范文一:变频器论文
变频器论文.txt两个男人追一个女人 用情浅的会先放弃。两个女人追一个男人 用情深的会先放弃。╰︶ ̄—你的话,我连标点符号都不信男女授受不亲,中国哪来13亿人口。 本文由893721308贡献doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。变频驱动器专业班级 : 机制 07-10 班 学生姓名 : 学 号: 孙 纪 平 0702010092011 年3月20 日变频驱动器0 概述变频器的英文译名是 VFD(Variable-frequency Drive) ,这可能是现代科 技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。 (但 VFD 也可解释为 Vacuum fluorescent display,真空荧光管,故这种译法并不常用) 。变频器是应用变频 技术与微电子技术, 通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动 机的电力传动元件。 变频器在中、 韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency Inverter) 。变频器实物图1 变频器的历史变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因 体积大故障率高而应用受限。20 世纪 60 年代以后,电力电子器件普遍应用了晶 闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。20 世纪 70 年代开始,脉 宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究得到突破,20 世纪 80 年代以后微处理 器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20 世纪 80 年代中后期,美、 日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器技术实用化,商品投入市场,得到了广泛 应用。 最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借 电子元件生产和电子技术的优势,高端产品迅速抢占市场。 步入 21 世纪后,国 产变频器逐步崛起,现已逐渐抢占高端市场。 单元串联型变频器是近几年才发展起来的一种电路拓扑结构,它主要由输入 变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用模块化设计,由于采用功率单 元相互串联的办法解决了高压的难题而得名,可直接驱动交流电动机,无需输出 变压器,更不需要任何形式的滤波器。整套变频器共有 18 个功率单元,每相由 6 台功率单元相串联,并组成 Y 形连接,直接驱动电机。每台功率单元电路、结 构完全相同,可以互换,也可以互为备用。 变频器的输入部分是一台移相 变压器,原边 Y 形连接,副边采用沿边三角形连接,共 18 副三相绕组,分别为每台功率单元供电。它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有6副三相 小绕组,之间均匀相位偏移 10 度。该变频器的特点如下:① 采用多重化 PWM 方式控制,输出
电压波形接近正弦波。② 整流电路的多重化,脉冲数多达 36, 功率因数高,输入谐波小。③ 模块化设计,结构紧凑,维护方便,增强了产品 的互换性。④ 直接高压输出,无需输出变压器。⑤ 极低的 dv/dt 输出,无需任 何形式的滤波器。⑥ 采用光纤通讯技术,提高了产品的抗干扰能力和可靠性。 ⑦ 功率单元自动旁通电路,能够实现故障不停机功能。随着现代电力电子技术 及计算机控制技术的迅速发展,促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流 调速,计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当 今节约电能,改善生产工艺流程,提高产品质量,以及改善运行环境的一种主要 手段。变频调速以其高效率,高功率因数,以及优异的调速和启制动性 能等诸 多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。以前的高压变频器,由可控 硅整流,可控硅逆变等器件构成,缺点很多,谐波大, 对电网和电机都有影响。 近年来,发展起来的一些新型器件将改变这一现状,如 IGBT、IGCT、SGCT 等等。 由它们构成的高压变频器,性能优异,可以实 现 PWM 逆变,甚至是 PWM 整流。 不仅具有谐波小,功率因数也有很大程度的提高。2 变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分, 变频器的主电路 大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的 滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是 电感。 它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器” ,吸收在变流 器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路” ,以及将直流功率变换为交流功率的 “逆变器” 。 (1)整流器 最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直 流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以 进行再生运转。 (2)平波回路 在整流器整流后的直流电压中,含有电源 6 倍频率的脉动 电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用 电感和电容吸收脉动电压(电流) 。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件 有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。 (3)逆变器 同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交 流功率,以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。 以电压型 pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供 电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算 电路”
,主电路的“电压、电流检测电路” ,电动机的“速度检测电路” ,将运算 电路的控制信号进行放大的“驱动电路” ,以及逆变器和电动机的“保护电路” 组成。 运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比 较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。 驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、 关断。 速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、 等)的信号为 plg速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为 了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。3 变频器的作用变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术,得到广泛应用。变频 器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值,因而改变其运动磁场的周期,达到 平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现,使得复杂的调速控制简单化,用变 频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工 作,缩小了体积,降低了维修率,使传动技术发展到新阶段。变频器可以优化电 机运行,所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业 ABB 的测算,单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省 1150 亿千瓦时电力,相应减少 9,700 万吨二氧化碳排放,这已经超过芬兰一年 的二氧化碳排放量。4 变频器的组成变频器通常分为 4 部分:整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。 高容量电容存储转换后的 电能。 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关, 将直流电转化成不同频率、 宽度、幅度的方波。控制器按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使 叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流电动机。5 变频器控制方式低压通用变频输出电压为 380~650V,输出功率为 0.75~400kW,工作频率 为 0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 (1)U/f=C 的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、 成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业 的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低, 转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性 终究没有
直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统 性能不高、 控制曲线会随负载的变化而变化, 转矩响应慢、 电机转矩利用率不高, 低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人 们又研究出矢量控制变频调速。 (2)电压空间矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前 提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形, 以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率 补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的 影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较 多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。 (3)矢量控制(VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相 坐标系下的定子电流 Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标 系下的交流电流 Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐 标系下的直流电流 Im1、It1(Im1 相当于直流电动机的励磁电流;It1 相当于与 转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电 动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转 子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交 或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于 转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动 机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂, 使得实际的控制效果难以达到理想分析 的结果。 (4)直接转矩控制(DTC)方式 1985 年,德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授 首次提出了直接转矩控制变频技术。 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的 不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅 速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直 接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型, 控制电动机的磁链 和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中 的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流 电动机的数学模型。矩阵式交—交控制方式,VVVF 变频、矢量控制变频、直接 转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共
同缺点是输入功率因数低,谐 波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进 行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去 了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成 熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量, 而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁 链观测器,实现无速度传感器方式;自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对 电机参数自动识别;算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出 实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;实现 Band—Band 控制按磁链 和转矩的 Band—Band 控制产生 PWM 信号,对逆变器开关状态进行控制。矩阵式 交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无 pg="" 反馈),="">2ms),很高的速度精度(±2%,无><+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时 (包括="" 0="" 速度时),可输出="" 150%~200%转矩。6="" 变频器的分类="" 变频器的分类="" 6.1="" 按变换的环节分类(1)交-直-交变频器="" 交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直="" 流,然后再把直流变换成频率电压可调的交流,又称间接式变频器,是目前广泛="" 应用的通用型变频器。="" (2)交-交变频器="" 交-交变频器是将工频交流直接变换成频率电压可调的="" 交流,又称直接式变频器;6.2="" 按直流电源性质分类(1)电压型变频器="" 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大="" 电容,负载的无功功率将由它来缓冲,直流电压比较平稳,直流电源内阻较小,="" 相当于电压源,故称电压型变频器,常选用于负载电压变化较大的场合。="" (2)电流型变频器="" 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压接近正弦波,由于该直流内="" 阻较大,故称电流源型变频器(电流型)="" 。电流型变频器的特点(优点)是能扼="" 制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。6.3="" 按照工作原理分类可以分为="" v/f="" 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;6.4="" 按照开关方式分类可以分为="" pam="" 控制变频器、pwm="" 控制变频器和高载频="" pwm="" 控制变频器;6.5="" 按照用途分类可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相="">+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时>
同缺点是输入功率因数低,谐 波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进 行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去 了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成 熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量, 而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁 链观测器,实现无速度传感器方式;自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对 电机参数自动识别;算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出 实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;实现 Band—Band 控制按磁链 和转矩的 Band—Band 控制产生 PWM 信号,对逆变器开关状态进行控制。矩阵式 交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无 pg="" 反馈),="">2ms),很高的速度精度(±2%,无><+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时 (包括="" 0="" 速度时),可输出="" 150%~200%转矩。6="" 变频器的分类="" 变频器的分类="" 6.1="" 按变换的环节分类(1)交-直-交变频器="" 交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直="" 流,然后再把直流变换成频率电压可调的交流,又称间接式变频器,是目前广泛="" 应用的通用型变频器。="" (2)交-交变频器="" 交-交变频器是将工频交流直接变换成频率电压可调的="" 交流,又称直接式变频器;6.2="" 按直流电源性质分类(1)电压型变频器="" 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大="" 电容,负载的无功功率将由它来缓冲,直流电压比较平稳,直流电源内阻较小,="" 相当于电压源,故称电压型变频器,常选用于负载电压变化较大的场合。="" (2)电流型变频器="" 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压接近正弦波,由于该直流内="" 阻较大,故称电流源型变频器(电流型)="" 。电流型变频器的特点(优点)是能扼="" 制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。6.3="" 按照工作原理分类可以分为="" v/f="" 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;6.4="" 按照开关方式分类可以分为="" pam="" 控制变频器、pwm="" 控制变频器和高载频="" pwm="" 控制变频器;6.5="" 按照用途分类可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相="">+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时>
分类,按控制方式分类,按 主开关元器件分类,按输入电压高低分类。6.6 按变频器调压方法PAM 变频器是一种通过改变电压源 Ud 或电流源 Id 的幅值进行输出控制的。 PWM 变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲,其等值 电压为正弦波,波形较平滑。6.7 按工作原理分U/f 控制变频器(VVVF 控制) 、SF 控制变频器(转差频率控制) 、VC 控制变 频器(Vectory Control 矢量控制)。6.8 按电压等级分类可分为高压变频器、中压变频器、低压变频器。7 变频器节能效果(1)调速节能 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生 产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电 机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率 的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或 出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消 耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降 低泵或风机的转速即可满足要求。由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H (压力) ,流量 Q 与转速 N 的一次方成正比,压力 H 与转速 N 的平方成正比,功 率 P 与转速 N 的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转 速 N 可成比例的下降,而此时轴输出功率 P 成立方关系下降。即水泵电机的耗电 功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量 Q 减少时,可调节变频器 输出频率使电动机转速 n 按比例降低。这时,电动机的功率 P 将按三次方关系大 幅度地降低,比调节挡板、阀门节能 40%一 50%,从而达到节电的目的。以上 海正艺信息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来 说:一台离心泵电机功率为 55 千瓦,当转速下降到原转速的 4/5 时,其耗电量 为 28.16 千瓦, 省电 48.8%, 当转速下降到原转速的 l/2 时, 其耗电量为 6.875千瓦,省电 87.5%。 (2)功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的 是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中, 设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容 的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。 (3)软启动节能 电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容 量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、 管路的使用寿命极为不
利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将 使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电 容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。Variable-frequency driveA variable-frequency drive (VFD) is a system for controlling the rotational speed of an alternating current (AC) electric motor by controlling the frequency of the electrical power supplied to the motor. A variable frequency drive is a specific type of adjustable-speed drive. Variable-frequency drives are also known as adjustable-frequency drives (AFD), variable-speed drives (VSD), AC drives, microdrives or inverter drives. Since the voltage is varied along with frequency, these are sometimes also called VVVF (variable voltage variable frequency) drives.variable-frequency drive1 VFD types All VFDs use their output devices (IGBTs, transistors, thyristors) only as switches, turning them only on or off. Using a linear device such as a transistor in its linear mode is impractical for a VFD drive, since the power dissipated in the drive devices would be about as much as the power delivered to the load. Drives can be classified as: Constant voltage Constant current CycloconverterIn a constant voltage converter, the intermediate DC link voltage remains approximately constant during each output cycle. In constant current drives, a large inductor is placed between the input rectifier and the output bridge, so the current delivered is nearly constant. A cycloconverter has no input rectifier or DC link and instead connects each output terminal to the appropriate input phase. The most common type of packaged VF drive is the constant-voltage type, using pulse width modulation to control both the frequency and effective voltage applied to the motor load. 2 VFD system description A variable frequency drive system generally consists of an AC motor, a controller and an operator interface. 2.1 VFD motor The motor used in a VFD system is usually a three-phase induction motor. Some types of single-phase motors can be used, but three-phase motors are usually preferred. Various types of synchronous motors offer advantages in some situations, but induction motors are suitable for most purposes and are generally the most economical choice. Motors that are designed for fixed-speed operation are often used. Certain enhancements to the standard motor designs offer higher reliability and better VFD performance, such as MG-31 rated motors. 2.2 VFD controller Variable frequency drive controllers are solid state electronic power conversion devices. The usual design first converts AC input power to DC intermediate power using a rectifier or converter bridge. The rectifier is usually a three-phase, full-wave-diode bridge. The DC intermediate power is then converted to quasi-sinusoidal AC power using an inverter switching circuit. The inverter circuit is pro
