变频调速电动机（精选十篇）
变频调速电动机 篇1
1 家电电动机的类型及其调速
应用在家电中的电动机有单相异步电动机、三相异步电动机、无刷同步电动机与直流电动机, 其中以单相异步电动机为多。单相异步电动机包括电容分相式、电阻分相式和罩极式, 其中以电容分相式单相异步电动机使用为多。该种类型的电动机又可分为单相电容运转式、单相电容启动式和单相双电容式, 如图1, 图2所示。家电中电动机常用的调速方法是调压调速, 虽然此调速方法简单、成本低, 但调速范围小、稳定性差和转矩特性差, 不能满足使用要求。如果家电中的电动机能采用变频调速的方法, 则具有较大的调速范围、较好的稳定性和转矩特性, 同时还有节能作用。
单相电容启动及运转异步电动机接线图 (如图1、2所示) 。
2 家电电动机应用变频器需要解决的问题
2.1 单相电源
家电一般采用单相交流电源, 如果采用变频调速, 则变频器主回路的整流环节只能采用单相桥式整流型式。相对三相桥式整流的变频器而言, 直流输出的波纹系数大, 应更好地考虑电容滤波, 电感平波的作用。
2.2 电容分相式单相异步电动机
电容分相式单相异步电动机应用变频器存在以下问题需要解决。 (1) 电容器的容量变化。运行电容是按50Hz的交流电设计其容量的。由于电容器的电容量与电源频率有关, 变频器的高频载波会使电容器的容量发生变化, 则主、辅绕组中的相位差不为90, 电动机不能形成圆形的旋转磁场, 运行特性变差。 (2) 电容器的耐高频能力。电容器的耐高频能力一般只有几百赫兹, 而变频器的高频载波一般为3~5kHz, 因此, 高频载波会对电容器产生危害, 使电容器发热, 甚至爆炸。 (3) 电容器对变频器的影响。由于电容器对电源具有吸收与释放能量的作用, 对变频器可能造成波形的“死区”堵塞, 使上下桥路同时导通短路、变频器保护动作停机, 影响生产, 甚至损坏变频器的功率器件。 (4) 离心开关的对变频器的影响。当电动机转速启动到一定值后, 离心开关将辅绕组脱开, 此时电动机电流增大;由于离心开关的动作与转速有关, 且动作时有6倍左右额定工作电流的冲击电流, 会对变频器产生影响与危害, 所以, 带离心开关的单相电动机不能用变频器调速。
3 家电电动机和变频器的配合与改造方案
家电电动机采用变频调速, 需要考虑的是既要发挥变频调速的优势, 又要使电动机的性能得到充分发挥, 因此在两者的设计使用中就要考虑相互配合的问题。
3.1 电阻分相式单相异步电动机和变频器的配合
电阻分相式单相异步电动机在家电中很少见到, 主要是因为辅绕组电流与主绕组电流的相位差较小 (一般为30度左右) , 只能形成椭圆度较大的旋转磁场, 电动机的启动转矩与最大转矩都较小。但是, 诺设计为单向输入三相输出的变频器, 采用电感分相式接线方法, 能使主、辅绕组电流的相位差约为90度, 电动机形成旋转磁场, 启动转矩与最大转矩都较前者大, 类似电容分相式单相电动机。
3.2 电容分相式单相异步电动机和变频器的配合
带有离心开关的电容分相式单相异步电动机, 首先考虑去掉离心开关, 变频器设计为单相输入、单相输出形式, 能较好地发挥变频器与电动机的运行性能。应该强调的是在变频器与电动机之间接电感L, 目的是尽可能地把变频器的高频载波滤掉, 而保留变频基波, 解决高频载波对电容器的危害、影响辅绕组电流的移相角及电容器对变频器的影响;另外适当降低高频载波的频率也可以起到较好的改善作用。电容器C应采用耐高频、耐高压的固定电容 (不能使用电解电容) 。
3.3 两相异步电动机和变频器的配合
把电容分相式单相异步电动机中的电容 (包括离心开关) 全部去掉, 并把主、辅两相绕组脱开, 各自接上变频器输出的单相交流电源, 即成为两相异步电动机。变频器分别对主、辅绕组进行变频变压控制, 使两绕组中的电流相位相差90, 电动机形成圆形旋转磁场, 具有较大的启动转矩。
3.4 三相异步电动机和变频器的配合
考虑到三相异步电动机比单相异步电动机运行性能更好, 把变频器设计成单相输入、三相输出的形式。显然, 这种配合能很好地发挥变频器与电动机两者的优越性能。应注意的是, 变频器输出的是220V的三相变频电源, 应接三相220V的电动机。若电动机是Y接法的380V电动机, 则要将Y接法改为△形接法。
综上所述, 从家电的容量考虑, 小容量家电采用前两种方案;较大容量的家电采用第二和第三种方案;大容量家电采用第四种方案。具体而言, 空调采用第四种方案, 电冰箱与洗衣机采用第二种和第三种方案, 电风扇采用前两种方案为好。
摘要：在家电电动机的变频调速应用中, 其广泛使用的电容分相式单相异步电动机中的电容器与变频器之间存在难以克服的相互影响。本文论述了家电电动机实现变频调速需要解决的上述问题及其处理方法。
变频调速电动机 篇2
Xxx大学本科毕业设计(论文摘要 摘要
本文主要介绍基于意法公司STM32处理器的三相交流异步电动机调速系统的软件设计。详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及软件实现。使用IAR公司的EWARM开发环境进行C语言程序开发,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性。然后通过MATLAB/Simulink 软件进行仿真验证。实验及仿真结果表明,所设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。
关键词三相异步电动机,矢量控制,SVPWM,STM32,μcos-ii实时操作系统,MATLAB仿真
本科毕业设计(论文 ABSTRACT 目录 绪论 矢量控制的基本原理 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理 4 STM32简介 μcos-ii实时操作系统简介 基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植 7 MATLAB/Simulink仿真软件简介 8 调速系统软件实现 9 调速系统仿真模型及仿真 1 绪论
当前,三相交流异步电动机已广泛应用于现代工业及相关领域,其调速系统显然成为应用的关键,而调速系统的实现有很多种方式。20世纪70年代德国学者Blaschke等人提出了矢量控制方法。这种控制方法就是采用矢量变换使交流异步电机定子电流励磁分量和转矩分量之间实现解耦,交流异步电动机的磁通和转矩分别进行独立控制,从而使交流异步电动机变频调速系统具有了直流调速系统的优点。因此,近几年来得到相当广泛的应用。
矢量控制采用脉宽调制(PWM技术控制输出电压,PWM技术主要有正弦PWM(SPWM、消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM、电流滞环跟踪PWM(CHBPWM、电压空间矢量PWM(SVPWM等控制技术。其中经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流,使之在正弦波附近变化,这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目标是在电
动机空间形成圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩,这正是电压空间矢量PWM(SVPWM控制技术的控制目标。如此,SVPWM控制技术具有系统逆变器直流端母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能,应用更为广泛。
本文详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及基于意法公司STM32处理器的软件实现,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性,然后通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证。实验及仿真结果表明,该设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。矢量控制的基本原理 2.1矢量控制的基本思路
通过坐标变换,使异步电动机等效成直流电动机,模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,然后经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机。即通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(VC 系统。基结构框图如图2-1。
2.2坐标变换 2.2.1坐标变换引出
由于异步电动机的动态数学模型复杂,即是一个多变量(多输入输出,并且电压(电流、磁通、转速、频率之间相互影响的高阶、强耦合、非线性系统,因此,要分析和求解这样的数学模型所列的方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化,而简化的基本方法就是坐标变换。
2.2.2坐标变换的基本思路
坐标变换的基本思路是能把异步电动机的物理模型等效的变换为类似直流电动机的模式,所依据的原则是:在不同的坐标下所产生的磁动势完全一样。
