变频器调速系统的应用与研究.docx

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变频器调速系统的应用与研究

目录

目录………………………………………………………………………1

摘要………………………………………………………………………3

前言………………………………………………………………………5

第1章拖动系统功率的确定……………………………………………5

第1.1节变频调速的基础知识……………………………………5

第1.2节电机容量的确定…………………………………………6

1.2.1恒转矩负载…………………………………………………………6

1.2.2平方律负载…………………………………………………………7

第1.3节功率裕量的考虑…………………………………………7

1.3.1电机的冷却方式………………………………………………………7

1.3.2变频器输出谐波的影响………………………………………………7

1.3.3超额定转速的运行……………………………………………………8

1.3.1特殊应用场合……………………………………………………8

第1.4节变频容量的确定……………………………………………8

第2章谐波的产生机理、危害以及抑制措施……………………………9

第2.1节谐波产生机理………………………………………………9

第2.2节谐波的危害………………………………………………10

第2.3节谐波的抑制措施…………………………………………10

第2.4节一种有效的谐波抑制方案………………………………11

第3章变频调速系统的效率分析………………………………………12

第3.1节变频器的效率与损耗………………………………………12

第3.2节变频调速电动机效率的变化…………………………………13

第4章变频调速技术在水处理工艺不同流程应用……………………13

第4.1节工艺流程……………………………………………………13

第4.2节变频器选择要注意的问题………………………………………16

第4.3节变频器在工程应用中要注意的问题………………………18

结束语………………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………20

致谢……………………………………………………………………………………21

变频调速系统的应用与研究

蒋太喜

机械工程学院2002级机电一体化专业　422004

摘 要:

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。

交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。

目前变频调速的主要方案有:

交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。

这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。

随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

本文针对变频调速器的电压选择方案，以及在运行中高次谐波的产生和抑制问题进行阐述和变频调速系统的应用举例

关键词：

变频调速谐波变频器

Adjusttheapplicationsystematicinspeedandstudyinfrequencyconversion

JiangTaiXi

2002gradesElectromechanics'integratedspecialityoftheMechanical

engineeringinstitute422004

Abstract:

Frequencyconversionisithavewithhighefficiency,widerangeandhighaccuracycharacteristicrapidlytoadjust,usemostextensiveandmostrisingtransferingthespeedwayatpresent.Exchangemotorfrequencyconversiontransferspeedsystematickindalotof,frequencyconverterbeginfromvoltagesourcetypethatputforwardinearlydays,havingdevelopedthesourcetypeofelectriccurrentinsuccession,thepulsewidthismodulated,etc.variouskindsoffrequencyconverters.Themainschemeofadjustingthespeedoffrequencyconversionisasfollows,atpresentPay-payfrequencyconversionnottotransferspeed,handin-straight-payfrequencyconversiontransferspeed,synchronousmotorautomaticcontroltypefrequencyconversiontransferthespeed,sinusoidalwavepulsewidthmodulatefrequencyconversiontransferspeed,vectorcontrolfrequencyconversionisitwaitforrapidlytotransfer.Frequencyconversionthetransferdevelopment,speedoftechnologydependonhigh-powermanufacturecompetence,semiconductorofdevicetoagreatextent.Withthedevelopmentofelectricandelectronictechnology,especiallycanshutoffandmakeanoiseandisinchargeofGT0,anelectrictransistorGTRbrilliantly,insulatingdoortransistorIGBTverymuch,MOSbrilliantfloodgatetubeandMTC,etc.isitshutoffabilityaccuseofdevelopment,powerofcomponentallbyoneselftohave,inaddition,controlmoduledevelopfromseparatingthecomponenttotheextensivedigitalintegratedcircuitandadoptthecomputertocontroltoo,thusmakefastthatfrequencyconversionfit,dependabilityandeconomyraiseconstantly,frequencyconversionadjuststheperformancesystematicinspeedbutperfectedconstantlytoo.

Thistextchoosestheschemetothevoltageofthefrequencyconversiongovernor,andhightimesofinharmonyproductionofwavesuppressquestionisitexplainwithfrequencyconversiontransferingspeedsystematicapplicationgiveanexampletogooninnotoperating.