bably the most important section of the VFD, changing DC energy into three channels of AC energy that can be used by an AC motor. These units provide improved power factor, less harmonic distortion, and low sensitivity to the incoming phase sequencing than older phase controlled converter VFD's. Since incoming power is converted to DC, many units will accept single-phase as well as three-phase input power (acting as a phaseconverter as well as a speed controller); however the unit must be derated when using single phase input as only part of the rectifier bridge is carrying the connected load. As new types of semiconductor switches have been introduced, these have promptly been applied to inverter circuits at all voltage and current ratings for which suitable devices are available. Introduced in the 1980s, the insulated-gate bipolar transistor (IGBT) became the device used in most VFD inverter circuits in the first decade of the 21st century. AC motor characteristics require the applied voltage to be proportionally adjusted whenever the frequency is changed in order to deliver the rated torque. For example, if a motor is designed to operate at 460 volts at 60 Hz, the applied voltage must be reduced to 230 volts when the frequency is reduced to 30 Hz. Thus the ratio of volts per hertz must be regulated to a constant value (460/60 = 7.67 V/Hz in this case). For optimum performance, some further voltage adjustment may be necessary especially at low speeds, but constant volts per hertz is the general rule. This ratio can be changed in order to change the torque delivered by the motor. In addition to this simple volts per hertz control more advanced control methods such as vector control and direct torque control (DTC) exist. These methods adjust the motor voltage in such a way that the magnetic flux and mechanical torque of the motor can be precisely controlled. The usual method used to achieve variable motor voltage is pulse-width modulation (PWM). With PWM voltage control, the inverter switches are used to construct a quasi-sinusoidal output waveform by a series of narrow voltage pulses with pseudosinusoidal varying pulse durations. Operation of the motors above rated name plate speed (base speed) is possible, but is limited to conditions that do not require more power than nameplate rating of the motor. This is sometimes called "field weakening" and, for AC motors, means operating at less than rated volts/hertz and above rated name plate speed. Permanent magnet synchronous motors have quite limited field weakening speed range dueto the constant magnet flux linkage. Wound rotor synchronous motors and induction motors have much wider speed range. For example, a 100 hp, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM (4 pole) induction motor supplied with 460 V, 75 Hz (6.134 V/Hz), would be limited to 60/75 = 80% torque at 125% speed (2218.75 RPM) = 100% power. At higher speeds the induction motor torque has to be limited further due to the lowering of the breaka
way torque of the motor. Thus rated power can be typically produced only up to 130……150 % of the rated name plate speed. Wound rotor synchronous motors can be run even higher speeds. In rolling mill drives often 200……300 % of the base speed is used. Naturally the mechanical strength of the rotor and lifetime of the bearings is also limiting the maximum speed of the motor. It is recommended to consult the motor manufacturer if more than 150 % speed is required by the application. PWM VFD Output Voltage Waveform An embedded microprocessor governs the overall operation of the VFD controller. The main microprocessor programming is in firmware that is inaccessible to the VFD user. However, some degree of configuration programming and parameter adjustment is usually provided so that the user can customize the VFD controller to suit specific motor and driven equipment requirements. 2.3 VFD operator interface The operator interface provides a means for an operator to start and stop the motor and adjust the operating speed. Additional operator control functions might include reversing and switching between manual speed adjustment and automatic control from an external process control signal. The operator interface often includes an alphanumeric display and/or indication lights and meters to provide information about the operation of the drive. An operator interface keypad and display unit is often provided on the front of the VFD controller as shown in the photograph above. The keypad display can often be cable-connected and mounted a short distance from the VFD controller. Most are also provided with input and output (I/O) terminals for connecting pushbuttons, switches and other operator interface devices or control signals. A serial communicationsport is also often available to allow the VFD to be configured, adjusted, monitored and controlled using a computer.[8][14][15] 3 VFD operation When an induction motor is connected to a full voltage supply, it draws several times (up to about 6 times) its rated current. As the load accelerates, the available torque usually drops a little and then rises to a peak while the current remains very high until the motor approaches full speed. By contrast, when a VFD starts a motor, it initially applies a low frequency and voltage to the motor. The starting frequency is typically 2 Hz or less. Thus starting at such a low frequency avoids the high inrush current that occurs when a motor is started by simply applying the utility (mains) voltage by turning on a switch. After the start of the VFD, the applied frequency and voltage are increased at a controlled rate or ramped up to accelerate the load without drawing excessive current. This starting method typically allows a motor to develop 150% of its rated torque while the VFD is drawing less than 50% of its rated current from the mains in the low speed range. A VFD can be adjusted to produce a steady 150% starting torque from standstill right up to full sp
d. Note, however, that cooling of the motor is usually not good in the low speed range. Thus running at low speeds even with rated torque for long periods is not possible due to overheating of the motor. If continuous operation with high torque is required in low speeds an external fan is usually needed. The manufacturer of the motor and/or the VFD should specify the cooling requirements for this mode of operation. In principle, the current on the motor side is in direct proportion of the torque that is generated and the voltage on the motor is in direct proportion of the actual speed, while on the network side, the voltage is constant, thus the current on line side is in direct proportion of the power drawn by the motor, that is U.I or C.N where C is torque and N the speed of the motor (we shall consider losses as well, neglected in this explanation). With a VFD, the stopping sequence is just the opposite as the starting sequence. The frequency and voltage applied to the motor areramped down at a controlled rate. When the frequency approaches zero, the motor is shut off. A small amount of braking torque is available to help decelerate the load a little faster than it would stop if the motor were simply switched off and allowed to coast. Additional braking torque can be obtained by adding a braking circuit (resistor controlled by a transistor) to dissipate the braking energy. With 4-quadrants rectifiers (active-front-end), the VFD is able to brake the load by applying a reverse torque and reverting the energy back to the network. 4 Power line harmonics While PWM allows for nearly sinusoidal currents to be applied to a motor load, the diode rectifier of the VFD takes roughly square-wave current pulses out of the AC grid, creating harmonic distortion in the power line voltage. When the VFD load size is small and the available utility power is large, the effects of VFD systems slicing small chunks out of AC grid generally go unnoticed. Further, in low voltage networks the harmonics caused by single phase equipment such as computers and TVs are such that they are partially cancelled by three-phase diode bridge harmonics. However, when either a large number of low-current VFDs, or just a few very large-load VFDs are used, they can have a cumulative negative impact on the AC voltages available to other utility customers in the same grid. When the utility voltage becomes misshapen and distorted the losses in other loads such as normal AC motors are increased. This may in the worst case lead to overheating and shorter operation life. Also substation transformers and compensation capacitors are affected, the latter especially if resonances are aroused by the harmonics. In order to limit the voltage distortion the owner of the VFDs may be required to install filtering equipment to smooth out the irregular waveform. Alternately, the utility may choose to install filtering equipment of its own at substations affected by the large amount of VFD equipmen
ent being used. In high power installations decrease of the harmonics can be obtained by supplying the VSDs from transformers that have different phase shift.Further, it is possible to use instead of the diode rectifier a similar transistor circuit that is used to control the motor. This kind of rectifier is called active infeed converter in IEC standards. However, manufacturers call it by several names such as active rectifier, ISU (IGBT Supply Unit), AFE (Active Front End) or four quadrant rectifier. With PWM control of the transistors and filter inductors in the supply lines the AC current can be made nearly sinusoidal. Even better attenuation of the harmonics can be obtained by using an LCL (inductor-capacitor-inductor) filter instead of single three-phase filter inductor. Additional advantage of the active infeed converter over the diode bridge is its ability to feed back the energy from the DC side to the AC grid. Thus no braking resistor is needed and the efficiency of the drive is improved if the drive is frequently required to brake the motor. 5 Application considerations The output voltage of a PWM VFD consists of a train of pulses switched at the carrier frequency. Because of the rapid rise time of these pulses, transmission line effects of the cable between the drive and motor must be considered. Since the transmission-line impedance of the cable and motor are different, pulses tend to reflect back from the motor terminals into the cable. The resulting voltages can produce up to twice the rated line voltage for long cable runs, putting high stress on the cable and motor winding and eventual insulation failure. Increasing the cable or motor size/type for long runs and 480v or 600v motors will help offset the stresses imposed upon the equipment due to the VFD (modern 230v single phase motors not effected). At 460 V, the maximum recommended cable distances between VFDs and motors can vary by a factor of 2.5:1. The longer cables distances are allowed at the lower Carrier Switching Frequencies (CSF) of 2.5 kHz. The lower CSF can produce audible noise at the motors. For applications requiring long motor cables VSD manufacturers usually offer du/dt filters that decrease the steepness of the pulses. For very long cables or old motors with insufficient winding insulation more efficient sinus filter is recommended. Expect the older motor's life to shorten. Purchase VFD rated motors for the application.Further, the rapid rise time of the pulses may cause trouble with the motor bearings. The stray capacitance of the windings provide paths for high frequency currents that close through the bearings. If the voltage between the shaft and the shield of the motor exceeds few volts the stored charge is discharged as a small spark. Repeated sparking causes erosion in the bearing surface that can be seen as fluting pattern. In order to prevent sparking the motor cable should provide a low impedance return path from the motor frame back to the
inverter. Thus it is essential to use a cable designed to be used with VSDs. In big motors a slip ring with brush can be used to provide a bypass path for the bearing currents. Alternatively isolated bearings can be used. The 2.5 kHz and 5 kHz CSFs cause fewer motor bearing problems than the 20 kHz CSFs. Shorter cables are recommended at the higher CSF of 20 kHz. The minimum CSF for synchronize tracking of multiple conveyors is 8 kHz. The high frequency current ripple in the motor cables may also cause interference with other cabling in the building. This is another reason to use a motor cable designed for VSDs that has a symmetrical three-phase structure and good shielding. Further, it is highly recommended to route the motor cables as far away from signal cables as possible. 6 Available VFD power ratings Variable frequency drives are available with voltage and current ratings to match the majority of 3-phase motors that are manufactured for operation from utility (mains) power. VFD controllers designed to operate at 111 V to 690 V are often classified as low voltage units. Low voltage units are typically designed for use with motors rated to deliver 0.2 kW or 1/4 horsepower (hp) up to several megawatts. For example, the largest ABB ACS800 single drives are rated for 5.6 MW . Medium voltage VFD controllers are designed to operate at 2,400/4,162 V (60 Hz), 3,000 V (50 Hz) or up to 10 kV. In some applications a step up transformer is placed between a low voltage drive and a medium voltage load. Medium voltage units are typically designed for use with motors rated to deliver 375 kW or 500 hp and above. Medium voltage drivesrated above 7 kV and 5,000 or 10,000 hp should probably be considered to be one-of-a-kind (one-off) designs. Medium voltage drives are generally rated amongst the following voltages : 2,3 KV - 3,3 Kv - 4 Kv - 6 Kv - 11 Kv. The in-between voltages are generally possible as well. The power of MV drives is generally in the range of 0,3 to 100 MW however involving a range a several different type of drives with different technologies. 7 Dynamic braking Using the motor as a generator to absorb energy from the system is called dynamic braking. Dynamic braking stops the system more quickly than coasting. Since dynamic braking requires relative motion of the motor's parts, it becomes less effective at low speed and cannot be used to hold a load at a stopped position. During normal braking of an electric motor the electrical energy produced by the motor is dissipated as heat inside of the rotor, which increases the likelihood of damage and eventual failure. Therefore, some systems transfer this energy to an outside bank of resistors. Cooling fans may be used to protect the resistors from damage. Modern systems have thermal monitoring, so if the temperature of the bank becomes excessive, it will be switched off. 8 Regenerative variable-frequency drives Regenerative AC drives have the capacity to recover the braking energy of an over