首先看看直流电动机的物理模型,如图2-1中所示。图中F 为励磁绕组,A 为电枢绕组,其中F 在定子上,A 在转子上。这里把F 的轴线称作d 轴,主磁通Ф的方向就是沿着d 轴的方向;A 的轴线则称为q 轴,由于换向器电刷的作用,电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的,因此,电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q 轴位置上,其效果好象一个在q 轴上静止的绕组一样,即电枢绕组。由此可描述直流电动机的物理模型是建立在两个相互垂直的坐标系上的,其中d 轴励磁绕组A 的励磁电流a i 决定主磁通Ф,而q 轴电枢绕组F 的电枢电流f i 在主磁通Ф下产生电磁转矩,与主磁通Ф无关。
在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C 中,通以三相平衡的正弦电流A i ,B i ,C i 时,所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ,它在空间呈正弦分布,以同步转速 1 顺着 A-B-C 的相序旋转。其物理模型如图2-2(a 所示。
依据坐标变换的原则,要建立与直流电动机的物理模型等效的物理模型,可由下面的方法进行坐标变换:一是将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系(3/2变换,二是将两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系(3s/2r 变换,如图2-2。如
此得到与直流电动机的物理模型的等效的坐标系。2.2.3坐标变换之三相二相变换(2s/2r 变换
2s/2r 变换即二相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,α、β轴为静止的, d,q 轴是以转速 1ω旋转的,α轴与d 轴的夹角为ϕ,根据文献[8]知,(式2-4 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡C B A β232302121132αi i i i i
⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323021211322/3C ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦ ⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2321232110322/3C ⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d s 2/r 2q d βαcos sin sin cos i i C i i i i ϕϕϕϕ 则两相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换的变换阵为,(式2-5 由(式2-4两边左乘以变换阵的逆矩阵,可得(式2-6 则二相静止坐标系到两相旋转坐标系变换的变换阵为,(式2-7 2.3异步电动机在两相同步旋转坐标上的数学模型 2.3.1磁链方程
在dq 坐标系的磁链方程为,(式2-8 其中, —— dq 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;
—— dq 坐标系定子等效两相绕组的自感;——dq 坐标系转子等效两相绕组的自感;sd ψ、sq ψ、rd ψ、rq ψ分别表示d、q 轴上定子磁链,d、q 轴上转子磁 链;⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos s 2/r 2C ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βαq d cos sin sin cos i i i i ϕϕϕϕ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos r 2/s 2C ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rq rd sq sd r m r m m s m s rq rd sq sd 00000000i i i i L L L L L L L L ψψψψr m r l L L L +=ms m 23L L =s m s l L L L += sd i、sq i、rd i、rq i 分别表示d、q 轴方向定子绕组电流,d、q 轴方向转子绕组电流;2.3.2电压方程
在dq 坐标系的电压方程为,(式2-9 其中, s R 为转子内电阻,r R 为定子内电阻;1ω为同步角转速,其等于定子频率;s ω为转差,ωωω-=1s ,ω为转子转速;sd u、sq u、rd u、rq u 分别表示d、q 轴方向定子绕组电压,d、q 轴方向转子绕组电压。
2.3.3转矩与运动方程 在dq 坐标系的电转矩方程为，(式2-10 运动方程为,(式2-11 2.3.4异步电动机在两相同步旋转坐标上的状态方程 由于鼠笼型转子内部是短路的,故有 rd u = rq u = 0 ,由代数变换可知,其状 态方程,即s r i--ψω状态方程, ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+--+=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rq rd sq sd r r r s m m s r s r r m 1m m m 1s s s 1m 1m s 1s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u ωωωωωωωω(rq sd rd sq m p e i i i i L n T-=t n J T T d d p L e ω+=(式2-12(式2-13(式2-14(式2-15(式2-16 其中, ——电机漏磁系数;——转子电磁时间常数。2.4按转子磁链定向的矢量控制 2.4.1按转子定向的旋转坐标系
现令d 轴沿着转子总磁链矢量方向,并称之为M 轴,而q 轴再逆时针转90°,即垂直于转子总磁链矢量,称之为T 轴。即有
r rm rd ψψψ==, 0==rt rq ψψ(式2-17 2.4.2按转子定向的旋转坐标系的状态方程 转矩方程为(式2-18 L p rq sd rd sq r m 2p(d d T J n i i JL L n t--=ψψωsd
r m rq 1rd r rd(1d d i T L T t +-+-=ψωωψψsq r m rd 1rq r rq(1d d i T L T t +---=ψωωψψs sd sq 1sd 2r s 2m r 2r s rq r s m rd r r s m sd d d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i σωσωψσψσ+++-+=s sq sd 1sq 2r s 2m r 2r s rd r s m rd r r s m sq d d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i σωσωψσψσ+-+--=r r r R L T =r s 2m 1L L L-=σr st r m p e ψi L L n T = 转差方程为(式2-19 d、q 解耦方程(式2-19 2.4.3按转子磁链模型(计算 ϕ 按转子磁链模型如下图图2-3, 2.4.4按转子磁链定向的矢量控制 矢量控制的结构框图如下图2-4，r r st m s 1ψωωωT i L ==-sm r m r 1i p T L +=ψ 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理 4 STM32简介
4.1基于CORTEX-M3内核的STM32 CORTEX-M3是ARM公司最新推出的基于ARM v7体系架构的处理器核,具有高性能、低成本、低功耗的特点,专门为嵌入式应用领域设计。ARM v7架构采用了Thumb.2技术。保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性,比单纯 ARM代码少使用3l%的内存,减少了系统开销,同时能够比Thumb技术高出38%的性能。在中断处理方面,CORTEX-M3集成了嵌套向量中断控制器 NVIC。NVIC可以配置 1~ 240 个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断。同时,抢占(Pre-eruption、尾
链(Tail-chaining、迟到技术(Late-arriving的使用,大大缩短了异常事件的响应事件。CORTEX-M3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态,进一步缩短了中断响应时间,降低了软件设计的复杂性。
