机械设计制造及其自动化课程论文.docx

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机械设计制造及其自动化课程论文

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使用变频电动机时,变频器与减速器的作用.变频器是通过改变电动机的频率来改变电动机同步转速的,使用公式:

n=60*f/p.n--电动机同步转速,f--电源频率,p--电动机磁极对数.（对于异步电动机,我们暂不考虑转差率）.所以,第一,通过改变变频器的供电频率,我们可以得到很平滑的电动机转速.第二,电动机的电源（电压,电流等）是由变频器直接提供的,也就免除了电网供电时的干扰（比如电压变化大）.

其实两种用法都是一样，目的都是一样的是变频调速控制．企业做的是利润最大化，这要根据客户所需！

在一些条件允许的情况下，我是指客户与企业达到共识，变频器和变频电机组合控制调速比较好，控制使用效果和性能表现出色．但其代价比变频器和普通电机控制高，简单说变频电机是普通电机的两倍价格，这是一方面原因，如果客户所用的要求不高，转速要求比较高的情况下，可以直接使用普通电机加变频器就可以．这就需要了解贵司不用的产品所要求的．这也是原因之一，总的来说，贵司的电气控制设计人员对变频器是很了解的．所以才会根据不同需要来设计图纸，也就出现你所看到的结果！

有一点是要说明的，变频器加普通电机，在这里，有了变频器就可以与普通电机组合成变频调速，但低速时对普通电机后面风机的散热不好．同时也另一些问题出现．欢迎到我的空间看看！

一、基频参数的概念

基频以下，变频器的输出电压随输出频率的变化而变化，V/F=常数，适合恒转矩负载特性。

基频以上，变频器的输出电压维持电源额定电压不变，适合恒功率负载特性。

二、如何设置基频

基频参数设置应该以电动机的额定参数设置，而不能根据负载特性设置，即使电动机选型不适合负载特性，以必须尽量遵循电动机的参数，否则，容易过流或过载。

例如：

如果电机的额定工作频率为50HZ，基频应设置为50HZ；如果电机的额定工作频率为60HZ，基频应设置为60HZ；如果电机的额定工作频率为100HZ，基频应设置为100HZ。

如果电动机选择专用的交流变频电机，电机一般都标注恒转矩、恒功率调速范围。

如果标注5～100HZ为恒转矩，100～150HZ为恒功率，基频应该设置为100HZ。

二、基频设置的注意点

基频参数直接反映变频器输出电压和输出频率的关系，如果设置不当容易造成电动机的过流或过载。

如图2所示，一台交流电动机的额定工作频率为50HZ，额定电压380V。

如果变频器的基频设置低于50HZ（如基频1），V/F比例高，同等频率的输出电压高，输出电流高，在启动时，容易造成过流。

如果变频器的基频设置高于50HZ（如基频2），V/F比例低，同等频率的输出电压低，输出电流低，在启动时，容易造成无法启动而过载。

常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。

参数设置

常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。

在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。

所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：

（1）确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

（2）变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。

采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

（3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。

（4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。

正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。

回答者：

ivangelis

通过对电网进行回馈实现节能。

我们都知道电机工作的工作方式有两种：

电动和制动。

在电机进行制动的时候，它相当于是一台发电机，变频器通过将电机制动状态下发出的电能回馈给电网进行利用而实现节能。

虽然说单个一台电机进行能量的回馈对节能的贡献很小，但是在工厂中工作的电机往往数量很多，功率很大，这样，把这些电机制动转台的电能都收集起来回馈给电网再进行利用，就能够节约很多的能源。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器选型：

变频器选型时要确定以下几点：

1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3）变频器与负载的匹配问题；

I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。

对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

变频器控制原理图设计：

1）首先确认变频器的安装环境；

I.工作温度。

变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。

在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

II.环境温度。

温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。

必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。

在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

III.腐蚀性气体。

使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

IV.振动和冲击。

装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。

淮安热电就出现这样的问题。

这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。

设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

V.电磁波干扰。

变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。

因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。

所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。

如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

2）变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

I.变频器和电机的距离应该尽量的短。

这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

II.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。

同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。

如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。

与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

IV.与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

3）变频器控制原理图；

I.主回路：

电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。

虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。

可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

II.控制回路：

具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

4）变频器的接地；

变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。

变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。

变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。

信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。

变频器与控制柜之间电气相通。

变频器控制柜设计：

信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：

连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。

1）模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。

在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

2）为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。

变频器的运行和相关参数的设置：

变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：

即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。

采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

最低运行频率：

即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。

而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。

最高运行频率：

一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。

载波频率：

载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。

电机参数：

变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

跳频：

在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

常见故障分析：

1）过流故障：

过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。

其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。

这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。

如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

2）过载故障：

过载故障包括变频过载和电机过载。

其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。

一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。

负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。

如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

3）欠压：

说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。

1、引言

随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。

高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。

近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。

根据高电压组成方式可分为直接高压型和高低高型；根据有无中间直流环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器；在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。

