電機(jī)變頻節(jié)能設(shè)計(jì)說明

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明話題：電機(jī)變頻節(jié)能設(shè)計(jì)姓名： 導(dǎo)師： 部門機(jī)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(jī)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295138477 h 1 HYPERLINK l _Toc295138478 1.2我國煤礦風(fēng)機(jī)運(yùn)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(jī)基礎(chǔ)知識 PAGEREF _Toc295138480 h 4 HYPERLINK l _Toc295138481 2.1電機(jī)分類 PAGEREF _Toc295138481 h 4 HYPERLINK l _Toc295138482 2.2電機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)速計(jì)算及調(diào)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(shù)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(dǎo)體開關(guān) PAGEREF _Toc295138488 h 15 HYPERLINK l _Toc295138489 3.5變頻調(diào)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(jī)與變頻電動機(jī)的區(qū)別 PAGEREF _Toc295138491 h 21 HYPERLINK l _Toc295138492 3.8變頻調(diào)速的優(yōu)勢與市場 PAGEREF _To

5、c295138492 h 24 HYPERLINK l _Toc295138493 第四章 電機(jī)節(jié)能改造工程 PAGEREF _Toc295138493 h 26 HYPERLINK l _Toc295138494 4.1調(diào)速裝置的運(yùn)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(diào)速方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(kuò)建32節(jié)節(jié)能效益計(jì)算 PAGEREF _Toc295138499 h HYPERLINK l _Toc295138500 4.4.3經(jīng)濟(jì)評價(jià) PAGEREF _Toc295138500 h 32 HYPERLINK l _Toc295138501 4.5變頻控制技術(shù)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(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc295138502 h 33 HYPERLINK l _Toc295138503 第 5 章 結(jié)論 PAGEREF _Toc295138503 h 38 HYPERLINK l _Toc295138504 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295138504 h 39 HYPERLINK l _Toc295138505 至 PAGEREF _Toc295138505 h 41概括電機(jī)是一種應(yīng)用量大、應(yīng)用范圍廣的高耗能動力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國總裝機(jī)容量約4億千

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

9、節(jié)能措施相比，對變頻調(diào)速的節(jié)能原理和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究。重點(diǎn)闡述了電機(jī)變頻的節(jié)能方法和應(yīng)用。本文給出的電機(jī)節(jié)能改造變頻技術(shù)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(jù)。同時(shí)介紹了調(diào)速裝置的選擇和調(diào)速方案的比較，使先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一。關(guān)鍵詞：電機(jī)節(jié)能；電機(jī)調(diào)速；變頻;矢量控制。第一章討論1.1 我國電動機(jī)現(xiàn)狀電機(jī)是一種應(yīng)用量大、應(yīng)用范圍廣的高耗能動力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國總裝機(jī)容量約4億千瓦，年用電量約6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)用電量的70-80%。我國以中小型電機(jī)為主，占比約80%，而中小型電機(jī)的耗電量占總損耗的90%。在我國電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，與國外相比存在較大差距。機(jī)組效率

10、75%，比國外低10%；系統(tǒng)運(yùn)行效率為30-40%，比國際先進(jìn)水平低20-30 % 。電機(jī)設(shè)備是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備，也是主要的耗能設(shè)備。電機(jī)設(shè)備容量大、運(yùn)行時(shí)間長，要求系統(tǒng)運(yùn)行絕對可靠。例如，如果主風(fēng)機(jī)停止送風(fēng)5分鐘，這是煤礦的重大事故。煤礦通風(fēng)電耗一般占生產(chǎn)電耗的15%25%，高耗電可達(dá)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(jī)的節(jié)能改造。通過電機(jī)的節(jié)能改造，不僅可以節(jié)約能源，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，可以為國家節(jié)約資源，造福子孫后代。1.2 我國煤礦風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的常見問題

11、來自各工業(yè)部門調(diào)查數(shù)據(jù)的大量數(shù)據(jù)表明，我國目前使用的風(fēng)機(jī)、泵的效率比國外同類產(chǎn)品低5%10%。設(shè)計(jì)時(shí)過多考慮施工前后工藝要求的差異，選型量過大，使設(shè)備長期在低負(fù)荷、低運(yùn)行效率下工作。例如，某礦井主風(fēng)機(jī)和副風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行表明，其負(fù)載率（電機(jī)輸入功率/電機(jī)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(fēng)機(jī)。提高單個(gè)設(shè)備的效率可以為國家節(jié)省大量能源。但是，很多高效設(shè)備在現(xiàn)場經(jīng)常處于低效狀態(tài)運(yùn)行，達(dá)不到節(jié)能的目的。風(fēng)扇只有在使用時(shí)才能體現(xiàn)它的經(jīng)濟(jì)性。即使風(fēng)扇本身已經(jīng)很高效，也會因?yàn)槭褂煤瓦x擇不當(dāng)而變成“電老虎”。近年來，我國的風(fēng)機(jī)技