STM32是意法公司基于CORTEX-M3内核的一款高性能单片机,在具有与其它单片机相同功能的同时,在电机控制方面尤为突出,可产生高精度的可控6路PWM 波,其可设置死区时间与故障输出保护,并且设有正交编码器速度反馈接口,实现高精度速度检测。并且意法公司针对交流感应电动机还专门设计了应用程序库,方便使用者二次开发。ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的 R I S C微处理器结构,它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。
C o r t e x-M3内核是 A R M新型 V 7架构系列的微控制器版本,广泛应用于企业、汽车系统、家庭网络和无线技术领域,特别在电机数字控制领域的性能尤为突出。
4.2STM32的高级定时器 4.2.1高级定时器的结构图 参考文献[11],其结构如下图4-1, 4.2.2高精度PWM产生
时钟可为APB总线频率的2倍,最大72MHz,可提供13.8ns 定时精度。有边沿或中心对称模式,方便PWM波的结构调整。在更新率倍频模式,中心对称模式下无精度损失,每个PWM周期可产生两次中断或DMA连续传输。
4.2.2高精度PWM管理
可编程的死区产生是其最大的特点,由8位寄存器控制死区时间,在时钟为
72MHz时13.8ns 最大精度(从0 到14µs, 非线性。有专门的故障停机输入控制,由关闭6路PWM输出且发出中断请求来实现,且异步操作(无须时钟同步,更适合实时控制。
4.3STM32的速度检测
STM32可直接与增量式正交编码器相连而无需外部逻辑电路,其中正交编码器的第三个输出口,可连至外部中断口来触发定时器的计数器复位。当自动重载寄存器的值配置为正交编码器每转产生的计数脉冲时,则计数器的值直接为转子的角度/位置,非常方便速度检测。
4.4STM32的ADC ADC转换速度可达1MHZ,精度为达12位,采样时间可编程(1.5-239.5个时钟周期,最小采样时间达107ns,满足高性能异步电动机调速的采样频率要求。有多通道基于定时器的扫描采样功能,且每个ADC通道可被来自定时器的6个事件触发,或由外部事件和软件触发,由此可将ADC与定时器并联控制,得到更好的调速性能。μcos-ii实时操作系统简介
µC/OS-II是著名的源代码公开的实时内核,是一个完整的,易移植、易固化、易裁剪的占先式实时多任务内核。µC/OS-II是用ANSI C编写的,包含一小部分与微处理器类型相关的汇编语言代码,使之可供不同架构的微处理器使用。虽然µC/OS-II是在PC机上开发和测试的,但µC/OS-II的实际对象是嵌入式系统,并且很容易移植到不同架构的微处理器上。至今,从8位到64位,µC/OS-II已在超过40中不同架构的微处理器上运行。基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植 7 MATLAB/Simulink仿真软件简介 8 调速系统软件实现
8.1调速系统软件的结构图 调速系统软件的结构图如图8-1，磁场定向控制(FOC 软件的流程图如图8-2, 8.2 9 调速系统仿真模型及仿真 电流采样
(A i ,B i ,C i =得到相电流(αi ,βi = Clarke(A i ,B i ,C i(d i ,q i = Park(αi ,βi *d V = PID 调节(d i ,*d i *q V = PID 调节(q i ,*d i(q V ,d V = 饱和处理(*q V ,*d V(αV ,βV = 反Park(q V ,d V SVPWM(αV ,βV
结 束 结论
参考文献
[1] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M] 北京:高等教育出版社,2006 攀枝花学院本科毕业设计(论文参考文献
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变频调速电动机 篇3
关键词：交流变频调速；系统仿真；硬件设计
1.引言
近年来，随着电力电子技术、大规模集成电路和自动控制理论的飞速发展，电机拖动控制领域取得了巨大的进步。人们长期追求的交流调速代替直流调速的目标已经变成现实。目前交流变频调速系统是交流电机调速方法中性能最好、效率最高的控制策略。以调速范围宽、机械性能稳定、平滑性好为特征的变频调速的方法有很多，其中最具有代表性是：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。
2.交流电机变频调速主要控制策略
（1）恒压频比控制。其原理就是在一定条件下忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，利用定子相电压代替电机的电动势即U=E，令U/f=常值实现调速。恒压频比控制主要以气隙磁通为控制对象，不能实现转矩控制，其控制效果不佳。
（2）转差频率控制。根据交流电动机的模型，控制电机转差频率就可实现对电机的转矩和转速控制。但这种控制以电机静态模型为基础，在电机快速运行时很难达到理想的电机动态控制性能。
（3）矢量控制。其原理就是将定子电流分解为相互正交的2个分量，分别代表定子电流励磁分量和电流转矩分量。其控制效果接近直流电机的控制，具有较好的动态性能。但矢量控制需要进行坐标变换和准确的电机参数以及解耦的定子电流的两个分量，控制难度较高。尽管如此，矢量控制是一种比较有效的变频控制策略。
（4）直接转矩控制。其基本思想就是使定子磁链形成六边形的磁链轨迹并通过改变磁通角的大小以达到控制电动机的目的。这种方法可以实现对电动机磁链和转矩的直接控制，不考虑定子电流分量的解耦问题和复杂的坐标变化计算，但有关直接转矩精确控制的问题尚待进一步研究。
3.系统仿真
一般情况下，交流电机调速系统设计完毕后，首先需要进行仿真研究，确定所设计的系统稳定性、可靠性和准确性。因此，交流调速系统的仿真实验至关重要。
目前，实现仿真的工具和软件比较多，但是最具代表性的工具就是MATLAB。基于MATLAB的交流电机变频调速系统的仿真方法，一般分为三种类型，即模块型、m文件型、混合型。
（1）模块型。该种方法利用 MATLAB提供的Simulink 环境和 Power System Blocksets工具，根据已知的系统模型构建系统仿真模型，并对其动态及稳态性能进行仿真测试。经过多年研究表明，构建的仿真模型与实际变频调速系统非常接近。
Power System Blocksets工具箱（MATLAB5.2版本增加）内不但有各种电源模块，还包括了Machines模块。使用时比较简单，鼠标点击Machines模块图标后，弹出一个包含同步电机、异步电机、永磁同步电机、电机测量模块的对话框，根据需求可选取相应的电动机模块。当双击电机模型图标后，可以进行各种电机参数的设定，包括电机功率、定子电阻、转子电阻、定子和转子互感系数、转动惯量、极对数、转差率、定子电流和相角等系数。由于篇幅所限，在这里不一一介绍电机模块的具体接口的功能和使用方法[1]。在此基础上，利用Simulink环境下提供的电阻、电容等元件和一些专用元件模块，例如矢量控制的逆变器模块、Park变换及反变换模块、Clark变换及反变换、转子磁链计算模块等即可实现系统仿真实验。
当然，模块型设计方法虽然简单直观，但是也有不足。如果采用的控制算法或控制对象比较特殊或属于新的改进型， MATLAB一般不能直接提供，需要仿真人员自己编程设计。
（2） m文件型。针对模块型设计方法的不足，有些情况可以采用编写m文件的方法进行仿真实验。通过编写程序描述控制数学模型和控制算法，调用绘图函数Plot可以显示最后仿真结果。这种方法非常灵活，不用系统提供的工具箱也可以完成仿真。但是由于所有的工作都需要编写代码实现，因此，工作量较大，仿真过程较为复杂。
（3）混合型。这是最常用的一种仿真方法。这种方法将前两种方法结合起来，同时具有二者的优点。譬如，对于基于一种新型控制算法的交流变频调速控制系统，直接采用MATALB的电机模块，然后通过编写控制程序，形成m文件，再将m文件转换成自定义模块并加入到电机变频控制仿真系统中即可实现仿真。
4.硬件设计
交流变频调速控制系统硬件电路设计方面发展比较迅速，经历8位单片机控制系统、DSP控制系统和可编程门阵列（FPGA）控制系统等阶段。
硬件核心电路就是根据现场信号采样的结果，发出一系列PWM波，控制变频调速装置从而满足调速要求。以51为主的8位单片机虽然可以通过查表等方法实现PWM波的生成，但计算速度和准确性不够。DSP是32位机，浮点计算能力强，尤其是TMS320LF2407为代表的DSP可以比较容易的生成控制信号。FPGA是近年来应用在电机控制领域的一种新的控制核心。用户可以根据需要，利用VHDL等语言编写程序，对其内部进行重新编程，从而设计出符合用户需求的专用的集成电路。FPGA是采用纯硬件的方式实现软件功能，可以完成并行处理，不占用CPU的资源，不受常规控制器CPU的瓶颈限制。另外，除了核心控制模块外，FPGA还可以把AD转换模块、驱动接口模块、通信模块等集成在一块FPGA芯片上，同时在算法上实现位置控制、速度控制等控制功能，实现真正的片上可编程系统[2]。
5.结束语
本文详细介绍了交流电机变频调速的基本原理、方法以及仿真、实现等内容。这些内容有助于有关技术人员对交流变频调速技术的进一步研发工作。
参考文献：
[1] 陈承义.异步电机变频调速矢量控制系统的MATLAB仿真研究.煤炭技术，2012，31（2）.
