转差频率控制的变频调速系统设计。。
目前流行的异步电动机调速方式可分为变频调速和变压调速两种。其中异步电动机变频调速应用广泛,其调速方法可分为变频调速和矢量控制两种。前者的控制方式比较简单,有20多年的开发经验。因此被广泛使用。目前市场上销售的变频器大多采用这种控制方式。
关键词:交流调速系统,异步电机,PWM技术.....
目录
摘要1
前言3
1.1设计目的和意义3
1.2变频器调速运行的节能原理3
第2章变频器4
2.1变频器选择:4
2.2变频器控制原理图设计:4
2.3变频器控制柜设计6
2.4逆变器接线规范7
2.5变频器的运行及相关参数的设置8
2.6常见故障分析8
第三章交流调速系统概述10
3.1交流调速系统的特点10
第四章变频电机14的特点
4.1电磁设计14
4.2结构设计14
第五章变频电机的主要特点及其构造原理15
5.1变频专用电机具有以下特点:15。
5.2变频电机15的构造原理
第六章交流异步电动机16
6.1交流异步电动机变频调速的基本原理16
6.2调速电机的机械特性18
6.3变压变频运行时的机械特性分析19
第七章PWM技术原理24
7.1正弦波脉宽调制25
7.2单极SPWM方法..................................................................................................................26
结论31
感谢32
参考文献33
序
1.1设计的目的和意义
近年来,随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展,交流传动与控制技术已成为目前发展最快的技术之一,电气传动技术正面临一场历史性的革命,即交流调速取代DC调速,计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是节约电能、改善工艺流程、提高产品质量、改善环境和促进技术进步的主要手段。变频调速以其优良的调速和制动性能、高效率、高功率因数、节能效果、应用范围广等诸多优点,被国内外视为最有前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的发展趋势具有重要的积极意义。
1.2变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。逆变器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路和控制器(MCU/DSP)组成。首先将单相或三相交流电源经整流器和电容滤波,将幅值基本固定的DC电压加到逆变器上。利用逆变器功率元件的开关控制,在逆变器输出端获得具有一定形状的矩形脉冲波形。这里,通过改变矩形脉冲的宽度来控制电压幅度;通过改变调制周期来控制其输出频率,可以在逆变器上同时控制输出电压和频率,满足了U/F协调控制对变频调速的要求。PWM的优点是可以消除或抑制低次谐波,使负载电机运行在接近正弦波的交流电压下,转矩脉动小,调速范围宽。
PWM控制模式下的电机速度受到上限速度的限制。比如压缩机,一般不超过7000 r/rain。而PAM控制的压缩机转速可以提高1.5倍左右,大大提高了快速增长和减速的能力。同时PAM在调节电压时可以对电流波形进行整形,因此可以获得比PWM更高的效率。此外,在抗干扰方面也有不可比拟的优势,可以抑制高次谐波的产生,减少对电网的污染。采用这种控制方式的变频调速技术后,电机定子电流下降64%,工频下降30%,出胶压力下降57%。根据电机理论,异步电机的转速可以表示为:n=60?f 8(1—8)/p
第二章变频器
变频器是利用功率半导体器件的开关功能将工频电源转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流-DC-交流模式(VVVF变频或矢量控制变频)。先将工频交流电源通过整流器转换成DC电源,再将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源供给电机。变频器的电路一般由整流器、中间DC环节、逆变器和控制四部分组成。整流部分为三相桥式不控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,输出为PWM波形。中间的DC环节是滤波、DC储能和缓冲无功功率。
