交流变频调速（精选十篇）
交流变频调速 篇1
关键词：变频,变频器,干扰源
引言
20世纪70年代后, 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, 在交流调速技术中, 变频调速具有绝对优势, 具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能并且它的调速性能与可靠性不断完善, 价格不断降低, 特别是变频调速节电效果明显, 而且易于实现过程自动化, 深受工业行业的青睐。
1 交流变频调速的优异特性
1.1 调速时平滑性好, 效率高。
低速时, 特性静关率较高, 相对稳定性好。1.2调速范围较大, 精度高。1.3起动电流低, 对系统及电网无冲击, 节电效果明显。1.4变频器体积小, 便于安装、调试、维修简便。1.5易于实现过程自动化。1.6必须有专用的变频电源, 目前造价较高。1.7在恒转矩调速时, 低速段电动机的过载能力大为降低。
虽然变频调速有诸多优点, 但也有其不利因素, 主要问题是电流中含高次谐波较多, 除对电网有污染外, 也使电机自身增加损耗, 引起电机发热。再有, 变频器价格贵、投资回收期长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时, 还需进行技术处理。此外, 不是任何情况下变频器都节电, 如果电机负载变化不大, 或深井泵配有水塔, 节电、节水效果都不大, 就不宜使用变频调速。
2 交流变频调速技术的合理应用
交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%~65%的发电量用于电机驱动, 由于有效地利用了变频调速技术, 仅工业传动用电就节约了15%~20%的电量。采用变频调速, 一是根据要求调速用, 二是节能。它主要基于下面几个因素:
2.1 变频调速系统自身损耗小, 工作效率高。
2.2 电机总是保持在低转差率运行状态, 减小转子损耗。
2.3可实现软启、制动功能, 减小启动电流冲击。
在采用变频调速时, 需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑, 下面几种情况选用变频调速较有利:a.根据工艺要求, 生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如:包装机传送系统, 根据不同品种的产品, 需要改变系统传送速度, 使用变频调速可使调速控制系统结构简单, 控制准确, 并易于实现程序控制。b.用变频调速代替机械变速。如:机床, 不仅可以省去复杂的齿轮变速箱, 还能提高精度、满足程序控制要求。c.用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如:锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制, 不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门 (或挡风板) , 而且使得整个锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。
3 变频器容量的确定
变频调速是通过变频器来实现的, 对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验, 比较简便的方法有三种:
3.1 电机实际功率确定法:
首先测定电机的实际功率, 以此来选用变频器的容量。3.2公式法:设安全系数取1.05, 则变频器的容量Pb为, Pb=1.05Pm/hm×cosy (k W) 。式中, Pm为电机负载;hm为电机功率。计算出Pb后, 按变频器产品目录可选出具体规格。3.3电机额定电流法:变频器容量选定过程, 实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程, 最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率, 但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少, 通常都是设备所选能力偏大, 而实际需要的能力小, 因此按电机的实际功率选择变频器是合理的, 避免选用的变频器过大, 使投资增大。
4 交流变频调速技术使用过程中注意的问题
4.1 变频器的基本控制回路
同外部进行信号交流的基本回路有模拟与数字两种:
4.1.14~20m A电流信号回路 (模拟) ;1~5V/0~5V电压信号回路 (模拟) 。4.12开关信号回路, 变频器的开停指令、正反转指令等 (数字) 。
外部控制指令信号通过上述基本回路导入变频器, 同时干扰源也在其回路上产生干扰电势, 以控制电缆为媒体入侵变频器。
4.2 干扰的基本类型及抗干扰措施。
4.2.1 静电耦合干扰:
指控制电缆与周围电气回路的静电容耦合, 在电缆中产生的电势。措施:a.加大与干扰源电缆的距离, 达到导体直径40倍以上时, 干扰程度就不大明显。b.在两电缆间设置屏蔽导体, 再将屏蔽导体接地。4.2.2静电感应干扰 (指周围电气回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电势) 干扰的大小取决干扰源电缆产生的磁通大小, 控制电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与控制电缆间的相对角度。措施:a.一般将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离铺设, 分离距离通常在30cm以上 (最低为10cm) , 分离困难时, 将控制电缆穿过铁管铺设。b.将控制导体绞合, 绞合间距越小, 铺设的路线越短, 抗干扰效果越好。4.2.3电波干扰:指控制电缆成为天线, 由外来电波在电缆中产生电势。措施:同4.2.1和4.2.2所述。必要时将变频器放入铁箱内进行电波屏蔽, 屏蔽用的铁箱要接地。4.2.4接触不良干扰:指变频器控制电缆的电接点及继电器触电接触不良, 电阻发生变化在电缆中产生的干扰。措施:a.对继电器触点接触不良, 采用并联触点或镀金触点继电器或选用密封式继电器。b.对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。4.2.5电源线传导干扰:指各种电气设备从同一电源系统获得供电时, 由其它设备在电源系统直接产生电势。措施:变频器的控制电源由另外系统供电;在控制电源的输入侧装设线路滤波器;装设绝缘变压器, 且屏蔽接地。4.2.6接地干扰:指机体接地和信号接地。对于弱电压电流回路及任何不合理的接地均可诱发的各种意想不到的干扰, 比如设置两个以上接地点, 接地处会产生电位差, 产生干扰。措施:a.应对给定的控制电缆取1点接地, 接地线不作为信号的通路使用。b.电缆的接地在变频器侧进行, 使用专设的接地端子, 不与其它接地端子共用。并尽量减少接地端子引接点的电阻, 一般不大于100d。
4.3 其它注意事项
4.3.1 装有变频器的控制柜, 应尽量远离大容量变压器和电动机。
其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。4.3.2弱电压电流控制电缆不要接近易产生电弧的断路器和接触器。4.3.3控制电缆建议采用1.25mm2或2mm2屏蔽绞合绝缘电缆。4.3.4屏蔽电缆的屏蔽要连续到电缆导体同样长。电缆在端子箱中连接时, 屏蔽端子要互相连接。
5 结论
交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展, 性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现, 这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前, 国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展, 我国也在加快发展步伐。
正由于变频调速具有绝对优势, 因此在胜利发电厂化学部大量使用, 在一期十米化验站、二期水处理、反渗透加药、二期精处理加药间的使用过程中, 根据干扰的基本类型及抗干扰措施, 采取了相应措施, 取得了很好的成果, 经济效益显著。
参考文献
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交流变频调速技术在天车的改造 篇2
1、交流电动机传统调速控制技术介绍
随着我国工业生产的快速发展，对起重机调速性能要求在不断提高，由于起重机使用的电动机都是三相异步绕线式电动机，调速的方法比较单一，对起重机使用的绕线式电动机传统的调速方法有以下几种：
定子调压调速——控制加于电动机定子绕组的电压：
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值较大的绕线式电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。在电子的调压调速技术诞生之前，这两种方法是在定子调压中主要使用的方法。
绕线式异步电动机转子串入附加电阻调速：
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。这种方法是使用最为广泛的一种调速方法，目前还有很多起重机在使用这种方法。
绕线转子异步电动机转子串电阻调速，缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，而且调速系统的综合技术指标较差，对机械的冲击很大，已不能满足工业生产的特殊要求，特别是象我厂这样的冶金企业。
2、交流变频调速技术的发展及优势
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断的提高，交流变频驱动技术也得到了飞速的发展，应用越来越广泛，作为交流调速系统中重要部分的变频器技术也取得了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。目前，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎扩展到了工业生产的所有领域，并且在许多的家电产品中也得到了广泛的应用，例如像变频空调、变频微波炉、变频电冰箱等。
通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。而变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变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—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），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。
利用变频器控制对交流电动机进行控制相对传统控制有许多的优点：如节能；容易实现对现有电动机的调速控制；可以实现大范围内的高效连续调速控制；容易实现电动机的正反转切换；可以高频度的起停运转；可以进行电气制动；可以对电动机进行高速驱动；可以适应比较恶劣的工作环境；用一台变频器对多台电动机进行调速控制；变频器的电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等。
在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围内，使电动机获得较宽的调速范围，并可达到提高运行效率的目的。