hauling load and return it to the power system. Line regenerative variable frequency drives, showing capacitors(top cylinders)and inductors attached which filter the regenerated power. Cycloconverters and current-source inverters inherently allow return of energy from the load to the line; voltage-source inverters require an additional converter to return energy to the supply. Regeneration is only useful in variable-frequency drives where the value of the recovered energy is large compared to the extra cost of a regenerative system and if the system requires frequent braking and starting. An example would be use in conveyor belt during manufacturing where it should stop for every few minutes, so that the parts can be assembled correctly and moves on. Another example is a crane, where the hoist motor stops and reverses frequently, and braking is required to slowthe load during lowering. Regenerative variable-frequency drives are widely used where speed control of overhauling loads is required. 9 Brushless DC motor drives Much of the same logic contained in large, powerful VFDs is also embedded in small brushless DC motors such as those commonly used in computer fans. In this case, the chopper usually converts a low DC voltage (such as 12 volts) to the three-phase current used to drive the electromagnets that turn the permanent magnet rotor.1
范文二:变频器论文
变
频
器
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外
围
设
备
的
选
择
论
文
学院:机电学院 专业:电气自动化 班级:电气201402班姓名:王同辉 时间:2016/5/19
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
众所周知,变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件,在控制上则采用的是PWM控制方式,这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外,还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变,产生无线电干扰电波,它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。所以,深入了解交流传动与控制技术的走向,对我们的学习工作具有十分积极的意义。
1.变频器的发展起步
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:
调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。
2. 矩阵式交—交变频器产生的背景
矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大。
一、变频器的发展、组成及原理
(一)变频器的概述
直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标,因此,在过去很长时期内,调速传动领域大多为直流电动机调速系统。
如今,由于全控型电力电子器件(如BJT、IGBT)的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用,使得交流调速的性能获得极大的提高,在许多方面已经可以取代直流调速系统,特别是各类通用变频器的出现,使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流
人们所说的交流调速传动,主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案,例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等,虽然仍在特定场合有一定的应用,但由于其性能较差,终将会被变频调速所取代。
交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速,和如下一些关键性技术的突破性进展有关,它们是电力电子器件(包括半控型和全控型器件)的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM(Pulse Width
Modulation)技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。
(二)直流电动机与交流电动机的比较
众所周知,直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内,调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第4页 直流电动机虽有调速性能好的优越,但也有一些固有的难于克服的缺点,主要是机械式换向器带来的弊端。 交流电动机的优点
容量、电压、电流和转速的上限,不像直流电动机那样受限制;结构简单、造价低;坚固耐用,事故率低,容易维护。
(三)通用变频器的发展
60年代中期,普通晶闸管、小功率晶体管的实用化,使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统)等先后实现了实用化,使变频调速开始成为交流调速的主流
此后的20多年中,电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。
(1)变频装置的大容量化
对一些大型生产机械的主传动,直流电动机在容量等级方面已接近极限值,采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。
为了适应大容量的高压电动机,采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机,发展较迅速。
(2)主开关器件的自关断化
近十几年,大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速,其中“门极关断晶闸管(GTO)、双极晶体管(BJT)/电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”的发展最快,实用化的程度也最高。
毕 业 论 文 正 文 第4页 直流电动机虽有调速性能好的优越,但也有一些固有的难于克服的缺点,主要是机械式换向器带来的弊端。 交流电动机的优点
容量、电压、电流和转速的上限,不像直流电动机那样受限制;结构简单、造价低;坚固耐用,事故率低,容易维护。
(三)通用变频器的发展
60年代中期,普通晶闸管、小功率晶体管的实用化,使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统)等先后实现了实用化,使变频调速开始成为交流调速的主流
此后的20多年中,电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。
(1)变频装置的大容量化
对一些大型生产机械的主传动,直流电动机在容量等级方面已接近极限值,采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。
为了适应大容量的高压电动机,采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机,发展较迅速。
(2)主开关器件的自关断化
近十几年,大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速,其中“门极关断晶闸管(GTO)、双极晶体管(BJT)/电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”的发展最快,实用化的程度也最高。
采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路,既可以减小装置体积,又降低了开关损耗提高了效率。同时,由于开关频率哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第5页 又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。据统计,目前变频器中的开关器件,容量为 1500kW以下的采用IGBT;1000~7500kW的采用GTO。
(3)变频装置的高性能化
早期的变频调速系统,基本上是采用U/F控制,无法得到快速的转矩响应,低速特性也不好(负载能力差)。
1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值(电压、电流、频率的量值)进行控制的方法,实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法,实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制,可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。
(4)PWM技术的应用 PWM:(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术。
自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。
PWM技术用于变频器的控制,可以改善变频器的输出波形,降低电动机的谐波损耗,并减小转矩脉动,同时还简化了逆变器的结构,加快了调节速度,提高了系统的动态响应性能。
PWM技术除了用于逆变器的控制,还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功,利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为
1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。
(四)变频器的组成与分类
电压型变频器主电路包括:整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组,交-直-交型变频器结构见附图1
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毕 业 论 文 正 文 第6页 用单相全波整流桥电路;380V系列采用桥式全波整流电路。
(2)中间滤波电路:整流后的电压为脉动电压,必须加以滤波;滤波电容CF除滤波作用外,还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素,由于该大电容储存能量,在断电的短时间内电容两端存在高压电,因而要在电容充分放电后才可进行操作。
(3)限流电路:由于储能电容较大,接入电源时电容两端电压为零,因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大,过大的电流会损坏整流桥二极管,为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流,当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。
(4)逆变电路: 逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电,是变频器的核心部分。常用逆变模块有:GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等,一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。
(5)续流二极管D1~D6:其主要作用为:
a.电机绕组为感性具有无功分量,VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道
b.当电机处于制动状态时,再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。 c.V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止,在换相过程中也需要D1~D6提供通路。
(6)缓冲电路
由于逆变管V1~V6每次由导通切换到截止状态的瞬间,C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD,这过高的电压增长率可能会损坏逆变管,吸收电容的作用便是降低V1~V6关断时的电压增长率。
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毕 业 论 文 正 文 第7页 电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速(n=60f/P)而处于再生制动(发电)状态,拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线(滤波电容两端)电压UD不断上升(即所说的泵升电压),这样变频器将会产生过压保护,甚至可能损坏变频器,因而需将反馈能量消耗掉,制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成,其功能是用来控制流经RB的放电电流IB
(五)变频器的基本分类
变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种:交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节(或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”),来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均
可调的交流电,所以称为直接式变频器。交流电变换为直流电,经过中间直流环节之后,再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电,故又称为间接式变频器。
1.交-直-交变频器(间接式变频器)分类
按直流电源的性质分类
交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性,可以将其划分为电压(源)型或电流(源)型。
当逆变器输出侧的负载为交流电动机时,在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感,据此,变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。
2.电流型变频器
电流型变频器主电路的典型构成方式如图。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,无功功率将由该电感来缓冲。
(1)“电流型变频器”的名称由来:
由于电感的作用,直流电流Id趋于平稳,电动机的电流波形为方波或阶梯波,电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大,近似于电流源,故称为电流源型变频器或电流型变频器。
(2)电流型变频器优点:
电流型变频器的一个较突出的优点是,当电动机处于再生发电状态哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第9页 路内附加任何设备,只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性(控制角a>900)即可。(2)“电压型变频器”的名称由来:
由于大电容的作用,主电路直流电压Ed比较平稳,电动机端的电压为方波或阶梯波,电流波形与负载的阻抗角有关。直流电源内阻比较小,相当于电压源,故称为电压源型变频器或电压型变频器。
(3)按输出电压调节方式分类
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毕 业 论 文 正 文 第10页 机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式:
PAM:脉冲幅值调节(Pulse Amplitude Modulation) PWM:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)
脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。 在
PAM变频器中,逆变器只负责调节输出频率,而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压
Ed去实现。
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(3)应用场合:
电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
3.电压型变频器
电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。
变频器的每个导电臂,均由一个可控开关器件和一个不控器件(二极管)反并联组成。晶闸管VT1~VT6称为主开关器件,VD1~VD6称为回馈二极管。 (1)电路的特点是,中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲。(六)变频器的基本原理 变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路,主电路中的整流器将交流电转变为直流电,直流中间电路将直流电进行平滑滤波,逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电,部分变频器还会在电路内加入CPU等部件,来进行必要的转矩运算。
图 交一直一交变频器主电路
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1.单项桥式逆变器基本的工作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。 哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第12页
S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正。
S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压uo为负。
逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率
电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同。 阻感负载时,io
相位滞后于uo
,波形也不同。
a)b)
图 逆变电路及其波形举例
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适当的门极驱动信号就可使器件开通。
关断:
①全控型器件可通过门极关断。
②半控型器件晶闸管,必须利用外部条件才能关断。
③一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压,才能关断。 ④研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
2.三相电压型逆变电路;
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变电路
图 三相电压型桥式逆变电路
基本工作方式——180°导电方式
每桥臂导电180°,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电的角度差120 °
。
任一瞬间有三个桥臂同时导通。
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每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。
(七) 变频器的前景展望
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分哈尔滨职业技术学院印制
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1.变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后,形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上,利用逆变器功率元件的通断控制,使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里,通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值;通过改变调制周期控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制,而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波,使负载电机在近正弦波的交变电压下运行,转矩脉冲小,调速范围宽。
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采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲,一般不超过7000r/rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右,这样大大提高了快速增速和减速能力。同时,由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用,因而可以获得比PWM更高的效率。此外,在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性,可抑制高次谐波的生成,减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后,电机定子电流下降64% ,电源频率降低
30% ,出胶压力降低57% 。由电机理论可知,异步电机的转速可表示为:
n=60·f 8(1—8)/p
f s为电机定子频率(也即是电网频率),P电机定子的绕组极对数,s为转差率。由上式可知,只要转差率不太大,可以近似认为转速n与f s成哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第16页 范围的连续平滑调速。例如一个额定转速3000转/分的电动机,由变频器供电,若启动频率设定为5HZ,那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上,则电动机可以运行在30o——3000转/分之间的任一转速上·电动机由市电启动,启动平衡,力矩大又节能。
50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电,再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流— —直流— —交流的变换,所以这类变频器称作交— —直—— 交类变频器。
2. 我国变频器技术的发展及应用概况
(1)变频器的发展
随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存,直流电机的维护量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是,从20世纪30年代开始,人们致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。在相当长的时期内,直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后,特别是70年代以来,电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前,交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。
变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来,变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备,得到了快速发展和广泛的应用。
①、变频器与节能
变频器产生的最初用途是速度控制,但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国,能源利用率很低,而能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中,60—70%为动力电,而在总容量为5.8亿
千瓦的电动机总容量中,只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析,在中国,带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施,并着重推荐了变频调速技术。 应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的节电效果非常可观。与此类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量,故设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力巨大。 作为节能目的,变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例,由于中国大面积缺电,电力投资将持续增长,同时,国家电改方案对电厂的 电力行业有着巨大的发展潜力,尤其是高压变频器和大功率变频器。 ②、变频器与工艺控制(速度控制)
目前,中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不高,因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。 ③、变频家电
除了工业相关行业,在普通家庭中,节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注,变频家电成为变频器的另一个广阔市场