2.1变频器选择:
选择变频器时,应确定以下几点:
1)采用变频;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,要特别注意负载的性能曲线,它决定了应用的方式和方法。
3)逆变器与负载的匹配问题;
一、电压匹配;逆变器的额定电压与负载的额定电压一致。
二。电流匹配;对于普通离心泵,变频器的额定电流与电机的额定电流一致。对于深水井水泵等特殊负载,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。
三。扭矩匹配;这种情况可能发生在有恒转矩负载或减速装置时。
4)用变频器驱动高速电机时,由于高速电机电抗小,高次谐波增加,输出电流增大。所以高速电机选用变频器比普通电机容量稍大。
5)如果变频器使用长电缆运行,应采取措施抑制长电缆对耦合电容的影响,以避免变频器输出不足,因此在这种情况下,应将变频器的容量扩大一个台阶或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,比如高温、高海拔,此时变频器的容量会有所降低,变频器的容量要放大一档。
2.2变频器控制原理图设计:
1)首先确认变频器的安装环境;
一、工作温度。逆变器是大功率电子元件,容易受工作温度的影响。一般要求产品为0 ~ 55℃,但为了保证运行安全可靠,使用时应考虑留有余地,最好控制在40℃以下。在控制箱内,变频器一般应安装在箱体的上部,并严格遵守产品说明书中的安装要求。绝对不允许将发热元件或易发热元件安装在变频器底部附近。
二。环境温度。当温度过高,温度变化较大时,逆变器内部容易发生结露,使其绝缘性能大大降低,甚至可能导致短路事故。必要时,必须在箱内添加干燥剂和加热器。在水处理室内,水蒸气一般比较重,如果温度变化较大,这个问题会更加突出。
三。腐蚀性气体。如果使用环境中腐蚀性气体浓度较高,不仅会腐蚀元器件引线、印刷电路板等。,还会加速塑料器件的老化,降低绝缘性能。
四。振动和冲击。当装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时,会造成电气接触不良。淮安热电就有这样一个问题。此时,除了提高控制柜的机械强度,远离振动源和冲击源外,还应使用抗震橡胶垫固定控制柜外部和内部产生振动的电磁开关等部件。设备运行一段时间后,应进行检查和维护。
电磁干扰。由于变频器运行过程中的整流和变频,在其周围产生大量的干扰电磁波,这些高频电磁波对附近的仪器仪表有一定的干扰。因此,机柜内的仪表和电子系统应采用金属外壳来屏蔽变频器对仪表的干扰。所有部件都应可靠接地。此外,电气元件、仪器仪表之间的接线应使用屏蔽控制电缆,屏蔽层应接地。如果电磁干扰处理不好,往往会使整个系统无法工作,导致控制单元失效或损坏。
2)变频器与电机的距离决定了电缆和接线方式;
I .逆变器和电机之间的距离应尽可能短。这降低了电缆对地的电容,并减少了干扰源。
二。控制电缆应使用屏蔽电缆,电力电缆的屏蔽电缆或从变频器到电机的所有电缆应通过穿线管进行屏蔽。
三。电机电缆应独立于其他电缆布线,最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其他电缆长距离平行布线,以减少逆变器输出电压快速变化带来的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉,应尽量成90度交叉。与变频器相关的模拟信号线与主电路分开布线,甚至在控制柜中。
四。与变频器相关的模拟信号线最好使用屏蔽双绞线,电源电缆最好使用屏蔽三芯电缆(其规格大于普通电机电缆)或遵循变频器的用户手册。
3)变频器控制原理图;