变频器驱动系统是通过改变变频器的输出频率来达到调速目的的，当变频器把输出频率将至电动机的实际工作频率以下时，负载的机械能将被转换成电能，并回馈到变频器，而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给电网，并形成电气制动。与传统的机械制动相比，电气制动可靠性好、维护简单、对机械系统有较好的保护。但是应该注意到一点，由于在静止状态下，电气制动并不能使电动机产生保持转矩，所以在某些场合还必须与机械制动器配合同时使用。
在使用电网电源对异步电动机进行起动是，电动机的起动电流会很大，通常为额定电流的3～5倍，而采用变频器对异步电动机进行起动时，由于可以将输出频率将至一个很低的值起动，电动机的起动电流很小，对电机会起到较好的保护。
可以看出随着交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的桥式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是桥式起重机交流调速技术发展的主流。
（二）起重机的简介 1、80/20T起重机的结构与特点
80/20T桥式起重机是炼钢厂经常使用的一种适用于液体金属的起重机，起升高度可达24m，主起升最大起吊重量为80T，副起升的最大起吊重量为20T。该车采用“四主梁结构”，一般由起升机构、小车走行机构、大车走行机构组成。小车部分分为主小车
部分和副小车部分。主小车部分包括：主起升运行系统和主小车运行系统；副小车部分包括：副起升运行系统和副小车运行系统。起重机大车运行机构的驱动方式采用四机构驱动，即大车两侧各有两台电动机和减速机，分布在大车的四个角，每个主动车轮各用一台电动机驱动，使用变频器控制时就要采用一拖二的控制方式，整车共需两台变频器，桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式。本车的电动运行机构由五个基本独立的拖动系统组成。①大车拖动系统：拖动整台起重机顺着车间做“横向”运动（以操作者的坐向为准）。②主小车拖动系统：拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。③副小车拖动系统：拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。④主吊钩拖动系统：拖动重物作吊起或放下的上下运动。重物在空中具有位能，是位能负载。其特点是：重物上升，电机克服各种阻力（包括重物重力，磨擦阻力等）做功，属于阻力负载；重物下降时，当重物重力大于阻力时，电机是能量的接受者，此时负载属于动力负载，但当重物重力小于阻力时，重物下降还要靠电机的拖动，此时负载仍是阻力负载。⑤副吊钩拖动系统：同主起升部分是一样的，只是吊运的重量不同。
相对于提升机构控制，桥式起重机在大车拖动以及小车拖动方面对于变频器的控制要求比较低，所以本文重点介绍安川系列变频器在提升（主起升系统）机构控制上的应用并且对平移（大车系统）机构的设计进行了介绍。提升机构的运转具有大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比，对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。2、80/20T运行特征
(1)桥式起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩；
(2)由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序；
(3)当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向直流电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量；
(4)起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。
（三）起升机构组成
1、起升机构电动机
电动机型号：YTSP 355M-10 110KW 转速:600r/min；定子电流：215A
调速频率范围：0～50HZ 为了满足80T变频调速桥式起重机的安全稳定的运行，选择电动机应满足的要求:具有高启动转矩、低速满转矩、高绝缘等级、宽调速范围、高效率和高可靠性等。起升、大车和小车运行机构的驱动电动机均选用变频调速三相异步电动机，经过载荷换算和机械效率计算各运行机构驱动电动机的数据如下: 电机容量的选择 P≧GV/6120η
该起重机的起升速度是每分钟10米，机械效率是0.7 电机容量＝（8000KG×10m）/（6120×0.7）
＝186KW 考虑到电机的自身损耗和其他损耗，以及对变频器选择方面的考虑，我们选取两台功率为110KW的电动机作为主起升机构的驱动电机。
2、起升机构变频器
为了能满足行车式起重机运行特点，即具有高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制等功能的高性能工程型变频器，变频调速系统由主令控制器或电位器作为输入给定，通过变频调频电控设备、限位开关、制动器等配合使用，来控制起重机的起升机构等交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调速。我们选用的是安川CIMR-G7电流矢量控制变频器。下面就变频器容量的选择做以下介绍：
变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即: P0=K×PM/η×cosφ
式中:K—过载系数1.33；
PM—负载要求的电动机轴输出功率，kW； η—电动机效率 0.85； cosφ—电动机的功率因数 0.9。
起升机构要求的起动转矩为1.3～1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6～2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60s、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。
经过计算，我们得出每台变频器的容量为175KW，故，选择的变频器为安川CIMR-G7 180KW变频器，共用两台。
在变频器容量选定后，还应做电流验证，即:
ICN≥kIM
式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05～1.1)；
ICN—变频器额定输出电流，A； IM—工频电源时的电动机额定电流，A；
80T变频调速行车式起重机是双驱动的起升机构，起升机构由两台电动机驱动一台减速机，带动两个钢丝绳卷筒进行转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。该车的减速机为行星式差速减速机，在一台电机出现故障时，可以单独使用另一台电机进行正常的吊运工作。图2为安川变频器外部接线图；图3为起升机构变频器控制回路运行原理图；图4为主回路运行原理图。
图2 安川变频器外部接线图
图3
起升机构控制回路运行原理图
图4
起升机构主回路运行原理图
3、工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变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—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），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，图5和图6所示为典型的变频器主回路和控制回路原理图。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。
图5 变频器主回路原理图
图6 变频器控制回路原理图
变频器选择从控制回路端子输入运转频率指令，运转指令由主令控制器提供。通过主令控制器的触点闭合顺序，将控制信号输入到变频器的多段速端子1、2、5、6、7、8，其中1、2端子是正反向控制信号，5、6、7、8端子是调速信号，为了和主令控制器闭合表相对应，选择使用：频率指令
1、频率指令
2、频率指令
4、频率指令8 和点动频率。
之后，要进行参数设置，对起升机构的参数设置，和平移机构是有很大不同的，主要涉及到重物在吊运过程中的零速度力矩的问题。所以，在进行一些必要参数设置的同时，对电动机零速度和低速度下，重力负载曲线的设置是必不可少的。起升机构变频器参数的设置主要有以下几方面：驱动方式设置、制动停车方式设置、多段速运行频率设定、电动机的电压和频率选择的设定、重力负载曲线的设置、电动机保护的设置、低速
度高转矩的频率设置等。
在对参数设置完成后，由控制器给入输入信号后，变频器便根据设定好的频率和参数进行工作，起升机构采用一拖一的开环V/f控制方式控制方式，可以满足生产实践的需要。
在图纸可以看到这样一个继电器，它称为：固态继电器。加装它的原因是因为变频器的多功能输出点（M1、M2）功率不够大，直接驱动抱闸接触器（ZDC）容易造成输出点的损坏。通过它来控制制动器接触器，延长了变频器内部接点的使用寿命。
在变频器电源输入端子（R、S、T）和电源之间，配有断路器Q1和AC电抗器。其中断路器Q1的容量为变频器额定电流的1.8倍，感应电流在30mA以上,可以检出对人体有危险的高频漏电流，防止事故的发生；而其AC电抗器和变频器内的电抗器以及输出侧的滤波器可有效改善电源侧的功率因数，降低对外界的干扰。另外，在制动器接触器侧为了安全考虑，也安装了断路器Q2，来给制动器接触器供电。
4、起升机构一些主要参数的设置
A参数：A1-02 速度控制模式
B参数：B1-01 选择频率指令；B1-02 选择运行指令；B1-03 选择停车方式； C参数：C1-01 加速时间设定；C1-02 减速时间设定 D参数：D1-01~~D1-17 频率指令设定
E参数：E1-01 设定输入电压；E1-03 设定V/F曲线 H参数：H1-01~~H1-10 多功能接点输入设定 H2-01~~H2-05 多功能接点输出设定 H3-01~~H3-12 模拟量输入设定 H4-01~~H4-08 模拟量输出设定
L参数：L2-02 瞬时停电补偿时间；L2-03 最小基极封锁时间；
L4-01 频率检出值；L4-02 频率检出幅；L4-03 频率检出幅度（+/-）
5、制动电阻
当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或平移机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。
在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案: 8
(1)在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；
(2)采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下(电网压降不大于10%)，才可以采用回馈制动方式。在再生发电制动运行时，电网电压的故障时间大于2ms，则变频器控制板用“低电压”故障切断并断开网侧接触器，退出回馈制动运行，从而造成制动不能连续进行的故障。这样就需要进行电气制动，也就是配置制动单元和制动电阻，制动单元的容量是根据变频器的容量进行选择的，而制动电阻的阻值就需要进行计算了。
制动电阻容量的计算：
（1）制动电阻的容量＝电机的容量（2）制动电阻的阻值计算： RB≦U2/PM
式中：RB－制动电阻阻值（Ω）
