電機變頻節(jié)能設計說明

1、畢業(yè)設計說明話題：電機變頻節(jié)能設計姓名： 導師： 部門機電工程 目錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc295138475 摘要 PAGEREF _Toc295138475 h 1 HYPERLINK l _Toc295138476 第 1 章 討論 PAGEREF _Toc295138476 h 1 HYPERLINK l _Toc295138477 1.1我國電動機現狀 PAGEREF _Toc295138477 h 1 HYPERLINK l _Toc295138478 1.2我國煤礦風機運行中的常見問題 PAGEREF _Toc295138478 h 1

2、HYPERLINK l _Toc295138479 1.3課題研究的方向與趨勢 PAGEREF _Toc295138479 h 2 HYPERLINK l _Toc295138480 第 2 章電機基礎知識 PAGEREF _Toc295138480 h 4 HYPERLINK l _Toc295138481 2.1電機分類 PAGEREF _Toc295138481 h 4 HYPERLINK l _Toc295138482 2.2電機設備轉速計算及調速措施 PAGEREF _Toc295138482 h 4 HYPERLINK l _Toc295138483 第三章 變頻器基本原理與知識

3、PAGEREF _Toc295138483 h 8 HYPERLINK l _Toc295138484 3.1逆變器8發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc295138484 h HYPERLINK l _Toc295138485 3.2變頻技術發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc295138485 h 10 HYPERLINK l _Toc295138486 3.3變頻器的分類 PAGEREF _Toc295138486 h 11 HYPERLINK l _Toc295138487 3.4變頻器的電路組成 PAGEREF _Toc295138487 h 12 HYPERLINK l _Toc295

4、138488 3.4.1變頻器中的半導體開關 PAGEREF _Toc295138488 h 15 HYPERLINK l _Toc295138489 3.5變頻調速方式 PAGEREF _Toc295138489 h 17 HYPERLINK l _Toc295138490 3.6變頻控制算法 PAGEREF _Toc295138490 h 19 HYPERLINK l _Toc295138491 3.7普通異步電動機與變頻電動機的區(qū)別 PAGEREF _Toc295138491 h 21 HYPERLINK l _Toc295138492 3.8變頻調速的優(yōu)勢與市場 PAGEREF _To

5、c295138492 h 24 HYPERLINK l _Toc295138493 第四章 電機節(jié)能改造工程 PAGEREF _Toc295138493 h 26 HYPERLINK l _Toc295138494 4.1調速裝置的運行可靠性和投資比較 PAGEREF _Toc295138494 h 26 HYPERLINK l _Toc295138495 4.2投資比較 PAGEREF _Toc295138495 h 27 HYPERLINK l _Toc295138496 4.3主要調速方案技術經濟比較 PAGEREF _Toc295138496 h 28 HYPERLINK l _Toc

6、295138497 4.4變頻改造節(jié)能案例 PAGEREF _Toc295138497 h 29 HYPERLINK l _Toc295138498 4.4.1改造投資估算 PAGEREF _Toc295138498 h 31 HYPERLINK l _Toc295138499 4.4.2擴建32節(jié)節(jié)能效益計算 PAGEREF _Toc295138499 h HYPERLINK l _Toc295138500 4.4.3經濟評價 PAGEREF _Toc295138500 h 32 HYPERLINK l _Toc295138501 4.5變頻控制技術顯性和隱性利弊分析 PAGEREF _To

7、c295138501 h 33 HYPERLINK l _Toc295138502 4.6變頻器外圍電路及參數設置 PAGEREF _Toc295138502 h 33 HYPERLINK l _Toc295138503 第 5 章 結論 PAGEREF _Toc295138503 h 38 HYPERLINK l _Toc295138504 參考文獻 PAGEREF _Toc295138504 h 39 HYPERLINK l _Toc295138505 至 PAGEREF _Toc295138505 h 41概括電機是一種應用量大、應用范圍廣的高耗能動力設備。據統(tǒng)計，我國總裝機容量約4億千

8、瓦，年用電量約6000億千瓦時，約占工業(yè)用電量的70-80%。我國以中小型電機為主，占比約80%，而中小型電機的耗電量占總損耗的90%。在我國電機的實際應用中，與國外相比存在較大差距。機組效率75%，比國外低10%；系統(tǒng)運行效率為30-40%，比國際先進水平低20-30 % 。因此，我國中小型電機節(jié)能潛力巨大，實施電機節(jié)能勢在必行。中國的資源主要是煤炭，電機是煤礦生產的重要設備，也是主要的耗能設備。研究電機的節(jié)能方法具有重要的現實意義。本文介紹了電機設備運行中存在的主要問題，對電機設備的能耗進行了分析和理解，討論了電機的基本參數和特性曲線，以及電機的節(jié)電方法和節(jié)能原理。電機被強調。與現有的電機

9、節(jié)能措施相比，對變頻調速的節(jié)能原理和實現進行了深入研究。重點闡述了電機變頻的節(jié)能方法和應用。本文給出的電機節(jié)能改造變頻技術方法和基本原理，旨在為企業(yè)選擇合理的節(jié)能改造改造方案提供依據。同時介紹了調速裝置的選擇和調速方案的比較，使先進技術與經濟效益相統(tǒng)一。關鍵詞：電機節(jié)能；電機調速；變頻;矢量控制。第一章討論1.1 我國電動機現狀電機是一種應用量大、應用范圍廣的高耗能動力設備。據統(tǒng)計，我國總裝機容量約4億千瓦，年用電量約6000億千瓦時，約占工業(yè)用電量的70-80%。我國以中小型電機為主，占比約80%，而中小型電機的耗電量占總損耗的90%。在我國電機的實際應用中，與國外相比存在較大差距。機組效率