变频调速电动机冷却风扇的状态检测 篇4
1 原因分析
1) 冷却风扇无实时状态监控
设计安装时, 冷却风扇没有单独的电气控制回路。风扇电源直接从主回路取得 (见图1) , 即当主断路器QF合闸, 主回路接触器KM1吸合, 变频器得电时, 冷却风扇即得电运行, 中控人员不检测风扇运行状态。在实际应用中, 由于风扇电动机功率很小 (只有几十到几百瓦) , 绕组线径很细, 而主回路断路器容量很大, 即使风扇电动机烧毁, 也不会使断路器跳闸, 中控人员不能及时发现。
2) 风扇断路器选型不合理
即使有的冷却风扇有单独的控制回路, 工艺上也有先启动风扇后才能启动主电动机的工艺程序或电气连锁, 但一般风扇的断路器容量被选得过大且没有配用热继电器, 即使风扇电动机烧毁, 断路器也不会动作。
还有一种情况, 有的人员为了保证主电动机的连续运行, 不至于因为风扇的停止而影响整个生产的连续运行, 所以有意将风扇的断路器加大。
2 改造措施
2.1 方案一:将冷却风扇运行状态接入中控室
增加一个单独的断路器专门用于冷却风扇电源供给, 并且根据冷却风扇的额定电流选择相应的断路器型号, 实现过载和短路保护。并增加一个中间继电器, 中间继电器线圈与风扇电源并联, 利用中间继电器的常开触点, 连接一个状态信号经DCS接入中控室监控画面 (见图2) 。
从图2可以看出, 冷却风扇的断路器QF1电源进线连接于主接触器下触头。当主回路合闸后, 风扇才能得电运行。同时中间继电器KA线圈得电, 常开触点闭合, 中控得到风扇运行信号。当风扇损坏而出现相间短路或接地故障时, 断路器QF1保护跳闸, KA线圈失电, 中控风扇运行信号丢失并报警。
2.2 方案二:加装热电阻进行电动机温度检测
在电动机绕组端部外侧加装热电阻, 热电阻与绕组之间用绝缘纸垫好, 以防止热电阻因没固定好造成抖动而损坏电动机绕组绝缘。将热电阻引出线通过电动机接线盒引至温度变送器或二次仪表。
如果电动机拆开不方便, 或者担心热电阻安装不牢固而对电动机运行造成安全隐患, 也可以将其安装于电动机外壳上, 通过检测电动机外壳的温度进行判断。用手枪电钻在电动机外壳的散热片表面钻一个与热电阻尺寸相匹配的孔, 将热电阻插在孔上, 用密封胶进行封装固定。
热电阻安装好后, 经温度变送器或二次仪表转换为DCS能接收的信号 (如4~20m A) 后接入中控监控画面。高出电动机正常运行时的温度5~10℃ (由实际情况来设置) 后中控报警。如果发现温升过快或温度过高, 也可以及时降低电动机负荷或停机处理, 以保护变频电动机安全。
2.3 方案比较
方案一优点是冷却风扇烧毁时马上反映出来, 而不用等到电动机温度过高时才发现, 为采取措施争取了时间, 减少因电动机温度过高而停机的可能。其缺点是不能反映出风扇叶片损坏而冷却失效的情况。
方案二的优点是可以准确实时地检测电动机检测点的温度, 通过该温度可以间接地分析出电动机冷却风扇是否损坏, 以及电动机温升情况, 中控可以根据温升情况来估计电动机绕组的温度, 从而进行降负荷或及时停机的操作。其缺点是变频电动机冷却风扇损坏或失效后, 需要较长一段时间才能在热电阻的温度检测上表现出来, 也就是说有一定的滞后性。
3 改造效果
根据现场设备的布线难易程度, 以及DCS备用数字或模拟输入点位的余量综合考虑, 我们对以上的两种方案都分别进行了实施。如, 生料站的DCS模拟信号输入点已无余量, 而数字信号输入点空余较多, 所以就采用第一种方案;而窑头站则刚好相反, 且窑头风机的机旁箱内有多余的电缆备用, 所以采用第二种方案。
变频调速电动机 篇5
高压变频器的基本组成如图1所示。高压变频器的种类很多，其主要包括直接变频器(循环变频器)和间接变频器(脉冲调制型、负载换流型、中点钳位型、飞跨电容型、H桥级联型)。
2.传统电动机保护配置与变频器电动机保护配置
2.1传统电动机保护配置
异步电动机的故障有定子绕组相间短路故障、绕组的匝间短路故障和单相接地故障;不正常运行状态主要有过负荷、堵转、起动时间过长、三相供电不平衡或断相运行、电压异常等。因此，对于高压电动机，根据规程以差动保护或电流速断为主保护，以过负荷保护、过流保护、负序保护、零序保护及低电压保护等作为后备保护。
2.2变频器电动机保护配置
为了确保系统的可靠性，工频旁路一般都是用变频器来进行，这样也使电动机能够正常工作。如图3所示，在保证变频器检修时，开关K1、K2与主回路没有接触点，此时闭合开关K，电动机运行主要是通过旁路来进行。当按照此情况运行时，电动机由高压母线工频电压直接驱动，开关出线以及电动机本体就是进线开关QF处保护装置的保护对象。因此，电动机保护配置就需要根据常规电动机保护的要求进行，对于有差动保护要求的，需要增加电动机差动保护装置。当断开开关K3时，由变频器拖动电动机时，开关出线以及变频器就是进线开关QF处保护装置的保护对象。目前，由整流变压器等部分构成的变频器是发电厂比较常用的，也就是说，开关出线以及整流变压器是进线开关QF处保护装置的保护对象。此时电动机的负荷与母线隔离后高压变频器的负荷相同，因此，高压变频系统的控制器能够实现电动机的保护。当然也有些电动机无法实现差动保护，因为开关处电流与电动国际中性侧电流频率不同，此时步伐实现保护，只能选择退出。
目前变频器电动机保护配置方式主要存在两个问题：(1)对于kW以上的电动机，需要配置差动保护。因此，在变频器拖动电动机情况下，电动机差动保护退出，保护的可靠性受到影响。(2)任意时刻，变压器保护装置、电动机保护装置只有一台投入使用，降低了装置的使用效率。
3.高压变频器在电动机继电保护中运用时产生的问题
一般而言，高压异步电动机应装设纵联差动保护。对6.3MVA及以上的变压器应装设本保护，用于保护绕组内及引出线上的相间短路故障;保护装置宜采用三相三继电器式接线，瞬时动作于变压器各侧断路器跳闸，当变压器高压侧无断路器时，则应动作于发电机变压器组总出口继电器，使各侧断路器及灭磁开关跳闸。对2MVA及以上采用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器也应装设本保护。
目前而言，工变频互动方式是现场电动机加装变频器所采用的主要改造方式，其系统架构如图2所示。
变频器可以通过可编程逻辑控制器自动完成或者手动完成变频与工频之间的切换，但是条件是当变频器出现故障或者工况要求进入工频供电;在工频运行时，如果变频运行需要重新投入进行，那么工频与变频状态的切换就可以通过自动或者手动完成。
当电动机处于工频运行工况时，那么对于现场使用要求，常规电动机保护对此要求是能够满足的;当电动机处于变频运行工况时，由于变频器装置的加入，在频率、相位上，变频器的输入和输出电流之间的关系不大，如果其保护配置还是按照原来的方法进行，那么要想实现保护功能就受到了阻碍。因此，在具有高压变频器的电动机中，只需对电动机进行单独保护就行，不应将变频器纳入差动保护的范围。差动保护范围为：始端电流互感器应置于变频器的输出端，而非电源开关侧，末端电流互感器置于电动机的中性点侧。
电动机在变频运行工况时，变频器输出频率范围一般可以达到0.5~120Hz，现场实际调频运行范围一般在15~50Hz。而目前常用的微机保护装置均是根据行业标准设计的，即采用固定频率50Hz进行数字采样计算，如何让微机保护装置能够适用于大范围频率运行是变频电动机保护必须解决的问题。同时，考虑到在变频器电源输出侧不方便装VT，如何实时测量电动机运行频率也是需要解决的难题。
4变频差动保护原理
装置的宽频率运行采用实时频率测量、实时频率跟踪、实时电流互感器补偿的方式来实现引风机变频工况的差动保护。装置采用了电压和电流相结合的`测频模式，当电压不能接在装置外回路时，此时采用电流测频。同时软件过零点测频算法和实时频率跟踪相结合是装置的频率测量的采用的主要方法，并且在此基础上，采用了幅值自动补充功能，主要是考虑到了不同频率下幅频特性的不一致，从而在不同范围内使装置具有可靠的采样精度得以保证，装置的正确可靠动作也得到了进一步的实现。
5.变频器电动机差动保护
高压变频器在电动机中的运用，在此情况下，如图3所示，由于电动机机端CT1与CT3两处的电流频率不同，而导致传统的电动机差动保护无法使用。目前磁平衡差动保护的应用主要存在以下问题：(1)目前发电厂使用的电动机基本上都无法提供磁平衡差动所需要的中性侧电缆引出。(2)磁平衡差动的电流是在变频器下方，非工频电流。对于微机保护，按照工频50Hz整定的定值不适用于非工频情况。由于差动保护的两侧电流必须为同一频率下电流。可考虑在变频器下方、电动机上方加装一组CT，即CT2，此组CT可安装于变频器柜中，由CT2和CT3两组电流构成差动保护。常规差动保护为相量差动，其原理是用傅里叶算法，根据一个周波的采样点计算出流入和流出电流的实虚部，再计算出差动和制动电流的幅值、相位后用相量比较的方式构成判据。由于电流非50 Hz工频，因此在进行傅里叶计算时需要通过频率跟踪保证计算结果的正确。由于变频器下方无电压引入，因此通过常规的电压跟踪频率方式无法实现。有厂家提出利用电流跟踪频率，但由于电流跟踪频率存在较大的误差，容易引起保护的误动、拒动，在实际中并不采用。