U－变频器直流回路电压（V），选取700V
PM－电机容量（KW）
带入各种数据，制动电阻阻值＝700x700/110000＝4.45Ω。
（四）平移机构的简介
1、平移机构的简介
80/20T变频调速行车式起重机的平移机构分大车机构、主小车平移机构及副小车平移机构，除了大车机构采用一拖二的传动方案外，其他两种机构均采用一拖一的传动方案。由于起重机平移机构的转动惯量较大，为了加速电动机需有较大的起动转矩，因此行车式起重机平移机构所需的电动机轴输出功率Pm应由负载功率Pj和加速功率Pa组成，即: Pm≥Pj+Pa
由于大车平移机构采用一台变频器拖动两台电动机的通用V/F开环频率控制方式，因此在变频器容量选择时，还要满足以下公式: Icn≥knIm
式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05~1.1)
Icn—变频器额定输出电流，A
Im—工频电源时单台电动机的额定电流，A
n—一一台变频器拖动的电动机数量
按照上述选型、计算公式进行换算，大车变频器选定为 安川CIMR-G7 55KW，由于大车走行机构是四台电动机，所以大车变频器为两台；一台主小车变频器选定为安川CIMR-G7 22KW；一台副小车变频器选定为安川CIMR-G7 15KW。
平移机构的工作原理同起升机构的原理基本相同，只是部分参数的设置与主起升变频器的设置不相同，主要是重力负载曲线的设置、电动机保护的设置、低速度高转矩的频率设置等。由于起升机构和平移机构在运行过程中的负载情况不同，所以起升机构的参数更为复杂一些，因此，在设置平移机构参数时，这些参数的设置没有起升机构那么严格的要求。
首先，重力负载的曲线设置，可以选择任意的曲线，基本上就可以满足使用的要求；其次，电动机保护的设置，保护值的调整只需要将一些必要的保护设置好就可以，不像起升机构设置的全面；第三，由于平移机构的工作时的转矩不需要像起升机构运行时那么大的转矩，因此，这部分的参数设置基本上可以忽略不计。
2、平移机构一些主要参数的设置
A参数：A1-02 速度控制模式
B参数：B1-01 选择频率指令；B1-02 选择运行指令；B1-03 选择停车方式； C参数：C1-01 加速时间设定；C1-02 减速时间设定 D参数：D1-01~~D1-17 频率指令设定
E参数：E1-01 设定输入电压；E1-03 设定V/F曲线 H参数：H1-01~~H1-10 多功能接点输入设定 H2-01~~H2-05 多功能接点输出设定 H3-01~~H3-12 模拟量输入设定 H4-01~~H4-08 模拟量输出设定
图5平移机构变频器运行原理图。
（五）变频器的安装调试
1、变频器的安装
(1)安装使用环境
变频器应避开油腻，风棉，尘埃等有浮游物的环境，安装在干燥清洁的场所，或安装在浮游物无法侵入的全封闭型柜内。安装在柜内时，变频器周围环境温度要在允许温度范围之内，变频器正常使用的环境温度容许值为0～40℃，但80/20T变频调速起重机主要用于吊装液体金属（钢水或者铁水），环境温度比较高，尤其是在夏季，环境温度能够达到50~60度，对于变频器来说不能满足变频器使用环境温度的要求。由于不能把变频器的环境温度限制在其允许值以下，因此只能在环境温度上进行解决，通常采用下述方法来保证它们的正常运行：第一，降低电控柜内的温升，在其顶部安装冷却风扇，下方设有带金属丝网的进气孔，并让大发热量器件尽量靠近冷空气进风口，提高散热效率，使空气对流畅通；第二，将设备安装在电气室内，并在电气室内加装空调器，进行温度调节，以保证变频器在适合的环境温度下工作。
(2)电磁兼容性
现在市场上出售的变频器大多采用不可控整流电源及PWM脉宽调制技术，致使变频器输出电流富含各种高次谐波，属于强电磁干扰源。因此，消除或减弱干扰的方法针对干扰形成的三项因素，即干扰源、干扰途径和敏感电路，我们采取了以下两方面的措施。
一、是消除或降低干扰源的强度。变频器属于强电磁干扰源，为了减少谐波污染造成的干扰，尽量降低变频器的载波频率。本例中，所有变频器的载波频率设为2kHz。
二、是破坏干扰途径，防止干扰侵入敏感电路。长线传输引入的干扰是主要因素。为了在强电磁干扰环境中减小过程通道中的干扰，80/20T变频调速行车式起重机采用了以下技术措施。变频器的输入信号线与动力线在电控柜内和主梁内分开走线，且沿各自的线槽进行配线，并使二者之间保持尽可能大的距离。
2、变频器的接线及注意事项
（1）.主回路接线要求
变频调速起重机起升机构变频器采用直接转矩控制（DTC）方式，它们要使用电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检程序来完成的，如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然把长距离线路阻抗加入到参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到控制要求。变频器与电动机之间的电缆敷设距离过长会引起线路压降大，有时产生电机转矩不足等问题，特别是变频器输出频率较低时其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为允许值，布线时电机电缆的截面积可据此来选择。
由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够，所以在主回路布线过程中要力求减小变频器到电动机的电缆长度。
（2）.控制回路接线要求
变频器的控制信号为微弱的电压，电流信号，所以与主回路不同，变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器控制回路的布线不能与主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内，信号线与动力线必须分开走线，使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其他设备的干扰，必须将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线，距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规定，该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。
信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部，连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰，同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此，放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。
模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm～2mm。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（约5～7mm），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其他设备接触引入干扰。为了提高接线的简易性和可靠性，最好在信号线上使用压线棒端子。
3、运行前的测试
1、静态测试（1）测试整流电路
找到变频器内部直流电源的P端和N端，将万用表调到电阻X10档，红表棒接到P，黑 表棒分别依到R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。相反将黑表棒接到P端，红表棒依次接到R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。B.红表棒接P端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。
（2）、测试逆变电路
将红表棒接到P端,黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块故障。
2、动态测试
在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。在上电前后必须注意以下几点:（1）上电之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机（炸电容、压敏电阻、模块等）。
（2）检查变频器各接播口是否已正确连接,连接是否有松动,连接异常有时可能导致变频器出现故障,严重时会出现炸机等情况。
（3）上电后检测故障显示内容,并初步断定故障及原因。
（4）如未显示故障,首先检查参数是否有异常,并将参数复归后,进行空载(不接电机)情况下启动变频器,并测试U、V、W三相输出电压值。如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障。
（5）在输出电压正常（无缺相、三相平衡）的情况下，带载测试。测试时，最好是满负载测试。
(1)变频器主回路
80/20T变频调速起重机起升机构的变频器采用直接转矩控制(DTC)方式，它们要使用电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序（变频器的自学习功能）来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然把长距离线路阻抗加入到了参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到控制要求。另外，变频器与电动机之间的电缆敷设距离长，则线路压降大，有时产生电机转矩
不足。特别是变频器输出频率较低时，其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为容许值，电机电缆的截面可据此来选择。
由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，采用PWM控制方式的变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够。所以在行车式起重机的布线设计中，应力求减小变频器到电动机的电缆的长度总和。
(2)控制回路
变频器的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，本例采用1.0mm2绝缘屏蔽导线传输变频器与主令控制器之间的控制信号。绝缘屏蔽导线的接地在变频器侧进行单点接地，使用专用的接地端子。
4、调试
（1）、变频器带电机空载调试
1）设置电机的功率、极数，要综合考虑变频器的工作电流。
2）设定变频器的最大输出频率、基频、设置转矩特性。最高频率是变频器/电动机系统可以运行的最高频率，由于变频器自身的最高频率可能较高，当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时，应按电动机及其负载的要求进行设定。基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线，应按电动机的额定电压进行设定。转矩类型指的负载是恒转矩负载还是变转矩负载。用户根据变频器使用说明书中的V/F 类型图和负载特点，选择其中的一种类型。通用变频器均备有多条V/F 曲线供用户选择，用户在使用时应根据负载的性质选择合适的V/F 曲线。如果是风机和泵类负载，要将变频器的转矩运行代码设置成变转矩和降转矩运行特性。为了改善变频器启动时的低速性能，使电机输出的转矩能满足生产负载启动的要求，要调整启动转矩。在异步电机变频调速系统中，转矩的控制较复杂，在低频段，由于电阻、漏电抗的影响不容忽略，若仍保持VPF为常数，则磁通将减小，进而减小了电机的输出转矩。为此，在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩，一般变频器均由用户进行人工设定补偿。