10、75%，比國外低10%；系統(tǒng)運行效率為30-40%，比國際先進水平低20-30 % 。電機設備是煤礦生產中的重要設備，也是主要的耗能設備。電機設備容量大、運行時間長，要求系統(tǒng)運行絕對可靠。例如，如果主風機停止送風5分鐘，這是煤礦的重大事故。煤礦通風電耗一般占生產電耗的15%25%，高耗電可達40%以上。我國能源資源相對較少，長期以來能源供需矛盾十分緊張。因此，要緩解這一矛盾，就必須重視電機的節(jié)能改造。通過電機的節(jié)能改造，不僅可以節(jié)約能源，促進國民經濟發(fā)展，具有良好的社會效益，而且可以直接降低企業(yè)成本，提高企業(yè)經濟效益。同時，可以為國家節(jié)約資源，造福子孫后代。1.2 我國煤礦風機運行中的常見問題

11、來自各工業(yè)部門調查數據的大量數據表明，我國目前使用的風機、泵的效率比國外同類產品低5%10%。設計時過多考慮施工前后工藝要求的差異，選型量過大，使設備長期在低負荷、低運行效率下工作。例如，某礦井主風機和副風機實際運行表明，其負載率（電機輸入功率/電機銘牌功率）在76%以上，占比僅為15.1%，低于60%，占比65.3%。作為煤礦企業(yè)，他們都希望廠家能夠提供更高效率的風機。提高單個設備的效率可以為國家節(jié)省大量能源。但是，很多高效設備在現場經常處于低效狀態(tài)運行，達不到節(jié)能的目的。風扇只有在使用時才能體現它的經濟性。即使風扇本身已經很高效，也會因為使用和選擇不當而變成“電老虎”。近年來，我國的風機技

12、術發(fā)展迅速。再加上從國外引進和消化一些先進技術，大部分風機的效率都有了明顯的提升。但根據我國目前風機的使用情況，只有注重大力提高“風機系統(tǒng)效率”，才能取得更好的節(jié)能效益。，煤礦風機普遍存在的問題是：管理制度不完善；在需要調節(jié)流量的地方，大多采用擋板或閥門來調節(jié)風量或流量，節(jié)流功率損失很大。1.3 課題研究的方向和趨勢、水泵、空壓機、液壓油泵、循環(huán)泵占企業(yè)用電設備的絕大部分。受技術條件限制，此類負載的流量、壓力或風量控制系統(tǒng)幾乎都是閥門控制系統(tǒng)，即電機以額定轉速驅動，系統(tǒng)提供的流量、壓力或風量恒定.當設備的工作要求發(fā)生變化時，通過設置在出口端的溢流、泄壓閥或比例調節(jié)來調節(jié)負載流量、壓力或風量，以

13、滿足不斷變化的設備工況的需要。溢流溢流閥或比例控制閥溢流后，會釋放大量能量。這部分耗散的能量實際上是電機從電網吸收的一部分能量，造成電能的極大浪費。從該類負載的工作特性可知，電機功率與轉速的三次方成正比，轉速與頻率成正比。如果我們改變電機的工作方式，使其不總是以額定工作頻率運行，而是采用變頻調節(jié)控制系統(tǒng)進行啟停控制和調節(jié)運行，其轉速可以連續(xù)在0范圍內。 2900r/min?？烧{，即輸出流量、壓力或風量也可以在0 100%的范圍內連續(xù)調節(jié)，使其能準確匹配負載的工作要求，從而達到節(jié)能降耗的目的。消費減少。變頻電機節(jié)電器是革命性的新一代電機專用控制產品?；谖⑻幚砥鲾底挚刂萍夹g，通過其專用的節(jié)電優(yōu)化

14、控制軟件，可以動態(tài)調節(jié)電機運行項目中的電壓和電流。在電機轉速條件下，電機輸出轉矩與負載需求精確匹配，有效避免電機輸出過大造成電能浪費。交流電機是目前應用最廣泛的電機，約占各類電機總數的85%。具有結構簡單、價格低廉、免維護等優(yōu)點。但它的弱點是很難調整速度，因此在很多應用中受到限制。或通過機械方式實現調速?；A技術微型計算機、數字信號處理器、大規(guī)模集成電路芯片等都深刻影響著外觀。電驅動自動化技術的發(fā)展。因此，開發(fā)了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、高頻大功率靜電感應晶體管（SIT）、靜電感應晶閘管（SITH）、MOS控制晶體管（MCT）、絕緣柵晶體管（IGT）、絕緣柵由晶閘管（IGTO）、智能功率集

15、成電路（Smart Power）和光控晶閘管等元件組成的交流輸電裝置是風機交流調速的發(fā)展方向。同時，電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的高度發(fā)展和應用，使逆變器的節(jié)能效果更加顯著。它不僅可以實現無級調速，而且在負載不同時始終高效運行，具有良好的動態(tài)特性，可實現高性能、高可靠性、高精度的自動控制。與其他調速方式（如：降壓調速、變極調速、轉差調速、交流串級調速等）相比，變頻調速性能穩(wěn)定、調速范圍廣、效率高。隨著理論和電力電子技術的發(fā)展，交流變頻調速技術日益完善，已成為交流電機調速的最新趨勢。變頻調速裝置（變頻器）已廣泛應用于工業(yè)領域。使用變頻器具有調速信號傳輸快、控制系統(tǒng)時滯小、響應靈敏、調節(jié)

