)品價 格， 按照容量大小， 分為 2.550kW 小功率裝置、 15100kW 中功率裝置、 130 3000kW 大功率裝置。 小功率小功率 2.550kW 調(diào)速裝置價格對比表調(diào)速裝置價格對比表 容量容量 KM 各種調(diào)速裝置的參考價格及比例各種調(diào)速裝置的參考價格及比例 變調(diào)速變調(diào)速串級調(diào)速串級調(diào)速調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速滑差調(diào)速滑差調(diào)速 元元比例比例元元比例比例元元比例比例元元比例比例 2.540001-30000.7531000.78 443001-30000.738000.88 1158001-33000.5757000.98 158000190001.133500