直接高压交-直-交变频器直接输出高压，无需输出变压，效率高，输出频率不受限制，应用较为广泛。

评价高压变频器的指标主要有成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、dvdt、共模电压、系统效率、能否四象限运行等。

本文主要从使用高压变频器后对电网的谐波污染、功率因数等方面讨论高压变频器对电网的影响，并从高压变频器的输出谐波、dvdt、共模电压等方面讨论高压变频器对电机的影响。

变频器对电网的影响主要取决于变频器整流电路的结构和特性。

高压变频器输出对电机的影响主要取决于逆变电路的结构和特性。

美国的NEMA标准中对电机谐波发热、dvdt等方面的相应规定，具体规定是在MGI-1993的第30节。

2、高压变频器对电网的谐波污染

近年来，高压变频器的应用越来越广泛，由于高压变频器相对来说容量较大，占整个电网容量的比重较为显著，所以高压变频器对电网的谐波污染问题已经不容忽视。

许多场合由于采用了输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染问题。

从本质上而言，任何高压变频器或多或少会产生输入谐波电流，只是程度不同而已。

解决谐波污染的办法有二种一是采取谐波滤波器，对高压变频器产生的谐波进行治理，以达到供电部门的要求，也即通常所说的“先污染，后治理”的办法；二是采用产生谐波电流小的变频器，变频器本身基本上不对电网造成谐波污染，即所谓的“绿色”电力电子产品，从本质上解决谐波污染问题。

国际上对电网谐波污染控制的标准中，应用较为普遍的是IEEE519-1992，我国也有相应的谐波控制标准。

12脉冲晶闸管整流电路，整流器由两组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组副边（星型和三角形，互差30°电角度）供电。

这种整流电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，带来的好处是大大降低了5次和7次谐波电流。

因为对晶闸管整流电路而言，谐波电流近似为基波电流的1h倍，h为谐波次数，h=n×p±1，其中n是自然数，p为脉冲数。

12脉冲整流结构总谐波电流失真约为10％左右（图2）。

虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大大下降，但也不能达到IEEE519-1992标准规定的在电网短路电流小于20倍负载电流时谐波电流失真小于5％的要求。

因此，一般也要安装谐波滤波装置。

采用12脉冲结构还能避免器件的直接串联，变压器也可承受变频器产生的共模电压中的绝大部分，使电机绝缘不受共模电压的影响。

当然，变压器也要设计成为能够承受原边和副边的谐波电流。

晶闸管直流整流电路和二极管整流电路除了6脉冲结构和12脉冲结构外，还可以采取更高脉冲数的结构，如18脉冲，24脉冲，输入谐波也会随着降低，但会导致系统结构复杂，成本增加。

目前，大多数PWM电压源型变频器都采用二极管整流电路，如果整流电路采取全控型电力电子器件的PWM（高压时一般采用三电平PWM结构）控制，其结构与逆变部分基本对称，则可以做到输入电流基本为正弦波，谐波成分很低，功率因数可调，且能量可双向流动。

当然系统的复杂和成本也大大增加了。

这种双PWM结构的三电平高压变频器预计在轧机，卷扬机等要求四象限运行和较高动态性能的场合，会取代传统的交交变频器。

在晶闸管电流源型整流电路中，中间直流环节的电压正比于电机线电压额定值乘以运行点电机实际的功率因数，再乘以转速百分比。

所以，对于风机水泵等平方转矩负载，直流环节电压会随着转速的下降而很快降低，所以输入整流电路必须将触发角后移，这样导致输入功率因数很快下降。

另一个解释是，由于整流器电流和逆变器电流一般相等，负载所需的无功电流会直接“反射”到电网，导致输入功率因数较低。

我们也可以从能量转换角度来分析这个问题。

可见普通电流源型变频器的输入功率因数较低，且会随着转速的下降而降低，为了解决输入功率因数较低的问题，往往需要功率因数补偿装置，同时也起到消除部分谐波电流的作用。

功率因数补偿装置既增加成本和体积，又降低了系统的效率和可靠性。

在使用电流源型变频器的场合，由于存在谐波，在一定的参数配合下，功率因数补偿电路可能产生并联谐振现象，危及电容器本身和附近电气设备的安全，因此，并联电容组的设计中必须考虑谐波放大问题。

为了抑制谐波放大，通常可采服避开谐振点的方法，即无论是集中补偿和分散就地补偿的电容器组均要串联适当的电抗器。

二极管整流电路在整个运行范围内都有较高的功率因数，基波功率因数一般可保持在0.95以上（这是指位移因数，实际功率因数由于谐波的存在，还必须再乘以基波因数，会有所下降），一般也不必设置功率因数补偿装置。