16、系統(tǒng)控制精度高、使用方便等優(yōu)點，有利于增產、保質、減產。費用。消費的首選產品。從負載類型來看，變頻器主要有兩種典型應用：1、恒轉矩應用； 2. 可變扭矩應用。就應用目的而言： 1、改進工藝的主要目的是保證工藝中的最佳速度，不同負載下的最佳速度和準確的定位。憑借其卓越的調速性能，可以提高生產率、提高產品質量、提高舒適度、使設備合理化、適應或改善環(huán)境等。 2、節(jié)能的主要目的是通過風機的調速來實現節(jié)能。需要調節(jié)流量或壓力的泵，其改造效果非常顯著。第 2 章電機基礎2.1 電動機的分類從機械結構上看，電機由轉子和定子兩部分組成。其工作原理是電流通過轉子線圈產生勵磁磁場與定子線圈產生的磁場相互作用，從而

17、推動轉子按左旋定律旋轉，進而帶動負載.運動完成將電能轉化為機械能的使命。按電機功能分：發(fā)電機、電動機、變壓器、控制電機按電流性質：有直流電機、交流電機；直流電動機如發(fā)電機，交流電動機如軋鋼機等。按電相分，有兩相電機和三相電機；兩相電機如吹風機、電風扇等，三相電機如電梯、風扇、水泵等。按轉子的工作性質：有同步電動機和異步電動機之分；按組裝形式有鼠籠式低功率高功率因數，繞組式高功率低功率因數。按轉子極對數分：2級-2950r/min.、4級-1470r/min.、6級-980r/min.、8級-720r/min.、10級-590r/min。按使用電壓分：220V、380V、440V、660V、11

18、40V、3KV、6KV、10KV。以電動機為原動機驅動各種生產機械的系統(tǒng)稱為電驅動系統(tǒng)。電驅動系統(tǒng)主要由電源、控制設備、電機、傳動機構、生產機械五部分組成。2.2電機設備的速度計算和調速措施在工業(yè)生產系統(tǒng)的電廠中，三相交流異步電動機約占90%的份額。原因是體積小，成本低，使用維護簡單，適應各種復雜的工作環(huán)境。為了用好它，它需要精確地工作，換句話說，它需要被精確地調整。額定功率= SKIPIF 1 0 額定電流額定電壓功率因數電機的功率因數越高，在變頻使用中的調節(jié)能力越強，也就是說其節(jié)電空間的變化可以接近理論值。三相異步電動機工作原理：1）對稱三相繞組通入對稱三相交流電，產生旋轉磁場；2）轉子導

19、體切斷旋轉磁場，產生感應電動勢和感應電流；3）轉子載流導體在磁場中受到電磁力，形成電磁轉矩，使轉子轉動；因此，三相異步電動機調速公式： SKIPIF 1 0 其中：n：速度；f：頻率；s：滑差率；p：極對數極對數P與同步轉速N的關系磷123456.300015001000750600500.根據泵風機科普知識，在風機泵變流量、變壓運行工況下，流量、揚程與能耗的關系如下： SKIPIF 1 0 風機/泵的流量與電機轉速成正比； （Q是延長管和泵的流量） SKIPIF 1 0 風機/泵的全壓/揚程與電機轉速的平方成正比； （H是風機/泵的全壓/） SKIPIF 1 0 風機/水泵消耗的軸功率與電機

20、轉速的立方成正比； ( P為風機/水泵消耗的軸功率；軸功率公式： N 0 / N = r / r 1 ( n 0 / n ) 3 ( N : 功率; r : 氣體密度; n : 轉速)無論是泵、風扇還是其他電機，啟動功率都與轉速n有關。交流電動機的同步轉速表示為：n = 60 f(1 - s )/ p (1)式中： n為異步電動機的轉速；f異步電動機的頻率；s電機轉差；p電機極對數。下圖為電機的機械特性圖 2-1電機機械特性圖因此，三相異步電動機的調速大致分為五種：1）變極調速：適用于變極電機，即電機有多組繞組，運行時通過外接開關控制繞組接法，從而改變極數，然后改變電機轉速。2）串電阻調速：適

21、用于繞線異步電動機。在轉子電路中串聯(lián)不同阻值的電阻，人為地改變電機的機械特性。3）降壓調速：適用于電阻較大的高轉差異步電動機，通過改變定子電壓來調節(jié)速度。4）串極調速：適用于繞線異步電動機，可通過改變轉子回路阻抗來調節(jié)速度。5）變頻調速：普遍適用，通過改變電源頻率來調速。由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比。只要改變頻率 f 就可以改變電機的速度。當頻率f在050Hz范圍內變化時，電機調速范圍很寬。變頻器通過改變電機電源的頻率來實現調速，是一種高效、高性能的理想調速手段。第三章 變頻器基本原理與知識變頻器是交流電機的驅動器。它將三相工頻交流電轉換成頻率可調的三相交流電驅動交流電動機（主要是異步

22、電動機），從而調節(jié)電動機的轉速。3.1 逆變器發(fā)展歷程早期的通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5 / P5系列、SANKEN SVF系列等都是開環(huán)恒壓比（ V / F =常數）控制方式。優(yōu)點是控制結構簡單，成本低。缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合在風機和水泵中的應用。具體來說，它的控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電機轉矩利用率不高，低速時由于定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在，性能和穩(wěn)定性變差。等待。變頻器U / F控制系統(tǒng)的改造主要經歷了三個階段。第一階段：1980年代初，日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果

23、為前提，旨在逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡，一次性生成兩相調制波形。這種方法稱為電壓空間矢量控制。 1989年左右進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等典型機型。/P7系列于1991年設計。三菱日立和東芝也有類似產品。然而，在上述四種方法中，由于沒有引入扭矩調節(jié)，系統(tǒng)性能并沒有得到根本性的改善。第二階段：矢量控制。也稱為磁場定向控制。最早由西德人 F. Blasschke 等人在 1970 年代初提出，并通過比較直流電機和交流電機的方法對其原理進行了分析和解釋，從而開創(chuàng)了控制交流電機等效于直流電機的先河。讓人看到，交流電機的控制雖然復雜，但也