12、術(shù)發(fā)展迅速。再加上從國外引進(jìn)和消化一些先進(jìn)技術(shù)，大部分風(fēng)機(jī)的效率都有了明顯的提升。但根據(jù)我國目前風(fēng)機(jī)的使用情況，只有注重大力提高“風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率”，才能取得更好的節(jié)能效益。，煤礦風(fēng)機(jī)普遍存在的問題是：管理制度不完善；在需要調(diào)節(jié)流量的地方，大多采用擋板或閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)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(jī)、液壓油泵、循環(huán)泵占企業(yè)用電設(shè)備的絕大部分。受技術(shù)條件限制，此類負(fù)載的流量、壓力或風(fēng)量控制系統(tǒng)幾乎都是閥門控制系統(tǒng)，即電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動，系統(tǒng)提供的流量、壓力或風(fēng)量恒定.當(dāng)設(shè)備的工作要求發(fā)生變化時(shí)，通過設(shè)置在出口端的溢流、泄壓閥或比例調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負(fù)載流量、壓力或風(fēng)量，以

13、滿足不斷變化的設(shè)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(shí)際上是電機(jī)從電網(wǎng)吸收的一部分能量，造成電能的極大浪費(fèi)。從該類負(fù)載的工作特性可知，電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，轉(zhuǎn)速與頻率成正比。如果我們改變電機(jī)的工作方式，使其不總是以額定工作頻率運(yùn)行，而是采用變頻調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂坪驼{(diào)節(jié)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速可以連續(xù)在0范圍內(nèi)。 2900r/min?？烧{(diào)，即輸出流量、壓力或風(fēng)量也可以在0 100%的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，使其能準(zhǔn)確匹配負(fù)載的工作要求，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。消費(fèi)減少。變頻電機(jī)節(jié)電器是革命性的新一代電機(jī)專用控制產(chǎn)品?；谖⑻幚砥鲾?shù)字控制技術(shù)，通過其專用的節(jié)電優(yōu)化

14、控制軟件，可以動態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行項(xiàng)目中的電壓和電流。在電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載需求精確匹配，有效避免電機(jī)輸出過大造成電能浪費(fèi)。交流電機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，約占各類電機(jī)總數(shù)的85%。具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但它的弱點(diǎn)是很難調(diào)整速度，因此在很多應(yīng)用中受到限制?；蛲ㄟ^機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速?；A(chǔ)技術(shù)微型計(jì)算機(jī)、數(shù)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(qū)動自動化技術(shù)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(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)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(fēng)機(jī)交流調(diào)速的發(fā)展方向。同時(shí)，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用，使逆變器的節(jié)能效果更加顯著。它不僅可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且在負(fù)載不同時(shí)始終高效運(yùn)行，具有良好的動態(tài)特性，可實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動控制。與其他調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、轉(zhuǎn)差調(diào)速、交流串級調(diào)速等）相比，變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、效率高。隨著理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益完善，已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新趨勢。變頻調(diào)速裝置（變頻器）已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。使用變頻器具有調(diào)速信號傳輸快、控制系統(tǒng)時(shí)滯小、響應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)

16、系統(tǒng)控制精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有利于增產(chǎn)、保質(zhì)、減產(chǎn)。費(fèi)用。消費(fèi)的首選產(chǎn)品。從負(fù)載類型來看，變頻器主要有兩種典型應(yīng)用：1、恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用； 2. 可變扭矩應(yīng)用。就應(yīng)用目的而言： 1、改進(jìn)工藝的主要目的是保證工藝中的最佳速度，不同負(fù)載下的最佳速度和準(zhǔn)確的定位。憑借其卓越的調(diào)速性能，可以提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適度、使設(shè)備合理化、適應(yīng)或改善環(huán)境等。 2、節(jié)能的主要目的是通過風(fēng)機(jī)的調(diào)速來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。需要調(diào)節(jié)流量或壓力的泵，其改造效果非常顯著。第 2 章電機(jī)基礎(chǔ)2.1 電動機(jī)的分類從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。其工作原理是電流通過轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生勵(lì)磁磁場與定子線圈產(chǎn)生的磁場相互作用，從而