一、主电路: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电路返回电网,从而影响其他受电设备。需要根据变频器的容量来决定是否增加电抗器;滤波器安装在变频器的输出端,减少变频器输出的高次谐波。当变频器远离电机时,应安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能,但是缺相保护并不完善。断路器在主电路中起过载和缺相等保护作用,可根据逆变器的容量进行选择。热继电器可以被变频器本身的过载保护取代。
二。控制回路:具有手动切换工频转换,以便在变频失败时手动切换工频。因为输出端不能施加电压,所以定工频和变频要联锁。
4)变频器的接地;
变频器的正确接地是提高系统稳定性和抑制噪声的重要手段。变频器接地端子的接地电阻越小越好。接地导线的截面不小于4毫米,长度不大于5米..变频器的接地应与电源设备的接地点分开,而不是* * *。信号线的屏蔽层一端接变频器的接地端,另一端悬空。变频器与控制柜电连接。
2.3变频器控制柜设计
变频器应安装在控制柜内,设计控制柜时应注意以下问题
1)散热:变频器发热是内部损耗造成的。变频器各部分损耗中,主电路约占98%,控制电路约占2%。为了保证变频器的正常可靠运行,必须对变频器进行冷却。我们一般用风扇来降温。变频器内置风扇可以带走变频器箱体内部的散热。如果风机不能正常工作,应立即停止变频器。大功率变频器还需要给控制柜加一个风扇,控制柜的风道要设计合理。所有进风口都要有防尘网,排风要通畅,避免柜内形成涡流,灰尘堆积在固定位置。根据变频器说明书中的通风量选择匹配的风机,安装风机时注意防震问题。
2)电磁干扰:
一、变频器运行过程中由于整流和变频,周围产生大量干扰电磁波。这些高频电磁波对附近的仪器仪表有一定的干扰,也会产生高次谐波,通过供电回路进入整个供电网络,从而影响其他仪器仪表。如果逆变器的功率占整个系统的25%以上,就需要考虑控制电源的抗干扰措施。
二。当系统中存在焊机、电镀电源等高频冲击负载时,逆变器本身会因干扰而受到保护,所以要考虑整个系统的电能质量。
3)保护问题需要注意以下几点:
一、防水防结露:变频器放置在现场,需要注意变频器柜体上方不能有管道法兰或其他渗漏点,变频器附近不能有溅水。简而言之,机柜在现场的防护等级应在IP43以上。
二。防尘:所有进气口都应配备防尘网,以阻挡絮状杂质的进入,防尘网应设计成可拆卸的,以便于清洁和维护。防尘网的网格根据现场具体情况确定,防尘网与控制柜的连接处要严格处理。
三。防腐气体:这种情况在化工行业比较常见。这时候变频柜就可以放在控制室了。
2.4逆变器接线规范
信号线和电源线必须分开走线:使用模拟信号远程控制变频器时,为了减少变频器等设备模拟信号的干扰,请将控制变频器的信号线与强电回路(主回路和顺控回路)分开走线。距离应该在30cm以上。即使在控制柜中,也应保持这种布线规范。信号和变频器之间的最长控制回路不得超过50m。
信号线和电源线必须分别放在不同的金属管或金属软管中:如果连接PLC和变频器的信号线不放在金属管中,容易受到变频器和外部设备的干扰;同时,由于逆变器没有内置电抗器,逆变器输入级和输出级的电源线会对外界产生强干扰。所以放置信号线的金属管或金属软管要一直延伸到变频器的控制端,保证信号线与电源线完全分离。
1)模拟控制信号线应采用双股屏蔽线,线规格为0.75mm2,布线时一定要注意电缆剥线尽量短(约5-7mm),同时剥线后的屏蔽层要用绝缘胶带包裹,防止屏蔽线接触其他设备而引入干扰。
2)为了提高布线的简单性和可靠性,建议在信号线上使用压线杆端子。
2.5变频器的运行及相关参数的设置
变频器的设定参数有很多,每个参数都有一定的选择范围。在使用中,经常会遇到由于个别参数设置不当导致变频器无法正常工作的情况。
控制方式:速度控制、转矩控制、PID控制或其他方式。采用控制方式后,一般需要根据控制精度进行静态或动态辨识。
最低运行频率:即电机的最低转速。电机在低转速运行时,散热性能很差。如果电机长时间低转速运行,会导致电机烧坏。而且在低速时,电缆中的电流也会增大,也会导致电缆发热。
最高工作频率:一般变频器的最高频率达到60Hz,有的甚至达到400 Hz。高频会使电机高速运转。对于普通电机来说,它们的轴承是无法长时间以固定速度运转的。电机的转子能承受这样的离心力吗?