24、能實現轉矩和磁場獨立控制的本質。矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，與轉子磁鏈定向，然后將定子電流分解為轉矩和磁場兩分量，通過坐標變換實現正交或解耦控制。然而，由于轉子磁鏈的準確觀測困難，矢量變換的復雜性，實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐中的不足。此外，必須直接或間接獲取轉子磁鏈在空間中的位置，才能實現對定子電流的解耦控制。在這種矢量控制系統(tǒng)中，需要配置轉子位置或速度傳感器，這顯然給很多應用帶來了不便。 .盡管如此，矢量控制技術仍在嘗試集成到通用變頻器中。 1992年起，德國西門子開發(fā)出6SE70通用系列，可通過FC、VC、SC板卡分別實現變頻控制、矢量控制、伺服控制

25、。 1994 年，該系列擴大到超過 315 kW 。目前，6SE70系列除了200千瓦以下的高性價比外，還有200千瓦以上的高性價比。第三階段：1985年，德國魯爾大學的Depenbrock教授首先提出了直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）理論。直接轉矩控制不同于矢量控制。它不是通過控制電流、磁鏈等間接控制轉矩，而是將轉矩作為受控變量直接控制。的優(yōu)點是：轉矩控制是控制定子磁鏈，本質上不需要速度信息；該控制對除定子電阻以外的所有電機參數變化具有良好的魯棒性；引入的定子磁鍵觀測同步速度信息可以很容易地被控制器估計出來。因此，可以容易地實現無速度傳感器。這種控制方法

26、很自然地應用于通用變頻器的設計，這種控制稱為無速度傳感器直接轉矩控制。但這種控制依賴于精確的電機數學模型和電機參數的自動辨識，通過辨識運算自動建立電機的實際定子阻抗互感、飽和因數、電機慣量等重要參數，然后根據精確的電機模型。產生實際轉矩、定子觸鏈和轉子轉速，通過對磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號來控制逆變器的開關狀態(tài)。該系統(tǒng)可以實現快速的轉矩響應速度和較高的速度和轉矩控制精度。1995年ABB公司率先推出ACS600直接轉矩控制系列，已達到2ms的轉矩響應速度，帶PG的靜態(tài)速度精度可達0.01%。負載突變的影響可以達到正負0.1%的速度控制精度。其他公司也瞄準直接轉矩控制，如安

27、川VS-676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖然與直接轉矩控制有區(qū)別，但也實現了100ms的轉矩響應和正反速度控制精度為0.2%（無PG），正負0.01%（有PG），轉矩控制精度在正負3%左右。日本富士電機等其他公司推出的FRN 9 /P9采用了5000G與最新的FRN5000Gll / P11系列類似的無速度傳感器控制的設計，性能得到了進一步的提升。但是，逆變器的價格并不比以前的型號貴多少。 .控制技術的發(fā)展完全得益于微處理器技術的發(fā)展。自1991年INTEL推出8X196MC系列以來，專門用于電機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有了很大的發(fā)展。例如日本三菱電機開發(fā)的用于電

28、機控制的M37705和M7906單片機，美國儀器公司的TMS320C240DSP都是具有代表性的產品。3.2 變頻技術的發(fā)展歷程變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。 1960年代后半期以來，電力電子器件從SCR （晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）、SIT（靜電感應晶體管）轉變?yōu)?、SITH（Static Induction Thyristor）、MGT（MOS Controlled Transistor）、MCT（MOS Controlled Thyristor）到今天的IGBT（Insulated Gate Bi

29、polar Transistor）、HVIGBT（High Voltage Insulated Gate Bipolar Thyristor），器件功率轉換技術的更新推動了電源轉換技術的不斷發(fā)展。自1970年代BANNED以來，脈寬調制可變電壓可變頻率（PWM-VVVF）調速的研究備受關注。 1980年代，作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題引起了人們的濃厚興趣，得到了很多優(yōu)化模式，其中以鞍波PWM模式效果最好。自1980年代后半期以來，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家的VVVF逆變器相繼投入市場并得到廣泛應用。圖3-1 逆變器開發(fā)示意圖3.3變頻器的分類逆變器主要包括三部分：一是主電路端子，

30、包括與工頻電網相連的輸入端（R、S、T）和與頻率和頻率相連的輸出端（U、V、W）。連續(xù)調節(jié)電機電壓。 ;二是控制端，包括外部信號控制端、變頻器工作狀態(tài)指示端、變頻器與微機或其他變頻器的通訊接口；第三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤圖 3-2 逆變器的組成變頻器分為：AC-AC變頻器（將頻率固定的交流變?yōu)檫B續(xù)可調）AC-DC-AC逆變器（將固定頻率的交流電轉換為直流電，再將直流電轉換為連續(xù)可調的三相交流電）- AC和AC - DC -AC逆變器優(yōu)缺點對比逆變器優(yōu)勢缺點交流-交流逆變器無中間環(huán)節(jié)，轉化效率高連續(xù)可調，頻率范圍窄交-直流-交流逆變器調節(jié)范圍寬，變頻后機械性能好目前使用最多的是AC-D

31、C-AC逆變器，分為電壓型（用電容整流濾波，比較常見）和電流型（整流后感應濾波，比較少見）。按電壓分為脈幅調制（改變直流電壓來改變輸出電壓，即PAM）和脈寬調制（改變輸出脈沖的占空比來改變輸出電壓，即SPWM；SPWM調制是：利用三角波和正弦波交叉得到的PWM波形，可以直接控制每個開關，得到正弦輸出脈沖電壓和每個脈沖之間脈寬和占空比可變的電壓，控制效果理想可以得到：輸出電流近似為正弦曲線）。用于此目的的常用頻率轉換器是交流、直流和交流電壓脈沖寬度調制。3.4 逆變器的電路組成圖 3-3 逆變器電路圖如圖所示，逆變器主要由整流單元、逆變部分和制動部分組成！其中，整流單元的作用是將工頻電源轉換為直