17、推動轉(zhuǎn)子按左旋定律旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動負(fù)載.運(yùn)動完成將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的使命。按電機(jī)功能分：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、控制電機(jī)按電流性質(zhì)：有直流電機(jī)、交流電機(jī)；直流電動機(jī)如發(fā)電機(jī)，交流電動機(jī)如軋鋼機(jī)等。按電相分，有兩相電機(jī)和三相電機(jī)；兩相電機(jī)如吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇等，三相電機(jī)如電梯、風(fēng)扇、水泵等。按轉(zhuǎn)子的工作性質(zhì)：有同步電動機(jī)和異步電動機(jī)之分；按組裝形式有鼠籠式低功率高功率因數(shù)，繞組式高功率低功率因數(shù)。按轉(zhuǎn)子極對數(shù)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(jī)為原動機(jī)驅(qū)動各種生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)稱為電驅(qū)動系統(tǒng)。電驅(qū)動系統(tǒng)主要由電源、控制設(shè)備、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械五部分組成。2.2電機(jī)設(shè)備的速度計(jì)算和調(diào)速措施在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的電廠中，三相交流異步電動機(jī)約占90%的份額。原因是體積小，成本低，使用維護(hù)簡單，適應(yīng)各種復(fù)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(diào)整。額定功率= SKIPIF 1 0 額定電流額定電壓功率因數(shù)電機(jī)的功率因數(shù)越高，在變頻使用中的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，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(jī)工作原理：1）對稱三相繞組通入對稱三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)

19、體切斷旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流；3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；因此，三相異步電動機(jī)調(diào)速公式： SKIPIF 1 0 其中：n：速度；f：頻率；s：滑差率；p：極對數(shù)極對數(shù)P與同步轉(zhuǎn)速N的關(guān)系磷123456.300015001000750600500.根據(jù)泵風(fēng)機(jī)科普知識，在風(fēng)機(jī)泵變流量、變壓運(yùn)行工況下，流量、揚(yáng)程與能耗的關(guān)系如下： SKIPIF 1 0 風(fēng)機(jī)/泵的流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比； （Q是延長管和泵的流量） SKIPIF 1 0 風(fēng)機(jī)/泵的全壓/揚(yáng)程與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比； （H是風(fēng)機(jī)/泵的全壓/） SKIPIF 1 0 風(fēng)機(jī)/水泵消耗的軸功率與電機(jī)

20、轉(zhuǎn)速的立方成正比； ( P為風(fēng)機(jī)/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(zhuǎn)速)無論是泵、風(fēng)扇還是其他電機(jī)，啟動功率都與轉(zhuǎn)速n有關(guān)。交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表示為：n = 60 f(1 - s )/ p (1)式中： n為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f異步電動機(jī)的頻率；s電機(jī)轉(zhuǎn)差；p電機(jī)極對數(shù)。下圖為電機(jī)的機(jī)械特性圖 2-1電機(jī)機(jī)械特性圖因此，三相異步電動機(jī)的調(diào)速大致分為五種：1）變極調(diào)速：適用于變極電機(jī)，即電機(jī)有多組繞組，運(yùn)行時(shí)通過外接開關(guān)控制繞組接法，從而改變極數(shù)，然后改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。2）串電阻調(diào)速：適

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

22、電動機(jī)），從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)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(shù)）控制方式。優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單，成本低。缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合在風(fēng)機(jī)和水泵中的應(yīng)用。具體來說，它的控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)由于定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)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(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段：1980年代初，日本學(xué)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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡，一次性生成兩相調(diào)制波形。這種方法稱為電壓空間矢量控制。 1989年左右進(jìn)入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等典型機(jī)型。/P7系列于1991年設(shè)計(jì)。三菱日立和東芝也有類似產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于沒有引入扭矩調(diào)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(jī)和交流電機(jī)的方法對其原理進(jìn)行了分析和解釋，從而開創(chuàng)了控制交流電機(jī)等效于直流電機(jī)的先河。讓人看到，交流電機(jī)的控制雖然復(fù)雜，但也

24、能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁場獨(dú)立控制的本質(zhì)。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，與轉(zhuǎn)子磁鏈定向，然后將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩和磁場兩分量，通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。然而，由于轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確觀測困難，矢量變換的復(fù)雜性，實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐中的不足。此外，必須直接或間接獲取轉(zhuǎn)子磁鏈在空間中的位置，才能實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給很多應(yīng)用帶來了不便。 .盡管如此，矢量控制技術(shù)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(shí)現(xiàn)變頻控制、矢量控制、伺服控制

