关于变频器的论文.docx

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关于变频器的论文

1.刖言

1.1研究的目的及意义

当今许多因素正冲击着全球电力工业，在国外电力生产商之间有着十分激烈的竞争，而世界范围内电力生产的市场化加速了生产商采用新技术；尤其是近两三年来，夏季持续高温造成许多省市电力供应紧张，供电已经不能满足急速膨胀的电力需求，拉闸限电现象日趋严重。

由于电力网负担过重，造成局部电力系统极其不稳定，这种现象已经严重影响了人民的日常生活和经济的正常运行。

我们注意到的全国节能活动中，宣传重点是民用电和商业用电的节约，而工业用电的节约则被淡化了。

其实工业所耗用的电量占总用电量的比重极大，因此我们更应该把更多的目光投入到工业用电的节约上来。

这样环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使高压大功率变频器的市场开发空间大大拓展。

另外高压变频器的最终用户对变频器的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视顾客变频调速技术方面的需要。

一般讲，在占工业用电50%〜60%的风机、泵和压缩机等通用机械上使用变频调速装置，可以节电30%左右。

这一类通用机械的驱动电机一般是工频电机，具有各种可供选择功能的通用变频器，其输出频率在0〜400Hz之间，正适合这类机械。

变频器技术具有工业维生素”之誉，是工业企业和日常生活工作中普遍需要的新技术;是高科技领域的综合性技术；是替代进口，节约投资的最大领域之一；是节约能源的高新技术。

目前，低压变频器已经非常普及和成熟，高压变频器也正在被人们关注和逐步应用'变频器除了有卓越的调速性能之外，还有显著的节约电能和保护环境等重大作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置，变频器的出现让工业领域的节能闪现了新的亮点。

但由于变频器进入我国的时间还不久，对于变频器的认识还不够，误用了变频器，使设备损坏，没有达到预期的效果。

所以我们要对变频器进一步的学习和研究，能够在今后的使用中达到理想的效果。

1.2国内外研究概况和发展趋势

1.2.1变频技术应用的国内外发展状况

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（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。

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。

发展低碳经济已成全球共识。

节能能源、降低消耗，构建资源节约型、环境友好型社会已是当今社会发展的一个永恒的话题。

这场绿色革命的浪潮中，节能环节是极具边际经济效益和推广价值的。

相较于清洁能源在全球能源供应端较低的占比和较高的边际成本，节能仍是绿色革命中最具推广意义和边际经济效益的领域。

如今，中国正在坚定不移地推动低碳经济，相关政策已密集出台。

电动机做为最重要的电力设备，将电能转换为机械能，以电机做为驱动的电力源，其耗用的电能占用全国总发电量的60%以上。

为此，国家规划

2011年7月后禁售非高效中小型电机，但到目前高效电机市场渗透率仅3%左右。

电机能耗占比高，节能潜力大。

通过对电机变频调速可平均节能30%以上，节能效果

显著，电机节能空间巨大。

伴随着节能政策的推广，变频器行业将迎来新一轮发展。

摩根士丹利预测，中国潜在的节能市场规模达8000亿元。

变频器是电机变频调速的核心部件，根据测算高压变频器市场潜在规模约810亿元。

目前已经配置变频器的高压电机不到10%，预计未来3年高压变频器复合增长率达45%

以上。

中低压变频器市场将保持15%左右的持续增长，预计到2012年达190亿元。

中国变频器市场正在呈迅速扩大的趋势，根据一份中国国内的权威统计，在过去的几年，中国变频器市场保持着25%-35%的年增长率，增长速度排在电气行业之首位。

机械工业信息研究院产业与市场研究所发布数据称，我国变频器市场至少在10年以后才能趋于饱和，总体市场潜力为1200亿-1800亿元。

威尔凯中国区CEO陈建义透露，目前中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20%左右，按照这样的增长速度计算，中国的变频器市场至少要到15年后才能发展成熟并逐渐饱和。

1.2.2变频技术的发展趋势

变频器是运动控制系统中的功率变换器。

当今的运动控制系统包含多种学科的技术领

域，总的发展趋势是：

驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性，实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。

变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐

波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗（即效率）如何。

这里仅以量大面广的交直交变频器为例，阐述它的发展趋势：

主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

1.3实验研究的主要内容和方法

1.3.1问题的提出

在现代工业控制系统中，电机运行状况直接关系到电量消耗多少的问题。

然而，变频技术毕竟是一项新的技术，进入我国的时间还不久，对于变频器的认识还不够，误用了变频器，使设备损坏，没有达到预期的效果。

所以我们要对变频器进一步的学习和研究，能够在今后的使用中达到理想的效果。

本系统能够实现对温水泵的自动控制，保障设备和系统运行的可靠性，为降低用电成本、优化人员配置、实现无人值守提供了有力保障。

1.3.2本课题研究的主要内容

图1-1:

系统结构框图

本文对变频器和恒温供水系统做了有效的设计和初步研究，利用丹佛司2800变频器

的PID的电压控制方式，可以实现自动加热和自动调节水速的功能。

通过PT100温度传感器采集温度，经过变换器转变成电压信号，送给温度表，再由温度表来控制是否加热。

整个系统是一个热水循环系统，设计了一个冷水泵，如果水槽内的水低于设定值，自动对水槽加水。

本系统简单可靠，可适用于工业上许多恒温供水的领域，有利于降低成本与提高系统的可靠性。

通过论证本设计中的恒温供水系统满足设计要求，且该系统运行稳定可靠，

处理事件速度快，功能易于扩展，节约了企业成本，增强了实用性，具有一定的使用价值和推广前景。

2.变频器

2.1内部结构

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。

2.2工作原理

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，直流回路通过电容滤波。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路通过电感滤波。

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”

整流器是将工频电源变换为直流功率。

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。

平波回路主要是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动。

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。

逆变器是将直流功率变换为交流功率。

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。

（1）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。

（2）电压、电流检测电路：

与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）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。

（4）速度检测电路：

以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、pig等）的信号为速度信号，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。

（5）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。

2.3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一直一交电路。

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。

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la、lb、Ic，通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电

流Ia1、Ib1，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。

（3）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。

（4）矩阵式交一交控制方式：

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交

—直一交变频中的一种。

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，矩阵式交一交变

频应运而生。

由于矩阵式交一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I，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。

矩阵式交一交变频具有快速的转矩响应（＜2ms）,很高的速度精度（±%，无PG反馈），高转矩精度（＜+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。

3.恒温供水设计

3.1恒温供水设计方案

本设计利用丹佛斯2800变频器来实现温水自动循环的过程。

利用PT100测得恒温水

池的水温，通过电阻电压信号传给变送器。

变送器把PT100的电压信号处理成电流信号，

传给温度表。

温度表把变送器传来的信号进行分析，是否达到已设定的温度值。

若温度没有达到设定值时，电热丝开关自动闭合，开始给恒温水池加热。

若已达到设定值时，温度表就会给变频器一个0~10V的电压信号。

这时温水泵就会运转起来，给系统恒温供水。

考虑到系统中温水的外漏外渗，所以外加了个冷水泵。

当水池中的水位没达到标准设定水位时，浮球开关控制冷水泵给水池补水。

浮球开关水泵｛冷水〕>变频器

温度采轄换一温度表

隼模块模块

图3-1:

系统结构框图

3.1.1水温采集电路

P900温度表

FT100

图3-2:

水温采集电路图

热电阻传感器将水温转换成电压信号，再将该电压信号送入变送器的输入网络，该网络包含调零和热电阻补偿等相关电路。

经调零后的信号输入到运算放大器进行信号放大，放大的信号一路经V/I转换器计算处理后以4—20mA直流电流输出；另一路经A/D转换器处理后到温度表显示。

本系统中的关系：

感温电阻（电压信号）f变送器（电流信号）f温度表（电压信号）。

通过PT100温度传感器采集温度，经过变送器转变成电压信号，送给温度表，再由温度表的来判断是否加热并控制温水泵转速。

整个系统是一个热水循环系统，设计了一个冷水泵，如果水槽内的水低于设定值，自动对水槽加水。

3.1.2温度表和变频器控制电路

QS1

图3-3：

温度表和变频器控制电路图

温度采集是采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电流信号的变化，温度变化和电流信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电流信号可以使用模数转换的电路即AD转换

电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给单片机处理，单片机经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值。

然后通过显示单元，显示出来给人观察。

这样就完成了基本测温功能。

泛达温度控制表/温度仪表/温度表台湾泛达P900系列调节仪（温度控制表，温度仪表，温度表）特具有精度高，价格低，易操作具有自行诊断功能，可显示故障状况，FUZZYPID自整定功能为标准配备单段斜率控制加持温计时器输出缓冲启动，输出量无扰动输入，输出完全隔离接受各式热电偶，白金电阻或线性信号，软体切换可调整PV补偿加热/冷却输

出，同面板切换一组警报，可追加至3组，17种模式具有PV，SV值再传送功能可接记录器设定值可同外部设定输入交换式电源，AC85-265V50/60HZ防水、防尘、供选择输入：