32、流電源，將交流電源轉換為直流電力電子設備。其輸入電壓為正弦波，輸入電流為非正弦波，諧波豐富圖 3-4 整流電路逆變器部分逆變器部分是將直流電轉換為交流電的電力電子器件，是逆變器的核心部分。其輸出電壓為非正弦曲線，輸出電流近似為正弦曲線。圖 3-5單相逆變器電路圖通過改變開關的導通時間來改變輸出電壓的頻率通過改變開關管的導通順序來改變輸出電壓的相序圖 3 - 單相逆變電路示意圖當S1、S3同時閉合時，U1電壓為正；但當S2和S4同時閉合時，U1的電壓為負。因此，開關S1-S4依次導通和關斷，從而將直流電壓Ed變?yōu)榻涣麟妷篣1。可以看出，在交流電變化的一個周期內，每個開關導通電度。因此，可以通過改

33、變開關的通斷速度來調節(jié)交流電的周期（頻率），交流電壓的幅值就是直流電壓幅值的U1。圖中，S1S6構成橋式逆變電路。 6個開關交替開啟和關閉，在輸出端獲得一個相位差。2/3 三相交流電圖 3-7 三相逆變電路圖 3-8 三相逆變電路示意圖S1、S6同時閉合時，Uu-v為正；當S3和S4同時閉合時，Uu-v為負；同理：S3和S2同時閉合，S5和S6同時閉合，得到Uv-w； S5和S4同時閉合，S1和S2同時閉合得到Uw-u。為了使三相交流電Uu-v、Uv-w、Uw-u依次具有2/3的相位差；每個開關的開啟和關閉必須符合一定的規(guī)則，即：1）每個橋臂上的開關總是交替打開和關閉。2）每相的切換順序是基于

34、每相的“頭端”，即一個相差2/3的電角。由以上分析可知，6個開關交替工作可以獲得三相交流電，只要調節(jié)開關的通斷速度即可調節(jié)交流電的頻率。3.4.1變頻器中的半導體開關如上所述，可以看出逆變電路的工作是在逆變管的高頻通斷下完成的。如果輸出交流頻率為50Hz，電流管和逆變管需要每0.01s開關一次（開關頻率為25Hz），如此高分斷速度的普通開關器件無法勝任。隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率開關器件經歷了以下幾個階段：(1) 門極可關斷晶閘管 (GTO)柵極可以關斷的晶閘管結構有三極：陽極（A）、陰極（K）、柵極（G）。它的工作特點是：它是一個由門控信號導通和關斷的晶閘管。詳情如下：1 開啟條件在柵極

35、和陰極之間施加一個正向電壓，即：G(+)、K(-)，GTO 導通。2 關機條件在柵極和陰極之間施加反向電壓 G(-)、K(+)，GTO 關閉。GTO 可以輕松打開和關閉。它是一種非接觸式開關。它是逆變電路中的主要開關元件。但GTO的關斷需要巨大的反向脈沖，控制容易失靈，工作頻率不夠高。 GTO晶閘管在大小容量逆變器中已經被新型大功率晶閘管GTR所取代，但在大容量逆變器中，GTO4500A由于其工作電流（ ）和耐壓高（8000V）的特點，仍然被廣泛使用。(2) 大功率晶閘管（GTR或BJT）1 結構大功率晶閘管又稱雙極晶閘管（BJT），GTR在結構上常采用達林頓結構形式，由多個晶閘管組成一個大功

36、率晶閘管。 GTR 構成一個模塊。這樣一來，GTR也和普通的晶體管一樣，分為基極（B）、發(fā)射極（E）、集電極（C）三個階段。2GTR工作特性GTR也有放大、飽和、截止三種工作狀態(tài)。在電力電子應用中，GTR主要工作在開關狀態(tài)，即飽和和截止狀態(tài)。GTR具有自管分斷能力和開關時間周期、飽和電壓降低、安全工作區(qū)域寬等特點，廣泛應用于交流調速和變頻電源。在中小容量逆變器（工作范圍400A/1200V、 1000A/400V、頻率5000Hz）中，曾經占據主導地位的GTR所需的驅動功率較大，因此基礎驅動系統(tǒng)較為復雜，這使得很難提高工作頻率。 ，這就是 GTR 存在的地方。(3) 功率場效應晶體管（MOSF

37、ET）MOSFET與場效應管一樣，也有源極S、漏極D和柵極G三級。管的連接和工作特性與場效應管基本相同。 MOSFET是壓控器件，所需的驅動功率很小，使用方便，開關頻率比較高（1000V 200A/1000kHz）。缺點是擊穿電壓和工作電流不是特別大，所以應用不是特別廣泛。(4) 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT是一種結合了大功率晶體管GTR和功率場效應晶體管MOSFET特性的復合器件。它具有三個階段：集電極 (C)、發(fā)射極 (E) 和柵極 (G)。它既具有MOS器件工作速度快、驅動功率低的特點，又具有大功率晶體管的大電流和降低導通電壓的優(yōu)點。由于其優(yōu)異的性能（1800A/4500V/50

38、kHz），IGBT已完全取代功率晶體管，成為中小容量功率交流器件中的主要器件，廣泛應用于交流調速、開關電源等設備中.同時，IGBT的單管容量也不斷提高，開始進入有容量的功率交流器件。 IGBT作為逆變器的變頻能力也比原來的250kVA有了很大的提升。3.5 變頻調速方式由于異步電動機的同步轉速與SKIPIF 1 0 電源SKIPIF 1 0 的頻率成正比，改變SKIPIF 1 0 變化來SKIPIF 1 0 實現調速，即變頻調速。其調速特性基本保持了異步電動機固有的小轉差特性，具有效率高、外殼寬、精度高等特點。是一種理想的異步電動機調速方法。變頻調速的原理和特點(1)恒轉矩調速只要改變f 1就