和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等,在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。 20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。
20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。 首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。
在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。
3. 国内变频技术的现状和发展前景
国内已经有较多的变频器生产厂,但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器,使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载,变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性,国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频
器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多,由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产,工艺欠佳,检测手段有限,品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器,国外的产品比国内的产品品质要好,这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业,至今在国内这仍是一个空白。
变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来,国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用,在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持,组织了变频调速技术的评测推荐工作,并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向,同时鼓励单位开展同贷同还方式,抓开发、抓示范工程、抓推广应用,还处理了风机、水泵节能中心,开展信息咨询和培训。1995—1997年,3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元,改造总容量达100万千瓦,可年节电7亿度,平均投资回收期约2年。据有关资料表明,我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩,每年有数十亿元的销售额,说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制,与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统,先进控制与优化技术,大型成套哈尔滨职业技术学院印制 毕 业 论 文 正 文 第20页 纤生产线、建材生产线等,变频器的作用是电气传动控制,其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求,已经完全取代了直流调速技术。近年来,变频器在功能上,利用先进的控制理论,开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能,
使应用系统的构成更加方便和容易,使变频器的应用技术提高到一个新的水平。
(八)本章小结
变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业,采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益,同时这也是国民经济可持续发展的需要。
(一)变频器的选择
品牌的选择 目前,国内市场上的变频器品牌多达上百种,应根据项目的预算,项目要求和个人熟悉程度等多种因素综合考虑品牌和型号。就市场占有量来说,日本的东芝、三菱、富士、松下等大公司是世界上重要的变频器生产厂家,在我国有较大的市场份额;ABB、西门子、施耐德等欧美品牌也相继进入中国;LG、三星、现代重工等韩国的后起之秀也在争夺中国市场;当然,国内的台达、台安、时代、康沃等公司也占有一席之地。总体而言,欧美国家的产品以性能先进、环境适应能力强而著称;日本产品以外型小巧、功能丰富而闻名;我国港澳台的产品以功能简单实用而流行;大陆产品则以价格低廉、功能专用、简单而广泛应用。
1. 类型的选择
工业中使用的变频器可以分为通用变频器和专用变频器两大类,主要技术指标有:控制方式、启动转矩、转矩和转速控制精度、控制信号
种类、速度控制方式、通信借口等等。变频器的操作方式灵活,接口易和上位机通信,从实际应用角度看,中小型容量的变频器以U/f控制方式为主,属于通用型变频器,还有一类具有矢量控制功能的变频器,性能好、价格高,但价格也比U/f控制的要贵的多;而直接转矩控制方式的变频器动态性能好,转矩控制精度高,代表了当代变频器技术的最高水平。
2.其它应考虑的问题
( 1)选择合适的容量:应以电动机的额定电流和负载特性为依据,总的负载电流不超过变频器的额定电流,频繁工作或重载时可增大容量。
降转矩负载三种类型。风机类、泵类负载属于降转矩负载特性,一般宜采用具有U/f恒压频比控制的变频器;提升机、吊车、注塑机、运输机、传送带、搅拌机等摩擦类负载和位能负载基本属于恒转矩负载,采用具有转矩控制功能的高功能型变频器是比较理想的;金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等都属于恒功率负载,可采用变极电动机与变频器相结合或者机械变速与变频器结合的方法实现。
(3)专用变频器:注塑机、抽油机、纺织机械、电梯、风机、水泵、空调、矿山机械等领域,可选择在本行业有应用特长的专用变频器,往往有意想不到的效果。
(二)变频器的安装
(1) 墙挂式安装:变频器与周围物体之间的距离应满足两个条件:两侧≥100mm上下≥150mm。
(2)柜式安装:单台变频器安装应尽量采用柜外冷却方式(环境比较洁净,尘埃少时);单台变频器采用柜内冷却方式时,应在柜顶安装抽风式冷却风扇,并尽量装在变频器的正上方;多台变频器安装应尽量并列安装,如必须采用纵向方式安装,应在两台变频器间加装隔板,不论哪种方式,变频器应垂直安装。
(三)工作环境的要求:
为了保证安全可靠,使用时应留有余地。一般,变频器的工作温度应控制在0~40℃;运行中的环境温度允许值多为-10~50℃;周围环境的湿度推荐为40%~90%;安装场所的海拔高度为1000m以下,海拔越高,还应注意周围用电设备的电磁干扰和因雷击等自然因素引起的环境问题。
(四)本章小结
据统计,工业用电中60%~70%的电量被电动机所消耗,而这些电中,又有约90%被三相交流异步电动机所消耗,可见电动机用量之大。变频器的出现,使得交流电动机调速困难、交变速设备结构复杂且效率和可靠性不尽人意的缺点得以改善。在我国,变频器已在各行各业得到推广应用,基于变频器的交流电机变频调速系统具有调速方便、体积小、噪声小、能耗低、保护功能完善、组态灵活、可靠性强、智能化、数字化、网络化、易维护等特点,每年以20%的递增量在
发展。因此,合理的使用和维护变频器对自动化工程人员来说至关重要。
三、变频器的维护
变频器由许多集成芯片,电子元器件等组成,装置较为复杂,寿命一般小于10年,使用过程中不可避免的会出现各种故障,正确的维护,简单的检修可保证生产生活的正常进行。
(一) 变频器外部引起的故障
1. 变频器的工作环境
温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,可安装散热装置并避免日光直射以避免温度过高;振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,可安装在振动冲击较小的部位或者采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等会造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路,可对控制柜进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构。
2. 外部的电磁感应干扰
外部的电磁感应干扰可能会引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。可采用以下方法抑制噪声干扰: ①采用屏蔽线回路②接地端子单独使用;③缩短控制回路的配线距离④周围的继电器、接触器线圈上加装RC吸收器;⑤输入端安装噪声滤波器。
3. 电源异常
为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也有相应的要求。如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,应和变频器供电系统分离,减
小相互影响。对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适价格的变频器外,还应预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。对于要求不能停止运行的设备。
4. 雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,断路器开闭也能产生较高的冲击电压。变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时,应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。如变压器一次侧有真空断路器,因在控制顺序上应在真空断路器动作前先将变频器断开。
(二)变频器内部引起的故障
1.参数设置引起的故障
应多注意电动机参数、变频器控制方式和启动方式的设定等,若发生参数设置故障,可根据故障代码或产品说明书进行参数修改,必要时可恢复出厂值,重新设置。
2.过电流和过载
如果变频器一上电就报过流故障,可能是整流桥或逆变管损坏,需予以更换;若去掉电动机不再报警,可能是变频器和电机间存在断路;
若运行中,出现机械卡死、重载、加速时间设置过短或负载突变也有可能引起过流,应从上述可能性逐一排查。
3. 过电压和欠电压
过电压主要体现为电机拖动大惯性负载或多电机拖动同一负载时由于负荷分配不均引起;欠电压主要由电源电压过低或缺相、一个直流母线上的电压过低或欠压检测元件出现问题引起,可检查供电电压是否正常,更换故障元件或维修相应检测电路应注意变频器的环境温度,尽量通风,检查变频器风扇等。
(三) 本章小结
不同厂家对变频器的操作方法设定略有差异,但就其工作模式主要有面板操作模式和外部操作模式。要合理使用变频器,应多参考变频器厂家提供的使用手册,在实际应用中多积累经验。 本文后面将具体分析几个故障。
(一)变频器过电压的危害
变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压,中间直流回路过电压主要危害在于:(1)引起电动机磁路饱和。对于电动机来说,电压主过高必然使电机铁芯磁通增加,可能导致磁路饱和,励磁电流过大,从面引起电机温升过高;(2)损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后,变频器输出电压的脉冲幅度过大,对电机绝缘寿命有很大的影响;(3)对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响,严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定
在DC800V左右,一旦其电压超过限定值,变频器将按限定要求跳闸保护。
(二)产生变频器过电压的原因
1.过电压的原因
一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面:
(1)来自电源输入侧的过电压
通常情况下的电源电压为380V,允许误差为-5%-+10%,经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V,个别情况下电源线电压达到450V,其峰值电压也只有636V,并不算很高,一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压,如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等,主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
(2)来自负载侧的过电压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时,即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态,负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能,通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态,如果变频器中的电压上升。达到限值即行跳闸。
2.变频器负载侧引起过电压的情况及主要原因
从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如
(1)变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。当变频器拖动大惯性负载时,其减速时间设定的比较小,
在减速过程中,变频器输出频率下降的速度比较快,而负载惯性比较大,靠本身阻力减速比较慢,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于发电状态,而变频器没下:有能量处理单元或其作用有限,因而导致变频器中间直流回路电压升高,超出保护值,就会出现过电压跳闸故障。
大多数变频器为了避免跳闸,专门设置了减速过电压的自处理功能,如果在减速过程中,直流电压超过了设定的电压上限值,变频器的输出频率将不再下降,暂缓减速,待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适,又没有利用减速过电压的自处理功能,就可能出现此类故障。
(2)工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了负载的减速时间,合理设定相关参数也不能减缓这一故障,系统也没有采取处理多余能量的措施,必然会引发过压跳闸故障。
(3)当电动机所传动的位能负载下放时,电动机将处于再生发电制动状态。位能负载下降过快,过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力,过电压故障也会发生。
(4)变频器负载突降。变频器负载突降会使负载的转速明显上升,使负载电机进入再生发电状态,从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量,短时间内能量的集中回馈,可能会中间直流回路及其能量处理单元
(5)多个电机拖动同一个负载时,也可能出现这一故障,主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动
机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机相当于原动机,转速低的处于发电状态,引起了过电压故障。处理时需加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些。(6)变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后,中间直流回路电容容量下降将不可避免,中间直流回路对直流电压的调节程度减弱,在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下,发生变频器过电压跳闸几率会增大,这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。
(三)过电压故障处理对策
对于过电压故障的处理,关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送,使其过电压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策。
1.在电源输入侧增加吸收装置,减少过电压因素
对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下,可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。
2.从变频器已设定的参数中寻找解决办法
在变频器可设定的参数中主要有两点:是减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时,变频器减速时间参数的设定不要太短,而使得负载动能释放的太快,该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限,特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制,而在限定时间
内变频器不过压情况下可减至的频率值,暂缓后减速至零,减缓频率减少的速度。
3.通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题
在很多工艺流程中,变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的,可以利用控制系统的一些功能,在变频器的减速和负载的突降前进行控制,减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。如对于规律性减速过电压故障,可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥,在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值,相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力,避免产生过电压故障。而对于规律性负载突降过电压故障,可利用控制系统如SIEMENS的PLC系统的控制功能,在负载突降前,将变频器的频率作适当提升,减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路,以减少其引起的过电压故障。
4.采用增加泄放电阻的方法
一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻,大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻,为中间直流回路多余能量释放提供通道,是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高,可能出现频繁投切或长时间投运,致使电阻温度升高、设备损坏。
5.在输入侧增加逆变电路的方法
处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路,可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵,技术要求复
杂,不是较经济的方法。这样在实际中就限制了它的应用,只有在较高级的场合才使用。
6.采用在中间直流回路上增加适当电容的方法
非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法,是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。
7.在条件允许的情况下适当降低工频电源电压
目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥,电源电压高,中间直流回路电压也高,电源电压为380V、400V、450V时,直流回路电压分别为537V、565V、636V。有的变频器距离变压器很近,变频器输入电压高达400V以上,对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大,在这种情况下,如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档,通过适当降低电源电压的方式,达到相对提高变频器过电压能力的目的。
8.多台变频器共用直流母线的方法
至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过电压问题,因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流,这样就可以基本上保持共用直流母线的电压。使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题,在利用共用直流母线解决过电压的问题时应注意这一点。
变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点,关键是要分清原因,结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况,才能制定相应的对策,只要认真对待,该过电压故障是不难解决的。
五 、变频器常见干扰故障分析及对策
变频器作为一种高效节能的电机调速装置,因其较高的性能价格比,在工厂得到了越来越广泛的应用。众所周知,变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件,在控制上则采用的是PWM控制方式,这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外,还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变,产生无线电干扰电波,它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。同时由于变频器的使用,电网电源电压中会产生高次谐波的成分,电网电源内有晶闸管整流设备工作时,会引导电源波形产生畸形。另外,由于遭受雷击或电源变压器的开闭,电功率用电器的开闭等,产生的浪涌电压,也将使电源波形畸变,这种波形畸变的电网电源给变频器供电时,又将对变频器产生不良影响。本章将对于上述现象进行了分析并提出了降低这些不良影响的措施。
(一)外界对变频器的干扰
供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电;浪涌、跌落;尖峰电压脉冲;射频干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的谐波干扰后若不加处理,电网噪声就会通过电网的电源电路干扰变频器。变频器的输入电路侧,是将交流电压变成直流电压。这就
是常称为"电网污染"的整流电路。由于这个直流电压是在被滤波电容平滑之后输出给后续电路的,电源供给变频器的实际上是滤波电容的充电电流,这就使输入电压波形产生畸变。
1.电网中存在各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备,非线性负载及照明设备等大量谐波源
而对电网中其它设备产生危害的干扰。例如:当供电网络内有较大容量的晶闸管换流设备时,因晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通,故容易使网络电压出现凹口,波形严重失真。它使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害,从而导致输入回路击穿而烧毁。
2.电力补偿电容对变频器的干扰
电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求,为此,许多用户都在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中,网络电压有可能出现很高的峰值,其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。
3.电源辐射传播的干扰信号
电磁干扰(EMI),是外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰,通常是通过电路传导和以场的形式传播的[2]即以电磁波方式向空中幅射,其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。
对于1、2两项产生的干扰抑制可以在变频器输入电路中,串入交流电抗器,它对于基波频率下的阻抗是微不足道的。但对于频率较高的
高频干扰信号来说,呈现很高的阻抗,能有效地抑制干扰的作用。对于3项的干扰信号主要通过吸收方式来削弱。变频器电源输入端,通常都加有吸收电容。也可以再加上专用的"无线电干扰滤器",来进一步削弱干扰信号。
(二)变频器对周边设备的干扰及对策
上面已经讲过变频器能使输入电源电压产生高次谐波。同时,变频器的输出电压和电流除了基波之外,还含有许多高次谐波的成分,它们 良的影响。其中,供电电源的畸变,使处于同一供电电源的其他设备出现误动作,过热、噪声和振动;产生的无线干扰电波给变频器周围的电视机、收音机、手机等无线电接收装置带来干扰,严重时不能正常工作;对变频器的外部控制信号产生干扰,这些控制信号受干扰后,就不能准确、正常地控制变频器运行,使被变频器驱动的电动机产生噪音,振动和发热现象。
1.对接在同一电源设备带来的干扰
当变频器的容量较大时,将使网络电压产生畸变,通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰传入其它电路。消除或削弱对接在同一电源的设备带来的干扰,可以将变频器的输入端串入交流电抗器,在变频器的整流侧插入直流电抗器。也可以在变频器电源输入端插入滤波器,如下图1所示:
LC滤波器是被动滤波器,它由电抗和电容组成对高次谐波的共振回路,从而达到吸收高次谐波的目的。有源滤波器的工作原理是:通过
对电流中高次谐波进行检测,并根据检测结果,输入与高次谐波成分相位相反的电流来削弱高次谐波的目的。
2.对于产生的无线电干扰波
目前,变频器绝大部分是采用PWM控制方法。变频器输出信号是高频的开关信号,在变频器的输出电压、输出电流中含有高次谐波,通过静电感应和电磁感应,产生无线电干扰波。这些干扰波有的通过电线传导,有些辐射至空中的电磁波和电场直接辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样,变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。
电线传导的无线电干扰波的抑制,可以采用噪声滤波变压器,对高器的输入端插入滤波器。
辐射无线电干扰波的抑制,较传导无线电干扰波要困难一些。这种无线电干扰的大小,决定于安装变频器设备本身的结构,和电动机电缆线长短等许多因素有关。可以尽量缩短电动机电线,电线采用双绞措施,减少阻抗;变频器输入、输出线装入铁管屏蔽;将变频器机壳良好地接;变频器输入、输出端串接电抗器,插入滤波器。
3.对于产生的噪声干扰
由于变频器采用了PWM 控制方式,变频器的输出电压波形不是正弦波,通过电动机的电流也难免含有许多谐波。变频器输出的谐波频率与转子固有频率的共振,在转子固有频率附近的噪声增大,变频器输出的谐波分量使铁心、机壳、轴架等谐波在其固有频率附近的噪声
增大。因此,利用变频器对电动机进行调速控制时,电动机绕组和铁芯由于谐波的成分而产生噪声。
对于噪音的抑制可以采取的措施为:
( 1)选用以IGBT等为逆变模块的载波频率较高的低噪音变频器。选用变频器专用电动机,在变频器与电动机之间串入电抗器,以减少PWM控制方式产生的高次谐波。
( 2) 在变频器与电动机之间插入可以将输出波形转换成正弦波的滤波器。
(3) 选用低噪音的电抗器。
4.对于产生的振动干扰
采用变频器对电动机进行调速控制时,同噪音相同的原因,会使电动机产生振动。特别是较低阶的高次谐波所产生的脉动转矩,给电动机的转矩输出带来较大的振动。若机械系统与这种振动发生共振时,其振通常可以采取以下措施减小振动:
(1)强化机械结构的刚性,将刚性连接改为强性连接。
(2)在变频器与电动机之间串入电抗器
(3)降低变频器的输出压频比。
(4)改变变频器的载波频率。
在变频器对电动机进行调速过程中,如果调速范围较大时,应先测到机械系统的共振频率,然后利用变频器的频率跳跃功能,避开这些共振频率。如果转距有余量,可以将U/f给定小些。
5.对于导致控制部件电动机过热的干扰
采用变频器对电动机进行调速控制,由于高次谐波的原因,即使是对同一电动机,在同一频率下运行,电动机也将增加5%~10%的电流。电动机温度自然会提高。此外,普通电动机的冷却风扇安装在电动机轴上的,在连续进行低速运行时,由于自身的冷却风扇的冷却能力不足,而出现电动机过热现象。
电动机过热的对策有以下几种:
(1) 为电动机另配冷却风扇,改自冷式为他冷式。增加低速运行时的冷却能力。
(2)选用较大容量的电动机。
(3)改用变频器专用电动机。
(4) 改变调速方案,避免电动机连续低速运行。
随着工厂电气自动化程度的提高,各种干扰也日益增多,只有对变频器的干扰问题有深入的认识,并采取相应的处理措施,才能够减少彼此之间的相互危害,更大程度的确保生产的正常进行和设备的稳定。 结 论
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展,促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速,计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能,改善生产工艺流程,提高产品质量,以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率,高功率因数,以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。变频器和交流电机组成
的交流调速系统具有更宽的允许电压波动范围、更小的体积、更强的通讯能力,更优良的调速性能,在工矿企业中得到了广泛的应用 变频器在使用过程中的维护保养很重要,要想做好变频器的维护保养工作,提高变频器的工作性能延长变频器的使用寿命就必须做好日常维护保养,做好维护的基础就是了解变频器的基本结构和工作原理。所以本文主要介绍了变频器的结构原理及故障排查的基本方法和原理,以便初步了解变频器,为以后的工作学打下一定的基础。 致 谢
经过几个月的努力,毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中,学到很多有用的知识,也积累了宝贵的经验。
在此要特别感谢黄冬梅老师,在做设计期间得到老师的精心指导,她对我们要求非常严格。毕业设计的顺利完成离不开老师的帮助。同时感谢身边的同学,他们为我提供了很多宝贵的资料。在此再一次向他们致以深深的敬意和感谢!