载频:载频设置越高,谐波分量越大,与电缆长度、电机发热、电缆发热、变频器发热密切相关。
电机参数:变频器在参数中设置电机的功率、电流、电压、转速和最高频率,可直接从电机铭牌上获取。
跳频:在某一个频点上,可能会发生* *振动,尤其是整个设备比较高的时候;控制压缩机时,应避开压缩机的喘振点。
2.6常见故障分析
1)过流故障:过流故障分为加速、减速和恒速过流。可能是变频器加减速时间过短、负载突变、负载分配不均、输出短路等原因造成的。此时一般可以延长加减速时间,减少负荷突变,增加耗能制动部件,进行负荷分配设计,校核线路。如果负载逆变器断开或过流故障,说明逆变器的逆变电路已经回路化,需要更换逆变器。
2)过载故障:过载故障包括变频过载和电机过载。可能是加速时间太短,电网电压太低,负载太重造成的。一般可以延长加速时间,延长制动时间,检查电网电压。负载太重,选择的电机和变频器不能拖动负载,也可能是机械润滑不好造成的。如果是前者,必须更换大功率电机和变频器;在后一种情况下,生产机器应该检修。
3)欠压:说明变频器电源输入部分有问题,检查后才能运行。
第三章交流调速系统概述
3.1交流调速系统的特点
对于调速电气传动系统,工程上常分为DC调速系统和交流调速系统。这主要是根据目前使用什么类型的电机来转换电能和机械能来划分的。所谓交流调速系统,就是把交流电机作为电能和机械能的转换装置,控制它产生所需的速度。
纵观电传动的发展,交流和DC调速系统一直并存于各个工业领域。虽然由于不同时期科学技术的发展,它们的地位有所不同,但它们总是随着工业技术的发展,特别是随着电力电子器件的发展而相互竞争。在过去的很长一段时间里,由于DC电机优异的调速性能,DC调速系统几乎一直被用于可逆、调速、高精度、宽调速范围的电气传动技术领域。但由于DC电机机械换向器的致命弱点,DC电机制造成本高,价格贵,维修麻烦,使用环境受限。其自身的结构也限制了单个电机的转速和功率上限,给DC传动的应用带来了一系列的限制。与DC电机相比,交流电机尤其是鼠笼式异步电机具有结构简单、制造成本低、经久耐用、运行可靠、维修方便、惯性小、动态响应好、易于向高压、高速、大功率方向发展等优点。因此,近几十年来,许多国家都致力于交流调速系统的研究,用无换向器交流电机代替DC电机实现调速,突破其局限性。
随着电力电子器件、大规模集成电路和计算机控制技术的飞速发展,以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透,进一步为交流调速系统的发展和研究创造了有利条件。如交流电机的串级调速,各种类型的变频调速,特别是矢量控制技术的应用,使交流调速系统逐渐具有调速范围宽、速度稳定精度高、动态响应快、四象限可逆运行等良好的技术性能。目前,从几百瓦的伺服系统到几百千瓦的超大功率高速传动系统,从一般要求的小范围调速传动到高精度、快速响应、大范围调速传动,从单机传动到多机协调运行,几乎都可以采用交流调速传动。交流变速传动的客观发展趋势表明,它完全可以与DC传动竞争,并有取代它的趋势。
3.2常用的交流调速方案及其性能比较
根据电机力学,交流异步电动机的速度公式如下:
n= 60?1(1-s)pn(1-1)
式中,Pn——电机定子绕组的磁极数;
f 1-电机定子电压供电频率;
S ——电机的转差率。
从公式(1-1)可以看出,交流异步电动机调速有三种方案。
(1)更改电机的极数。
由异步电动机的同步速度
没有= 60?1 pn
可以看出,在供电频率f1不变的情况下,通过改变定子绕组的接线方式来改变磁极对数Pn,可以改变异步电动机的同步转速n0,从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单,只需要电机的定子绕组有多个抽头,然后通过触点的通断来改变电机的磁极数。采用这种控制方式,电机转速的变化是步进的,不是连续的,一般最多只有三个档位,适用于自动化程度不高,只能有级调速的场合。