39、可以調整異步電動機的速度方程。SKIPIF 1 0 但是當頻率改變時，電源電壓 U和頻率f有什么關系呢？一般來說，電動機的感應電動勢E 1近似于外加電源電壓U 1 ，即：E 1 = 4.44f1 K n1 N 1 m ; （在4.44 K n1 N 1是常熟電機感應電動勢E 1與f 1 m成正比）所以U 1也與f 1 m成正比，由公式可以看出：如果U 1不變，則當f 1 變化時， m也在變化。我們希望在調整頻率f時保持m （因為電機在額定運行時磁通接近飽和，如果m繼續(xù)增大，電機鐵芯會出現深度飽和，會導致勵磁電流急劇增加，導致定子電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機工作異常，影響電機的使用。 ）為此，

40、當我們調整到低于額定頻率f 1時，我們必須確保 m保持不變。稱為U / f =恒定控制法：也稱為恒轉矩常數；因此，當調頻低于額定頻率f 1時，也需要調整電壓變頻和電壓轉換方式PWM利用調制波與三角波信號進行比較，得到一系列相等的脈沖序列幅度和不等寬。原理：以三角波載波為信號，與調制信號（通常為正弦波）進行比較，確定每個分段矩形脈沖的寬度。當改變調制波的電壓脈沖頻率時，輸出電壓基波的頻率也會發(fā)生變化。當調制波的幅度減小時，各段的脈寬會變窄，從而輸出電壓基波的幅度也會相應減小）。使用SKIPIF 1 0 / SKIPIF 1 0 =恒定協(xié)調控制時，SKIPIF 1 0 低速時最大轉矩減小，啟動轉矩

41、也減小。機械特性是臨界轉矩T kx變小，電機的過載能力變小。為了在低速時保持轉矩不變，提高啟動能力，并能夠帶動負載能力，需要采用電壓補償的控制方式（ V / F控制）。機械特性具有恒轉矩特性。(2)恒功率調速為了擴大調速圈，可以制作SKIPIF 1 0 和獲得SKIPIF 1 0 ，從而實現調速控制。由于定子電壓不允許超過額定電壓，在電機SKIPIF 1 0 輸出功率P基本不變的情況下，磁通量會減小，額定電流對應的轉矩也會減小，特性也會變軟，那么SKIPIF 1 0 我們可以得到近似的恒功率速度控制特性。下圖為變頻調速的機械特性圖：圖 3.9 低于額定頻率的機械特性圖 3.10 高于額定頻率的

42、機械特性3.6 變頻控制算法V/F控制：簡單實用，性能一般，應用最廣泛，只要輸出電壓和輸出頻率保持恒定，磁通量可以大致保持恒定例：380V 50Hz 電機，當工作頻率為 40HZ 時，要保持 V/F 不變，則 40HZ 時電機電源電壓：380(40/50)304V在低頻時，定子阻抗壓降會導致磁通量下降。需要適當提高輸出電壓。用戶可以根據自己的需要選擇四種控制方式：1.基本U / F控制曲線；2 、轉矩補償的U / F控制曲線；適用于低速時需要較大扭矩的負載。3、負補償U / F控制曲線；主要適用于風機和水泵的方形負載。4、分段補償；主要適用于負載轉矩與轉速大致成正比的負載。低速補償少，高速補償

43、多。矢量控制：性能卓越，媲美直流調速，技術發(fā)展較晚它模仿直流電機的控制方法，采用矢量坐標變換實現異步電機定子勵磁電流分量和轉矩電流分量的解耦控制，以保持電機磁通恒定，從而達到良好的轉矩控制性能和高性能控制。 .性能極佳，控制也一樣復雜。直到 1990 年代計算機技術的快速發(fā)展，它才真正得到廣泛應用。矢量基本思想：(1)直流電機分析 在變頻調速技術成熟之前，直流電機的調速特性被公認為是最好的。原因是因為它有兩個非常重要的特性：(a)磁場特性 其主磁場和電樞磁場在空間上相互垂直，如圖(a)所示；(a) 直流電機的磁通量 (b) 直流電機的電路圖 3-11(b)電路特性其勵磁電路和電樞電路相互獨立，

44、如圖（b）所示。調整速度時，只調整其中一個電路的參數即可。與直流電機具有相同特性的磁場電流信號i M和轉矩電流信號i T ，并設想為兩個旋轉的直流磁場。的信號。當給定信號變化時，與直流電機一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電機的調速具有與直流電機相似的特性。控制電路分解后的控制信號i M和i T ，根據電機參數進行一系列等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i A 、 i B和i C 。如圖所示控制。結果，獲得了與直流電機相似的硬機械特性，并提高了低頻負載能力。圖 3-12 矢量控制圖表2 V/F控制與適當控制比較項目V / F控制矢量控制速度圈響應能力1:10動態(tài)響應差1：100以上高達 10

45、00r/s過渡過程特征加減速受限，過流控制能力小無限加減速，高過流控制能力概論良好的通用性與電機特性有關系統(tǒng)結構簡單的復雜的3.7 普通異步電動機與變頻電動機的區(qū)別1、普通異步電動機是按恒頻恒壓設計的，不可能完全滿足變頻調速的要求。以下是變頻器對電機的影響和電機溫升無論變頻器型號如何，在運行過程中都會產生不同程度的諧波電壓和電流，使電機在非正弦電壓和電流下運行。據資料顯示，以常用的正弦波PWM逆變器為例，其低次諧波基本為零，其余約2倍載波頻率的高次諧波分量為： 2u +1（ u為調制比率）。高次諧波會引起定子銅損、轉子銅（鋁）損、鐵損和附加損耗的增加，其中以轉子銅（鋁）損最為顯著。由于異步電動