对于差动保护中采用的采样值差动，微机保护中所有通道采样均为电流在同一时刻的瞬时值:当被保护设备没有横向内部故障时，各采样电流值之和为零;当发生内部故障时，各采样电流值之和不为零。采样值差动保护就是利用采样值电流之和按一定的动作判据构成。
与常规相量差动保护相比，采样值差动具有动作速度快、计算量少等特点，是微机差动保护领域的一个突破，己应用于母差、变压器等保护中。采样值差动不涉及傅氏计算，变频器所带来的谐波也不会影响其计算精度，因此，对工作于25~50Hz的高压变频电动机，其差动保护可以利用该算法实现。
总而言之，就目前高压变频器在电动机继电保护中的运用而言，实现差动保护主要采用值差动保算法来进行，可以最终使用一台装置来实现变压器与电动机保护装置的功能，这样不仅使高压变频器在电动机继电保护中实现了相应的功能，而且也使成本节省了很多。
参考文献：
变频器与电动机的效率问题 篇6
[关键词]电动机；变频器：效率
1.电动机的相关信息及设计
1.1电动机结构及各部分的作用
电动机种类的选择，主要根据生产机械工艺对电力拖动系统提出的要求，着重是对调速指标的要求。目前，直流电动机调速的技术指标较好，设备投资较高，对调速指标要求不太高的场所，可有限考虑采用交流电动机。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子，还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑，电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换，机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时，内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状，电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分，转子绕组的作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩，转轴是支撑转子的重量，传递转矩，输出机械功率的主要部件。
1.2电动机的原理
电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势，电动势的方向由右手定则来确定。运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
1.3电动机设计问题
（1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。
（2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。
（3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。
（4）防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，导致轴承損坏，一般要采取绝缘措施。
（5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂。
1.4相异步电动机功率以及转速的计算和选择
根据异步电动机的转速表达式：
n=nl（1-S）=60fl（1-S）/P
电机的额定功率是750W，采用星形接法，接在三相380伏的电源上，用变频器监测电流是1.1A；我又用钳形电流表进行测量.测得每相电流为1.1A，这就说明变频器和钳形电流表测得的电流是一致的。电机是星形接法，线电压是相电压的1.732倍，线电流等于相电流，电机实际消耗的功率：380×1.1×1.732=724w，这样电机实际消耗的功率就接近于电机的额定功率。如果电机是三角形接法，线电压等于相电压，线电流是相电流的1.732倍，电机实际消耗功率的计算是一样的。
2.变频器调速时电动机特性及电动机噪声的控制方法
2.1变频调速时电动机的机械特性
用变频调速的方法可以得到很大的调速范围，很好的平稳性和有足够的硬度的机械特性。交流电动机不论是三相同步还是异步在定子内供给频率为f的电压时，将产生旋转磁场，并以每分钟n的转速旋转，它们的转速公式都是如下公式：
n=60f/p（7-1）
p-极对数f-为频率s-转差率（0-3%或0-6%）
式中p为定子极对数。很显然只要改变供电频率f则转速可以改变。机械曲线将沿坐标轴上下移动。从而达到调速的目的采用改变供电电源频率n的调速方法，可以得到很大的调速范围，很好地调速平滑性和足够硬度的机械特性。变频调速时，异步电动机的监界转矩的变化情况，其表达式为：
式中：U1一定子相电压
P定子绕组的极对数
f1一定子供电频率。
当频率f1较低时，定、转子的漏抗随之下降，由于xl+x2较小，r1的影响不能忽略。此时Tm的数值大为降低。异步电机的监界转矩：Tmix
随着定子供电频率fl的降低，异步电机的最大转矩也相应减小，甚至会出现带不起负载的现象。这时的机械性曲线n=f（M）是一簇向下的平行曲线。其中f11>f12>f14>f15>f16，当f1较低，如f1s及f16时，Tm尢为降低。为了保持电机在低速时有足够大的Tm，可在低速时，U1比f1降低的比例小一些，使U1f1的比值随f1的降低而增加。
根据计算，当定子供电频率减小10倍时，最大转矩降低7.8倍。灾是因为随着f1的下降，定子电压U1也成比例地降低，即所谓变频调速的协调控制。U1较小时，定子电阻r1上的压降在u1中占比重较大。
u1=11r1+E，使得产生气隙磁通的感应电势E减小，造成气隙磁通（φ）的减弱，因而电磁转矩T=KφIcosθ下降。使电机的利用率恶化。许多场合要求在调频的同时改变定子电压v，以维持磁通（φ）接近不变；维持Tm。无法维持Tm；被称为“低速线”。适用于速度范围不太大或转矩随转速下降而减小的负载（如风机、泵）。风机和水泵低速时的阻转矩极小，即命名不补偿，电动机的转矩仍有余量，为了节能，可进一步降低电压（即减小值）。
f1由小到达额定值fe，其中f2、f3、f4所对应的最大转矩，用上述方法选用容量132KVA变频器与容量90KW异步电动机驱动风机配套使用。由此可以得出一个很重要的结论：带有低频提升转矩功功能的变频装置，在电动机起动的全过程中，能以最大转矩拖动机起动的全过程中，能以最大转矩拖动机械起动
2.2电动机噪声的控制方法
电动机噪声的控制方法主要有两点：其一是合理设计电机结构。电机设计人员对电磁设计，机械设计做了很大的改进，又对风扇叶片的形状及尺寸，通风口的形状和大小.风道的形状进行了合理的设计，这些方法从噪声源上降低噪声，是非常有效可行的。降低机械噪声主要是提高轴承的质量，装配，公差等。电机放置要水平（破坏平衡），防护罩及盖板的安装（共振）；其二是加装消声器。消声器的基本要求是：具有良好的降噪效果，把电机的噪声控制在容许的范围内；消声器的空气阻力要小；安装消声器后不影响电机的冷却散热，电机的温升要控制在允许范围之内；消声器要体积小，重量轻，便于安装与拆卸，维修要方便。
3结束语
电动机变频调速装置技术参数的优化 篇7
1 变频调速装置的主要特点
变频调速装置能够实现电动机的无级调速, 连续改变抽油机冲速, 满足油井各阶段生产要求的同时节约了大量的电能;变频调速装置具有超强的制动功率, 可以为抽油机电动机的再生能量提供安全可靠的制动能力;具有超宽的温度适用范围和野外防雨雪、防风砂能力, 在野外-30~50℃的恶劣环境中能稳定运行;过载能力为额定电流的180%, 能适应抽油机井况变化而引起电动机负载的突发变故[2]。
2 电动机合理运行频率研究
油井的工况千差万别, 应根据抽油机的产液量大小和沉没度的高低优选工作参数, 动态调节抽油机电动机运行频率, 使抽油机井始终在合理的沉没度下工作[3]。
从冷43块选取了同为45 k W电动机的6口抽油机井进行试验, 如油井参数有变化, 随时监测功图和液面。
2.1 现场试验选井
初期阶段, 根据6口抽油机井的产液能力把电动机的运行频率调到适合各井的运行范围, 6口井的基础数据, 见表1、图1。