3）将变频器设置为自带的键盘操作模式，按运行键、停止键，观察电机是否能正常地启动、停止。
4）熟悉变频器运行发生故障时的保护代码，观察热保护继电器的出厂值，观察过载保护的设定值，需要时可以修改。变频器的使用人员可以按变频器的使用说明书，对
变频器的电子热继电器功能进行设定，电子热继电器的门限值定义为电动机和变频器两者的额定电流的比值，通常用百分数表示。当变频器的输出电流超过其容许电流时，变频器的过电流保护将切断变频器的输出。因此，变频器电子热继电器的门限最大值不超过变频器的最大容许输出电流。
（2）变频器带负载调试
1）手动操作变频器面板的运行停止键，观察电机运行停止过程及变频器的显示窗，看是否有异常现象。
2）如果启动、停止电机过程中变频器出现过流保护动作，应重新设定加速、减速时间。电机在加、减速时的加速度取决于加速转矩，而变频器在启、制动过程中的频率变化率是用户设定的。若电机转动惯量或电机负载变化，按预先设定的频率变化率升速或减速时，有可能出现加速转矩不够，从而造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而造成过电流或过电压。因此，需要根据电机转动惯量和负载合理设定加、减速时间，使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。检查此项设定是否合理的方法是先按经验选定加、减速时间进行设定，若在启动过程中出现过流，则可适当延长加速时间;若在制动过程中出现过流，则适当延长减速时间。另一方面，加、减速时间不宜设定太长，时间太长将影响生产效率，特别是频繁启动、制动时。
3）如果变频器在限定的时间内仍然是过流保护，应改变启动、停止的运行曲线，从直线改为S形、U形线或反S形、反U形线。电机负载惯性较大时，应该采用更长的启动停止时间，并且根据其负载特性设置运行曲线类型。
4）如果变频器仍然存在运行故障，应尝试增加最大电流的保护值，但是不能取消保护，应留有至少10%～20%的保护余量。
5）如果变频器运行故障还是发生，应更换更大一级功率的变频器。
（六）常见故障分析
1、变频器整流模块损坏
变频器整流模块的损坏是变频器的常见故障之一，早期生产的变频器整流模块均采用二极管，目前，大部分整流模块则采用晶闸管。中大功率普通变频器整流模块一般为三相全波整流，整流器件易过热，也易被击穿，当其损坏后伴随着快速熔断器熔断，整机停机。在更换整流模块时，要求其在与散热片接触的面上均匀地涂上一层传热性能良好的硅脂，再紧固安装螺丝。如果没有同型号整流模块时，可用同容量的其他类型的整流模块代替。
2、变频器充电电路故障
通用变频器一般为电压型变频器，采用交—直—交工作方式，由于直流侧的平波电容容量较大，在变频器接入电源的一瞬间充电电流很大，可能导致电源开关跳闸，为此在充电回路中设置一个起动电阻来限制充电电流，而在充电完成后，控制电路通过接触器的触点或晶闸管将电阻短路，充电电路故障一般表现为起动电阻被烧坏，变频器报警显示为直流母线电压故障。当变频器的交流输入电源频繁通断时，或者短路接触器的触点接触不良或晶闸管的导通阻值变大时，都会导致起动电阻被烧坏，如遇这种情况，可购买同规格的电阻更换。同时必须找出烧坏电阻的原因，如果故障是由输入电源频繁通断引起的，必须消除这种现象，如果故障是由短路接触器触点或短路晶闸管引起，则必须更换这些元器件，才能再将变频器投入使用。
3、变频器显示过流
过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其原因是变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等因素引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载，变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已损坏，需要更换变频器。
系统在工作过程中出现过电流，具体有以下几方面：
（1）电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象时，引起电动机电流的突然增加。
（2）变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，或电动机内部发生短路等。
（3）变频器自身工作不正常，如逆变桥中同一个桥臂的上、下两个器件发生“直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。
（4）负载的惯性较大，而升速时间设定得太短时，电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果使升速电流太大。
（5）负载的惯性较大，而降速时间设定得太短时，电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，结果使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。
针对上述故障现象主要检查以下几个方面：（1）工作机械有没有被卡住。（2）用兆欧表检查负载侧短路点。（3）变频器功率模块有没有损坏。
（4）电动机的起动转矩是否过小，使拖动系统转不起来。（5）升速时间设定是否太短。
（6）减速时间设定是否太短。
（7）转矩补偿（V/F比）设定是否太大，引起低频时空载电流过大。
（8）电子热继电器整定是否不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作。
4、变频器过压欠压保护动作
变频器出现过压欠压保护动作，大多是由电网电压的波动引起的。在变频器供电回路中，若存在大负荷电机的直接启动或停车，会引起电网电压瞬间大范围波动，导致变频器过压欠压保护动作，而不能正常工作。这种情况一般不会持续太久，电网电压波动过后即可正常运行，而这种情况只有增大供电变压器容量，改善电网质量才能避免。
另外，变频器出现过压故障还可能是由于变频器驱动大惯性负载，因为在这种情况下，变频器的减速停止属于再生制动，在停止过程中，变频器的输出频率按线性下降，而负载电机的频率高于变频器的输出频率，负载电机处于发电状态，机械能转化为电能，并被变频器直流侧的平波电容吸收，当这种能量足够大时，变频器直流侧的电压就会超过直流母线的过电压保护整定值而跳闸。对于这种故障，一是将减速时间参数设置长一些，或增大制动电阻，或增加制动单元；二是将变频器的停止方式设置为自由停车。
另一种情况是变频器整流部分损坏或检测电路损坏而引起故障报警，电压检测一般都是通过对直流母线电压采样，然后与过电压保护整定值进行比较，再将比较差值传送到微控制器。如果整流桥、滤波电容、采样电路或比较电路中任一器件出现问题，都会出现这种报警。
5、驱动电路故障
变频器的逆变驱动电路也容易发生故障。一般有明显的损害痕迹，诸如元器件（电容、电阻、二极管及印刷版）爆裂、变色、断线等异常现象，但不会出现驱动电路全部损害的情况。处理方法一般是按照原理图，每组驱动电路逐级寻找故障点。处理时首先对整块电路板清灰除污，如发现电路断线，则进行补线处理，查出损坏的元器件进行更换，根据经验分析，对怀疑的元器件，进行测量、对比、替代等方法判断，有的元器件需要离线测定。驱动电路修复后，应用示波器观察各组驱动电路信号的输出波形，如果三相脉冲大小、相位不相等，则驱动电路仍然有异常（更换的元器件参数不匹配，也会引起这类现象），应重复检查处理。大功率晶体管驱动电路的损坏也是导致过流保护动作的原因之一，驱动电路损坏表现出来最常见的现象是缺相，三相输出电压不相等，三相电流不平衡等特征。
6、电机发热变频器显示过载
过载故障包括变频过载和电机过载，其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等，负载
过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。
对于已经投入运行的变频器如果出现这种故障，就必须检查负载的状况。对于新安装的变频器如果出现这种故障，很有可能是V/F曲线设置不当或电机参数设置有问题。如一台新装变频器，驱动的变频电机，额定参数为220V/50Hz，而变频器出厂时设置参数为380 V/50 HZ。由于安装人员没有正确设定变频器的V/F参数，导致电机运行一段时间后转子出现磁饱和，致使电机转速降低，过载而发热。所以，在新变频器使用之前，必须设置好相应参数。另外，使用变频器的无速度传感器矢量控制方式时，若没有正确设置负载电机的额定电压、电流、容量等参数，也会导致电机过载发热。还有一种情形是设置的变频器载波频率过高时，也会导致电机发生过载发热。最后一种情况是变频器经常处于低频段工作，使电机长时间在低频段工作，电机散热效果又不好，致使电机工作一段时间后过载发热，对于这种情况，需加装散热装置。
（七）日常维护
1、变频器的日常维护及注意事项
变频器在运行过程中经常会出现一些故障，而这些故障并不是变频器本身的原因造成的，多是由于设备操作管理人员维护不当或维护不及时引起的，有些变频器长期缺乏正常日常维护，造成变频器内灰尘多、元器件老化加速，故障频发。
因此设备维护人员必须熟悉变频器的基本工作原理、功能特点，具有电工操作基本知识。在对变频器检查及保养之前，必须在设备总电源全部切断；并且等变频器Chang灯完全熄灭的情况下进行。日常的维护有以下几个方面：
1）、日常检查事项
变频器上电之前应先检测周围环境的温度及湿度，温度过高会导致变频器过热报警，严重时会直接导致变频器功率器件损坏、电路短路；空气过于潮湿会导致变频器内部直接短路。在变频器运行时要注意其冷却系统是否正产，如：风道排风是否流畅，风机是否有异常声音。一般防护等级比较高的变频器如：IP20以上的变频器可直接敞开安装，IP20以下的变频器一般应是柜式安装，所以变频柜散热效果如何将直接影响变频器的正常运行，变频器的排风系统如风扇旋转是否流畅，进风口是否有灰尘及阻塞物都是我们日常检查不可忽略的地方。电动机电抗器、变压器等是否过热，有异味；变频器及马达是否有异常响声；变频器面板电流显示是否偏大或电流变化幅度太大，输出UVW三相电压与电流是否平衡等。
a、加强变频器的规范化使用管理，建立变频器的日常保养维护制度
设立专人负责保养，具体内容有做好运行数据记录和故障记录，定期测量变频器及电机的运行数据，包括变频器输出频率，输出电流，输出电压，变频器内部直流电压，散热器温度，工作环境温度、湿度等参数，与合理数据对照比较，以利于提早发现故障隐患；变频器如发生故障跳闸，务必记录故障代码和跳闸时变频器的运行工况，以便于具体分析故障原因。
b、加强日常检查
最好每半月检查一次，检查、记录运行中的变频器输出三相电压，并注意比较他们之间的平衡度；检查记录变频器的三相输出电流，并注意比较他们之间的平衡度；检查记录散热器温度，工作环境温度；察看变频器有无异常振动、声响，风扇是否运转正常。
c、加强变频器的日常保养
做到变频器每季度保养一次，要及时清除变频器内部的积灰、脏物，将变频器保持清洁，操作面板清洁光亮；在保养的同时要仔细检查变频器内有无发热变色部分，阻尼电阻有无开裂，电解电容有无膨胀、漏液、防爆孔突出等现象，PBC板有无异常，有没有发热烧黄部位等。
2）、定期保养