各种热电偶（TC）、热电阻（RTD）、标准电流电压信号测量精度：

土0.5%FS、土0.2%

FS冷端补偿误差：

土1C（0-50r范围内且可软件修正）分辨力：

14bit采样周期：

0.5sec显示数值范围：

-1999~+9999输出；电流DCO〜10mA,0〜20mA,4〜20mA（RL<600Q），电压DCO〜5V、1〜5V（RL>1000Q）三组程序控制模式：

一组8段，二组8段，一组16段，可自由选择。

变频器是矢量控制电动机。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

3.1.3冷水泵与加热丝主电路

图3-4：

冷水泵与加热丝主电路图

如图3-4所示，电热丝和冷水泵的通断都是通过接触器来控制的。

当温度未达到设定值时，温度表的常闭开关闭合，使KM1线圈通电，KM1导通状态，电热丝开始加热。

当水位不足时，浮球开关闭合，KM2线圈通电，触头闭合，这样冷水泵就能工作。

在冷水泵中穿入热继电器是用来保护电动机。

热继电器是双金属片式结构，双金属片是用两种不同线膨胀系数的金属片，通过机械辗压在一起制成的，一端固定，另一端为自由端。

当双金属片的温度升高时，由于两种金属的线膨胀系数不同，所以它将弯曲。

热元件串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流即为流过热元件的电流。

当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但不足以使继电器动作；当电动机过载时，热元件产生的热量增大，使双金属片弯曲位移量增大，经过一段时间后，双金属片弯曲推动导板，并通过补偿双金属片与推杆’将触点分

开，触点为热继电器串于接触器线圈回路的动断触点，断开后使接触器失电，接触器的动合触点断开电动机等负载回路，保护了电动机等负载。

3.1.4控制电路的设计

—

-FU

FR

SB11-V

•j

HL1

HL2

图3-5:

控制电路的设计图

KA上面连接KM1的

如图3-5中HL1和HL2为显示的灯泡，来判断电路是否通电常闭开关。

这样当加热时，温水泵就不会与电热丝同时运行。

达到了设计时的要求。

加热和供水能很好的根据水温来工作。

浮球式水位开关原理：

水都有浮力，而浮球系统是根据液体的浮力而配套制作的，当液位上涨时，浮球系统也相应上涨，同理当液面下降时也相应下降，当上涨或下降到设定的位置时，浮球系统就是会碰到在设定位置的开关，从而使开关发出电信号，而电控设备在接到电信号时会马上动作，切断或接通电源，形成自动控制系统。

常用的方法是在浮球里装有磁铁，浮球运行到干簧管的位置时使干簧管里的开关动作。

优点是：

价格便宜，几元到几十元都有，但是容易受外界环境影响，易坏。

3.2变频器在恒温供水中的作用

供水系统的基本构成是，变频器+水泵+检测部件+PID调节器（目前大多数变频器以将PID调节器集成到其内部），该图为简单的单泵控制系统。

水泵

图3-6:

供水系统的基本构图

如图3-7的补偿电阻Rc用于补偿压力远传表电阻值与VLT变频器输出电源匹配问题。

VLT变频器的50端子是10VDC电源，专门用于过程控制系统的检测装置的供电电源。

53端子是模拟量信号（反馈输入和模拟量给定值）输入端。

55端子为公共端。

12

18“

起动/停止开关

27

图3-7:

内部结构图

VLT2800集成有恒转矩输出特性和变转矩输出特性以及速度PID调节器和过程控制PID调节器，分别用于速度闭环运行控制和过程运行的闭环控制。

在供水系统中使用变转矩运行特性和过程控制PID调节器。

4.系统的的干扰源及对控制的影响

应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效抗干扰的方法。

实践表明通过合理的硬件电路设计，可以消弱或抑制绝大部分干扰。

工程上广泛应用的的一些硬件抗干扰电路主要包括滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。

（1）外部对变频器的干扰：

非线性用电设备对变频器的干扰：

由于各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、照明设备等非线性负载的应用，这些负载成为电网中的大量谐波源，使电网电压、电流产生波形畸变。

变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。

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。

其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰：

许多用户都在变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数，在补偿电容器投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值。

（2）变频器对外部的干扰：

变频器对电网来说也是非线性负载，它所产生的谐波会

对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。

另外，逆变器采用spwm技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声，对共网的其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

（3）电磁干扰的传播途径：

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。

其干扰途径与一般电磁干扰途径一样，有电磁辐射、电路耦合、感应耦合等。

变频器对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。

当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞，则辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小与电磁波的波长接近时，会形成干扰辐射源向四周辐射。

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。

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合，将干扰信号带入其它电路。

比较典型的传播途径是：

接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号可沿着配电变压器进入中压网络，并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。

当变频器输入或输出电路与其它设备的电路很近时，变频器的高次谐波信号可通过感应的方式耦合到其它设备中去。

其中电流干扰信号主要以电磁感应方式传播，电压干扰信号主要以静电感应方式传播。

电气设备中的“地”通常有两种含义：

一种是“大地”，另一种是“工作基准地”。

接地的目的