同时由于自己本身对一些知识的掌握不是很深刻,设计难免会出现一些漏洞,虽然设计做的不是很完美,但是毕竟这是自己认认真真做出来的。希望各位老师给予指正。同时感谢母校对我三年来的教育和关心,在这里我不仅学到了专业知识,还学到了很多做人的道理。使我明确了以后的方向,树立了良好的价值观,在这里学到的一切都使我终身受益。 再次衷心感谢所有关心和帮助过我的老师和同学,谢谢你们!
范文三:变频器论文1
变频器调速技术及应用
题目:变频器调速在空调中的应用
专 业:自动化技术系
班 级: 自动化0811
学 号: 2008233125
姓 名: 浦 嘉 东
指导老师: 祝 桦
二零一零年十一月
摘 要
针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究,现如今的社会,讲究环保、节能、可持续发展,如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题,空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分,随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进,中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大,约占整个建筑总用电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。
由于设计时,中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计,并且留10-20设计余量,然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下,存在较大的富余,所以节能的潜力就较大。其中,冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载,冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节,存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成。因此,不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象,不仅大量浪费电能,而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。
综上,为了节约能源和费用,需对水泵系统进行改造,以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速,在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节,以达到节能目的。
关键词: 变频器 调速 节能
II
目 录
摘 要 ··························································································································· II 目 录 ·························································································································· III
第一章 变频器的节能原理 ························································································ 1
1.1 变频节能: ····································································································· 1
1.2 动态调整节能: ····························································································· 1
1.3通过变频自身的V/F功能节电: ·································································· 1
1.4 变频自带软启动节能: ················································································· 1
1.5提高功率因数节能: ······················································································ 1
第二章 变频器的结构和故障分析 ·········································································· 2
1.1 变频器的结构 ······························································································· 2
1.2 变频器的故障分析 ······················································································· 2
第三章 中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理 ·········································· 4
3.1水泵的变频节能原理 ······················································································ 5
3.2水泵节能改造的必要性 ·················································································· 5
第四章 水泵节能改造的方案 ······················································································ 6
4.1 冷冻水泵系统的闭环控制 ············································································· 6
4.2冷却水系统的闭环控制 ·················································································· 7
4.3水泵节能改造的方案的优点 ·········································································· 7
第五章 变频器的发展趋势 ························································································ 8
5.1 主要发展方向 ································································································· 8
5.2 主要的研究开发项目 ····················································································· 8
5.3 主要的研究内容及关键技术 ········································································· 9 致谢 ······························································································································ 10 小结 ······························································································································ 11 参考文献: ···················································································································· 11 III
第一章 变频器的节能原理
1.1 变频节能:
为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费,在压力偏高时,可降低电机的运行速度,使其在恒压的同时节约电能。 当电机转速从 N1 变到 N2时,其电机轴功率 (P)的变化关系如下:P2/ P1 = (N2/N1)3 ,由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。
1.2 动态调整节能:
迅速适应负载变动,供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能,始终保持电机的输出高效率运行。
1.3通过变频自身的V/F功能节电:
在保证电机输出力矩的情况下,可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩,降低输入电流,达到节能状态。
1.4 变频自带软启动节能:
在电机全压启动时,由于电机的启动力矩需要,要从电网吸收 7 倍的电机额定电流,而大的启动电流即浪费电力,对电网的电压波动损害也很大,增加了线损和变损。采用软启动后,启动电流可从0 -- 电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击,节约了电费,也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。
1.5提高功率因数节能:
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言,阻抗特性呈感性,电机在运行时吸收大量的无功功率,造成功率因数很低。
采用变频节能调速器后,由于其性能已变为:AC-- DC --AC,在整流滤波后,负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性,功率因数很高,减少了无功损耗。
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第二章 变频器的结构和故障分析
1.1 变频器的结构
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备。如图1所示,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
1. 整流器
它与单相或三相交流电源相连接,产生脉动的直流电压。
2. 中间电路,有以下三种作用:
a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑,供逆变器使用。
b. 通过开关电源为各个控制线路供电。
c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
3. 逆变器
将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
4. 控制电路
它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器,同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是:输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是:
a. 利用信号来开关逆变器的半导体器件。
b. 提供操作变频器的各种控制信号。
c. 监视变频器的工作状态,提供保护功能。
1.2 变频器的故障分析
现场对变频器以及周边控制装置的进行操作的人员,如果对一些常见的故障情况能作出判断和处理,就能大大提高工作效率,并且避免一些不必要的损失。为此,我们总结了一些变频器的基本故障,供大家作参考。以下检测过程无需打开变频器机壳,仅仅在外部对一些常见现象进行检测和判断。
以下检测过程无需打开变频器机壳,仅仅在外部对一些常见现象进行检测和
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第三章 中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理
压缩机
图1-2 制冷压缩机系统的原理图
由图1-1可以看出,中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成,即冷却水循环系统和冷冻水循环系统,压缩机(图1-2)不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽,低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中,制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换,制冷剂放热后变为高压液体,通过热力膨胀阀后,液态制冷剂压力急剧下降,变为低压液态制冷剂后进入蒸发器,在蒸发器中,低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量,冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的,温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻 4 图1-1 中央空调冷水机组系统组成 (放热)
水,而变为低压蒸汽的制冷剂,在通过回气管重新吸入压缩机,开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后,由冷却水泵加压,通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换,降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环。
3.1水泵的变频节能原理
中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制,通常采用的流量控制方法有阀门控制和调述控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的,因而浪费了能量,如果采用调速控制,冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定,电机的耗电量决定于电机的输出功率,输出功率与电机转速的立方成正比,而电机转速与供电频率成正比,所以电机转速稍有下降,即稍微降低供电频率,输出功率将大幅度下降,若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整,电机的功率将大大减少,从而显著节约电能。
3.2水泵节能改造的必要性
由于设计时,中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计,并且留10-20%设计余量,然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下,存在较大的富余,所以节能的潜力就较大,其中,冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载,冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节,存在很大的浪费。
水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成,因此,不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象,不仅大量浪费电能,而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。
再因水泵采用的是Y-△起动方式,电机的起动电流均为其额定电流的3~4倍,一台90KW的电动机其起动电流将达到500A,在如此大的电流冲击下,接触器、电机的使用寿命大大下降,同时,起动时的机械冲击和停泵时水垂现象,容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏,从而增加维修工作量和备品、备件费用。
综上,为了节约能源和费用,对水泵系统进行改造,采用变频器加以实现,以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。 这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的 转速,在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节,以达到节能目的。水泵电机转速下降,电机从电网吸收的电能就会大大减少。 其减少的功耗 △P=P0〔1-(N1/N0)3〕 (1)式
减少的流量 △Q=Q0〔1-(N1/N0)〕 (2)式
其中N1为改变后的转速,N0为电机原来的转速,P0为原电机转速下的电机消耗功率,Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。
由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比,但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。
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如:假设原流量为100个单位,耗能也为100个单位,如果转速降低10个单位,由(2)式△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕=100*〔1-(90/100)〕=10可得出流量改变了10个单位,但功耗由(1)式△P=P0[1-(N1/N0)3]=100*〔1-(90/100)3〕=27.1可以得出,功率将减少27.1个单位,即比原来减少27.1%。
再因变频器是软启动方式,采用变频器控制电机后,电机在起动时及运转过程中均无冲击电流,而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素,同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象,因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。
第四章 水泵节能改造的方案
中央空调系统通常分为冷冻(媒)水和冷却水两个系统(如下图,左半部分为冷冻(媒)水系统,右半部分为冷却水系统)。
4.1 冷冻水泵系统的闭环控制
〔1〕、制冷模式下冷冻水泵系统的闭环控制
该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下,确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频冷冻水泵的频率调 节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度,再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减,控制方式是:冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。
〔2〕、制热模式下冷冻水泵系统的闭环控制
该模式是在中中央空调中热泵运行(即制热)时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样,在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下,确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度,再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是:冷冻回水温度小于设定温度时频率无极上调,当温度传感检测到的冷冻水回温水越高,变频器的输出频率越低。
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4.2冷却水系统的闭环控制
目前,在冷却水系统进行改造的方案最为常见,节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下,通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量,当中中央空调冷却水出水温度低时,减少冷却水流量;当中中央空调冷却水出水温度高时,加大冷却水流量,从而达到在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。
现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定,变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节,当进、出水温差大于设定值时,频率无极上调,当进、出水温差小于设定值时,频率无极下调,同时当冷却水出水温度高于设定值时,频率优先无极上调,当冷却水出水温度低于设定值时,按温差变化来调节频率,进、出水温差越大,变频器的输出频率越高;进、出水温差越小,变频器的输出频率越低。 经多方实践应用,现用于冷却水系统闭环控制的系列智能变频器采用同制冷模式下冷冻水泵系统闭环控制一样的控制方式。
4.3水泵节能改造的方案的优点
1、只需在中中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器(如图,安装在冷却水系统中中央空调冷却水出水主管上的B处),简单可靠。
2、当冷却水出水温度高于温度上限设定值时,频率直接优先上调至上限频率。
3、当冷却水出水温度低于温度下限设定值时,频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。
4、当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时,通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算,从而达到对频率进行无极调速,闭环控制迅速准确。
5、节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时,采用冷却管进、出水温度差来调节方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围,而仅仅由温度差来对频率进行无极调速,而采用上、下限温度来调节方式充分考虑这一因素,因而节能效果更为明显,通过对多家用户市场调查,平均节电率要提高5%以上,节电率达到20%~40%。
6、具有首次起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使水系统充分交换一段时间,避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流量过小。
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第五章 变频器的发展趋势
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。
5.1 主要发展方向
(1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
(2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器,提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器,在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。
(3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度,其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。
(4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法,Windows操作系统的引入使得可自由设计,图形编程的控制技术也有很大的发展。
(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
5.2 主要的研究开发项目
(1)数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。
(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。
(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能,改善性能。如4象限运行,带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知,风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机,容量大,节能效果更显著。研究经济
合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。
5.3 主要的研究内容及关键技术
(1)高压、大电流技术:动态、静态均压技术(6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联,静动态均压系数大于0.9);均流技术,大功率晶闸管并联的均流技术,均流系数大于0.85);浪涌吸收技术(10kV、6kV回路中);光控及电磁触发技术(电/光,光/电变换技术);导热与散热技术(主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术,如热管散热技术);高压、大电流系统保护技术(抗大电流电磁力结构、绝缘设计);等效负载模拟技术。
(2)新型电力电子器件的应用技术:可关断驱动技术;双PWM逆变技术;循环变流 / 电流型交-直-交(CC / CSI0)变流技术(12脉波变频技术);同步机交流励磁变速运行技术;软开关PWM变流技术。
(3)全数字自动化控制技术:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术;对象自辨识技术。
(4)现代控制技术:多变量解耦控制技术;矢量控制和直接力矩控制技术;自适应技术。
致谢
本文是在导师祝骅老师的悉心指导下完成的,在此谨向祝老师致以深深的谢 意!从文献的查询、论文的选题、撰写、修改到定稿,我的每一步努力中都离不开祝老师的指导!一年多来,导师渊博的学识、丰富的实践经验、精益求精的治学作风、兢兢业业的敬业精神、深厚的阅历无时无刻不影响着我,使我受益匪浅。在此, 谨向祝老师表示最衷心的感谢和最深切的敬意。
感谢宿舍的几位同学浦嘉东和刘义虎同学在学习和工作中给我提供各种帮助和建议,大家在学术上的探讨才使我能够圆满完成实验任务。
难忘和室友在一起切磋探讨的日子,感谢你们给我的学习和生活上的大力帮助! 两年多的大学学习就要结束了,常州工程职业技术学院自动化系给我带来了美好的经历。感谢同班的每一位同学,你们给予我生活上和学习上的帮助,也给了我的研究生生活增添无限色彩。
最后衷心地感谢养育我的父母和亲人!你们为我的成长做出了巨大的牺牲,正是你们的大力支持才使我顺利完成学业,你们的鼓励也是我前进的最大动力!谢谢你们! 再次深深的感谢所有关心我、支持、帮助我的人!