进行定期保养和维护时，主要应清扫空气过滤器冷却风道及内部灰尘。检查螺丝钉、螺栓以及即插件等是否松动，输入输出电抗器的对地及相间电阻是否有短路现象，正常应大于几十兆欧。导体及绝缘体是否有腐蚀现象，如有要及时用酒精擦拭干净。在条件允许的情况下，要用示波器测量开关电源输出各电路电压的平稳性，如：5V、12V、15V、24V等电压。测量驱动器电路各路波形的方法是否有畸变。U、V、W相间波形是否为正弦波。接触器的触点是否有打火痕迹，严重的要更换同型号或大于原容量的新品；确认控制电压的正确性，进行顺序保护动作试验；确认保护显示回路无异常；确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度。
（八）结束语
结束语：
随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，加之它的价格不断下降，使其成为起重机械一种优选的调速方案。但是，要使变频器成功地应用于起重机调速，就必须针对起重机的特点，计算和选择变频器及其外围的辅件，并在安装与布线时采取特殊技术措施，以保证变频调速起重机安全、可靠地运行。本文提出的变频调速控制方案和设计计算方法已成功应
用于我公司的接收跨、出坯跨的起重机上。经过几年多的实际运行证明，各项调速性能均优于传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。
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交流异步电动机的变频调速技术 篇3
关键词:异步电动机;变频调速;调速方式
中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0023-02
电动机是进行工业、农业生产的一种重要工具,它能够将电能转变成为机械能从而满足生产的需要,也因此被广泛的运用到社会生产的各个领域。一般来讲,电动机可以分为直流电机与交流电机,只是近年来随着技术的发展以及直流电机固有的缺点,人们对交流电机的运用更为广泛。但是交流电机相对直流电机来说在调速方面有着一些困难,所以变频调速技术也就应用而生。随着交流传动电动机调速理论研究逐步突破以及调速装置(主要为变频器)性能的完善,交流电动机调速系统的缺点(性能较差)已经基本得到了克服。目前,交流调速系统的性能已经可以与直流系统相媲美,甚至可以超过直流系统。不仅使交流调速系统控制装置体积小,效率高,而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案,更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。
一、交流异步电动机的变频调速技术概述
(一)交流异步电动机特点概述。交流异步电动机是在现今社会经济条件下运用最为广泛的一种动力机械,其承载着工业生产以及农业生产等重要的任务。但是作为一种机械设备,由于其特定的结构以及性能也有着属于自身的使用特点,具体来讲如下:
1.交流异步电动机使用优点。在电动机中主要有直流电动机与交流电动机,而交流异步电动机作为交流电动机的一种,具有自己明显的运用优势。首先,它具有简单的结构,并且功能齐全,可靠性高;其次,在其内部,控制器可以自成系统,也就使得软件功能完善灵活;再次,其控制功能全面精确,使用寿命长;最后,它在工作的过程中拥有着较高的工作效率,并且机器本身的重量也轻,通用性强,具有较低的运行成本。
2.交流异步电动机使用缺陷。虽然说,通过上面的分析我们可以看出交流异步电动机有着很多的运行优势,但是不可避免的它还是有着自身的一些缺点。其中调速性能差是其主要的缺点。它不能够像直流电动机一样进行灵活简单的调速,而是由于其工艺要求,需要一定的电动机调速上场合。所以,很多时候人们也往往因为交流异步电动机这样的一个缺点,会选用直流电动机来进行作业,或者是运用新的技术,来让交流异步电动机的运行能够进行符合其工艺要求的调速。当然这时候,交流异步电动机变频调速技术也就应用而生。
(二)交流异步电动机变频调速技术概述。变频调速技术是一种有效的交流异步电动机的调速技术,其是随着变频装置的出现而慢慢的发展起来的。并且随着电力电子技术以及微电子技术的不断深入发展,其技术也得到了很大的几进步,几乎可以跟直流电机的调速技术相媲美。具体来讲,变频调速技术有着下面的一个特点。
1.变频调速技术使用优点。在交流异步电动机中,使用变频调速技术主要有下面的一些优势:首先,变频调速相对于普通调速具有平滑性好、效率高的优点,并且在电动机处于低速运动的时候,其稳定性也好;其次,在调速的过程中范围比较大,并且使用时候的精确度也相对来说比较高;再次,在变频调速中由于其在电机启动的过程中所需要的电流比较低,所以具有比较明显的节电效果;最后,整个变频调速技术自动化程度高。
2.变频调速技术使用缺陷。跟所有的调速技术一样,虽然变频调速技术有着很多的优点,但是不可避免的也会出现一些缺陷。首先,由于变频调速技术的电流中含有很多的高次谐波,一方面会对电网造成污染,另一方面还能够对电机造成损耗,使得电机发热;其次,变频调速技术需要专用的变频电源,所以在造价方面就比较高,而且投资的回收期也相对来说比较长,技术复杂。
二、交流异步电动机变频调速技术发展方向
在现今的社会中,随着技术的不断发展以及科技的进步,变频调速技术也得到了长足的发展。作为变频调速技术的承载者变频器应该适应技术发展的趋势,不断的进行自身的完善,从而让整个变频调速技术更加现代化,更加灵活化。下面是变频调速技术的发展方向:
(一)向网络智能化发展。智能化是现金社会发展的一个主流方向,不管是小到手机等通讯工具还是大到电动机等机械设备,都在向网络智能化的道路上行走。而变频技术也应该适应这样的一个发展,能够免去那么多的设定,从而实现故障自我诊断以及部件的自动更换等等,并且在此基础上不断的延长变频器的寿命。
(二)向专门化一体化发展。专门化的研究与制造能够使得设备的性能更强,也能够使得技术更加先进。所以对于交流异步电动机来说也应该走专门化的发展道路。专门就某个领域进行变频器的研究,强化其性能,提高其技术。当然除此之外,还应该让变频器与电动机逐渐的一体化,让变频器成为电动机的一部分,从而更好的进行控制。
(三)向环保无公害的方向发展。近些年来,随着人们对环境的越来越重视,各种机械设备也慢慢的在呼吁环保无公害。而交流异步电动机作为一种设备在其进行调速的过程中也应该考虑绿色环保,将噪声以及电源谐波的污染将到最低。
三、交流异步电动机的变频调速技术的应用
交流异步电动机被广泛的应用到了电气传动之中,而在其的运用中对调速原理的理解就显得十分重要,下面是交流异步电动机变频调速的技术原理以及控制方法。
(一)交流异步电动机变频调速原理。在了解交流异步电动机变频调速技术原理之前,我们需要对交流异步电动机的转速先做个大体的了解。因为交流异步电动机变频调速技术的原理是从交流异步电动机的转速方程中得出的。
1.交流异步电动机转速方程。在交流异步电动机中,往往交流的调速是通过定子与转子之间的产生的旋转磁场而实现的,在定子与转子进行旋转的时候会产生感应电流,这个电流跟磁场相互发生作用,也就产生了电磁转矩,使得电动机转动起来,产生一定的转速,也就是同步转速。一般用n0来表示。其具体的转速公式如下:
nlc202309011129
其中,f是交流电源的频率,一般设定为50Hz,p则是磁极的对数,一般来讲当p=1的时候,n0就为每分钟3000转;而当p=2的时候,则n0为每分钟1500转。通过公式我们可以看出,当磁极对数越多的时候,转速也相应越慢,而转子的实际转速n一般都会比同步转速n0慢一点,也就是所谓的异步电机,由此产生的差别会用s来表述,其公式如下:
由上面的两个公式我们就可以得出交流异步电动机的转速方程,也就是如下面所示:
2.交流异步电动机变频调速技术原理。交流异步电动机变频调速技术原理是通过交流异步电动机的转速而实现的,也就是说在交流异步电动机中,电机的转速n与电源的频率f成正比,所以在进行电机异步频率的改变中,可以通过调节输入电源的频率以及改变电机的同步转速而实现,这也就是所谓的交流异步电动机变频调速的原理。
(二)交流异步电动机变频调速技术控制方法。在交流异步电动机变频调速中最基本的控制方法则为 恒定控制。这种控制方法通过改变变频器输出电压频率与电压幅值而实现调速,让整个电机的频率保持在稳定的状态内,使得电机的效率以及功率保持恒定。并且在控制的方式上也会随着运行频率基频的不同而控制状况不同。具体来讲,主要有下面的两种控制调速状况:
1.基频以下的变频调速。基频以下的变频调速又可以成为恒磁通变频调速,这种调速是 比恒定调速在基频以下的调速,所以当频率较低的时候,定子的抗压都不能够被忽视,所以这种变频后的机械的性能应该如下图所示:
如图所示,我们可以看出,当电机向低于额定转速n0方向调速的时候,电机会保持原来的机械特征,并且转矩也会随着电机转速的下降而减小,这就会让电机的负载能力下降。这也是变频调速的缺陷的一个反应。所以往往为了提高电机的负载能力,则使用 转矩补偿法,来增强交流电动机变频调速的使用性能。
补偿法是在电机频率降低的时候,采用提高电压的方法来使得磁通量保持恒定,从而让电机的转矩能够得到回升,以此来提高电机的变频调速使用性能。一般而言,进行补偿后的电动机机械性能曲线图如下所示:
2.基频以上的变频调速。交流异步电动机基频以上的调速方式,属于恒功率的调速方式,在进行变频调速之后的机械的性能曲线图如下所示:
我们可以看出,电动机在基频以上进行调速的时候机械特性曲线工作段的斜率逐渐的增大,使得机械的特性变软。使得机械在一个比较恒定的状态下进行工作。
四、总结
通过以上对于交流异步电动机变频调速技术的分析,我们可以看出这样的一种变频调速的控制方式虽然说给电动机的调速带来了很大的方便,使得操作也变得简单,但是在其控制的过程中还是存在着低速性能差的缺陷。所以,在进行交流异步电动机变频调速中一定要加大对技术的研究,弥补这些缺憾,从而让变频调速技术变得更加完善。
参考文献:
[1]刘玲.交流变频调速技术的优势与应用[J].电气开关,2010,48(1)
[2]程林贵.交流变频调速技术的应用及注意的问题[J].中国科技博览,2010,33
交流异步电机变频调速系统研究综述 篇4
在上个世纪七十年代以前, 高性能的可调速系统通常都采用直流电机, 而不变速传动或简单调速传动则采用交流电机, 主要是因为直流传动具有优越的可控制性能[1]。直到二十世纪七十年代, 人们成功地开发出了高效的交流变频器, 使得交流笼型电机进入了可调速领域, 由于其具有结构简单、成本低廉、维护方便、工作可靠、转动惯量小和效率高等优点, 交流电机很快成为可调速传动的主流。
在最初研究和应用交流调速时, 人们只能从交流电机的稳态模型出发来探讨调速方法, 对其动态模型还不十分清楚。接着出现了恒压频比的控制方法, 它被普遍应用于风机、水泵调速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。分析异步电机稳态模型可知, 当磁通恒定时, 采用转速闭环的转差频率来控制, 可使调速变得平滑而稳定, 从而获得较高的调速范围, 大大提高了交流异步电机的调速性能。1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制理论 (Direct-Self-Control, DSC) 。此外, 一些学者继续加大这方面的研究, 将现代控制理论一些成果应用于交流传动系统的控制, 例如状态观测器、模型参考自适应控制、滑模变结构控制等, 以提高交流传动系统的性能。
目前, 变频调速技术受到交流调速技术和微机控制技术发展的影响, 其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、极高转速的交流变频调速方向发展。交流异步电机被广泛应用于提升机、离心机、机床和压缩机等工业设备当中, 所以研究一些高性能的交流异步变频调速系统就显得尤其重要。
2 交流异步电机变频调速原理
据电机学理论, 交流异步电动机的转速表达式为[2]:n=60f (1-s) /p (1