Keyword:

Frequencyconversionadjuststhespeedharmonicwavetransducer

前言

交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。

但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。

20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。

人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。

因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。

早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。

20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。

由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。

20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。

第1章拖动系统功率的确定

第1.1节变频调速的基础知识

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。

作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。

近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

　　n＝60 f（1－s）/p（1-1）

　　式中n———异步电动机的转速；

　　　　f———异步电动机的频率；

　　　　s———电动机转差率；

　　　　p———电动机极对数。

由式（1-1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

　　变频器主要采用交—直—交方式，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。

第1.2节电机容量的确定

1.2.1　恒转矩负载

恒转矩负载在转速变化时具有基本恒定的转矩。

因此其所需要功率可根据其所需的连续转矩乘以额定速度得到，即：

P=nT/9550式中（1-2）

:

P——机械输出功率（kW）；

n——额定转速（r/min）；

T——连续转矩（N·m）。

此功率是否足够,还必须要对起动过程进行验算。

由于电机是由变频器供电，一般交-直-交变频器的过载能力为150%、1分钟，因此其最大起动及加速度转矩为

Tm=T150%　　　　　（1-3）

如果负载转矩或加速度转矩大于此值，就必须要考虑；增加电机和变频器的功率。

恒转矩负载在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，应对变频器的控制方式进

选择。

（1）负荷的调速范围。

在调速范围不大的情况下，选择较为简易的V/F控制方式的变频器。

当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。

（2）恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。

当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的V/F控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用无反馈的矢量控制方式。

（3）如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的V/F控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。

1.2.2　平方律负载

平方律负载主要是风机和泵类负载，因为在一般情况下,风机和泵类负载的转矩与速度的平方成正比，而功率与转速的立方成正比。

此时，最大的输出功率必然出现在最大速度点。

因此，可根据制造厂提供的风机和水泵的参数选定电机的额定功率。

但是不要误认为任何风机和泵类负载都是平方律负载。

实际上，在考虑到起动转矩、加速转矩、流体浓度和粘性的变化几某些特殊应用场合后，实际的负载公里有可能是线性的，即相当于恒转矩负载。

这种情况发生在诸如处理高浓度液体的泵类、常温空气下运行的锅炉引风机和某些实验机械。

总之，负载的特性是千变万化的，还必须与用户的被控机械的制造商研究协商，仔细分析各种应用情况，才能得到可靠的结果。

第1.3节功率裕量的考虑

在常规下的功率确定后，还必须考虑增加电机额定功率的要求，使其具有足够的输出功率裕量。

1.3.1　电机的冷却方式

对于主轴安装内部风扇的自冷式电机，当其拖动平方律负载时，可以在整个速度范围内满意的工作，不需要增加辅助冷却设备或提高功率额度。

但是，拖动恒转矩负载，由于转速降低时，其冷却能力随着降低，就必须考虑增加额定输出功率，选用大一号电机或附加外部冷却设备。

如果是本身具有附加水冷和风冷设备的电机，这一点就不需要考虑。

1.3.2　变频器输出谐波的影响

变频器输出电流中的谐波成分将造成电机的发热增加，产生噪声并使实际输出力矩减小，这个问题可以从两方面解决，一方面选用无谐波或低谐波的变频器，也可在变频器端增加滤波器；另一方面，有时使电机的额定功率有一定的裕量（≤5%）也是必要的。

1.3.3超额定转速的运行

我国生产的普通异步电动机额定工作频率为50Hz±1%。

一般不希望在超过其同步转速的情况下运行，当负载要求的最高转速高出其同步转速不多时，出于技术经济性的综合考虑，可增加容量予以选择。

但由于电机轴承等机械强度的限制，最高转速不能大于同步转速的5%～10%。

1.3.4特殊应用场合

当系统使用环境不满足电机规定的环境要求时，应考虑增加选用电机的功率。

如电机一般规定的海拔高度为1000m，周围环境温度不高于40o。

如使用场合的海拔高度和环境温度超过上述数值，应考虑选用更大的电机。

相应地变频器的功率也要提高。

可根据制造厂提供的数据或图表做适当的计算之后确定提高多少。

也可提出要求要制造厂专门设计。

第1.4节变频器容量的确定

在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。

确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：

变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。

但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。

故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。

电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。

或者，也可从电机的输出功率由下式计算

　　　　　　（1-4）

式中,P为额定输出功率（KW）；

U为额定电压（KV）；

I为额定电流（A）；

η为电机效率；

为功率因数。

第2章谐波的产生、危害和抑制措施

近年来，由于调速和节能的需要，越来越多的场合用到了变频调速技术。

其中的核心部分变频器是电力电子器件，有电子元器件，计算机芯片，易受外界的一些电气干扰，因此，变频器投入电网运行时，需要考虑电网电压是否对称，变压器容量的大小及配电母线上是否接有非线性设备等；另一方面，变频器本身输入侧是一个非线性整流电路，对电源的波形将有影响，变频器输出侧电压、电流、非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波。

由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生电流高次谐波，干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备。

在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题，下面简单介绍变频器谐波产生的机理、危害以及有效防止或抑制干扰的对策。