因为有滤波电容存在，负载所需的无功电流可以通过逆变器由滤波电容提供，所以一般不会反映到整流器输入侧。

由于输入功率因数较高，输入变压器和整流器只需处理有功电流，有利于提高系统的效率。

采用全控型电力电子器件的PWM型整流电路，其功率因数可调，可以做到接近于1，根据要求，也可做成超前的功率因数，对电网起到部分无功补偿的作用。

单元串联多电平PWM变频器功率因数较高，在整个调速范围内可达到0.95以上。

属于“绿色”电力电子产品，但由于其成本相对较高，主要用轧机、卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合。

4、输出谐波对电机的影响

输出谐波对电机的影响主要有引起电机附加发热，导致电机的额外温升，电机往往要降额使用；由于输出波形失真，增加电机的重复峰值电压，影响电机绝缘，谐波还会引起电机转矩脉动，噪音增加。

电流源型变频器种类很多，主要有串联二极管式、输出滤波器换相式、负载换相式（LCI）和GTO-PWM式等。

图4为典型的电流源型变频器示意图。

普通的电流源型变频器输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是120°的方波，含有丰富的谐波成分，总谐波电流失真可达到30%左右。

为了降低输出谐波，也有采用输出12脉冲方案或设置输出滤波器，输出谐波会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。

输出滤波器换相式电流源型变频器固有的滤波器可以给6脉冲输出电流中的谐波分量提供通路，所以速度较高时，电机电流波形有所改善。

GTO-PWM电流源型变频器电机电流质量的提高主要是通过GTO采用谐波消除的电流PWM开关模式来实现，但受到GTO开关频率上限的限制。

图4电流源型变频器

在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，通常采取三电平PWM方式，也称NPC（NeturalPointClamped中点箝位）方式，整流电路一般采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO，IGBT或IGCT。

与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数增加到3个，每个电平幅值相对下降，且提高了输出电压谐波消除算法的自由度，可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提高。

为了减少输出谐波，希望有较高的开关频率，但这样会导致变频器损耗增加，效率下降，开关频率一般不超过2kHz。

如果不加输出滤波器，三电平变频器输出电流总谐波失真可以达到17％左右，不能使用普通的异步电机。

普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是步进磁动势，它和基本恒速旋转的转子磁动势产生的电磁转矩除了平均转矩以外，还有脉动的分量。

转矩脉动的平均值为0，但它会使转子的转速不均匀，产生脉动，在电机低速时，还会发生步进现象，在适当的条件下，可能引起电机与负载组成的机械系统的共振。

脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相互作用产生的。

在三相电机中，产生脉动转矩的主要是6n±1次谐波。

6脉冲输出电流源型变频器输出电流中含有丰富的5次和7次谐波，5次谐波产生的旋转磁势与基波旋转磁反向，7次谐波产生的旋转磁势与基波旋转磁势同向，而电机转子的电气旋转速度基本接近基波磁势的旋转速度（二者的判别对应于电机的转差率），所以5次谐波磁势和7次谐波磁势都会在电机转子中感应产生6倍于基波频率的转子谐波电流。

基波旋转磁势和6倍频的转子谐波电流共同作用，产生6倍频的脉动转矩，所以6脉冲输出电流源型变频器含有较大的6倍频脉动转矩。

同样，11次和13次谐波电流也会产生一个12倍频的脉动转矩。

电流源型变频器采用12脉冲多重化后，输出电流波形更接近正弦波，由于5次和7次谐波大大降低，6倍频率脉动转矩大大减小，剩下主要为12倍频的脉动转矩，总的转矩脉动明显降低。

5、输出dvdt对电机的影响

普通的二电平和三电平PWM电压源型变频器由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压和直流母线电压的一半，同时由于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的电压变化率，即dvdt。

较大的dvdt会影响电机的绝缘，尤其当变频器输出与电机之间电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射作用，dvdt会放大，在电机端子处可增加一倍以上，对电机绝缘引起损坏。

所以这种变频器一般需要特殊设计的电机，电机绝缘必须加强。

如果要使用普通电机，必须附加输出滤波器。

6、电机设计和输出电缆选择方面的特殊问题

由于变频器输出谐波会引起电机附加温升，电机容量必须适当放大，热参数降低使用。

谐波使电机振动，噪声增加，电机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动，临界转速必须避开整个工作转速范围。

转矩脉动产生的应力集中可能对电机部件引起损坏，电机关键部位必须加强。

定、转子槽形应不同于标准电机，以减少谐波引起的铜耗。

采取绝缘轴承，在必要时轴上安装接地碳刷以避免轴电流对轴承的损坏。

由于普通变频器输出波形中含有高次谐波成分，因集肤效应而使线路等效电阻增加，同时，在逆变器输出低频时，输出电压跟着降低，线路压降占输出电压的比例增加，因此输出电缆的截面积应当比普通接线时放大一级。