其中n为电机转速, f为电源频率, s为转差率, p为电动机极对数。转速受后三者的影响, 但能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率f的方法, 即变频调速。
我们知道, 交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感应电动势, 可用下式计算其有效值:
其中U和E为电压, K为电动机的一个电压不变, 则磁通Φ随着频率f的提高而减小, 使得电动机的动力不足而过载能力下降, Φ随频率f的减小而增加, 使励磁电流上升, 增加了铁损, 从而降低了电动机的效率。可见, 只有使气隙磁通Φ为一常量的条件下, 改变频率f的同时协调的改变定子电压U, 才能使电动机获得较好的工作性能。
要保证Φ=C为一常数, 就必须在将频率f从基频fsn向下调节时, 同时降低E, 即满足:E/F=Φ=C (3)
上式说明在频率降低过程中能保证Φ=C, 从而使转矩Tc=Tcmax=C, 取得较好控制效果。
在基频fsn以上调速时, 频率可增大, 但是端电压U最多只能维持在额定值Um, 这会造成磁通与频率成反比的下降。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流, 这时电机运行转矩基本上随磁通变化, 即在基频以下为恒转矩调速, 以上为恒功率调速。
3 异步电机变频调速技术
为了较好地实现交流电动机的无极调速, 可通过改变电源频率和电压来完成, 但这需要一套交流变频电源。目前异步交流电机的调速控制方案主要有以下几种。
3.1 恒压频比控制
这种控制方法就是通过变频器, 来维持电压与频率的比值恒定, 即U/ω=const。此法虽然在控制上较易于实现, 但它在低速时性能较差, 需要通过低频电压补偿来获得性能的改善, 因此它只是广泛的应用在一些对于调速性能要求不高的场合。但如果在低速时电压补偿效果不佳的话, 就很容易造成磁场的欠励或过励, 进而使电机转速极不稳定, 在一定的低速范围内振荡, 甚至还有可能造成电机与变频器之间形成共振, 对设备造成损坏[3]。目前恒压频比控制最常用的方法是将转速通过PI调节器得到转差频率, 实际上就是通过调节转差频率来控制转速的。
3.2 磁场定向控制
电动机调速的实质在于对转矩的控制, 但要对转矩进行直接控制是不现实的, 因为交流电机本身是一个非线性和多变量的时变系统。磁场定向控制理论为实现对交流电动机转矩的高性能控制提供了可能。其方法是在磁场定向坐标上, 将交流电流矢量分解成互相垂直并且相互独立的直流的励磁电流分量id和转矩电流分量iq, 然后对二者分别进行调节, 这从原理和特性不仅可以对转矩进行实时控制, 还能避免电流的瞬态突变。但在磁场定向控制中转子电阻会随着温度和频率的变化而变动, 而且电机转速测量也存在误差, 这些因素都容易引起转子磁链的误差, 这就使磁场定向控制的效果不理想。
3.3 直接转矩控制
Depenbrock教授提出的直接转矩控制理论跳出了传统的交流传动技术研究思维框框, 在瞬时空间矢量理论的基础上, 通过检测到的定子电压和电流来计算电机的磁链和转矩, 比较给定值所得差值, 以此来实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下对磁链和转矩进行控制, 以得到快速的转矩响应, 一般由于定子电阻的变化比较容易得到补偿, 而只要知道定子电阻就可观测出定子磁链, 所以直接转矩控制对电机参数的变化不敏感。它还避免了复杂的坐标变换和参数运算, 使系统线路变得十分简单, 容易实现, 其控制效果要优于前两种方法。
4 结语
随着交流异步电机变频调速的优势越来越明显, 其在工业机械中的应用也越来越广泛, 对它的研究也变得更有意义。尽管在这方面的研究已经取得了一些成果, 但仍有许多地方有待改进, 相信在不久的将来, 调速性能更加优良、节能效果更加理想的交流电机调速系统将会诞生, 从而促进电机调速技术的又一次飞跃。
摘要：本文对交流异步电机变频调速作了一个综述简介, 首先介绍了交流异步电机变频调速技术的发展概况, 然后分析了其变频调速的原理, 最后介绍了异步电机变频调速的几种技术。
关键词：异步电机,变频调速,综述
参考文献
[1]李德华.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[2]陈伯时, 陈敏逊, 交流调速系统.[M].北京:机械工业出版社, 1998.
《交流调速》实验报告题目及要求 篇5
图文说明显示模块、子系统封装
2、熟悉simulink的15个常用模块，了解电气系统工具箱SimPowerSystems3、熟悉基本电路元件和典型电机与变压器的仿真模型。
4、熟悉基本电力电子器件的仿真模型。
5、熟悉电力电子变流器典型驱动装置和典型测量元件的仿真模型。
以上五个实验报告要求：
1、文字说明熟悉了解的对象。
2、图文说明重点对象和模块。
6、交流电机开环调压调速系统的仿真。
7、交流电机速度反馈调压调速系统的仿真。
8、交流电机串级调速系统的仿真。
以上三个实验报告要求：
1、实验原理
2、仿真模型主图和子系统模型图
3、仿真参数设置说明
交流变频调速 篇6
关键词：煤矿运输 窄轨机车 变频调速 节能
中图分类号：F290 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0090-02
1 概述
目前，煤矿窄轨机车应用最广泛的牵引动力源依然是直流电动机，由于直流电动机由恒定的直流电源供电，所以机车为了保证操作平稳，在进行起动、调速和制动等活动时，需使用串接电阻进行控制。这种调速方式存在很大弊端，不仅浪费电能，而且很容易对设备造成损害。而使用交流变频调速技术则效果正好相反，机车不仅能够轻松实现平稳起动、无级调速和再生制动，而且大大降低能耗。此外，与直流电动机相比，同功率的交流电动机制造成本要低得多，且变频器的调速性能很好，调速范围大，静态稳定性很好，通过它对交流电动机主电路实现调速控制，使控制器件的操作得到大大简化，使用寿命长，可靠性高，经济效益显著。
对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。
变频调速在交流调速技术中的优势十分明显，它目前已经受到煤矿运输行业的青睐，随着制造成本的不断下降、调速效果的进一步提升以及性能与可靠性的日益完善，它必然会更加受到世人的推崇。
2 窄轨机车变频器结构及工作原理
该局推广应用的窄轨电机车变频调速器分为司控箱和主体箱两大部分。主体箱内装有直流输入及滤波电路、IGBT三相全桥逆变电路、DTC控制电路三部分。司控箱配有调速和换向操纵机构，操作主令手轮使主轴变换为无级调速；操作方向手柄可实现前进、零位、后退三档转换。调速主令手轮及方向手柄上固定有指针，指针分别指向各自当前所在档位。在控制器底板上安装有互锁装置、磁敏传感器。
前进、后退、牵引和复位等的信号给定通过感应接近开关靠近凸轮并输出开关信号来完成。工作开关打开后，逆变器会获得电源电压，并给滤波电容充电，充电完毕逆变器控制主接触器吸合。经过主接触器的高压进入逆变器后，微机控制器会依据司机操作输出的信号，控制IGBT逆变成变频变压三相交流电，最终输出给三相异步电动机。
3 窄轨机车变频调速器优异特性
交流电动机主要通过三种方式来完成调速：变极调速、变频调速和改变转差率调速。其中，第二种技术较其他两种具有明显优势，交流变频调速窄轨电机车，抛弃了陈旧过时的直流电动机和电阻调速器，代之以性能可靠的三相鼠笼异步交流电机和节电显著的BPT系列变频调速器。DTC变频调速技术具有国际领先地位，能使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩，满足电机车在低速时的最大起动牵引力，而BPT系列直流架线电机车的变频调速技术正是采用了这种技术，因而其性能十分优越。变频调速技术与传统直流电阻调速技术相比，具有以下特点。
（1）调速性能更佳。变频调速机车调速范围为无极调速，最低频率可调至0.1 Hz，最低车轮转速可达到0.5 r/min。可设定机车最高车速，即使是在下坡道行驶，机车不会超过设定车速，从而避免超速事故的发生。
（2）牵引力更大。DTC的控制技术能够使机车起动强劲有力，因为它完全能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），满足电机车在低速时的最大起动牵引力。不但可使机车在60‰的大坡道上上行，而且上行过程中仅用零速制动功能就能将列车制动，即使停止后重新启动也能将重载拉上去。
（3）适合更宽的直流电压波动范围。额定电压直流550 V级的架线变频调速电机车完全适应电压波动范围344～877 V，避免了因直流架线电压升高而损坏电机。
（4）变频调速电机车加速和减速全由调速手柄控制，调速器的零位即是制动位置，减速时，机车的高速惯性还在，但电机会发挥制动减速作用，电机和车轮按照调制的低速运行不需用通过闸瓦制动车轮减速，闸瓦基本不磨损。
（5）交流变频调速窄轨电机车装备三相鼠笼异步交流电机，电机转子无磨损。变频调速器控制通过集成电路实现，无触头、无接点，基本可以达到免维修。
（6）交流变频调速窄轨电机车具有低速超强的转矩性能，当机车脱轨时，可通过垫车轮直接拖拉复轨，避免复轨过程可能产生的次生伤害事故。
总之，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。
通过我局近几年使用该类型电机车运行情况看，故障率明显减少，运输效率显著提高，减少了煤仓压煤，由每天运煤2万吨提升到2.5万吨，节电效果明显。
4 变频调速器关键技术及创新点
（1）直流架线变频调速电机车装备性能可靠的三相鼠笼异步交流电机代替直流电动机。
（2）直流架线变频调速电机车装备节电显著的BPT系列直流架线电机车变频调速器，变频调速器采用国际最先进的DTC变频调速技术，采用进口原装全套控制电路和进口IGBT模块元件。
（3）DTC的控制技术能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），从而满足电机车低速时所需的最大起动牵引力。
5 试验运行情况
经过矿井运输系统实践运行，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。能加快车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，因而具有较大的推广应用价值，可为矿井带来显著的经济效益和社会效益。
（1）经济效益：变频调速器能节省35%的电能消耗，按10吨窄轨电机车每天运行18 h计算，每天可节省277.2 kWh电，如果电费按0.5/kWh计算，日节电费138.6元/kWh，一年节电费50589元；采用交流电机，其转子不损坏，调速器基本不需要维修，闸瓦基本无需更换，一年节约的材料费工时费可达10000元。
（2）社会效益：交流变频调速窄轨电机车，实现了平稳起动、无级调速以及再生制动，能加快矿井运输车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，保证机车运输安全。
6 结语
煤矿窄轨机车运输一直以来采用的直流电动机具有结构复杂、造价过高、耐潮性差、故障多发、维修频繁等不足，而且煤矿大量电机车调速系统还采用电阻降压调速方式，这种触头式电阻调速机车不仅维修量大，而且因带电阻运行电能浪费大。与直流电机相比，使用变频控制效率高、输出转矩大、调速平滑。因此，变频调速技术推广应用对于提高矿井运输效率，降低运输成本具有积极意义。对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。
参考文献
[1]张宏干.电机车司机（技师、高级技师）[M].北京：煤炭工业出版社，2013.