第2.1节高次谐波的产生原因

高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非性线元件及负载产生的。

如：

电容性负载、感性负载及开关变流设备，诸如计算机及外设、电动机、整流装置等。

由于其为储能元件或变流装置，故使电压、电流波形发生畸变，见图2.1

图2.1带有非线性负载时的电流波形

第2.2节高次谐波的危害

高次谐波电流通过变压器，可使变压器的铁芯损耗明显增加，从而变压器出现过热，效率降低，缩短变压器的寿命。

高次谐波对电网的影响也是如此，电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命；对电动机影响更大，不仅损耗增加，还会使电动机转子振动；而高次谐波对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。

高次谐波的干扰，往往还会导致供电空气开关误动作，造成电网停电，严重影响用电设备的正常工作。

同时，高次谐波对通讯设备也产生干扰信号。

对于电容负载：

ZC＝1/2πfC（2-1）

当f=n×50（n=2、3……）中n很大时，由上式可见ZC很小。

第2.3节高次谐波的抑制

（1）三相整流变压器采用Y△或△Y，这样联接可以消除3的整数倍的高次谐波，电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。

（2）增加整流变压器二次侧的相数。

整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，奇数低的谐波被消去的也越多。

（3）装设分流滤波器，分流滤波器是由R、C、L等元件组成的。

串联谐振电路一般采取三相星形联接，它往往接在大型整流设备与电网的联接处，见图2.2

图2.2分流滤波器接线图

（4）装静止无功补偿装置

上述四种抑制方式尽管对电网的净化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能对谐波全面管理或仅仅局限在很小的范围之内。

这些方式都是被动的，不能随谐波变化而变化。

第2.4节一种新的谐波抑制方案

随着科技的发展对谐波的抑制提出了新的设想,它克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段,它采用如图2.3的拓扑类型。

它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析、建立频谱图，以此频谱图为依据向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波，从而达到谐波抑制的效果。

图2.3有源谐波调节器的基本工作原理

据此原理推出了有源谐波调节器（ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能将2～25次谐波有效地抑制。

可根据电网的情况调整电压与电流波形的相位角，修正电流波形，提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。

它的工作原理见图2.4。

图2.4有源谐波调节器工作原理框图

有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。

该调节器还具有标准的RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯。

（a）无有源谐波调节器

（b）有有源谐波调节器

图2.5带有非线性负载（计算机等）的输入电流波形

图2.5为非线性负载经有源谐波调节器调节前（a）与调节后（b）的输入电流波形比较。

可以看出，这种有源谐波调节器将大大抑制谐波，提高了功率因数，同时大大地减小损耗，大大地节约了能源，保障了电网线路的安全。

利用该谐波调节器可全面解决电网造成的损失。

第3章变频调速系统的效率分析

第3.1节变频器的效率与损耗

变频器效率是指其本身变换效率。

就变频器的两种形式而言。

交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交-直-交型，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。

所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。

其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。

变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小，根据文献[1]提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%~96%，随着变频器功率增大而得到提高。

第3.2节变频调速后电动机效率的变化

　　变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕

组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。

铁芯中的磁滞损耗表达式为:

（3-1）

说明磁滞损耗Pn与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值Bm的α次方成正比，α对于一般硅钢片，当Bm=0.8～1.6W/m2时，α=2，由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为:

Q∝n;P∝n3;P∝Q3变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少，速度慢，损耗所占比例有所提高。

涡流损耗表达式为:

Pe∝af2;式中a=（Bm）2d2/rw;Bm磁通密度的幅值Bm;d铁心厚度;rw涡流回路等效电阻。

轴承摩擦损耗:

Pz∝f1.5风阻损耗:

Pf∝f3，定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。

杂散损耗及附加损耗:

不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都产生现谐波，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。

综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。

第4章变频调速技术在水处理工艺不同流程应用

第4.1节工艺流程

在交流电机调速传动中，采用变频技术，既可实现无级调速，满足净水工艺过程中各项指标对电机速度控制的要求，保证水工艺流程的相对稳定，大幅度节约电能，降低制水成本，又可降低或减少相关设备的开停次数，延长使用寿命，解决由于工程实际运行规模与设计规模偏差带来的弊端，协调各工艺流程间匹配关系，降低土建及工艺设备总价，合水厂建设和运行达到国家相应的考核标准。

现就变频器在水工艺各流程中的具体应用体会，与同行交流，以促进自己的学习、提高。

　　常规的净水处理工艺包括取水－＞沉淀－＞过滤－＞送水四个主要流程，配套工艺流程为投加系统、污泥处理及自用水回收等。

变频调速技术在水处理工程中的应用，应强调与工艺和控制检测技术的协调考虑。

在选用的原则及台数上，一定要目的明确，方法得当，否则不能取得预期效果。

（1）在工艺设备选择上，为解决压力或流量动态变化的问题，采用大小泵搭配方法进行匹配，人为增加机泵的组数和土建面积，同时也达不到调节均匀