46、機以接近基頻的同步速度旋轉，高次諧波電壓切斷轉差較大的轉子導條后，會產生較大的轉子損耗。除此之外，還需要考慮由于趨膚效應導致的額外銅損。這些損耗會使電機產生額外的熱量，降低效率，降低輸出功率。例如，普通三相異步電動機如果在逆變器輸出非正弦電源的情況下運行，其溫升一般會增加10% 20%。2.電機絕緣強度問題目前很多中小型逆變器采用PWM控制方式。它的載波頻率約為幾千到十千赫茲，這使得電機定子繞組必須承受很高的電壓上升率，這相當于給電機施加了一個陡峭的沖擊電壓，這使得電機的匝間絕緣更加抵抗的?？简?。此外，PWM逆變器產生的矩形斬波脈沖電壓疊加在電機工作電壓上，會對電機的接地絕緣造成威脅，在高壓的

47、反復沖擊下，接地絕緣會加速老化。3.諧波電磁噪聲和振動當普通異步電動機由變頻器供電時，由電磁、機械、通風等因素引起的振動和噪聲會變得更加復雜。變頻電源中所含的時間諧波與電機電磁部分固有的空間諧波干擾，形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率與電機本體的固有振動頻率一致或接近時，會發(fā)生共振現象，從而增加噪聲。由于電動機的工作頻率較寬，轉速變化較大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機各部件的固有振動頻率。電機對頻繁啟動和制動的適應性使用變頻器供電后，電機可以在沒有浪涌電流的情況下以很低的頻率和電壓啟動，并且可以利用變頻器提供的各種制動方式進行快速制動，以實現頻繁啟動和制動。創(chuàng)造了條件，使電機的機械系統(tǒng)和

48、電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。5.低速散熱問題首先，異步電動機的阻抗并不理想。當電源頻率較低時，電源中的高次諧波造成的損耗較大。其次，當普通異步電機再次降低轉速時，冷卻風量與轉速的立方成正比減少，導致電機低速冷卻條件惡化，溫升急劇增加，難以實現恒轉矩輸出。二、變頻電機的特點1. 電磁設計對于普通異步電動機，重新設計時考慮的主要性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。變頻電機，由于臨界轉差與工頻成反比，當臨界轉差接近1時可以直接啟動。因此，過載能力和啟動性能不需要過多考慮，但關鍵要解決的問題是如何改進電機副。對非正弦電源的適應性。方法一般如下：

49、1）盡可能減小定子和轉子的電阻。降低定子電阻可以降低基波的銅損，以彌補高次諧波引起的銅損增加。2）為了抑制電流中的高次諧波，需要適當增加電機的電感。但轉子槽漏抗大，集膚效應也大，高次諧波的銅損也增加。因此，電機漏抗的大小應考慮到整個調速阻抗匹配的合理性。3）變頻電機的主磁路一般設計成不飽和的。一是考慮高次諧波會加深磁路的飽和，二是適當提高逆變器的輸出電壓，以提高低頻時的輸出轉矩。2.結構設計重新設計結構時，主要考慮非正弦供電特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等的影響。一般要注意以下幾個問題：1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地和匝間的絕緣強度，特別要考慮絕緣承受沖擊電壓的能力。2

50、）對于電機的振動和噪聲，應充分考慮電機部件和整體的剛度，盡可能提高固有頻率，避免與各力波產生共振。一般采用強制通風，即主電機冷卻風扇由獨立電機驅動。4）防止軸電流的措施，對容量超過160kW的電動機應采取軸承絕緣措施。主要原因是容易產生不對稱磁路，也會產生軸電流。當其他高頻元件產生的電流一起工作時，軸電流會大大增加，導致軸承損壞，所以一般采取絕緣措施。5）恒功率變頻電機，當轉速超過3000/min時，應使用耐高溫的專用潤滑脂補償軸承的溫升。變頻電機可在0.1Hz 130Hz范圍內長期運行，至65 Hz 下長期運行；75Hz左右長期運行；6極適合30 85hz左右長期運行； 100hz左右的長期

51、運行。3.8 變頻調速優(yōu)勢及市場變頻調速的優(yōu)點主要包括以下優(yōu)點：1、調速幅度大，可使普通異步電動機實現無級調速，調速精度大大提高2、啟動電流小，但啟動轉矩大；3、啟動平穩(wěn)，消除機械沖擊，保護機械設備；4、對電機具有保護功能，降低電機的維護成本；顯著的節(jié)電效果；電壓與頻率的關系，方便實現恒轉矩或恒功率調速。平滑軟啟動，降低啟動浪涌電流，減少變壓器占用，確保電機安全7、電機正反轉無需通過接觸器切換8、接入通訊網絡控制非常方便，實現生產自動化控制卷揚機變頻控制系統(tǒng)的技術優(yōu)勢主要體現在： 1、實現了電機的軟啟動； 2、實現無級平滑調速，電機轉速可靜態(tài)或動態(tài)調節(jié)； 3、運轉平穩(wěn)，無滑差沖擊； 4、響應速

52、度快、容易實現集中控制和系統(tǒng)集成； 集信號處理、運行控制、電子制動、機械制動、安全保護于一體，提高了設備的整體功能； 操作直觀、簡單； 節(jié)能率高。在節(jié)能方面，目前，電機是我國主要的工業(yè)用電設備。據清華大學電力主管部門統(tǒng)計，我國電機總裝機容量已達4億千瓦，年用電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)用電量6000億千瓦時。耗電量的 80%。我國在用的電機驅動系統(tǒng)整體裝備水平僅相當于1950年代發(fā)達國家的水平。此外，據統(tǒng)計，塑料行業(yè)的電費約占整個生產成本的20%50%。在發(fā)達國家，變頻器在電機中的普及率已達到80%，而我國變頻器的應用還處于起步階段，普及率不到10%。由上可見，變頻調速系統(tǒng)有利于我國節(jié)約電

53、能消耗，同時在我國具有非常巨大的市場需求。在應用領域方面，國家變頻調速技術經過幾年的應用和推廣，取得了快速發(fā)展。變頻調速技術領域已初步涉及電子、機械、石化、冶煉、紡織、汽車等多個行業(yè)，應用范圍已涵蓋注塑機、空壓機、空壓機等各種交流電機設備空調、恒壓供水和紡織機械。從發(fā)展區(qū)域來看，變頻調速技術的應用在我國沿海省份和南方城市發(fā)展迅速，并有快速向地面滲透的趨勢。第四章電機節(jié)能改造工程交流電動機，尤其是異步電動機，因其結構簡單、價格低廉、維修方便等優(yōu)點而得到廣泛應用。但其調速性能無法趕上以往的直流電機，因此交流電機的調速技術一直是世界各國研究的課題。 1960年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，半導體變

54、流器技術被應用于交流調速系統(tǒng)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現代控制理論的應用，均用于通信。速度調控的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。已經研究了多種類型的交流調速系統(tǒng)，其中一些調速性能可與直流調速系統(tǒng)相媲美。因此，交流調速的應用越來越廣泛，目前交流電機在調速傳動領域有替代直流電機的趨勢。早期的交流電動機調速方法，如采用繞線異步電動機轉子串聯(lián)電阻調速、鼠籠式異步電動機變極調速、定子繞組串聯(lián)電抗器調速等，存在效率低、不經濟等缺點。交流變頻調速的優(yōu)越性早在1920年代就已經得到認可，但由于元器件的限制，當時的逆變器只能由閘流管組成?？梢酝茝V。 1950年代中期，晶閘管的研制成功開啟了電力電子

55、技術發(fā)展的新紀元。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應速度快、管壓低等一系列優(yōu)點，交流電機調速技術有了長足的發(fā)展，交流異步電機調壓調速、串級調速等系統(tǒng)出現了。 1970年代發(fā)展起來的變頻調速比上述兩種調速方式效率更高、性能更好，近30年來發(fā)展迅速。為保證電機節(jié)能改造的經濟效益，克服改造的盲目性，應針對每個項目進行可行性研究。可行性研究應在認真分析設備運行中存在的問題的基礎上，采用相關標準評價系統(tǒng)的經濟運行4.1 調速裝置運行可靠性及投資比較調速裝置的可靠性對用戶來說非常重要，而一個裝置運行的可靠性受到很多因素的制約。從調速裝置本身來看，液力偶合器、變極電磁調速電機、轉子串聯(lián)電阻調速可靠性高，維護

56、方便；以調速、變頻器調速等電子器件為核心的調速裝置的可靠性，主要取決于元件本身的質量、裝置元件的可制造性和抗干擾能力。保護措施和日常維護能力。隨著電子器件質量的不斷提高和器件生產工藝的改進，調速裝置的可靠性越來越高。4.2 投資比較根據市場情況，收集區(qū)域內生產調速裝置和電機的廠家產品價格。按容量分為2.5-50kW小功率設備、15-100kW中功率設備、130-3000kW大功率設備。小功率2.550kW調速裝置價格對照表容量公里各種調速裝置參考價格及比例變速串級調速調壓調速滑差速度調節(jié)元部分元部分元部分元部分2.540001-30000.7531000.78443001-30000.7380

57、00.881158001-33000.5757000.98158000190001.1335000.4465000.611889001104001.1640000.4577000.8622106001126001.1845000.4288000.8330140001185001.3250000.3695000.6837170001218001.2855000.3295000.5655195001252001.2865000.33117000.6100kW以下中功率各種調速裝置初投資容量公里各種調速裝置參考價格及比例變頻裝置部分級聯(lián)裝置部分液力偶合器部分1515000190000.6136000

58、.9222300011260000.5515900069130320001185000.5815900049737400001195000.49159000.445500001218000.44198000.455620001253000.40198000.3275750001352000.47258000.3590850001510000.60258000.3110950001550000.58258000.271303000kW大功率各種調速器初投資比較容量公里各種調速裝置參考價格及比例變頻裝置串擾裝置液力偶合器百萬部分百萬部分百萬部分1321516.00.46.20.411601716.

59、660.396.20.372002317.80.346.702925026.519.0.346.70.2531535110.20.296.70.1936038112.00.327.70.2440421200.487.80.1950068123.20.347.80.1268090126.50.39.90.118501201300.25120.110501701350.2115.50.091500-38-24-2000-78-3000-46-從上表可以看出，串聯(lián)調制從130kW到1000kW競爭激烈，液力偶合器500-3000kW更具競爭力。4.3主要調速方案技術經濟比較幾種重要調速方案的技術經濟

60、條件綜合比較，僅供參考。調速程序轉子串反抗定子電壓調節(jié)電磁閥調速液力偶合器合路器換極晶閘管級聯(lián)變頻調速方法更換轉子附件反抗改變損失輸入電壓改變激勵磁電流改變燃料供應換極對數變化倒置喇叭同時改變頻率和電壓調速環(huán)繞100501008097109730一步步100401000節(jié)能益處一般節(jié)能(1-S)因為SKIPIF 1 0 優(yōu)秀一般節(jié)能(1-S)因為SKIPIF 1 0 好一般節(jié)能(1-S)因為SKIPIF 1 0 好一般節(jié)能(1-S)因為SKIPIF 1 0 好卓越的節(jié)能效果極好因SKIPIF 1 0 出色的節(jié)能好很好因SKIPIF 1 0 區(qū)別節(jié)能好極好因SKIPIF 1 0 出色的除了投資中