[2]黄福昌.矿井辅助运输技术规范[M].北京：煤炭工业出版社，2008.
[3]孟凡良.煤矿建设安全规范[M].北京：煤炭工业出版社，2012.
交流变频调速系统仿真软件的研究 篇7
近年来,计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用,其在变流技术的研究应用和产品研发中有重要的作用。与此同时,适用于电力系统的各类通用仿真软件越来越多,但它们对用户计算机语言的要求较高,而且对一些复杂的系统,这些软件的仿真效率和仿真精度也不理想。为了解决这些问题,研究和开发针对交流变频调速系统的仿真平台具有十分重要的意义。
1 电力电子系统的通用仿真软件概况
目前,电力电子技术迅猛发展,电力电子电路的仿真研究越来越受到重视,在国际上,电力电子变流技术仿真软件得到广泛应用,美国Analogy公司研发的Saber模拟和混合信号仿真软件,是全球最先进的系统仿真软件之一,它能够在多技术、多领域的系统中进行仿真研究。美国Mathwork公司推出的MATLAB软件包,具有效率高、功能强、便于进行工程和科学计算的特点,其使用直译式语言进行编程。MATLAB软件包中的Simulink是该软件中最重要的功能模块之一,能够进行模块化、交互式建模和仿真。在电力电子领域,通过Simulink构建电力电子系统的模型,并可直接对控制器进行设计和仿真。Simulink对C语言提供了很好的支持,因此它既可以在交互式图形环境下工作,也可以在MATLAB指令语言模式的批处理模式下工作。
不难看出,电力电子系统通用仿真软件不仅具有基本的通用电路仿真功能,而且因其应用领域的不同而各具特色,在使用中可根据控制要求的不同,选用不同的电力电子电机变频调速系统,但在具体分析不同调速系统的功能模块时发现其种类很有限。此类仿真软件的优点是大而全,它们多数使用面向器件或面向电路的仿真算法,有效解决变频调速系统变拓扑结构的建模问题,因此,用户要根据需要建立所仿真的系统。对于电机变频调速控制系统而言,组成电机控制系统的器件数量大,如果仍采用上述面向线路的建模与仿真方法,将使系统的分析十分复杂,仿真时间过长。
2 交流变频调速系统仿真软件
国内对于交流变频调速系统的数字仿真研究已做了大量工作,但大多数研究较零散,不成系统,因此研制并开发一种专用的交流变频调速系统仿真平台具有重要意义。该平台的功能是不仅为用户提供一个具体的电力电子电机系统的仿真模型,而且还具有构成这些系统的各个功能模块,同时允许用户根据控制要求对这些功能模块任意连接,从而构成用户所需的具体系统。一套完整的、高效的、通用的电力电子电机系统仿真软件包,应包括以下三个特点:(1)具有良好的用户图形界面,用户不需专门培训,就可以简单直观地构成所需的仿真系统;(2)通用性强,能满足不同要求的建模与仿真,以及满足不同用户的要求;(3)能处理交流调速系统中存在的特殊问题,包括时刚性、变拓扑、非线性和系统优化等。
交流变频调速系统仿真软件包就是以上述思路为基础研制的,计算机软、硬件及网络技术的不断发展为仿真软件的设计与开发提供了良好的环境和工具。目前,对于仿真方法的研究大体有以下3个方向。
2.1 采用C++高级语言直接进行编程
目前,利用C++高级语言开发的仿真软件有EESimulator3.0和交直流传动系统CAD软件包。EESimulator3.0是采用Visual C++6.0面向对象的程序语言对软件进行设计和编制的,有效地解决了仿真效率和仿真精度的问题,在分析多电平变频调速系统的仿真问题时,克服了仿真中出现的非线性、变拓扑等问题。交直流传动系统CAD软件包是在Windows环境下利用BORLAND C++语言开发而成的,在开发过程中充分利用了面向对象语言的先进特性,解决了复杂非线性反馈控制系统的仿真和设计问题。由于变频调速电机系统是高阶、非线性、多变量的复杂系统,采用C++高级语言直接进行仿真软件的开发需要对系统进行建模,这将导致编程工作量庞大,费时费力,而且难以产生可靠稳定的结构。因此,采用工具语言进行仿真研究往往要对系统做大量简化,并难以从编程上实现对系统的动态仿真计算。
2.2 采用MATLAB/Simulink通用工具软件
Matlab具有易学易用、扩展性强、高效性等特点,是一套可视化和高性能的数值计算软件。Matlab软件包中的Simulink为调速系统提供了非常方便的仿真平台,但它也有不足之处。首先,Matlab是一种解释性语言,因此它的实时效率是相当差的;其次,Matlab程序必须依赖于环境运行,所以它不能用于开发商用软件;最后,Matlab程序可以直接看到应用程序的源代码,不利于数据和算法的保密性。利用该方法进行仿真软件开发时,采用了图形化的开发工具,所以开发速度快而灵活便捷。但是,为此付出的代价就是仿真运行速度慢和仿真只能在其单一的工作环境中运行,而且它也不能为用户提供简便、友好的交互界面,因此必须使用一种面向对象的编程语言。
2.3 采用MATLAB和Visual C++联合编程
通过对以上两种方法的分析论述可知,C++高级语言虽然在数值处理分析、算法工具、编程效率和准确方便地绘制数据图形等方面远低于Matlab语言,但它采用编译方式运行,运行速度快,特别是它强大的程序接口,能方便地实现端口操作等特点,使其在编制各种特殊用途的程序时具有独特的优势。因此,若能将两者结合运用,混合编程,实现了两种语言的优势互补,将会给编制复杂程序带来极大的方便。基于上述分析,Matlab是功能强大的数学软件,Visual C++是高效率的程序开发工具。通过Matlab和Visual C++联合应用,即以Visual C++作为系统前端开发环境,而以Matlab作为后端仿真工具,通过Visual C++和Matlab的接口将仿真软件转换成可直接在Windows环境下独立执行的应用程序。用户可以自己构建特制系统,也可调出软件包提供的典型系统,修改参数后进行仿真。使用者不用编程序,只要用鼠标拖拉和点击,就可完成全部计算机辅助设计的任务。
3 交流变频调速系统仿真软件的前景展望
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术已经渗透到经济领域的所有部门,有着广泛的应用前景,因此对交流传动系统CAD软件包的开发已经越来越受到关注,它既可以用于科研项目的辅助设计,又能用于自动控制专业及相关专业课程的辅助教学。随着我国变频调速技术的迅速发展,我们需要将集中精力考虑控制算法,并对各种算法的控制效果能够准确认识,因此对相应软件功能的继续开发和完善成了下一步研究的重点。对软件的改进和提高主要在软件的适用范围和实用性方面下功夫,主要有以下几个方面:
(1)进行系统仿真模块的开发,进一步扩大软件的应用范围;
(2)随着科技的发展,新元件的不断出现,应不断充实和完善模型库的内容;
(3)完善系统的编辑模块,对复杂的系统仿真框图也能清晰完整地绘制。
4 结论
随着对电力电子电机系统研究得不断深入,对由电力电子系统和电机组成的变频调速系统的仿真分析软件的研究开始引人瞩目。本文对目前的电力电子系统的通用仿真软件进行了介绍和分析,在此基础上对交流变频调速系统仿真软件进行了研究开发,该软件可以支持仿真研究的全过程,并将有效地将高效性和通用性进行融合,提高了仿真的性能,为交流变频调速系统的设计和分析提供了有效的仿真工具。
参考文献
[1]缪波涛,孙旭东,等.多电平变频调速系统仿真软件[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(3):373-376.
[2]尔桂花,窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2002.