小结
这个世界正在日新月异的变化着,科技越来越发达,自动化程度越来越高,身在这个时代,只有用充实的知识来武装下自己才不会掉队。
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范文四:变频器论文
最佳答案变频器在使用中遇到的问题和故障防范 由于使用方法不正确或设置环境不合理,将容易造成变频器误动作及发生故障,或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然,事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。提高变频器自身的抗干扰能力固然重要,但由于受装置成本限制,在外部采取噪声抑制措施,消除干扰源显得更合理、更必要。以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法:变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置,如RC吸收器;尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主线路分离;指定采用屏蔽线回路,须按规定进行,若线路较,应采用合理的中继方式;变频器接地端子应按规定进行,不能同电焊、动力接地混用;变频器输入端安装噪声滤波器,避免由电源进线引入干扰。
安装环境, 电源异常, 雷击、感应雷电, 电源高次谐波
1, 安装环境
变频器属于电子器件装置,在其规格书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下,若确实无法满足这些要求,必须尽量采用相应抑制措施:振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,对于振动冲击较大的场合,应采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路,作为防范措施,应对控制板进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构;温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,特别是半导体器件,应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
除上述3点外,定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合,为防止微处理器因温度过低不能正常工作,应采取设置空间加热器等必要措施。
2, 电源异常
电源异常表现为各种形式,但大致分以下3种,即缺相、低电压、停电,有时也出现它们的混和形式。这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的,有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外,有些电网或自行发电单位,也会出现频率波动,并且这些现象有时在短时间内重复出现,为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也提出相应要求。
如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,为防止这些设备投入时造成的电压降低,应和变频器供电系统分离,减小相互影响;对于要求瞬
时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适价格的变频器外,还因预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流;对于要求必须量需运行的设备,要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。
二极管输入及使用单相控制电源的变频器,虽然在缺相状态也能继续工作,但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大,若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响,应及早检查处理。
3, 雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,短路器开闭也能产生较高的冲击电压。
变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。
为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时,应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器,因在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。
过去的晶体管变频器主要有以下缺点:容易跳闸、不容易再起动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展,变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能,大幅度提高了变频器的可靠性。
如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”,其中“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因,将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算,计算出当前时刻所需要的转矩,迅速对输出电压进行修正和补偿,以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。
此外,由于变频器的软件开发更加完善,可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施,并使故障化解后仍能保持继续运行,例如:对自由停车过程中的电机进行再起动;对内部故障自动复位并保持连续运行;负载转矩过大时能自动调整运行曲线,避免Trip;能够对机械系统的异常转矩进行检测。
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器的安装使用也将对其他设备产生影响,有时甚至导致其他设备故障。因此,对这些影响因素进行分析探讨,并研究应该采取哪些措施时非常必要的。
4,电源高次谐波
由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式,这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响,通常采用以
下处理措施:采用专用变压器对变频器供电,与其它供电系统分离;在变频器输入侧加装滤波电抗器或多种整流桥回路,降低高次谐波分量,对于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重,必须在电容前串接电抗器,以减小谐波分量,对电抗器的电感应合理分析计算,避免形成 LC振荡。
电动机温度过高及运行范围
对于现有电机进行变频调速改造时,由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。此外,因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损,因此在确认电机的负载状态和运行范围之后,采取以下的相应措施:对电机进行强冷通风或提高电机规格等级;更换变频专用电机;限定运行范围,避开低速区。
5, 振动、噪声
振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的,特别是当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声,对于不同的安装场所应采取不同的处理措施:变频器在调试过程中,在保证控制精度的前提下,应尽量减小脉冲转矩成分;调试确认机械共振点,利用变频器的频率屏蔽功能,使这些共振点排除在运行范围之外;由于变频器噪声主要有冷却风扇机电抗器产生,因选用低噪声器件;在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器,减小因PWM调制方式造成的高次谐波。
6,高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利
在变频器的输出电压中,含有高频尖峰浪用电压。这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强度,尤其以PWM控制型变频器更为明显,应采取以下措施:尽量缩短变频器到电机的配线距离;采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置,对变频器输出电压进行处理.
变频器在使用中遇到的问题和故障防范 由于使用方法不正确或设置环境不合理,将容易造成变频器误动作及发生故障,或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然,事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。提高变频器自身的抗干扰能力固然重要,但由于受装置成本限制,在外部采取噪声抑制措施,消除干扰源显得更合理、更必要。以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法:变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置,如RC吸收器;尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主线路分离;指定采用屏蔽线回路,须按
规定进行,若线路较,应采用合理的中继方式;变频器接地端子应按规定进行,不能同电焊、动力接地混用;变频器输入端安装噪声滤波器,避免由电源进线引入干扰。
安装环境, 电源异常, 雷击、感应雷电, 电源高次谐波
1, 安装环境
变频器属于电子器件装置,在其规格书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下,若确实无法满足这些要求,必须尽量采用相应抑制措施:振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,对于振动冲击较大的场合,应采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路,作为防范措施,应对控制板进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构;温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,特别是半导体器件,应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
除上述3点外,定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合,为防止微处理器因温度过低不能正常工作,应采取设置空间加热器等必要措施。
2, 电源异常
电源异常表现为各种形式,但大致分以下3种,即缺相、低电压、停电,有时也出现它们的混和形式。这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的,有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外,有些电网或自行发电单位,也会出现频率波动,并且这些现象有时在短时间内重复出现,为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也提出相应要求。
如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,为防止这些设备投入时造成的电压降低,应和变频器供电系统分离,减小相互影响;对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适价格的变频器外,还因预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流;对于要求必须量需运行的设备,要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。
二极管输入及使用单相控制电源的变频器,虽然在缺相状态也能继续工作,但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大,若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响,应及早检查处理。
3, 雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,短路器开闭也能产生较高的冲击电压。
变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。
为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时,应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器,因在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。
过去的晶体管变频器主要有以下缺点:容易跳闸、不容易再起动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展,变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能,大幅度提高了变频器的可靠性。
如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”,其中“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因,将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算,计算出当前时刻所需要的转矩,迅速对输出电压进行修正和补偿,以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。
此外,由于变频器的软件开发更加完善,可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施,并使故障化解后仍能保持继续运行,例如:对自由停车过程中的电机进行再起动;对内部故障自动复位并保持连续运行;负载转矩过大时能自动调整运行曲线,避免Trip;能够对机械系统的异常转矩进行检测。
变频器对周边设备的影响及故障防范
变频器的安装使用也将对其他设备产生影响,有时甚至导致其他设备故障。因此,对这些影响因素进行分析探讨,并研究应该采取哪些措施时非常必要的。
4,电源高次谐波
由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式,这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响,通常采用以下处理措施:采用专用变压器对变频器供电,与其它供电系统分离;在变频器输入侧加装滤波电抗器或多种整流桥回路,降低高次谐波分量,对于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重,必须在电容前串接电抗器,以减小谐波分量,对电抗器的电感应合理分析计算,避免形成 LC振荡。
电动机温度过高及运行范围
对于现有电机进行变频调速改造时,由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。此外,因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损,因此在确认电机的负载状态和运行范围之后,采取以下的相应措施:对电机进行强冷通风或提高电机规格等级;更换变频专用电机;限定运行范围,避开低速区。
5, 振动、噪声
振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的,特
别是当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声,对于不同的安装场所应采取不同的处理措施:变频器在调试过程中,在保证控制精度的前提下,应尽量减小脉冲转矩成分;调试确认机械共振点,利用变频器的频率屏蔽功能,使这些共振点排除在运行范围之外;由于变频器噪声主要有冷却风扇机电抗器产生,因选用低噪声器件;在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器,减小因PWM调制方式造成的高次谐波。
6,高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利
在变频器的输出电压中,含有高频尖峰浪用电压。这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强度,尤其以PWM控制型变频器更为明显,应采取以下措施:尽量缩短变频器到电机的配线距离;采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置,对变频器输出电压进行处理
范文五:变频器论文
山东职业学院
变
频
器
安
装
及
外
围
设
备
的
选
择
论
文
铁道机车与机电装备系 机电一体化 机电1538翟东海
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
众所周知,变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件,在控制上则采用的是PWM控制方式,这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外,还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变,产生无线电干扰电波,它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。所以,深入了解交流传动与控制技术的走向,对我们的学习工作具有十分积极的意义。
1.变频器的发展起步
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:
调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。
2. 矩阵式交—交变频器产生的背景
矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大。
一、变频器的发展、组成及原理
(一)变频器的概述
直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标,因此,在过去很长时期内,调速传动领域大多为直流电动机调速系统。
如今,由于全控型电力电子器件(如BJT、IGBT)的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用,使得交流调速的性能获得极大的提高,在许多方面已经可以取代直流调速系统,特别是各类通用变频器的出现,使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流
人们所说的交流调速传动,主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案,例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等,虽然仍在特定场合有一定的应用,但由于其性能较差,终将会被变频调速所取代。
交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速,和如下一些关键性技术的突破性进展有关,它们是电力电子器件(包括半控型和全控型器件)的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM(Pulse Width
Modulation)技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。
(二)直流电动机与交流电动机的比较
众所周知,直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内,调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第4页 直流电动机虽有调速性能好的优越,但也有一些固有的难于克服的缺点,主要是机械式换向器带来的弊端。 交流电动机的优点
容量、电压、电流和转速的上限,不像直流电动机那样受限制;结构简单、造价低;坚固耐用,事故率低,容易维护。
(三)通用变频器的发展
60年代中期,普通晶闸管、小功率晶体管的实用化,使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统)等先后实现了实用化,使变频调速开始成为交流调速的主流
此后的20多年中,电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。
(1)变频装置的大容量化
对一些大型生产机械的主传动,直流电动机在容量等级方面已接近极限值,采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。
为了适应大容量的高压电动机,采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机,发展较迅速。
(2)主开关器件的自关断化
近十几年,大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速,其中“门极关断晶闸管(GTO)、双极晶体管(BJT)/电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”的发展最快,实用化的程度也最高。
采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路,既可以减小装置体积,又降低了开关损耗提高了效率。同时,由于开关频率哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第5页 又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。据统计,目前变频器中的开关器件,容量为 1500kW以下的采用IGBT;1000~7500kW的采用GTO。
(3)变频装置的高性能化
早期的变频调速系统,基本上是采用U/F控制,无法得到快速的转矩响应,低速特性也不好(负载能力差)。
1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值(电压、电流、频率的量值)进行控制的方法,实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法,实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制,可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。
(4)PWM技术的应用 PWM:(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术。
自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。