25、。 1994 年，該系列擴(kuò)大到超過 315 kW 。目前，6SE70系列除了200千瓦以下的高性價(jià)比外，還有200千瓦以上的高性價(jià)比。第三階段：1985年，德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）理論。直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，而是將轉(zhuǎn)矩作為受控變量直接控制。的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，本質(zhì)上不需要速度信息；該控制對除定子電阻以外的所有電機(jī)參數(shù)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(jì)出來。因此，可以容易地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器。這種控制方法

26、很自然地應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)，這種控制稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。但這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電機(jī)參數(shù)的自動辨識，通過辨識運(yùn)算自動建立電機(jī)的實(shí)際定子阻抗互感、飽和因數(shù)、電機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電機(jī)模型。產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子觸鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，通過對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號來控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和較高的速度和轉(zhuǎn)矩控制精度。1995年ABB公司率先推出ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，帶PG的靜態(tài)速度精度可達(dá)0.01%。負(fù)載突變的影響可以達(dá)到正負(fù)0.1%的速度控制精度。其他公司也瞄準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制有區(qū)別，但也實(shí)現(xiàn)了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正反速度控制精度為0.2%（無PG），正負(fù)0.01%（有PG），轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3%左右。日本富士電機(jī)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(shè)計(jì)，性能得到了進(jìn)一步的提升。但是，逆變器的價(jià)格并不比以前的型號貴多少。 .控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理器技術(shù)的發(fā)展。自1991年INTEL推出8X196MC系列以來，專門用于電機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有了很大的發(fā)展。例如日本三菱電機(jī)開發(fā)的用于電

28、機(jī)控制的M37705和M7906單片機(jī)，美國儀器公司的TMS320C240DSP都是具有代表性的產(chǎn)品。3.2 變頻技術(shù)的發(fā)展歷程變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)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(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)晶體管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換技術(shù)的更新推動了電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷發(fā)展。自1970年代BANNED以來，脈寬調(diào)制可變電壓可變頻率（PWM-VVVF）調(diào)速的研究備受關(guān)注。 1980年代，作為變頻技術(shù)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(dá)國家的VVVF逆變器相繼投入市場并得到廣泛應(yīng)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(wǎng)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(diào)節(jié)電機(jī)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(jī)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(diào)）AC-DC-AC逆變器（將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換為連續(xù)可調(diào)的三相交流電）- AC和AC - DC -AC逆變器優(yōu)缺點(diǎn)對比逆變器優(yōu)勢缺點(diǎn)交流-交流逆變器無中間環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)化效率高連續(xù)可調(diào)，頻率范圍窄交-直流-交流逆變器調(diào)節(jié)范圍寬，變頻后機(jī)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(yīng)濾波，比較少見）。按電壓分為脈幅調(diào)制（改變直流電壓來改變輸出電壓，即PAM）和脈寬調(diào)制（改變輸出脈沖的占空比來改變輸出電壓，即SPWM；SPWM調(diào)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(gè)開關(guān)，得到正弦輸出脈沖電壓和每個(gè)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(zhuǎn)換器是交流、直流和交流電壓脈沖寬度調(diào)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(zhuǎn)換為直

32、流電源，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電力電子設(shè)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(zhuǎn)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(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來改變輸出電壓的頻率通過改變開關(guān)管的導(dǎo)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(dāng)S1、S3同時(shí)閉合時(shí)，U1電壓為正；但當(dāng)S2和S4同時(shí)閉合時(shí)，U1的電壓為負(fù)。因此，開關(guān)S1-S4依次導(dǎo)通和關(guān)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(gè)周期內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電度。因此，可以通過改

33、變開關(guān)的通斷速度來調(diào)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(gòu)成橋式逆變電路。 6個(gè)開關(guān)交替開啟和關(guān)閉，在輸出端獲得一個(gè)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(shí)閉合時(shí)，Uu-v為正；當(dāng)S3和S4同時(shí)閉合時(shí)，Uu-v為負(fù)；同理：S3和S2同時(shí)閉合，S5和S6同時(shí)閉合，得到Uv-w； S5和S4同時(shí)閉合，S1和S2同時(shí)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(gè)開關(guān)的開啟和關(guān)閉必須符合一定的規(guī)則，即：1）每個(gè)橋臂上的開關(guān)總是交替打開和關(guān)閉。2）每相的切換順序是基于