5 d为一试验周期, 根据运行频率和抽油机井的各项基础数据, 同时依据试验情况对比的数据, 在原频率上各井上下微调频率, 摸索最佳的生产参数, 见表2。
根据6口井的产液、沉没度和耗电的变化, 进行频率调整, 逐步摸索较为合理的生产参数。
2.2 现场试验过程
从6口井的产液变化情况分析, 其中104-566井运行频率从34.7 Hz逐步提高至45 Hz, 产液量也从22.63 t/d逐步上升至26.15 t/d, 每天增加了3.52 t产液量。从每个周期监测液面情况看, 沉没度稳定在900 m左右, 在调到45 Hz时, 产液量为26.15 t, 微调增加运行频率, 但产量并无明显增加。又把频率下调至40 Hz, 降低了5 Hz, 冲速2.6 min-1, 产液量由26.15 t/d降至25.68 t/d, 只减少了0.53 t, 液量一直稳定在25 t/d, 含水为91%。说明40 Hz是本井的最佳运行参数。
其中88-554井, 第一周期产液量为6.2 t/d, 运行频率为45.2 Hz, 沉没度持续下降至120 m左右, 由于本井动液面持续下降, 把运行频率下调至35 Hz, 冲速1.9 min-1, 监测液面后, 沉没度稳定在120 m左右, 产液量稳定在5 t/d左右。本井虽然从6.2 t/d降至5 t/d, 但动液面初期却持续下降, 后期下调频率幅度达10 Hz, 但产液量能够稳定在5 t/d, 认为本井是在最佳状态下生产。
2.3 现场试验结果
通过4个周期的运行调整, 6口抽油机井运行频率控制在35 Hz至40 Hz之间, 各油井的动液面都可以在一段时间内维持在一定范围内, 保障了油井的连续稳产和抽油机井设备的稳定运行。冷43-104-566井平均增油2.4 t/d, 冷43-98-662井平增油1.35 t/d, 2口井增油效果明显。冷43-98-564井和冷43-86-560井经过摸索, 与试验的最高运行频率下调2 Hz至5 Hz产液量也能维持稳产, 达到了节能效果。冷43-94-560井和冷43-88-554井由于沉没度较低, 运行频率调整到35 Hz, 保障了动液面的稳定, 虽然产量还是稳产阶段, 但还需要持续跟踪监测, 动态控制生产参数。
3 运行频率的调整对耗电量的影响
以前, 抽油机井调整冲速是靠更换电动机皮带轮的方式来调整, 安装变频装置后, 冲速调整只需要调节电动机的转速, 就可收到较好的效果。在试验的6口抽油机井, 其中104-556井和98-662井安装有电度表, 在调整这2口井的频率时, 录取了电度表的底数, 并做了单井的吨液耗电对比, 见图2。
如图2所示, 104-566井第四周期频率是40 Hz时, 吨液耗电为9.34 k Wh/t, 与试验最高峰时的吨液耗电10.32 k Wh/t降低了0.98 k Wh/t。98-662井第四周期频率是42 Hz时, 吨液耗电为29.87 k Wh/t, 与试验最高峰时的吨液耗电31.02 k Wh/t降低了1.15 k Wh/t。从节能效果看, 2口井第四周期运行的参数已在最佳的经济状态下运行。
4 抽油机泵效的前后对比
由于采用变频技术的抽油机井, 可以动态调整抽油机冲速, 试验的6口抽油机井的冲速都控制在1.7~2.7 min-1范围内。随着冲速的降低, 增加了油层液体向泵筒内流动的时间, 泵筒充满程度增加, 提高了油井的泵效, 增加了油井的产量。在试验中, 计算了不同周期的泵效, 并做了对比, 见图3。
在4个运行周期中, 从最后确定的运行参数上看, 6口井中的5口井泵效的效果都比较好, 只是98-564井泵效比较低, 测试功图上显示泵固定阀微漏, 影响了泵效。
5 认识
1) 安装了变频调速装置的抽油机井, 可根据油井的供液情况, 连续、任意调整抽油机的冲速, 使现场对冲速调整简单化, 同时保障油井处于抽汲平衡, 达到最佳工作状态。
2) 节电增油效果显著, 只要摸索出适合抽油机井的运行频率, 就能达到较好节电效果。从试验的2口井 (104-556和98-662) 上看, 平均降低了1 k Wh/t。同时通过冲速的调整, 改善了抽油泵的供液能力, 提高了泵效, 达到了增油的目的。
3) 摸索适合的运行频率, 是一项长期、动态的采油生产管理的基础工作, 必须经过反复试验, 随时掌握油井的各项运行参数, 才能在不同阶段摸索出抽油机井在最佳的经济状态、最优的运行参数下生产。
参考文献
[1]王凤山, 朱君, 王素玲, 等.抽油机井杆柱振动载荷有限元分析[J].大庆石油地质与开发, 2006, 25 (1) :85-87.
[2]赵来军, 倪振文, 余国安, 等.抽油机偏偏控制技术[J].钻采工艺, 2002, 22 (6) :61-63.
变频调速电动机 篇8
近年来, 火电厂辅机越来越多地采用高压变频器进行拖动。一般在高压变频器应用中, 用户多注意的是生产工艺方面的变化, 而很少考虑电动机继电保护方面的问题, 往往只是简单地将部分保护功能退出。但随着火电厂高压变频器的应用逐步向大功率电机 (>2000k W) 推进, 变频器驱动下电动机的可靠保护对电厂运行的安全性和连续性影响越来越大, 因而研究高压变频器拖动下的电动机继电保护具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
1 变频改造对电动机差动保护的影响
传统差动保护采用相量差动保护原理, 如图1所示, 电动机变频改造前差动保护范围由A到C的区间 (不含虚线框内变频改造后增加设备) 。变频改造对传统相量差动保护的影响:
(1) 保护范围。
变频改造后, 由于变频器的“隔离”作用, A处与C处的电流在相位、频率和幅值上没有必然联系, 若仍采用此处电流配置差动保护, 变频运行时保护必然误动。
(2) 保护算法。
常规的微机保护中的相量差动保护基于傅里叶变换算法, 适用频率范围在45~55Hz之间, 远小于变频器运行频率的变化范围。
(3) 电流互感器影响。
电力系统保护用电流互感器针对工频运行条件设计, 互感器铁心在宽范围频率条件下运行时可能存在饱和现象, 影响电流采样的准确性, 进而影响差动保护的可靠性。
基于以上问题, 目前国内电动机高压变频器改造现状是:无论电动机容量大小, 均以变频器自身的电流速断保护作为主保护, 对于原先配置差动保护的大容量或速断保护灵敏度不满足要求的小容量电动机, 工频运行时差动保护投入, 变频运行时通过工频旁路开关的状态压板将差动保护退出。这种情况导致变频运行时电动机保护灵敏度不够, 需要研究适应变频器拖动工况的电动机差动保护。
2 变频拖动下电动机差动保护配置
2.1 电动机磁平衡式差动保护
研究表明, 与传统纵联差动保护相比, 磁平衡式差动保护能够适用于变频器拖动下的电动机保护。
图2为磁平衡差动保护的接线原理图, 已有相关研究详细分析了其优越性, 但其实际应用中存在两个缺点:要求电机必须具有分相引出线;必须装设磁平衡电流互感器。这两个缺点增加了现场改造的难度。
2.2 基于频率跟踪傅里叶计算的差动保护算法
针对变频改造的特点, 变频改造后在变频器输出端加装CT2, 如图1所示, CT1、CT2、CT3采样信号均送至保护装置, 电动机变频运行时, CT2和CT3采样电流构成差动保护, 并对差动保护的傅里叶算法进行了改进, 采用频率跟踪法实时调整采样率, 保证周波采样点数不变, 提高变频器驱动下电流采样的稳定性和准确性。
此方法要求变频改造时增加一套变频电动机保护装置, 增加了改造成本, 且基于频率跟踪傅里叶计算的差动保护算法占用大量CPU资源, 可以用于专门的保护装置中, 但不适合将保护集成到变频器主控系统中。
2.3 基于采样值差动的电动机差动保护
采样值差动作为差动保护的一种特殊形式, 具有动作速度快, 计算量小等特点。近年来采样值差动保护已经在母差保护、线路纵连保护和变压器保护中得到成功应用。某公司开发了变频器差动保护装置, 此装置应用采样值差动保护原理实现变频电动机的差动保护, 已在现场成功投运, 运行情况良好。
基于采样值差动原理的电动机差动保护更适合变频拖动下电动机的保护, 尤其适合将差动保护功能集成到变频器控制系统中。
3 电动机单相接地保护
单相接地是电动机较常见的故障, 由于主流高压变频器均装有移相变压器, 将电动机与电网隔离, 变频器与电动机间电缆或电动机本体发生的单相接地故障对厂用电母线影响很小, 原先装设在厂用电母线上或进线开关上的单相接地保护将不会动作。但是变频器输出电压中的高次谐波比厂用电母线大, 发生单相接地故障时更容易造成电机绝缘损坏, 进而扩大为相间故障。因此高压变频器配置单相接地保护是非常必要的。
单相接地故障仿真原理如图3所示。
变频器为级联型高压变频器, Rg为变频器中性点接地电阻, 一般由高压变频器厂家装设, 目的是减小变频器共模电流, 稳定变频器中性点电压而设置, 阻值一般为数千欧, 这里采用2kΩ;Cg为动力电缆对地分布电容, 根据某品牌电缆手册, Cg为0.3uf/km, 为保证仿真结果覆盖较严重情况, 仿真采用0.5u F。对变频器拖动下电动机的不同运行状态进行仿真, 分析其中性点电压、电流。
变频50Hz正常运行时电压和电流波形如图4所示, 单相接地故障时中性点电压、电流波形如图5所示, 可见单相接地故障发生时, 故障相输出电压为0, 中性点电压上升为相电压, 中性点电流通过中性点电阻和接地点构成回路, 电流峰值为2.2A, 有效值为1.55A。
通过对不同工作状态下变频器中性点电流波形的分析, 可以得出以下结论:
(1) 变频器正常运行时, 中性点电流非常小, 且呈现出与变频器载波频率一致的脉冲特性, 在实际检测中很容易滤除。这是因为高压变频器通常布置在电动机附近, 其动力电缆比较短, 因而其对地分布电容很小, 中性点电流流通路径上阻抗较大。
(2) 单相接地时, 中性点电流显著增大, 且以当前系统频率为基波频率, 易于保护程序判别。
(3) 系统频率降低时, 单相接地故障下的中性点电流也随之降低, 保护整定值应随之调整。
综合以上分析, 基于变频器中性点电流检测的单相接地保护易于集成到变频器控制系统中, 能够可靠地检测电动机单相接地故障。
4 结语
通过对各种保护的实现方式的分析和仿真, 采样值差动保护和基于中性点电流检测的单相接地保护适合于高压变频器拖动下的电动机保护, 尤其适合于将保护功能集成到变频器控制系统中。
摘要：介绍工频拖动情况下传统差动保护和单相接地保护的配置和原理, 指出电动机在高压变频器拖动情况下传统继电保护装置不再适用。分析变频器在不同频率下运行发生相间短路和单相接地故障时的电压、电流波形特点, 并在此基础上研究差动保护和单相接地保护在高压变频器拖动场合的配置方案和整定方法。
关键词：高压变频,电机拖动,继电保护
参考文献
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谈谈交流电动机调速 篇9
交流异步电动机比直流电动机结构简单, 运行可靠, 维修方便, 价格低廉。因此, 机械设备绝大部分都使用交流电动机拖动。
二十世纪70年代以来, 随着晶闸管等电子元器件制造技术, 半导体变流技术, 大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展, 为交流调速系统的发展创造了有利条件。目前, 交流调速系统已具备了较宽的调速范围, 较高的稳定精度, 较高的工作效率, 其静、动特性均与直流调速系统相当。因而交流调速系统已进入实用化、系列化阶段, 并大有逐步取代直流调速系统的趋势, 特别是90年代以来, 国产交流调速装置开始进入生产的各个领域, 并发挥愈来愈大的经济效益。
1 交流调速的原理
根据交流异步电动机转速公式:n= (1-s) ns= (1-s) 60f1/p
式中:f1为电源频率, s为转差率, p为极对数, ns为同步转速
因此影响交流异步电动机转速有三种因素 (亦称为三要素) 。即p、s、f1改变上述三要素的大小即可获得不同的转速, 这样, 交流异步电动机具有三种基本的调速方法。
2 交流电动机的调速方法
2.1 变极调速 (改变极对数p)
1) 变极原理:由于定子每相绕组都是由两个完全对称的“半相绕组”所组成, 因此只要将两个“半相绕组”中的任何一个“半相绕组”电流反向, 就可以将极对数增加一倍或减少一半, 这就是常用的单绕组倍极比的变极原理。
2) 操作方法:如将两“半相绕组”头尾相连 (顺串) 时, 可形成一个2p=4极磁场。而将两“半相绕组”头尾并连 (反串) 时, 则形成一个2p=2的磁场。这样即可获得不同的极对数p, 从而达到变速目的。
3) 两种常用的变极方案。
a.Y---YY (单星变双星) 2p=4变为
b.Δ---YY (三角变双星) 2p=2
4) 对变极调速的评价。
简单可靠, 成本低, 效率高, 机械特性硬, 而且既可适用于恒转矩调速, 也可适用于恒功率调速。但调速范围小 (一般为双速或三速) , 因而适用于对调速要求不高且不需平滑调速的场合。
2.2 变转差率s调速
可通过改变电动机的某些参数来改变s, 例如定子电压 (不得超过额定电压UN) 转差电压等, 因此变s调速又可分为:
1) 转子串阻调速:仅适用于绕线式转子电动机转子电阻串入可变电阻器。 (分几级串阻) 此种调速平滑性差、调速范围小、且耗能大。
2) 调压调速:改变定子电压, 但最高电压不得超过额定电压, 且仅适用于通风机一类的负载, 因为电压下降后, 拖动转矩急剧下降, 不能带较大的负载。
3) 串级调速:适用于绕线式转子串电动势。
a.调速原理。
实现串级调速的关键是在绕线转子回路引入一个大小相位可以自由调节, 其频率能自动随转速变化而变化, 始终等于转子频率的附加电势。要获得这样的一个变频电源, 可以先将转子电势E2S整流成直流, 然后由三相可控逆变器将它转换成工频交流, 并将电能返回电网, 为了使逆变后的交流电压与电网电压匹配, 一般需加一台专用的逆变变压器。逆变电压Uβ可视为加在转子回路中的附加电动势, 改变逆变角可以改变Uβ, 从而达到调速的目的。
b.对串级调速的评价。
此调速可以实现低于或高于同步转速的速度调节, 机械特性硬, 调速范围大, 平滑性好, 效率高, 而且可以改善功率因数。特别是对于大功率电动机如风机、水泵, 矿山电动机由于电流大, 直流电动机及变频调速的使用均受到限制, 而串级调速的运用完全不受影响。因此绕线式感应电动机串级调速是一种很有发展前途的调速方法。
4) 电磁转差离合器调速。
笼型电动机加电磁转差离合器 (称滑差电动机) , 其基本原理是控制电磁转差离合器励磁绕组中的电流, 就可调节离合器的输出转速。
2.3 变频调速
1) 基本原理:由公式n=n= (1-s) ns= (1-s) 60f1/p可知, 只要连续调节频率f1, 就可平滑无级地调节交流电动机转速。
2) 调频必须调压。
a.基频 (额定频率fN) 以下调速:转速调低。必须注意调节过程中一定要配合调节电源电压, 否则电动机不能正常运行。其原因可从交流电动机电压平衡方程式:U1=E1=4.44f1N1K m式中, N1为定子绕组每相匝数, m为每极磁通最大值, K为绕组系数。可知, 当f1↓时, 若U1不变, 则m↑, 但电动机设计时磁路磁通已近饱和, 因此m过饱和致使励磁电流剧增, 使电机过热而无法正常工作。为了防止磁路过饱和就应使m保持不变, 即应使U1/f1=常数。这就表明, 在基频以下调速时, 要实现恒磁通调速, 应使定子电压随频率f1成正比例地变化即U1/f1=常数。相当于直流机调压调速。
b.基频以上调速:转速升高。当频率上调时, 也按比例升高, 电压是绝对不允许的, 因为定子电压一旦超过额定电压UN (一般不允许超过5%) , 电动机会过热而烧毁。因此频率上调时, 应保持电压不变, 即U1=常数, 这时f1↑, m↓, 相当于直流电动机弱磁调速。
3) 变频调速的机械特性。
由机械特性图可知, 无论是速度调高 (n>nN) , 还是速度调低 (n
4) 对变频调速的评价。
平滑性好, 可实现无级调速。效率高, 机械特性硬, 调速范围大, 可适应不同负载特性的要求, 是鼠笼式感应电动机调速的发展方向。
5) 变频电源的结构型式。
如何获得经济、可靠的变频电源是解决交流异步电动机变频调速的关键问题。现在使用的变频电源有:
a.变频机组 (F—D机组) :由直流电动机和交流发电机组成。调节直流电动机转速就能改变交流发电机的频率。但此法投资大, 设备复杂, 可靠性差, 近年已被晶闸管静止变频装置所取代。
b.静止变频装置
交—直—交变频;交—交变频。
以上两种变频器中, 交—直—交变频调速系统应用较广泛, 其基本原理及组成如下:交—直—交变频器由整流调压、滤波及逆变三部分组成。整流调压部分将电网的工频交流电压经整流变成可调整流电压Ud', 然后经滤波环节滤波后以直流电压Ud供给逆变器, 逆变器再将直流变换调制为频率和幅值都可变的交流电压。根据中间滤波环节的不同, 变频器又可分为电压型和电流型两种, 其中电压型变频器的滤波采用大容量的电容器, 而电流型变频器的滤波环节采用大电感。电压型由于电容端电压不能突变, 属恒压源型, 电流型由于电感中电流不能突变, 故属恒流型。应用时可根据负载的性质来选择变频器的类型。
6) 常用变频电源。
a.脉宽调制 (PWM) 型变频器
b.正弦波脉宽调制变频器 (SPWM)
上述变频器逆变器中的电压和频率可以同时协调控制, 即输出电压的幅度和频率均可改变。而SPWM正弦波脉宽调制变频的输出的电压接近正弦波。
7) 变频调速器的类型。
a.类型的选择:对于风机、传送带、普通机床等负载, 选用简易型或通用型变频器即可。对于高精度机床、电梯等选用高性能矢量控制变频器较好。
b.电压选择:低压一般为220V和380V两种。高压电动机要用3000V以上的变频器。允许低压变动率一般为±10%, 频率变动率为±5%。
c.此外, 还要注意变频器频率特性、功能、容量等的选择。
3 总结
交流电动机虽然实现调速比较困难, 但由于交流电动机结构简单等特点, 应用最为广泛, 所以解决好交流电动机调速是现代拖动技术的重要课题和发展方向。
本文共介绍了三大类交流调速方法, 其中重点介绍了变频调速和绕线式转子串级调速。
变频调速是通过改变供电频率f1来对交流电动机进行调速的一种方法。它在基频以下调速时应使U1/f1=常数, 其目的是使磁通m不变, 此时属恒转矩调速。在基频以上调速时应保持U1不变, 故属恒功率调速。如将两者配合使用, 则可获得较大的调速范围, 并可获得平滑无级的较理想的调速性能, 是交流电动机较理想的调速方法。
绕线式转子串级调速是不改变同步转速的调速方法, 其主要优点是转差功率可以回馈电网, 效率较高, 更重要的是适合大功率电动机的调整。
选择某种调速方法的原则应根据生产工艺的具体要求及经济性综合考虑。
摘要：随着电力、电子技术和计算机控制技术的迅速发展和应用, 交流调速系统得到了越来越广泛的应用, 大有逐步取代直流调速系统的趋势。本文全面介绍了交流调速的各种原理、方法及使用场合, 特别重点介绍了变频调速的原理及使用。
浅析电动机变频节能技术 篇10
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节能效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1 变频器基本原理
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。变频器选型时要确定以下几点 :采用变频的目的 ;恒压控制或恒流控制等。变频器的负载类型 ;如叶片泵或容积泵等,特别注意负载的性能曲线,性能曲线决定了应用时的方式方法。变频器可以分为交 - 直 - 交和交 - 交两大类。交 - 直 - 交变压变频器先将工频交流电源通过整流器转换成直流,再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电源。具体的整流和逆变电路种类很多,当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制逆变器,简称PWM变压变频器。
交 - 交变压变频器只有一个变换环节,把恒压恒频的交流电源,直接变换成可控频率和电压的交流电源。常用的交 -交变压变频器输出的每一相都有一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换,在负载上就获得了可控的变压变频电源。交 - 交变压变频器虽然少了直流转换环节,但是由于整流装置都是正反两组,所以使用的器件数量反而比交 - 直 - 交方式的多。并且,交 - 交变频器的输入功率因数低,谐波含量大,频谱负杂,且输出频率不超过电网频率的1/2。
2 电动机运行高效化
电动机为主要将电能输入合理转化为旋转运行机械能量的设备,其运行高效化便可降低该能量转换进程中形成的能量损耗,其具体的损耗涵盖转子铜耗、定子铜耗、机械损耗、铁耗与杂散损耗等。其中定子与转子铜耗主要由于电流流入定子、转子导体而形成损耗,铁耗则由于旋转于铁心中的磁场形成了涡流与磁滞损耗。机械损耗由轴承摩擦与空气阻耗引发,而产生于上述能量消耗以外的损失则为杂散负荷损耗。由变频器实施驱动的运行电动机种类包括感应电动机与永磁电动机。如果用IPM缩写字表示则意味着该电动机为内置永磁式,也可被称作为同步高效电动机。IPM电动机主要装入永磁体至转子内部,该永磁体通过内置形成磁通,因此不需励磁电流便可令定子铜损有效下降,其应用效能相比于感应电动机可最大化提升约百分之十的运行工作效率。同时IPM的低损耗性可降低热容量,因此较感应电动机具有轻量化与小型化的优质特征。感应电动机由于不包含永磁体因而具有结构坚固、易于维护等特征,在较多工厂企业中应用较为广泛,倘若要有效提升感应电动机运行服务效率则应合理降低各项损耗。其中定子铜损占据较大能量损耗比例,可通过改变藉绕线方式令导线长度缩短。为降低铜损还可提升槽满率,通过重新设计转子槽形令额定运转阶段中的转子铜耗有效降低。同时合理选用高磁密、低损耗铁心材料可降低铁耗、优化组合转子槽及定子,优化设计转子斜度与气隙长度则可有效降低杂散损耗。总之电动机运行应用的高效化可比普通电动机降低约百分之二十的能量损耗,倘若减少冷却风量,科学应用小直径风扇则可有效降低通风损耗。
3 变频器节能原理
由电动机主体旋转速度相关定义不难看出,调节改变电动机的运行转速可基于改变频率与电动机主体磁极数得以实现。而变频器可对其输出的总体电压频率进行任意调节,令三相电动机位于任意运行速度下操作进而实现无级调速目标。变频器具体由逆变直流为任意频率交流及整流工频电源为直流换流器的逆变器构成。换流器则包含全波三相整流器、滤波抑制电容器、平稳脉动滤波电容器与充电阶段浪涌控制回路。倘若在确保电压不变恒定状态下仅改变频率便能将电动机转速改变,进而确保转矩的恒定输出,即恒转矩输出。倘若输出频率低于五十赫兹,则伴随电动机磁通的持续增加到达饱和状态时,便会令电动机由于电流的持续增大引发过热现象并最终发生烧损。为科学避免该类不良现象,应始终维持磁通在一定状态,即电压与磁通应呈正比,而磁通则应与频率保持反比例固定关系。变频器的电压输出与频率输出比值是控制电动机能耗效率的主体因素。
4 变频器节能运行实例
变频器的节能运行是从泵、风机等大容量机械开始的,而且不断推广目前,家用空调压缩机也已采用该技术。
4.1 在泵类机械中的应用
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。用变频器调速来实现恒压供水与调节阀门来实现恒压供水相比较节能效果十分显著。变频器恒压供水简易控制系统应用某小区高层楼宇供水管网中,系统利用变频器内部的PID功能实现了工业过程的闭环控制。系统通过安装在出水总管上的压力传感器,实时将压力信号转换为4-20MA,并输入至变频器反馈端子上,由变频器将其用户设定的压力值(一般为0.4Mpa)进行比较,并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率信号调整水泵电机的电源频率,从而控制水泵转速,使总管网压力稳定在0.4Mpa左右。由1台变频器控制3台水泵,正常时一号水泵工作。当一号水泵工作在最高频率上限时,而管网压力小于0.35mpa达s时,表明一号水泵不能满足用户所需的水量。这时系统发出指令,一号水泵转入工频运行,变频器控制二号水泵软起动,使二号水泵进入变频运行状态。同理,需要水量较大时一号、二号水泵在工频运行,变频器软起动三号水泵,进行PID调节以保证供水系统所需的供水压力。当用水量减少时,总管网压力升高到0.45mpa,变频器内部PID控制器输出频率降低,三号泵的转速逐渐降至20HZ达20s,系统发出推出一号泵运行指令,同理,用水量继续减少时,供水系统推出二号泵的运行指令。当深夜基本不用水时,管网压力恒定在0.45mpa,变频器频率降至20HZ达1分钟,变频器可停止工作,进入低水量睡眠状态。这对降低噪声和节能都具有非常大的作用。其优点是 :起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击 ;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命,消除水锤效应。
4.2 在风扇、鼓风机等送风机中的应用
送风机从工作原理上可分为涡轮式和容积式,与泵相同,其轴功率与转速的立方成正比,但它不像泵类机械那样,因扬程高低而产生损耗。在这类调速系统中,只要改变变频器的运行模式,即可节约大量功率。其模式主要有 :连续低风量型,全风量变化型,低风量变化型,间接运转型。实际表明,不同的电动机容量采用变频器控制时每年节约电量是不同的。例如1.5KW风机,连续低风量型是1707KWH,全风量变 化型320KWH,低风量变 化型627KWH,间接运转 型212KWH。
5 结束语