PWM技术用于变频器的控制,可以改善变频器的输出波形,降低电动机的谐波损耗,并减小转矩脉动,同时还简化了逆变器的结构,加快了调节速度,提高了系统的动态响应性能。
PWM技术除了用于逆变器的控制,还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功,利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为
1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。
(四)变频器的组成与分类
电压型变频器主电路包括:整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组,交-直-交型变频器结构见附图1
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毕 业 论 文 正 文 第6页 用单相全波整流桥电路;380V系列采用桥式全波整流电路。
(2)中间滤波电路:整流后的电压为脉动电压,必须加以滤波;滤波电容CF除滤波作用外,还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素,由于该大电容储存能量,在断电的短时间内电容两端存在高压电,因而要在电容充分放电后才可进行操作。
(3)限流电路:由于储能电容较大,接入电源时电容两端电压为零,因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大,过大的电流会损坏整流桥二极管,为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流,当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。
(4)逆变电路: 逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电,是变频器的核心部分。常用逆变模块有:GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等,一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。
(5)续流二极管D1~D6:其主要作用为:
a.电机绕组为感性具有无功分量,VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道
b.当电机处于制动状态时,再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。 c.V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止,在换相过程中也需要D1~D6提供通路。
(6)缓冲电路
由于逆变管V1~V6每次由导通切换到截止状态的瞬间,C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD,这过高的电压增长率可能会损坏逆变管,吸收电容的作用便是降低V1~V6关断时的电压增长率。
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毕 业 论 文 正 文 第7页 电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速(n=60f/P)而处于再生制动(发电)状态,拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线(滤波电容两端)电压UD不断上升(即所说的泵升电压),这样变频器将会产生过压保护,甚至可能损坏变频器,因而需将反馈能量消耗掉,制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成,其功能是用来控制流经RB的放电电流IB
(五)变频器的基本分类
变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种:交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节(或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”),来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均
可调的交流电,所以称为直接式变频器。交流电变换为直流电,经过中间直流环节之后,再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电,故又称为间接式变频器。
1.交-直-交变频器(间接式变频器)分类
按直流电源的性质分类
交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性,可以将其划分为电压(源)型或电流(源)型。
当逆变器输出侧的负载为交流电动机时,在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感,据此,变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。
2.电流型变频器
电流型变频器主电路的典型构成方式如图。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,无功功率将由该电感来缓冲。
(1)“电流型变频器”的名称由来:
由于电感的作用,直流电流Id趋于平稳,电动机的电流波形为方波或阶梯波,电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大,近似于电流源,故称为电流源型变频器或电流型变频器。
(2)电流型变频器优点:
电流型变频器的一个较突出的优点是,当电动机处于再生发电状态哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第9页 路内附加任何设备,只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性(控制角a>900)即可。(2)“电压型变频器”的名称由来:
由于大电容的作用,主电路直流电压Ed比较平稳,电动机端的电压为方波或阶梯波,电流波形与负载的阻抗角有关。直流电源内阻比较小,相当于电压源,故称为电压源型变频器或电压型变频器。
(3)按输出电压调节方式分类
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毕 业 论 文 正 文 第10页 机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式:
PAM:脉冲幅值调节(Pulse Amplitude Modulation) PWM:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)
脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。 在
PAM变频器中,逆变器只负责调节输出频率,而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压
Ed去实现。
(3)应用场合:
电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
3.电压型变频器
电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。
变频器的每个导电臂,均由一个可控开关器件和一个不控器件(二极管)反并联组成。晶闸管VT1~VT6称为主开关器件,VD1~VD6称为回馈二极管。 (1)电路的特点是,中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲。(六)变频器的基本原理 变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路,主电路中的整流器将交流电转变为直流电,直流中间电路将直流电进行平滑滤波,逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电,部分变频器还会在电路内加入CPU等部件,来进行必要的转矩运算。
图 交一直一交变频器主电路
1.单项桥式逆变器基本的工作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。 哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第12页
S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正。
S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压uo为负。
逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率
电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同。 阻感负载时,io
相位滞后于uo
,波形也不同。
a)b)
图 逆变电路及其波形举例
适当的门极驱动信号就可使器件开通。
关断:
①全控型器件可通过门极关断。
②半控型器件晶闸管,必须利用外部条件才能关断。
③一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压,才能关断。 ④研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
2.三相电压型逆变电路;
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变电路
图 三相电压型桥式逆变电路
基本工作方式——180°导电方式
每桥臂导电180°,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电的角度差120 °
。
任一瞬间有三个桥臂同时导通。
每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。
(七) 变频器的前景展望
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第15页
1.变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后,形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上,利用逆变器功率元件的通断控制,使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里,通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值;通过改变调制周期控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制,而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波,使负载电机在近正弦波的交变电压下运行,转矩脉冲小,调速范围宽。
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲,一般不超过7000r/rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右,这样大大提高了快速增速和减速能力。同时,由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用,因而可以获得比PWM更高的效率。此外,在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性,可抑制高次谐波的生成,减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后,电机定子电流下降64% ,电源频率降低
30% ,出胶压力降低57% 。由电机理论可知,异步电机的转速可表示为:
n=60·f 8(1—8)/p
f s为电机定子频率(也即是电网频率),P电机定子的绕组极对数,s为转差率。由上式可知,只要转差率不太大,可以近似认为转速n与f s成哈尔滨职业技术学院印制
毕 业 论 文 正 文 第16页 范围的连续平滑调速。例如一个额定转速3000转/分的电动机,由变频器供电,若启动频率设定为5HZ,那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上,则电动机可以运行在30o——3000转/分之间的任一转速上·电动机由市电启动,启动平衡,力矩大又节能。
50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电,再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流— —直流— —交流的变换,所以这类变频器称作交— —直—— 交类变频器。
2. 我国变频器技术的发展及应用概况
(1)变频器的发展
随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存,直流电机的维护量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是,从20世纪30年代开始,人们致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。在相当长的时期内,直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后,特别是70年代以来,电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前,交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。
变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来,变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备,得到了快速发展和广泛的应用。
①、变频器与节能
变频器产生的最初用途是速度控制,但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国,能源利用率很低,而能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中,60—70%为动力电,而在总容量为5.8亿
千瓦的电动机总容量中,只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析,在中国,带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施,并着重推荐了变频调速技术。 应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的节电效果非常可观。与此类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量,故设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力巨大。 作为节能目的,变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例,由于中国大面积缺电,电力投资将持续增长,同时,国家电改方案对电厂的 电力行业有着巨大的发展潜力,尤其是高压变频器和大功率变频器。 ②、变频器与工艺控制(速度控制)
目前,中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不高,因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。 ③、变频家电
除了工业相关行业,在普通家庭中,节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注,变频家电成为变频器的另一个广阔市场
和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等,在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。 20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。
20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。 首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。
在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。
3. 国内变频技术的现状和发展前景
国内已经有较多的变频器生产厂,但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器,使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载,变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性,国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频
器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多,由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产,工艺欠佳,检测手段有限,品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器,国外的产品比国内的产品品质要好,这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业,至今在国内这仍是一个空白。
变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来,国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用,在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持,组织了变频调速技术的评测推荐工作,并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向,同时鼓励单位开展同贷同还方式,抓开发、抓示范工程、抓推广应用,还处理了风机、水泵节能中心,开展信息咨询和培训。1995—1997年,3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元,改造总容量达100万千瓦,可年节电7亿度,平均投资回收期约2年。据有关资料表明,我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩,每年有数十亿元的销售额,说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制,与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统,先进控制与优化技术,大型成套哈尔滨职业技术学院印制 毕 业 论 文 正 文 第20页 纤生产线、建材生产线等,变频器的作用是电气传动控制,其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求,已经完全取代了直流调速技术。近年来,变频器在功能上,利用先进的控制理论,开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能,
使应用系统的构成更加方便和容易,使变频器的应用技术提高到一个新的水平。
(八)本章小结
变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业,采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益,同时这也是国民经济可持续发展的需要。
(一)变频器的选择
品牌的选择 目前,国内市场上的变频器品牌多达上百种,应根据项目的预算,项目要求和个人熟悉程度等多种因素综合考虑品牌和型号。就市场占有量来说,日本的东芝、三菱、富士、松下等大公司是世界上重要的变频器生产厂家,在我国有较大的市场份额;ABB、西门子、施耐德等欧美品牌也相继进入中国;LG、三星、现代重工等韩国的后起之秀也在争夺中国市场;当然,国内的台达、台安、时代、康沃等公司也占有一席之地。总体而言,欧美国家的产品以性能先进、环境适应能力强而著称;日本产品以外型小巧、功能丰富而闻名;我国港澳台的产品以功能简单实用而流行;大陆产品则以价格低廉、功能专用、简单而广泛应用。
1. 类型的选择
工业中使用的变频器可以分为通用变频器和专用变频器两大类,主要技术指标有:控制方式、启动转矩、转矩和转速控制精度、控制信号
种类、速度控制方式、通信借口等等。变频器的操作方式灵活,接口易和上位机通信,从实际应用角度看,中小型容量的变频器以U/f控制方式为主,属于通用型变频器,还有一类具有矢量控制功能的变频器,性能好、价格高,但价格也比U/f控制的要贵的多;而直接转矩控制方式的变频器动态性能好,转矩控制精度高,代表了当代变频器技术的最高水平。
2.其它应考虑的问题
( 1)选择合适的容量:应以电动机的额定电流和负载特性为依据,总的负载电流不超过变频器的额定电流,频繁工作或重载时可增大容量。
降转矩负载三种类型。风机类、泵类负载属于降转矩负载特性,一般宜采用具有U/f恒压频比控制的变频器;提升机、吊车、注塑机、运输机、传送带、搅拌机等摩擦类负载和位能负载基本属于恒转矩负载,采用具有转矩控制功能的高功能型变频器是比较理想的;金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等都属于恒功率负载,可采用变极电动机与变频器相结合或者机械变速与变频器结合的方法实现。
(3)专用变频器:注塑机、抽油机、纺织机械、电梯、风机、水泵、空调、矿山机械等领域,可选择在本行业有应用特长的专用变频器,往往有意想不到的效果。
(二)变频器的安装
(1) 墙挂式安装:变频器与周围物体之间的距离应满足两个条件:两侧≥100mm上下≥150mm。
(2)柜式安装:单台变频器安装应尽量采用柜外冷却方式(环境比较洁净,尘埃少时);单台变频器采用柜内冷却方式时,应在柜顶安装抽风式冷却风扇,并尽量装在变频器的正上方;多台变频器安装应尽量并列安装,如必须采用纵向方式安装,应在两台变频器间加装隔板,不论哪种方式,变频器应垂直安装。
(三)工作环境的要求:
为了保证安全可靠,使用时应留有余地。一般,变频器的工作温度应控制在0~40℃;运行中的环境温度允许值多为-10~50℃;周围环境的湿度推荐为40%~90%;安装场所的海拔高度为1000m以下,海拔越高,还应注意周围用电设备的电磁干扰和因雷击等自然因素引起的环境问题。
(四)本章小结
据统计,工业用电中60%~70%的电量被电动机所消耗,而这些电中,又有约90%被三相交流异步电动机所消耗,可见电动机用量之大。变频器的出现,使得交流电动机调速困难、交变速设备结构复杂且效率和可靠性不尽人意的缺点得以改善。在我国,变频器已在各行各业得到推广应用,基于变频器的交流电机变频调速系统具有调速方便、体积小、噪声小、能耗低、保护功能完善、组态灵活、可靠性强、智能化、数字化、网络化、易维护等特点,每年以20%的递增量在
发展。因此,合理的使用和维护变频器对自动化工程人员来说至关重要。
三、变频器的维护
变频器由许多集成芯片,电子元器件等组成,装置较为复杂,寿命一般小于10年,使用过程中不可避免的会出现各种故障,正确的维护,简单的检修可保证生产生活的正常进行。
(一) 变频器外部引起的故障
1. 变频器的工作环境
温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,可安装散热装置并避免日光直射以避免温度过高;振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,可安装在振动冲击较小的部位或者采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等会造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路,可对控制柜进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构。
2. 外部的电磁感应干扰
外部的电磁感应干扰可能会引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。可采用以下方法抑制噪声干扰: ①采用屏蔽线回路②接地端子单独使用;③缩短控制回路的配线距离④周围的继电器、接触器线圈上加装RC吸收器;⑤输入端安装噪声滤波器。
3. 电源异常
为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也有相应的要求。如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,应和变频器供电系统分离,减
小相互影响。对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适价格的变频器外,还应预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。对于要求不能停止运行的设备。
4. 雷击、感应雷电
雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,断路器开闭也能产生较高的冲击电压。变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时,应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。如变压器一次侧有真空断路器,因在控制顺序上应在真空断路器动作前先将变频器断开。
(二)变频器内部引起的故障
1.参数设置引起的故障
应多注意电动机参数、变频器控制方式和启动方式的设定等,若发生参数设置故障,可根据故障代码或产品说明书进行参数修改,必要时可恢复出厂值,重新设置。
2.过电流和过载
如果变频器一上电就报过流故障,可能是整流桥或逆变管损坏,需予以更换;若去掉电动机不再报警,可能是变频器和电机间存在断路;
若运行中,出现机械卡死、重载、加速时间设置过短或负载突变也有可能引起过流,应从上述可能性逐一排查。
3. 过电压和欠电压
过电压主要体现为电机拖动大惯性负载或多电机拖动同一负载时由于负荷分配不均引起;欠电压主要由电源电压过低或缺相、一个直流母线上的电压过低或欠压检测元件出现问题引起,可检查供电电压是否正常,更换故障元件或维修相应检测电路应注意变频器的环境温度,尽量通风,检查变频器风扇等。
(三) 本章小结
不同厂家对变频器的操作方法设定略有差异,但就其工作模式主要有面板操作模式和外部操作模式。要合理使用变频器,应多参考变频器厂家提供的使用手册,在实际应用中多积累经验。 本文后面将具体分析几个故障。
(一)变频器过电压的危害
变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压,中间直流回路过电压主要危害在于:(1)引起电动机磁路饱和。对于电动机来说,电压主过高必然使电机铁芯磁通增加,可能导致磁路饱和,励磁电流过大,从面引起电机温升过高;(2)损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后,变频器输出电压的脉冲幅度过大,对电机绝缘寿命有很大的影响;(3)对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响,严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定
在DC800V左右,一旦其电压超过限定值,变频器将按限定要求跳闸保护。
(二)产生变频器过电压的原因
1.过电压的原因
一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面:
(1)来自电源输入侧的过电压
通常情况下的电源电压为380V,允许误差为-5%-+10%,经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V,个别情况下电源线电压达到450V,其峰值电压也只有636V,并不算很高,一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压,如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等,主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
(2)来自负载侧的过电压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时,即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态,负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能,通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态,如果变频器中的电压上升。达到限值即行跳闸。
2.变频器负载侧引起过电压的情况及主要原因
从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如
(1)变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。当变频器拖动大惯性负载时,其减速时间设定的比较小,
在减速过程中,变频器输出频率下降的速度比较快,而负载惯性比较大,靠本身阻力减速比较慢,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于发电状态,而变频器没下:有能量处理单元或其作用有限,因而导致变频器中间直流回路电压升高,超出保护值,就会出现过电压跳闸故障。
大多数变频器为了避免跳闸,专门设置了减速过电压的自处理功能,如果在减速过程中,直流电压超过了设定的电压上限值,变频器的输出频率将不再下降,暂缓减速,待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适,又没有利用减速过电压的自处理功能,就可能出现此类故障。
(2)工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了负载的减速时间,合理设定相关参数也不能减缓这一故障,系统也没有采取处理多余能量的措施,必然会引发过压跳闸故障。
(3)当电动机所传动的位能负载下放时,电动机将处于再生发电制动状态。位能负载下降过快,过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力,过电压故障也会发生。
(4)变频器负载突降。变频器负载突降会使负载的转速明显上升,使负载电机进入再生发电状态,从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量,短时间内能量的集中回馈,可能会中间直流回路及其能量处理单元
(5)多个电机拖动同一个负载时,也可能出现这一故障,主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动
机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机相当于原动机,转速低的处于发电状态,引起了过电压故障。处理时需加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些。(6)变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后,中间直流回路电容容量下降将不可避免,中间直流回路对直流电压的调节程度减弱,在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下,发生变频器过电压跳闸几率会增大,这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。
(三)过电压故障处理对策
对于过电压故障的处理,关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送,使其过电压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策。
1.在电源输入侧增加吸收装置,减少过电压因素
对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下,可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。
2.从变频器已设定的参数中寻找解决办法
在变频器可设定的参数中主要有两点:是减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时,变频器减速时间参数的设定不要太短,而使得负载动能释放的太快,该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限,特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制,而在限定时间
内变频器不过压情况下可减至的频率值,暂缓后减速至零,减缓频率减少的速度。
3.通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题
在很多工艺流程中,变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的,可以利用控制系统的一些功能,在变频器的减速和负载的突降前进行控制,减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。如对于规律性减速过电压故障,可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥,在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值,相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力,避免产生过电压故障。而对于规律性负载突降过电压故障,可利用控制系统如SIEMENS的PLC系统的控制功能,在负载突降前,将变频器的频率作适当提升,减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路,以减少其引起的过电压故障。
4.采用增加泄放电阻的方法
一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻,大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻,为中间直流回路多余能量释放提供通道,是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高,可能出现频繁投切或长时间投运,致使电阻温度升高、设备损坏。
5.在输入侧增加逆变电路的方法
处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路,可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵,技术要求复
杂,不是较经济的方法。这样在实际中就限制了它的应用,只有在较高级的场合才使用。
6.采用在中间直流回路上增加适当电容的方法
非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法,是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。
7.在条件允许的情况下适当降低工频电源电压
目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥,电源电压高,中间直流回路电压也高,电源电压为380V、400V、450V时,直流回路电压分别为537V、565V、636V。有的变频器距离变压器很近,变频器输入电压高达400V以上,对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大,在这种情况下,如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档,通过适当降低电源电压的方式,达到相对提高变频器过电压能力的目的。
8.多台变频器共用直流母线的方法
至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过电压问题,因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流,这样就可以基本上保持共用直流母线的电压。使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题,在利用共用直流母线解决过电压的问题时应注意这一点。
变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点,关键是要分清原因,结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况,才能制定相应的对策,只要认真对待,该过电压故障是不难解决的。
五 、变频器常见干扰故障分析及对策
变频器作为一种高效节能的电机调速装置,因其较高的性能价格比,在工厂得到了越来越广泛的应用。众所周知,变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件,在控制上则采用的是PWM控制方式,这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外,还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变,产生无线电干扰电波,它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。同时由于变频器的使用,电网电源电压中会产生高次谐波的成分,电网电源内有晶闸管整流设备工作时,会引导电源波形产生畸形。另外,由于遭受雷击或电源变压器的开闭,电功率用电器的开闭等,产生的浪涌电压,也将使电源波形畸变,这种波形畸变的电网电源给变频器供电时,又将对变频器产生不良影响。本章将对于上述现象进行了分析并提出了降低这些不良影响的措施。
(一)外界对变频器的干扰
供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电;浪涌、跌落;尖峰电压脉冲;射频干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的谐波干扰后若不加处理,电网噪声就会通过电网的电源电路干扰变频器。变频器的输入电路侧,是将交流电压变成直流电压。这就
是常称为"电网污染"的整流电路。由于这个直流电压是在被滤波电容平滑之后输出给后续电路的,电源供给变频器的实际上是滤波电容的充电电流,这就使输入电压波形产生畸变。
1.电网中存在各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备,非线性负载及照明设备等大量谐波源
而对电网中其它设备产生危害的干扰。例如:当供电网络内有较大容量的晶闸管换流设备时,因晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通,故容易使网络电压出现凹口,波形严重失真。它使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害,从而导致输入回路击穿而烧毁。
2.电力补偿电容对变频器的干扰
电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求,为此,许多用户都在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中,网络电压有可能出现很高的峰值,其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。
3.电源辐射传播的干扰信号
电磁干扰(EMI),是外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰,通常是通过电路传导和以场的形式传播的[2]即以电磁波方式向空中幅射,其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。
对于1、2两项产生的干扰抑制可以在变频器输入电路中,串入交流电抗器,它对于基波频率下的阻抗是微不足道的。但对于频率较高的
高频干扰信号来说,呈现很高的阻抗,能有效地抑制干扰的作用。对于3项的干扰信号主要通过吸收方式来削弱。变频器电源输入端,通常都加有吸收电容。也可以再加上专用的"无线电干扰滤器",来进一步削弱干扰信号。
(二)变频器对周边设备的干扰及对策
上面已经讲过变频器能使输入电源电压产生高次谐波。同时,变频器的输出电压和电流除了基波之外,还含有许多高次谐波的成分,它们 良的影响。其中,供电电源的畸变,使处于同一供电电源的其他设备出现误动作,过热、噪声和振动;产生的无线干扰电波给变频器周围的电视机、收音机、手机等无线电接收装置带来干扰,严重时不能正常工作;对变频器的外部控制信号产生干扰,这些控制信号受干扰后,就不能准确、正常地控制变频器运行,使被变频器驱动的电动机产生噪音,振动和发热现象。
1.对接在同一电源设备带来的干扰
当变频器的容量较大时,将使网络电压产生畸变,通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰传入其它电路。消除或削弱对接在同一电源的设备带来的干扰,可以将变频器的输入端串入交流电抗器,在变频器的整流侧插入直流电抗器。也可以在变频器电源输入端插入滤波器,如下图1所示:
LC滤波器是被动滤波器,它由电抗和电容组成对高次谐波的共振回路,从而达到吸收高次谐波的目的。有源滤波器的工作原理是:通过
对电流中高次谐波进行检测,并根据检测结果,输入与高次谐波成分相位相反的电流来削弱高次谐波的目的。
2.对于产生的无线电干扰波
目前,变频器绝大部分是采用PWM控制方法。变频器输出信号是高频的开关信号,在变频器的输出电压、输出电流中含有高次谐波,通过静电感应和电磁感应,产生无线电干扰波。这些干扰波有的通过电线传导,有些辐射至空中的电磁波和电场直接辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样,变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。
电线传导的无线电干扰波的抑制,可以采用噪声滤波变压器,对高器的输入端插入滤波器。
辐射无线电干扰波的抑制,较传导无线电干扰波要困难一些。这种无线电干扰的大小,决定于安装变频器设备本身的结构,和电动机电缆线长短等许多因素有关。可以尽量缩短电动机电线,电线采用双绞措施,减少阻抗;变频器输入、输出线装入铁管屏蔽;将变频器机壳良好地接;变频器输入、输出端串接电抗器,插入滤波器。
3.对于产生的噪声干扰
由于变频器采用了PWM 控制方式,变频器的输出电压波形不是正弦波,通过电动机的电流也难免含有许多谐波。变频器输出的谐波频率与转子固有频率的共振,在转子固有频率附近的噪声增大,变频器输出的谐波分量使铁心、机壳、轴架等谐波在其固有频率附近的噪声
增大。因此,利用变频器对电动机进行调速控制时,电动机绕组和铁芯由于谐波的成分而产生噪声。
对于噪音的抑制可以采取的措施为:
( 1)选用以IGBT等为逆变模块的载波频率较高的低噪音变频器。选用变频器专用电动机,在变频器与电动机之间串入电抗器,以减少PWM控制方式产生的高次谐波。
( 2) 在变频器与电动机之间插入可以将输出波形转换成正弦波的滤波器。
(3) 选用低噪音的电抗器。
4.对于产生的振动干扰
采用变频器对电动机进行调速控制时,同噪音相同的原因,会使电动机产生振动。特别是较低阶的高次谐波所产生的脉动转矩,给电动机的转矩输出带来较大的振动。若机械系统与这种振动发生共振时,其振通常可以采取以下措施减小振动:
(1)强化机械结构的刚性,将刚性连接改为强性连接。
(2)在变频器与电动机之间串入电抗器
(3)降低变频器的输出压频比。
(4)改变变频器的载波频率。
在变频器对电动机进行调速过程中,如果调速范围较大时,应先测到机械系统的共振频率,然后利用变频器的频率跳跃功能,避开这些共振频率。如果转距有余量,可以将U/f给定小些。
5.对于导致控制部件电动机过热的干扰
采用变频器对电动机进行调速控制,由于高次谐波的原因,即使是对同一电动机,在同一频率下运行,电动机也将增加5%~10%的电流。电动机温度自然会提高。此外,普通电动机的冷却风扇安装在电动机轴上的,在连续进行低速运行时,由于自身的冷却风扇的冷却能力不足,而出现电动机过热现象。
电动机过热的对策有以下几种:
(1) 为电动机另配冷却风扇,改自冷式为他冷式。增加低速运行时的冷却能力。
(2)选用较大容量的电动机。
(3)改用变频器专用电动机。
(4) 改变调速方案,避免电动机连续低速运行。
随着工厂电气自动化程度的提高,各种干扰也日益增多,只有对变频器的干扰问题有深入的认识,并采取相应的处理措施,才能够减少彼此之间的相互危害,更大程度的确保生产的正常进行和设备的稳定。 结 论
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展,促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速,计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能,改善生产工艺流程,提高产品质量,以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率,高功率因数,以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。变频器和交流电机组成
的交流调速系统具有更宽的允许电压波动范围、更小的体积、更强的通讯能力,更优良的调速性能,在工矿企业中得到了广泛的应用 变频器在使用过程中的维护保养很重要,要想做好变频器的维护保养工作,提高变频器的工作性能延长变频器的使用寿命就必须做好日常维护保养,做好维护的基础就是了解变频器的基本结构和工作原理。所以本文主要介绍了变频器的结构原理及故障排查的基本方法和原理,以便初步了解变频器,为以后的工作学打下一定的基础。 致 谢
经过几个月的努力,毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中,学到很多有用的知识,也积累了宝贵的经验。
在此要特别感谢黄冬梅老师,在做设计期间得到老师的精心指导,她对我们要求非常严格。毕业设计的顺利完成离不开老师的帮助。同时感谢身边的同学,他们为我提供了很多宝贵的资料。在此再一次向他们致以深深的敬意和感谢!
同时由于自己本身对一些知识的掌握不是很深刻,设计难免会出现一些漏洞,虽然设计做的不是很完美,但是毕竟这是自己认认真真做出来的。希望各位老师给予指正。同时感谢母校对我三年来的教育和关心,在这里我不仅学到了专业知识,还学到了很多做人的道理。使我明确了以后的方向,树立了良好的价值观,在这里学到的一切都使我终身受益。 再次衷心感谢所有关心和帮助过我的老师和同学,谢谢你们!