34、每相的“頭端”，即一個(gè)相差2/3的電角。由以上分析可知，6個(gè)開關(guān)交替工作可以獲得三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度即可調(diào)節(jié)交流電的頻率。3.4.1變頻器中的半導(dǎo)體開關(guān)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(guān)一次（開關(guān)頻率為25Hz），如此高分?jǐn)嗨俣鹊钠胀ㄩ_關(guān)器件無法勝任。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)器件經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：(1) 門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)柵極可以關(guān)斷的晶閘管結(jié)構(gòu)有三極：陽極（A）、陰極（K）、柵極（G）。它的工作特點(diǎn)是：它是一個(gè)由門控信號導(dǎo)通和關(guān)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(gè)正向電壓，即：G(+)、K(-)，GTO 導(dǎo)通。2 關(guān)機(jī)條件在柵極和陰極之間施加反向電壓 G(-)、K(+)，GTO 關(guān)閉。GTO 可以輕松打開和關(guān)閉。它是一種非接觸式開關(guān)。它是逆變電路中的主要開關(guān)元件。但GTO的關(guān)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(jīng)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(diǎn)，仍然被廣泛使用。(2) 大功率晶閘管（GTR或BJT）1 結(jié)構(gòu)大功率晶閘管又稱雙極晶閘管（BJT），GTR在結(jié)構(gòu)上常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)形式，由多個(gè)晶閘管組成一個(gè)大功

36、率晶閘管。 GTR 構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(yīng)用中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，即飽和和截止?fàn)顟B(tài)。GTR具有自管分?jǐn)嗄芰烷_關(guān)時(shí)間周期、飽和電壓降低、安全工作區(qū)域?qū)挼忍攸c(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交流調(diào)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(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位的GTR所需的驅(qū)動功率較大，因此基礎(chǔ)驅(qū)動系統(tǒng)較為復(fù)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(yīng)晶體管（MOSF

37、ET）MOSFET與場效應(yīng)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(yīng)管基本相同。 MOSFET是壓控器件，所需的驅(qū)動功率很小，使用方便，開關(guān)頻率比較高（1000V 200A/1000kHz）。缺點(diǎn)是擊穿電壓和工作電流不是特別大，所以應(yīng)用不是特別廣泛。(4) 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT是一種結(jié)合了大功率晶體管GTR和功率場效應(yīng)晶體管MOSFET特性的復(fù)合器件。它具有三個(gè)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(qū)動功率低的特點(diǎn)，又具有大功率晶體管的大電流和降低導(dǎo)通電壓的優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)用于交流調(diào)速、開關(guān)電源等設(shè)備中.同時(shí)，IGBT的單管容量也不斷提高，開始進(jìn)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(diào)速方式由于異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)調(diào)速，即變頻調(diào)速。其調(diào)速特性基本保持了異步電動機(jī)固有的小轉(zhuǎn)差特性，具有效率高、外殼寬、精度高等特點(diǎn)。是一種理想的異步電動機(jī)調(diào)速方法。變頻調(diào)速的原理和特點(diǎn)(1)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速只要改變f 1就

39、可以調(diào)整異步電動機(jī)的速度方程。SKIPIF 1 0 但是當(dāng)頻率改變時(shí)，電源電壓 U和頻率f有什么關(guān)系呢？一般來說，電動機(jī)的感應(yīng)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(jī)感應(yīng)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(dāng)f 1 變化時(shí)， m也在變化。我們希望在調(diào)整頻率f時(shí)保持m （因?yàn)殡姍C(jī)在額定運(yùn)行時(shí)磁通接近飽和，如果m繼續(xù)增大，電機(jī)鐵芯會出現(xiàn)深度飽和，會導(dǎo)致勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致定子電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機(jī)工作異常，影響電機(jī)的使用。 ）為此，

40、當(dāng)我們調(diào)整到低于額定頻率f 1時(shí)，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(zhuǎn)矩常數(shù)；因此，當(dāng)調(diào)頻低于額定頻率f 1時(shí)，也需要調(diào)整電壓變頻和電壓轉(zhuǎn)換方式PWM利用調(diào)制波與三角波信號進(jìn)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(diào)制信號（通常為正弦波）進(jìn)行比較，確定每個(gè)分段矩形脈沖的寬度。當(dāng)改變調(diào)制波的電壓脈沖頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也會發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)制波的幅度減小時(shí)，各段的脈寬會變窄，從而輸出電壓基波的幅度也會相應(yīng)減小）。使用SKIPIF 1 0 / SKIPIF 1 0 =恒定協(xié)調(diào)控制時(shí)，SKIPIF 1 0 低速時(shí)最大轉(zhuǎn)矩減小，啟動轉(zhuǎn)矩

41、也減小。機(jī)械特性是臨界轉(zhuǎn)矩T kx變小，電機(jī)的過載能力變小。為了在低速時(shí)保持轉(zhuǎn)矩不變，提高啟動能力，并能夠帶動負(fù)載能力，需要采用電壓補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑?V / F控制）。機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)矩特性。(2)恒功率調(diào)速為了擴(kuò)大調(diào)速圈，可以制作SKIPIF 1 0 和獲得SKIPIF 1 0 ，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。由于定子電壓不允許超過額定電壓，在電機(jī)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(yīng)的轉(zhuǎn)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(diào)速的機(jī)械特性圖：圖 3.9 低于額定頻率的機(jī)械特性圖 3.10 高于額定頻率的

42、機(jī)械特性3.6 變頻控制算法V/F控制：簡單實(shí)用，性能一般，應(yīng)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(jī)，當(dāng)工作頻率為 40HZ 時(shí)，要保持 V/F 不變，則 40HZ 時(shí)電機(jī)電源電壓：380(40/50)304V在低頻時(shí)，定子阻抗壓降會導(dǎo)致磁通量下降。需要適當(dāng)提高輸出電壓。用戶可以根據(jù)自己的需要選擇四種控制方式：1.基本U / F控制曲線；2 、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)腢 / F控制曲線；適用于低速時(shí)需要較大扭矩的負(fù)載。3、負(fù)補(bǔ)償U(kuò) / F控制曲線；主要適用于風(fēng)機(jī)和水泵的方形負(fù)載。4、分段補(bǔ)償；主要適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大致成正比的負(fù)載。低速補(bǔ)償少，高速補(bǔ)償

43、多。矢量控制：性能卓越，媲美直流調(diào)速，技術(shù)發(fā)展較晚它模仿直流電機(jī)的控制方法，采用矢量坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)定子勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，以保持電機(jī)磁通恒定，從而達(dá)到良好的轉(zhuǎn)矩控制性能和高性能控制。 .性能極佳，控制也一樣復(fù)雜。直到 1990 年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，它才真正得到廣泛應(yīng)用。矢量基本思想：(1)直流電機(jī)分析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。原因是因?yàn)樗袃蓚€(gè)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(jī)的磁通量 (b) 直流電機(jī)的電路圖 3-11(b)電路特性其勵(lì)磁電路和電樞電路相互獨(dú)立，

44、如圖（b）所示。調(diào)整速度時(shí)，只調(diào)整其中一個(gè)電路的參數(shù)即可。與直流電機(jī)具有相同特性的磁場電流信號i M和轉(zhuǎn)矩電流信號i T ，并設(shè)想為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的直流磁場。的信號。當(dāng)給定信號變化時(shí)，與直流電機(jī)一樣，只改變其中一個(gè)信號，從而使異步電機(jī)的調(diào)速具有與直流電機(jī)相似的特性?？刂齐娐贩纸夂蟮目刂菩盘杋 M和i T ，根據(jù)電機(jī)參數(shù)進(jìn)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(jié)果，獲得了與直流電機(jī)相似的硬機(jī)械特性，并提高了低頻負(fù)載能力。圖 3-12 矢量控制圖表2 V/F控制與適當(dāng)控制比較項(xiàng)目V / F控制矢量控制速度圈響應(yīng)能力1:10動態(tài)響應(yīng)差1：100以上高達(dá) 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(jī)特性有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的復(fù)雜的3.7 普通異步電動機(jī)與變頻電動機(jī)的區(qū)別1、普通異步電動機(jī)是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全滿足變頻調(diào)速的要求。以下是變頻器對電機(jī)的影響和電機(jī)溫升無論變頻器型號如何，在運(yùn)行過程中都會產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電機(jī)在非正弦電壓和電流下運(yùn)行。據(jù)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(diào)制比率）。高次諧波會引起定子銅損、轉(zhuǎn)子銅（鋁）損、鐵損和附加損耗的增加，其中以轉(zhuǎn)子銅（鋁）損最為顯著。由于異步電動

46、機(jī)以接近基頻的同步速度旋轉(zhuǎn)，高次諧波電壓切斷轉(zhuǎn)差較大的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，還需要考慮由于趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的額外銅損。這些損耗會使電機(jī)產(chǎn)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(jī)如果在逆變器輸出非正弦電源的情況下運(yùn)行，其溫升一般會增加10% 20%。2.電機(jī)絕緣強(qiáng)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(jī)定子繞組必須承受很高的電壓上升率，這相當(dāng)于給電機(jī)施加了一個(gè)陡峭的沖擊電壓，這使得電機(jī)的匝間絕緣更加抵抗的?？简?yàn)。此外，PWM逆變器產(chǎn)生的矩形斬波脈沖電壓疊加在電機(jī)工作電壓上，會對電機(jī)的接地絕緣造成威脅，在高壓的

47、反復(fù)沖擊下，接地絕緣會加速老化。3.諧波電磁噪聲和振動當(dāng)普通異步電動機(jī)由變頻器供電時(shí)，由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素引起的振動和噪聲會變得更加復(fù)雜。變頻電源中所含的時(shí)間諧波與電機(jī)電磁部分固有的空間諧波干擾，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率與電機(jī)本體的固有振動頻率一致或接近時(shí)，會發(fā)生共振現(xiàn)象，從而增加噪聲。由于電動機(jī)的工作頻率較寬，轉(zhuǎn)速變化較大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機(jī)各部件的固有振動頻率。電機(jī)對頻繁啟動和制動的適應(yīng)性使用變頻器供電后，電機(jī)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(jìn)行快速制動，以實(shí)現(xiàn)頻繁啟動和制動。創(chuàng)造了條件，使電機(jī)的機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)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(jī)的阻抗并不理想。當(dāng)電源頻率較低時(shí)，電源中的高次諧波造成的損耗較大。其次，當(dāng)普通異步電機(jī)再次降低轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的立方成正比減少，導(dǎo)致電機(jī)低速冷卻條件惡化，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。二、變頻電機(jī)的特點(diǎn)1. 電磁設(shè)計(jì)對于普通異步電動機(jī)，重新設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。變頻電機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差與工頻成反比，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)差接近1時(shí)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(guān)鍵要解決的問題是如何改進(jìn)電機(jī)副。對非正弦電源的適應(yīng)性。方法一般如下：

49、1）盡可能減小定子和轉(zhuǎn)子的電阻。降低定子電阻可以降低基波的銅損，以彌補(bǔ)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(dāng)增加電機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗大，集膚效應(yīng)也大，高次諧波的銅損也增加。因此，電機(jī)漏抗的大小應(yīng)考慮到整個(gè)調(diào)速阻抗匹配的合理性。3）變頻電機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)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(dāng)提高逆變器的輸出電壓，以提高低頻時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，主要考慮非正弦供電特性對變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等的影響。一般要注意以下幾個(gè)問題：1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強(qiáng)對地和匝間的絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣承受沖擊電壓的能力。2

50、）對于電機(jī)的振動和噪聲，應(yīng)充分考慮電機(jī)部件和整體的剛度，盡可能提高固有頻率，避免與各力波產(chǎn)生共振。一般采用強(qiáng)制通風(fēng)，即主電機(jī)冷卻風(fēng)扇由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動。4）防止軸電流的措施，對容量超過160kW的電動機(jī)應(yīng)采取軸承絕緣措施。主要原因是容易產(chǎn)生不對稱磁路，也會產(chǎn)生軸電流。當(dāng)其他高頻元件產(chǎn)生的電流一起工作時(shí)，軸電流會大大增加，導(dǎo)致軸承損壞，所以一般采取絕緣措施。5）恒功率變頻電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時(shí)，應(yīng)使用耐高溫的專用潤滑脂補(bǔ)償軸承的溫升。變頻電機(jī)可在0.1Hz 130Hz范圍內(nèi)長期運(yùn)行，至65 Hz 下長期運(yùn)行；75Hz左右長期運(yùn)行；6極適合30 85hz左右長期運(yùn)行； 100hz左右的長期

51、運(yùn)行。3.8 變頻調(diào)速優(yōu)勢及市場變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下優(yōu)點(diǎn)：1、調(diào)速幅度大，可使普通異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速精度大大提高2、啟動電流小，但啟動轉(zhuǎn)矩大；3、啟動平穩(wěn)，消除機(jī)械沖擊，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；4、對電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維護(hù)成本；顯著的節(jié)電效果；電壓與頻率的關(guān)系，方便實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)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(jī)安全7、電機(jī)正反轉(zhuǎn)無需通過接觸器切換8、接入通訊網(wǎng)絡(luò)控制非常方便，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制卷揚(yáng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： 1、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動； 2、實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速可靜態(tài)或動態(tài)調(diào)節(jié)； 3、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無滑差沖擊； 4、響應(yīng)速

52、度快、容易實(shí)現(xiàn)集中控制和系統(tǒng)集成； 集信號處理、運(yùn)行控制、電子制動、機(jī)械制動、安全保護(hù)于一體，提高了設(shè)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(jī)是我國主要的工業(yè)用電設(shè)備。據(jù)清華大學(xué)電力主管部門統(tǒng)計(jì)，我國電機(jī)總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年用電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)用電量6000億千瓦時(shí)。耗電量的 80%。我國在用的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)整體裝備水平僅相當(dāng)于1950年代發(fā)達(dá)國家的水平。此外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，塑料行業(yè)的電費(fèi)約占整個(gè)生產(chǎn)成本的20%50%。在發(fā)達(dá)國家，變頻器在電機(jī)中的普及率已達(dá)到80%，而我國變頻器的應(yīng)用還處于起步階段，普及率不到10%。由上可見，變頻調(diào)速系統(tǒng)有利于我國節(jié)約電

53、能消耗，同時(shí)在我國具有非常巨大的市場需求。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，國家變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過幾年的應(yīng)用和推廣，取得了快速發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域已初步涉及電子、機(jī)械、石化、冶煉、紡織、汽車等多個(gè)行業(yè)，應(yīng)用范圍已涵蓋注塑機(jī)、空壓機(jī)、空壓機(jī)等各種交流電機(jī)設(shè)備空調(diào)、恒壓供水和紡織機(jī)械。從發(fā)展區(qū)域來看，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)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(jī)節(jié)能改造工程交流電動機(jī)，尤其是異步電動機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維修方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但其調(diào)速性能無法趕上以往的直流電機(jī)，因此交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)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(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體變

54、流器技術(shù)被應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，均用于通信。速度調(diào)控的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。已經(jīng)研究了多種類型的交流調(diào)速系統(tǒng)，其中一些調(diào)速性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，交流調(diào)速的應(yīng)用越來越廣泛，目前交流電機(jī)在調(diào)速傳動領(lǐng)域有替代直流電機(jī)的趨勢。早期的交流電動機(jī)調(diào)速方法，如采用繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速、鼠籠式異步電動機(jī)變極調(diào)速、定子繞組串聯(lián)電抗器調(diào)速等，存在效率低、不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在1920年代就已經(jīng)得到認(rèn)可，但由于元器件的限制，當(dāng)時(shí)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(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、管壓低等一系列優(yōu)點(diǎn)，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了長足的發(fā)展，交流異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速等系統(tǒng)出現(xiàn)了。 1970年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速比上述兩種調(diào)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(jī)節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益，克服改造的盲目性，應(yīng)針對每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究?？尚行匝芯繎?yīng)在認(rèn)真分析設(shè)備運(yùn)行中存在的問題的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行4.1 調(diào)速裝置運(yùn)行可靠性及投資比較調(diào)速裝置的可靠性對用戶來說非常重要，而一個(gè)裝置運(yùn)行的可靠性受到很多因素的制約。從調(diào)速裝置本身來看，液力偶合器、變極電磁調(diào)速電機(jī)、轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速可靠性高，維護(hù)

56、方便；以調(diào)速、變頻器調(diào)速等電子器件為核心的調(diào)速裝置的可靠性，主要取決于元件本身的質(zhì)量、裝置元件的可制造性和抗干擾能力。保護(hù)措施和日常維護(hù)能力。隨著電子器件質(zhì)量的不斷提高和器件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，調(diào)速裝置的可靠性越來越高。4.2 投資比較根據(jù)市場情況，收集區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)調(diào)速裝置和電機(jī)的廠家產(chǎn)品價(jià)格。按容量分為2.5-50kW小功率設(shè)備、15-100kW中功率設(shè)備、130-3000kW大功率設(shè)備。小功率2.550kW調(diào)速裝置價(jià)格對照表容量公里各種調(diào)速裝置參考價(jià)格及比例變速串級調(diào)速調(diào)壓調(diào)速滑差速度調(diào)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(diào)速裝置初投資容量公里各種調(diào)速裝置參考價(jià)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(diào)速器初投資比較容量公里各種調(diào)速裝置參考價(jià)格及比例變頻裝置串?dāng)_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(diào)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(diào)速方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較幾種重要調(diào)速方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)

60、條件綜合比較，僅供參考。調(diào)速程序轉(zhuǎn)子串反抗定子電壓調(diào)節(jié)電磁閥調(diào)速液力偶合器合路器換極晶閘管級聯(lián)變頻調(diào)速方法更換轉(zhuǎn)子附件反抗改變損失輸入電壓改變激勵(lì)磁電流改變?nèi)剂瞎?yīng)換極對數(shù)變化倒置喇叭同時(shí)改變頻率和電壓調(diào)速環(huán)繞100501008097109730一步步100401000節(jié)能益處一般節(jié)能(1-S)因?yàn)镾KIPIF 1 0 優(yōu)秀一般節(jié)能(1-S)因?yàn)镾KIPIF 1 0 好一般節(jié)能(1-S)因?yàn)镾KIPIF 1 0 好一般節(jié)能(1-S)因?yàn)镾KIPIF 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