浅谈交流电机的变频调速 篇8
1 交流变频调速技术的发展与研究现状
20世纪70年代后, 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, 使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能, 在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中, 变频调速具有绝对优势, 并且它的调速性能与可靠性不断完善, 价格不断降低, 特别是变频调速节电效果明显, 而且易于实现过程自动化, 成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用, 产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交流无换向器电机等变频技术方面, 国内只有少数科研单位有能力制造, 但与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。在中小功率变频技术方面, 国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制, 仅有少量的样机采用矢量控制, 品种与质量还不能满足市场需要, 每年大量进口。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下:
1.1 变频器的整机技术落后, 由于力量分散, 也没有形成一定的技术和生产规模。
1.2 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
1.3 相关配套产业及行业落后。
1.4 产销量少, 可靠性及工艺水平不高。
2 交流变频调速的优异特性:
2.1 调速时平滑性好, 效率高。低速时, 特性静关率较高, 相对稳定性好。
2.2 调速范围较大, 精度高。
2.3 起动电流低, 对系统及电网无冲击, 节电效果明显。
2.4 变频器体积小, 便于安装、调试、维修简便。
2.5 易于实现过程自动化。
2.6 在恒转矩调速时, 低速段电动机的过载能力大为降低。
3 交流变频调速的简单设计
交流电机变频调速系统包括主电路和控制电路两部分, 主电路主要完成功率的转换, 它的结构是随着电力电子技术的发展而发展的, 特别是从半控器件到全控器件的过渡标志着变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美;控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号, 它是随着数字控制技术的发展而发展的, 而且数字技术的应用不仅提高了调速系统的精度和可靠性, 而且还为现代控制理论与方法在交流调速中的应用提供了物质基础。
3.1 在交流变频调速系统中, 主回路作为直接执行机构, 其可靠性和稳定性直接影响着系统的运转, 因此, 必须选择合适的主电路。
交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电, 经过滤波, 然后由逆变器逆变成交流电供给负载。中间环节采用在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源的大电容滤波;在主电源方面, 由于电动机是不需要频繁制动和反转的, 所以选择不可控二极管整流桥方式。滤波电路采用阻容方式。逆变电路为三相全桥形式;在功率器件方面, 由于变频调速系统, 一方面要求开关频率足够高, 另一方面要求有足够的输出容量, 所以采用驱动功率小而饱和压降低的IGBT。
在变频调速系统中, 电动机的降速和停机, 是通过逐渐减下频率来实现的。这时, 从电动机的角度来看, 电动机处于再生制动的工作状态;从变频调速系统的角度来看, 拖动系统在转速下降时减少的动能, 由电动机"再生"电能后, 在变频主电路的直流环节中被消耗掉了。归根结底, 是通过消耗能量而获得制动转矩的, 属于能耗制动状态。为此, 在系统电路中设计了由VE、RE、VDE组成的放电回路, 以免过高的直流电压使各部分器件损坏。
3.2 控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分, 在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位, 而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度, 这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。
PC机控制的交流变频调速系统设计 篇9
关键词：变频调速,PID,异步电机
1 变频调速原理
三相异步电机定子每相电动势的有效值是:
式中:Eg-气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值, 单位为V;f1-定子频率, 单位HZ;N1-定子每相绕组串联匝数;kN1-基波绕组系数;准m-每极气隙磁通量, 单位Wb;
由公式可知, 只要控制好Eg和f1, 便可以控制磁通准m不变。需要考虑基频 (额定频率) 以下和基频以上两种情况。
2 系统硬件设计
2.1 变频调速系统设计
本设计所需仪器由变频调速器 (ABB公司ACS-143) , 三相交流电机, 测速发电机, PC机, 和数据采集卡组成。构成一个柔性的设计系统, 可通过PC机经过数据采集卡远程控制变频器, 从而达到控制交流电机的转速的目的, 通过测速发电机测速后反馈电机的速度信号, 构成对变频调速系统的闭环控制, 在控制的过程中通过设置PID的参数控制系统的动态特性, 使系统的响应速度, 超调量和稳态误差能够得到协调的控制, 优化系统性能。
2.2 变频器应用宏的选择
(1) 应用宏-ABB标准型
该宏主要用于典型的2-线I/O连接, 相对FACTORY MACRO (0) , ABB标准型多提供了两个恒速设置。
(2) 应用宏-PID控制
该应用宏用于闭环控制系统, 如压力控制, 流量控制等。
3 软件设计
3.1 数字PID增量式法
3.2 实验结果
3.2.1 中位值滤波法
A.优点:能有效克服因偶然因素引起的波动干扰, 对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。
B.缺点:对流量、速度等快速变化的参数不宜。
3.2.2 实验结果
本系统采用的是中位值滤波法, 交流变频调速系统的时时曲线, 见图3。
PID参数选择见表1。
参考文献
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[7]张燕宾.变频调速应用实践.北京.机械工业出版社.1999[7]张燕宾.变频调速应用实践.北京.机械工业出版社.1999
交流变频调速 篇10
提高电机效率,降低电能消耗,研发推广应用高效、超高效电动机,具有其十分重要的经济效益。节能是在基准指标下进行长期对比得出来的比较量,节能的计算方法和估算的准确性对于石油钻井公司的经济效益显得尤为重要。从石油钻井施工工况不同,负荷不同,便于分析研究等方面考虑,通常将负载分为恒转矩、过负荷和变频器带载等几类负载。在变频器投运前,对变频器的节能效果进行估算,变频器投运后,用电能表测量系统实际耗电能量,前后对比可以方便准确地得到节电率;施工当中,对于钻进时的恒转矩负载常用变频器调速进行调节,以满足钻井卡钻、倒扣等特殊工艺要求。
1 节能的估算方法
1.1 恒转矩类负载的调速节能
石油钻井用的转盘、顶驱电机,在正常钻进时,为保护井下钻具,钻井转矩通常设在以恒定转矩,当钻杆转矩达到设定转矩时,电机带负荷恒转矩运行一分钟,此后变频器报警,装置停止运行,有效保护电机,延长了使用寿命;当钻具处于上提状态时,钻机绞车电机转速加速,转矩为恒转矩;对于这两种转速变化,恒转矩类负载[1,2],电机功率为:
异步电机的功率节约百分比可由下式计算:
由上式(3)得出:节省的功率与系统调速前后的速差成正比。恒转矩负载变频调速后一般都满足钻进、倒划眼等钻井工艺需要的调速,根据电机工况采用变频调速后,节能效率提高,节约的有功功率即:
式中:Pe为额定排量时的电机输入功率,kW;Q为实际转矩;QN为额定转矩,若转矩百分比的调节范围在(0.5～1)QN之间,则节约电能百分比:
以石油钻井用加重泵,匹配55 kW、4极三相异步电动机为例,排量为实际的90%,实际转矩也是额定转矩的90%,采用变频器调速,节电百分比:
1.2 液力偶合器调速系统
液力偶合器是济柴190系列通用的调速装置,在石油钻井机械、半机械钻井中应用优为广泛,柴油机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮,再把能量通过输出轴传递到联动箱以驱动钻机绞车和泥浆泵,根据功率的计算公式,可得效率比:
当输入功率保持不变,转速下降时,输出功率成比例下降,此时损耗功率Ph与转差损耗成正比增加。
1.3 绕线式电机串电阻调速系统
转子回路串接电阻是最常用的调速方法,随着转子串接电阻的增大,转速降低,根据负荷大小变化可以方便地改变电机的正向、反向旋转,因此这种调速方式在石油钻井用三相异步电动机中应用较多[3,4]。
对于绕线式电机,功率损耗随着转差率S的增大而增大,随着串接电阻的增大,机械转矩特性差。
2 变频调速节能与系统功率因数的关系
2.1 节能与功率因素
变频器投入运行前后,其功率因数是不同的,正弦电路中,功率因数是由电压U与电流I之间的相位角差决定的,即有功功率P:
式中cosφ为功率因素,由上式知可以通过提高有功功率来提高功率因数。变频器中的滤波电容与电动机进行无功能量交换,减小了电网与变频器之间的线损和供电变压器的铜耗,提高功率因数后,系统电流的下降率为:
式中:cosφ1为补偿前电动机的运行功率因数;cosφ2为补偿后电动机的运行功率因数,电能损耗率为:
2.2 变频节能分析
通常,转盘、顶驱、绞车等变频器以工频为基数进行调速控制,调速才能节能,变频调速节能是一种先进的节能技术,是通过补偿功率因数来节能的。根据变频调速异步电机转速公式:
式中:n为电机转速,f为电源频率,s为转差率,p为电机极对数。
只要改变电源频率就可以调节电动机的转速,转盘、顶驱、泥浆泵电机转速,大功率变频器也可通过改变电源的电压和频率,平滑地调节电机转速。为满足井下施工要求,根据负载的要求改变输出功率,对于泥浆泵类电机,通过调整电机转速来准确控制泵冲,以此改变转速n与排量Q(泵冲成正比,即Q=Kn),当所需排量较少时,电机转速n降低,泵冲降低,若排量降为额定排量50%,则转速降为额定转速50%,电功率也降为额定功率50%,达到有效节约电能的目的。但是变频器一般都加装制动电阻,制动电阻将多余的电能以热能的形式消耗掉;变频器产生谐波对用电设备的影响较大,从保护用电设备的安全运行方面考虑,变频器既是节能设备又是耗能设备,关键是由电机的使用运行工况来决定。
3 结语
节能的方法有很多,可以从设备设计上去改进;可以提高设备利用率、提高功率因素等,减少无功消耗,这些对节能都有很大意义。由于负荷变化的瞬时性和不规律性,变频节能的计算只是静态估算,需要加装电子仪器和元件,用以测量实际耗电量,才能得到实际的节电率。为了保证设备运行的高可靠性,延长设备使用寿命,设计时应当考虑电机与变频器的匹配性,并留一定余量;电机根据生产工况将多余的电能靠制动电阻以热能形式消耗掉,造成电能的浪费,由此说明变频器既是节能设备又是耗能设备,针对不同负荷选择合适的变频器才能节能。
参考文献
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[3]霍连文,王信军.交流传动石油钻机用变频调速异步电动机[J].2001,30(2):33-35.