(2)变频调速
从公式(1—1)可以看出,当异步电机的极数Pn固定,转差率s—固定时,改变定子绕组f1的电源频率就可以达到调速的目的,电机转速N基本上与电源f1的频率成正比。因此,平滑地调节电源的频率可以是平滑的和无级的。变频调速具有宽范围、硬低速的特点。基频f=50Hz以下属于恒转矩调速方式,基频以上属于恒功率调速方式,与DC电机降压弱磁调速非常相似。而且采用变频起动可以显著改善交流电机的起动性能,大大降低电机的起动电流,提高起动转矩。因此,变频调速是交流电机的理想调速方案。
(3)可变转差速度调节
转差调速的改变方式有很多种,常见的方案有:异步电动机定子调压、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子回路串联电阻调速、串级调速等。
定子调压调速系统是在恒定交流电源和交流电机之间连接晶闸管作为交流电压控制器。这种调压调速系统只适用于一些短期和反复短期深度调速运行的负荷。为了获得良好的调速精度和稳定运行,一般采用速度负反馈的控制方式。所用电机可以是绕线式异步电机,也可以是转差率高的鼠笼式异步电机。
电磁滑差分离器的速度控制系统由鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和控制装置组成。鼠笼式电机作为原动机,驱动电磁离合器的电枢匀速旋转,通过控制电磁离合器的励磁电流来调节其磁极的速度。这种系统一般也采用速度闭环控制。
绕线式异步电动机转子回路的串联电阻调速是通过改变转子回路的串联电阻来调节转速。这种调速方法简单,但调速是有级的。串联增加一个大的附加电阻后,电机的机械特性很软,低速运行损耗大,稳定性差。
绕线式异步电动机串级调速系统是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef。只要改变这个与电机转子电压同频率的附加反向电势Ef,就可以平滑地调节绕线式异步电机。Ef越大,电机速度越低。
* * *上述调速的相同特点是调速过程中电机的同步转速n0不变,所以在低速时,转差率S较大。
在交流异步电机中,从定子传递到转子的电磁功率PM可分为两部分:一部分P2 = (1-s) PM是拖动负载的有效功率,另一部分是转差功率PS=sPM,它与转差率S成正比,其归宿是调速系统效率的标志。就转差功率的方向而言,交流异步电动机调速系统可分为三种类型:
1)滑差功耗类型
这种调速系统的转差功率全部被消耗掉,转差功耗的增加换来了转速的降低,转差率S增大,转差功率PS=sPM增大,以热量的形式消耗在转子回路中,使系统效率降低。绕线式异步电动机的定子调压调速、电磁转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。这种调速系统存在调速范围较宽、转差功率PS较大、系统效率较低的问题,不值得推广。
2)转差功率反馈型
这种调速系统的转差功率大部分反馈到电网或通过变流装置使用。速度越低,反馈的功率越多,但增加的器件也消耗更多的功率。绕线式异步电动机的转子串级调速就属于这一类,它通过整流器和逆变器将转差功率反馈给交流电网,但不以发热的形式消耗能量。即使在低速时,串级调速系统的效率也很高。
3)转差率不变
在这种速度控制系统中,转差功率仍然消耗在转子中,但转差功率基本不变,与速度无关。如变极对数调速,变频调速就属于这一类。因为调速时同步转速n0是变化的,转差率S是一定的,所以系统效率不会因为调速而降低。改变n0的两种调速方案中,变极对数调速是极调速,极数有限,所以变频调速是目前最理想、最有前途的交流调速方案。
第四章变频电机的特点
4.1电磁设计
对于普通异步电动机,重新设计时要考虑的主要性能参数是过载能力、起动性能、效率和功率因数。变频电机在临界滑差接近1时可以直接启动,因为临界滑差与工频成反比。所以过载能力和起动性能不需要考虑太多,但要解决的关键问题是如何提高电机对非正弦电源的适应能力。方式一般如下: