电机变频调速器应用

关键词： 控制器

电机变频调速器应用（精选十篇）

电机变频调速器应用 篇1

异步电动机是应用于工农业生产中的最为广泛的一种交流电机。但由于交流电机调速存在着调速性能差, 功率因数低等的缺点。在20世纪70年代以前, 在用到调速拖动的场合几乎全部使用的是直流电机。直流电机具有良好的调速性能, 主要表现在调速范围广、稳定性好、过载能力强等静、动态指标上, 特别是在低速运转时也能有较大的过载能力, 这是其它的调速方法所不具备的。但是其制作与维护十分繁杂, 特别是电动机本身的换向器及电刷维护保养困难、寿命短等方面。随着交流变频技术的发展, 应用变频技术来控制交流电机, 能够较好的解决异步电机调速所存在的问题, 从而逐步取代直流调速。

那么, 什么是变频技术和变频器呢?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。在此技术上产生的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。通常, 把能将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称为变频器。

1 交流电机调速原理

因为交流电动机的转速为:

n=60f (1-S) /p式中/为供电电源频率,

P为电机极对数,

S为电机转差率。

由上式可知, 交流调速的基本方法包括三类:

a.改变电机极对数调速,

b.改变电机转差串调速,

c.改变供电电源调速。

我们可以看出, 改变电源频率, 厂能够达到改变转速的效果, 但是, 电源频率/的改变会使得电机机械特性将如何变化呢。

异步电机定子绕组的感应电势为:

E=4.44f NK~式中K为定子绕组系数,

N为定子绕组匝数:

O为气隙磁通量。

如果忽略定子阻抗压降, 则端电压

变频调速在保持U/f比值恒定的时候, 即能够确保电机在低速运转时的转矩特性, 又保证了电机在运转时不会过流甚至发热, 从而实现了交流电机的平滑调速。

2 变频技术的优势

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, 调速范围较大, 精度高, 起动电流低, 对系统及电网无冲击, 节电效果明显, 变频器体积小, 便于安装、调试、维修简便, 易于实现过程自动化, 必须有专用的变频电源, 目前造价较高, 在恒转矩调速时, 低速段电动机的过载能力大为降低。

3 变频技术的应用

3.1 在节能方面的应用

在使用变频技术之后, 风机、泵类负载的节能效果最为明显, 节电率能够达到20%~60%, 这主要是因为风机、水泵类负载的耗用功率与转速的三次方成正比, 那么当所需要的流量较小时, 其转速较低, 所造成的耗用功率的降低是相当明显的。而传统的挡板或阀门进行流量调节时, 对于耗用功率的影响并不大。

3.2 在控制电机运行方面的应用

首先是在控制电机的正、反转方面:只需要更改变频器内部逆变管的开关顺序, 就能够实现输出换向, 而不会造成因换向不当而烧毁电机的现象。

在加速、减速方面:因为变频器调速系统的起动一般都是从低速区开始, 频率比较低。加、减速时间能够任意设定, 那么就可以做到使力n减速过程平稳, 减小起动电流。

在变频器调速系统制动时, 变频器可以利用自己的制动回路, 将机械负载的能量消耗在制动电阻上。另外, 变频器还具有直流制动功能, 在需要制动的时候, 变频器给电动机施加一个相反的直流电压, 进行制动, 而不需要另外增加制动控制电路。

3.3 在提高产品质量和工艺水平方面的应用

变频器除了应用在泵类、风机等类型的负载上之外, 还可以应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备的控制上, 它能够提高产品质量, 延长设备的正常工作周期和使用寿命, 使操作和控制系统得以简化, 从而提高整个设备的控制水平。

4 变频技术的发展趋势

在当代, 电力电子器件的基片从Si (硅) 发展成了Si C (碳化硅) , 从而使得电力电子器件能够更加耐高压、耐高温、低功耗, 并且能够制造出体积更小、容量更大的驱动装置。永动磁铁电动机也在开发研制当中, 汀技术的迅速普及, 以及人们思维理念的变化, 这些方面的发展, 使得变频技术在以下几个方面得到发展。

4.1 网络智能化

智能化的变频器一经安装就可以使用, 不必进行过多设定, 而且能够进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换, 从而确保变频器较长的使用寿命。同时, 使用互联网能够实现多台变频器的联动, 甚至是整个工厂范围变频器综合管理控制系统。

4.2 专门化和一体化

变频器的设计专门化, 能够使得变频器在某一特定领域控制功能更强, 比如风机、水泵专用变频器、起重机械专用变频器等等。此外, 变频器还有与电机一体化设计的趋势, 从而使变频器成为电机的一个部分, 使设备体积更小, 控制更方便。

4.3 环保无公害

环保是当今社会的一个主题, 21世纪的电力拖动装置应该着重考虑的是节能, 而变频器能量转换过程中的低公害, 使得变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减小到最低程度。

4.4 适应新能源

现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以低廉的价格崭露头角。这些发电设备的最大特点是容量小而且分散, 将来的的变频器就要适应这些新能源的特点, 既要高效, 也要低能耗。

5 结论

交流变频调速传动装置已在我国各行业得到广泛应用, 并已取得了极佳的经济节能效益。随着新型大功率半导体器件的推出, 控制理论不断更新和发展, 微电子技术的不断完善, 现今变频器向着大功率、高电压的方向发展, 控制精确度和动态特性也越趋完善。大力发展变频调速技术, 必需把我国变频调速技术提高到一个新水平, 缩小与世界先进水平的差距, 提高自主开发能力, 满足国民经济重点工程建设和市场的需求。规范我国变频调速技术方面的标准, 提高产品可靠性工艺水平, 实现规模化、标准化生产。

摘要：从交流电机的调速原理入手, 介绍了变频调速技术本身所具备的优势和其在实际当中的应用工。最后, 介绍了交流变频技术在未来的发展趋势。

单相电机变频调速技术综述 篇2

关键词：变频调速；单相电机；拓扑；控制策略

引言

变频调速技术在异步感应电机调速系统中，以其优异的调速和启动性能、高功率因数和节电效果，而被公认为最具发展前途的调速手段。

只有两套绕组的单相交流异步电动机，结构简单，生产成本低廉，使用维护方便，在小功率电机应用方面，如电冰箱、洗衣机、电风扇、空调等家用电器，汽车附件等领域占据主导地位。但是其工作效率低，仅为60％～70％，运行性能差，启动转矩小，一般不能应用在需要调速的场合，其转速的调节主要采用调节端电压和改变电机极对数的方法，调速效果已经越来越不能满足生产和生活的需要。为了弥补单相电机调速方面的缺陷，追求更高的性能，人们把更多的目光投向了无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。尽管这些电机在工作效率、稳定性和出力等方面表现出众，然而他们共同的致命缺点就是成本太高，难以普及。随着变频调速技术的日渐成熟，其在单相电机中应用的研究也逐渐开展起来。

尽管三相电机的变频调速技术已经日渐成熟，但是，单相电机的变频调速技术却还面临着以下一些问题：

1）单相电机的绕组不同于三相电机，其主副绕组多为不对称绕组，副绕组通常串联了运转电容，给合成圆形旋转磁场带来新的问题；

2）单相电机用的变频调速逆变主电路结构同样有其独特的一面，存在如何获得合理，高效的逆变电路的问题；

3）针对单相电机变频调速，存在采用什么样的控制技术，才能使得单相电机获得与三相电机，甚至与直流电机一样优良的调速效果的问题。

本文将主要依据以上3个问题，就单相电机绕组，主电路结构及其控制技术，对国内外单相电机变频调速技术的最新发展进行了较为详细的分析和综述，并在此基础上对其发展方向加以探讨。

1单相电机绕组分析

根据单相电机合成磁场的分析[1]，单相电机的定子上嵌放有两相绕组，设两相绕组轴线在空间相距β电角度，两相绕组中通入相位差为θ的电流，两相合成圆形旋转磁势的条件是

式中：FM为主绕组磁势幅值；

FA为副绕组磁势幅值。

在单相电机中，定子两相绕组轴线通常相距90°，为了获得圆形旋转磁势，总希望两相电流相位差等于90°。

参考文献[2]给出了不对称绕组单相电机的等效电路，依据此等效电路，当空间电角度β和相位差θ均为90°时，电机在以下条件下满足圆形旋转磁场的要求，获得最佳性能：

式中：Imain为主绕组电流；

Iaux为副绕组电流；

a为副绕组与主绕组之间的匝数比。

继而得出Imain=αIaux。

实际上，在电机的运行过程中，时刻保持主副绕组电流比值恒定相当困难，通常以Vaux=aVmain来近似实现电流比值的恒定。

单相电机多为电容运转式电动机，副绕组中串联的电容值，在工频条件下能使电机获得较好的运行性能。当电机运行在低频时，随着电容容抗的增大，副绕组中流过的电流相位与主绕组不再成正交关系，于是电机出现过热，转矩降低，脉动转矩增大等问题[3]。所以，目前采用的变频电路均采用去掉电容，两相绕组分别控制的方案。但是，去除电容也就意味着要增大加在副绕组上的电压值。

2逆变器主电路结构拓扑

2.1半桥逆变电路

由于只需要输出两相电压，使得单相电机半桥逆变电路结构简单，仅仅需要4只功率变换器件组成两个桥臂即可，如图1所示。半桥逆变电路具有结构简单，功率开关器件数目最少，成本低廉，稳定性高等优点。

但是，对于单相电机，采用半桥逆变电路面临这样一个问题：由于电机的两相电流I1及I2在相位上相差90°，因而流向中性点N的两相电流之和I是两相电流的矢量和。

对于用两只电容串联构造中点的电源，回馈电流I会使得前级变频电源输出电压波动加大，迫使电源加大输出电容；同时，由于负载不对称带来的直流偏量还会使得中点电位向正（或负）方向持续漂移，给供电带来极大影响。所以，如何获得高质量的双极性直流电源是采用半桥逆变电路的关键所在。在参考文献[4]中，提出了一种采用Cuk和Sepic电路并联方式，来获取双极性直流电源的方式。但受到功率开关容量的限制，功率和输出电压的大小都有待提高，整个电路的实用性还有待验证。

2.2全桥逆变电路

普通全桥逆变电路每相由4只功率开关器件组成，两相绕组共需8只功率开关器件，如图2所示。同半桥逆变电路相比，功率开关器件数量比为2：1，结构上变得复杂，在稳定性和经济适用方面都不如半桥电路。但是，全桥逆变电路不再需要对称正负输出电源，而只需要单路稳压电源即可。两相绕组的电流也不再对电源形成大的干扰。同时全桥电路的直流电压利用率也比半桥电路要高。

鉴于开关器件的数目较多，在实际应用中将图2中中间两只桥臂合二为一，成为两套绕组的公共桥臂，就得到了图3所示的两相三桥臂全桥逆变电路[5]。其中的公共桥臂分别同左、右桥臂组合，构成两相全桥逆变。

两相三桥臂全桥逆变电路继承了全桥逆变电路的优点，同时有效地减少了开关器件的数目。在直流电压Ud相同的情况下，其输出电压值可达到全桥电路的70％以上。在逆变桥结构上，两相三桥臂电路同三相半桥逆变电路完全一致，因此，容易从已有的六单元功率模块移植过来使用，其输出也可在三相同两相之间灵活转换。而目前三相逆变电路用的六单元功率模块的.发展已经颇为成熟，尤其是在小功率应用场合。

3控制技术

单相电机采用半桥逆变电路时，由于主电路结构类似，诸如SPWM和SVPWM等调速技术可以方便地移植到单相电机调速中来。以下讨论控制技术时，为了分析方便，均假设电机的两相绕组对称，即两相绕组相同，空间上相互垂直。同时假定正负电源对称，幅值恒定，中性点N不因电流I的注入而浮动。

3.1半桥SPWM控制

单相电机采用SPWM控制技术时，由于要保证两相绕组中的电流相位差为90°，所以，两路调制信号的相位相应地也要设定为相差90°。SPWM控制的优点是谐波含量低，滤波器设计简单，容易实现调压、调频功能。但是，SPWM的缺点也很明显，即直流电压利用率低，适合模拟电路，不便于数字化方案的实现。半桥SPWM控制技术的研究已经相当成熟，有关的文献资料也比较多，在此不再做过多的分析。

3.2半桥SVPWM控制[6]

依据电机学的知识可知，电压空间矢量同气隙磁场之间存在如下关系：

U=dφ/dt（4）

通过控制电压空间矢量来控制电机气隙磁场的旋转，所以SVPWM控制又称为磁链轨迹控制。

开关器件S1和S2，S3和S4的开关逻辑互补，则4只开关器件只能产生4个电压矢量。依据参考文献[6]的作图方法可得到图4所示的电压矢量图。

从矢量图来看，在两相半桥逆变电路中，不会产生零电压矢量。为了合成一个幅值为Uα，相角为α的电压矢量，在矢量分解时，其X轴的分量要有E1和E2共同完成，而Y轴分量要由E3和E4共同完成。

在一个开关周期T内，E1作用的时间为t1，则E2作用的时间为T－t1。E3作用的时间为t2，而E4作用的时间为T－t2。根据矢量分解可以得到式（5）和式（6）（矢量E1，E2，E3，E4的大小均为Ud/2）

又因t1(t2)?T，所以?Ud/2。即半桥逆变电路在采用SVPWM控制时，输出相电压的最大值为Ud/2。

3.3两相三桥臂全桥逆变SPWM控制[7]

采用SPWM控制时，由N1及N2构成的公共桥臂要同时接入电机的两相绕组中，所以在调制时，公共桥臂的调制波就不同于A及B桥臂的调制波。

整个逆变电路具体调制方法为：在载波相同的情况下，A及B相调制波为正弦波，相位上A相超前B相90°（电机正转，反之，B相超前A相90°，则电机反转）；公共桥臂则采用恒定占空比的方法调制，上下桥臂占空比均为50％，如图5所示。

根据图示的电路工作波形，在一个开关周期内输出电压的平均值：

在SPWM调制中，D=(1＋msinωt)，代入式(7)可得：(t)=mUdsinωt。当开关频率远大于输出电压频率时，输出电压的瞬时值uo(t)≈(t)。

如此在A及B绕组上得到幅值相等，相位相差90°的正弦电压。电压幅值与调制度m成正比。当m=1时，输出电压峰值达到最大，为Ud/2。依据电机的V/f曲线和输出电压与m的关系，即可实现两相电机的变压变频调速控制。

3.4两相三桥臂全桥逆变SVPWM控制[5]

逆变电路中，功率器件的每一种通电模式，都能在电机中生成一支空间电压矢量。对于两相三桥臂逆变电路，根据同一桥臂上下开关互补导通的原则，三个桥臂共产生8种开关组合模式，可以在电机绕组上得到8支空间电压矢量，它们以V(A，N，B)来表示。其中A=1时，表示A1导通，A2关断；A=0时，表示A1关断，A2导通，其余类推。8支矢量如表1所列。

表18支空间电压矢量关系组合

V

非零矢量

零矢量

无用

A

1

0

0

1

0

1

1

0

N

0

0

1

1

0

1

0

1

B

0

1

1

0

0

1

1

0

忽略绕组电阻压降时，非零电压矢量的幅值为

|V(1,0,0)|=|V(0,0,1)|

=|V(0,1,1)|=|V(1,1,0)|=Ud（8）

|V(1,0,1)|=|V(0,1,0)|=Ud（9）8支矢量中，两个零矢量位于坐标原点，其余6支根据绕组轴线以图6所示方式分布。电压空间矢量都可以由与之相邻的两个基本矢量和零矢量组合而成。矢量V(1,0,1)和V(0,1,0)在矢量合成时可有可无。为了计算的方便，只使用4只位于坐标轴上矢量和两只零矢量来合成电压空间矢量。（10）

t0=T－t1－t2由t1＋t2?T，得?Ud/，即输出相电压最大值为Ud/。

4结语

1）单相电机逆变主电路的结构主要分为全桥和半桥两种。半桥电路结构简单，成本低廉，要求前级电源能稳定提供正负对称输出。

2）全桥逆变电路，由于两相三桥臂需要的开关器件相对较少，易于采用三相电路中六单元功率模块，比起8只开关器件组成的全桥逆变电路优势明显。

3）半桥电路采用SPWM和SVPWM控制时，输出电压最大值相同；在全桥电路中，SVPWM的直流电压利用率比SPWM要高出41％。SVPWM控制易于数字化的实现，合理安排矢量作用顺序，能有效减小开关损耗。

变频调速电机节能应用分析 篇3

【关键词】变频调速；电机；节能；应用

1、引言

根据研究得知，电机运行所消耗的能量能占到世界用电总量的一半以上。处于对电机安全性能的角度考虑，许多高效能的电机经常在低功率的状态下进行运作和生产，这样做不仅造成了电能的大量浪费，还会在一定程度上降低工业生产的效率。通过建立完善的实时监测系统来全面监测电机的运行参数，从而采用变频调速功能来适时地调整电机的输入功率，使电机按照需要进行输出和输入，灵活机动地调节，从而减少功率的消耗，减少电能的浪费与消耗。

2、变频调速电机节能改造实践

我公司两套化肥装置1987年和1999年投产，为国家重点鼓励和支持的项目，也获得了自治区政府的重点帮扶。凭借其先进的技术和安全环保等性能在该地区获得了长足的发展。公司变频设备的配制早期，仅仅限于部分的低压电机，采用西门子、富士、ABB、爱默生、东芝等品牌变频器，大多数的低压电机和全部的高压电机并未安装变频调速装置，低压电机也未使用软启动装置。随着技术的发展与进步，公司电气设备的使用也在不断的改革当中，许多设备也及其精良，紧跟国际化的发展脚步，不断满足节能降耗及工艺操作的要求。自2002年以来，经过生产运行人员、设备维护及机动处管理人员的共同研究和现场确认，选择工艺需求调速的4#炉引风机（1050kW），对其进行变频改造，作为6kV高压变频器的试验，再扩大其它风机、泵类的改造。改造之后的结果显而易见，符合预期的设想。后期对二化气化炉引风机（710kW）及锅炉给水泵（1600kW）、一化联醇压缩机（450kW）及两台天然气压缩机（每台2002kW）等高压电机进行了变频改造，采用西门子、罗宾康、ABB等品牌高压变频器。同时，对大负荷的低压电动机采用ABB软启动装置，避免其启动影响低压电网的运行。在我公司成功的应用高低压变频器装置，不仅大大提高了生产效率，最主要的是节约了大量的电能，这是变频调速电机节能改造的一个成功典型。

3、变频调速电机的节能分析

根据电机的运行速率原理可知，电机的转速和工作电源的输入频率成正比关系，因此，改变电机的工作频率即可改变电机的转速。变频调速的工作原理基本上就是依据这个原理。变频器通过改变供电电源的速率来平滑连续地调节电动机的转速，自动控制的方法来达到节能的目的。变频调速设备能够根据负载量来改变交变电流频率的电气设施。在变频调速电机的运行过程中，能把电源转变为各种频率的交变电源，从而达到电机运行频率和速率的变动。变频调速的技术发展是非常迅速的，在工业生产中有着广泛的应用，该技术手段的引入能够在很大幅度上提高生产产量，改善产品质量。由于电机转速的变化，会使工业生产中的电机具有调速跨度大、精度高以及反应速度快等诸多优点。在普通电机的功能无法满足工业生产需要时变频调速电机就会弥补这种缺陷，其自动化程度较高，能轻易地实现无人操作，即便是在环境恶劣的场合依然可以创造出可观的经济效益和价值。

4、变频调速电机的应用分析

4.1软起动场合

电机的起动方式分为直接起动和降压启动。在电机起动的随后阶段会出现瞬时的较大电流，能达到额定电流的好几倍，对于质量较差的电机瞬时电流甚至能达到额定电流的十倍。这种电流的强度是十分巨大的，因此，如果不加以防护必定会引起电机的烧毁甚至造成电网冲击，进而影响其他相关电气设备的正常运行。除此之外，高强度的超负荷电流会使电机产生强大的电磁应力和机械应力，大大缩短电气设备的使用寿命。变频调速电机的应用，能够缓解瞬时电流的冲击，利用变频器对电机进行软起动，使电流从弱到强，避免瞬时强电流的通过，使最大电流值也在额定电流范围内。这种装置不仅保护了电机本身，提高了电气设备的使用寿命，而且减弱了对电网的冲击和供电电能的要求，达到节约电能的根本目的，也为电气设备的维修和保养节省了大量的费用，有利于为企业创造出更高的经济效益，带来了更加可观的利润。

4.2家电的应用

家电的浪费电能情况甚至比工业用电还要严重，这主要是因为家电的普及率相当高，耗电总量大。因此，通过改革传统的技术减少家电的耗能情况可以大幅度地减少电能的消耗，节约电能。普通的家用电器所采用的电动机的耗电情况并不乐观，经常处于重复工作的状态，电机启动频繁，耗电量极大，且电机运行的过程中会产生极大的噪音，导致电机的使用寿命大幅度缩短，散热性能较差，温度变化范围大，不稳定。将变频调速电机应用于家用电器中，有助于改变以上的这些缺陷，促进家用电器的变频化，使更多的家用电器具有省电节能高效的特点，并且能够在一定程度上降低噪音的困扰，增长电器的使用寿命。目前，该类型的变频调速电机主要在空调、冰箱以及洗衣机中获得广泛使用，达到了节能降噪、保护环境的目的。

4.3风机、水泵中的应用

除了家用电器中的应用，目前应用最广泛的其实是高压电动机驱动的风机、水泵和压缩机。当其他情况相同的条件下，装机容量越大绝对的节电量也就越大。变频调速器的应用和普及，还使电机实现了软起动和软停止，避免了瞬时强大电流的通过，极大程度地减少了电机的故障率，延长了电机的使用寿命，不再出现对电网的冲击和电能损耗。因此，变频调速装置的推广和使用已成为目前节约电能工作的重点和首要工作。

5、结语

随着电子电力技术的飞速发展和工业生产对电气设备性能的要求越来越高，变频调速设备的适用范围和普及率也越来越高。但是，变频调速装置也有其调速和控制范围。根据平方转矩的特性分析可知，只有明显的调速才能实现电能的节约，不明显的调速或是调速不在设备的工作频率之内节能效果是无法实现的。因此，只有在适合使用变频调速装置的情况下，积极地引进先进的技术手段，对设备进行适当的更新换代，才能达到节约电能的目的。虽然短期看来更换设备资金消耗和投入较大，但站在长远的角度来看，是符合企业的根本利益的明智之选，能够为企业带来长期的利益，促进企业的可持续发展。在当前国家实行节能减排的大政策面前，变频调速电机的使用符合我国的基本国情，是适应国情发展的必然选择，也是为企业谋求经济效益提高的根本途径，企业必须认识到这个发展的大趋势，积极地革新技术手段，引进新技术新方法，更换陈旧的设备，站在长远的角度对待目前公司的发展，实现变频调速电机的应用最大化。

参考文献

[1]李涛，徐士杰.变频调速电机节能与应用分析.《中国科技投资》，2013年27期

[2]王恩娜.分布式控制系统对设备搅拌器变频调速的应用.《电机与控制应用》，2011年6期

[3]林道远.高压变频调速节能控制技术在水电厂水泵系统中的应用.《科技创新导报》，2013年9期

电机变频调速器应用 篇4

一、DTC调速装置是一套独立的电气控制系统, 其工作原理如下

变频器采用ABB公司的ACS800的控制系统作为主控制器, 在软件控制下, 接受司控的指令后, 通过采取电流传感器的三相电流数据, 将三相电流clark变换, 得到坐标系的分量, 并且根据当前电压空间矢量位置进行Park变换, 再用反电势定向数学模型计算出反电势位置, 以反电势方向为横轴, 建立反电势坐标系, 对α、β坐标的电流iα、iβ在反电势坐标系上进行Park变换, 计算出力矩电流和磁场电流iα、iβ, 再由力矩电流参考值Itref进行力矩电流调节。通过对im调节, 间接对磁场进行动态补偿。由力矩电流调节和动态磁通补偿输出, 控制电压矢量PWM发生器的相角和调制系数来产生三相电压, 进而控制交流电机的工作。

交流变频变压电机车控制框图:

1、司机控制全过程为无触点控制, 实现了电机车从零到最高速度范围的无级调速。

2、直变器, 改装一套+24V辅助电源装置为机车灯、喇叭提供电源。

3、采用三相异步交流变频牵引电机, 其电机基本上实现了免维护。

二、与电阻调速电机车的区别

1、电气结构:

采用交流变频变压调速控制方式与原电机车不同之处在于:采用人机一体化司控器取代原司机控制器、采用三相异步交流变频牵引电机取代原直流牵引电机, 并增加了DTC变频器, 除此之外, 其余小型电器设备与原电机车通用。

2、人机一体化司控器:

司控器主要由操作手轮、控制开关及全封闭式外壳组成, 体积小。司机可操作司控器板面上的手轮和方向手柄, 控制电机车的前进或后退, 整个控制过程都为弱电信号控制, 非常安全, 并可实现电机车无级调速。

3、变频器:

本系统变频器主要由专用变频器模块及辅助驱动电路构成, 其所有电气元器件均安装在箱体内, 箱体安装在原电阻箱的位置上, 便于用户对系统的检修和维护。

4、三相异步交流变频牵引电机:

无换相器, 坚固耐用、免维护。

三、DTC变频调速的优点

1、能耗

DTC交流变频电机车采用交流变频调速方式调速, 用三相异步交流变频牵引电机作为主牵引电机。调速装置将稳定的直流电变成一定频率的交流电的同时, 可根据电机车的实际需要, 变化牵引电机的电压频率值, 实现电机车的调速控制, 系统简单。与电阻调速电机车相比, 此过程无外加电阻参加, 故无外加电阻损耗。其节能性与电阻调速相比, 将节能30%以上, 与斩波调速车相比节能20%～30%以上。

2、控制方式

直流电机车采用电阻调速时, 利用凸轮控制器触头闭合的变化改变外加电阻器的电阻值从而实现调速目的。调速的全过程 (包括前进或后退) 均依靠控制器, 因此, 控制器的触头经常处在带电分合的机械磨损状态, 消耗量大、维修量大。

交流变频调速电机车由于采用交流变频调速方式后, 基本上实现了全过程的无触点控制, 机械磨损几乎为零, 维修量很小。

3、主牵引电机

直流电动机的换向器既有机械磨损又有电损耗, 更换换向器、碳刷, 维修电枢造成成本浪费, 电机车故障率升高等不利因素。

交流变频电机车由于采用三相异步交流变频电动机作为主牵引电机, 无需换相器, 碳刷, 维修电枢, 几乎为免维修。

4、控制方式

直流电机车一般采用电阻控制和机械制动及气制动方式作为电机车的减速制动, 此时, 电机车的电动机作为发电机将机械能变成电能, 无法将此能量反馈至电网来实现再生制动, 只能在机车配置的制动电阻上白白消耗。

交流变频变压调速电机车由于采用交流变频变压调速系统, 全过程为交流控制。当电机车需要采用电气制动时, 非常容易将主牵引电机的电能反馈至蓄电池或电网, 实现再生制动, 因此大大的节约了能源。

四、结束语

电机变频调速器应用 篇5

【关键词】浅谈；大功率；电机；变频调速

随着科技的不断进步，电子产业更新换代频率越来越高，在大功率调速传动领域已出现交流传动取代直流传动的趋势。对于大容量生产机械，如轧钢机、矿井提升机、船舶推进以及牵引传动，交流变频同步电机调速传动不仅具有与直流传动同样优越的调速性能，还具有过载能力大、效率高、体积小、重量轻、转动惯量小、维护简单和可靠性高等优点。同步电机与异步电机变频调速相比较，又具有功率因数高、变频器容量小、弱磁区转矩特性好等特点。由于交流变频同步电机调速传动具有上述优点，国内外工业界在大容量调速传动中已陆续采用并推广这一技术。

1.系统结构及类型

三电平变频调速系统基于数字化、自动化、网络化和信息化等先进技术，采用“交流同步变频电机+双三电平变频器+全数字DSP调节控制+多PLC网络控制+上位机诊断与监控+局域网信息互联”的控制模式，与其他一般型设备配套使用，完成大功率电力拖动系统调速控制。

内容主要包括以下内容：变压器、高压柜、低压配电系统、PLC控制系统、全数字同步机调速调节系统（包括定子变流柜；励磁整流柜；同步机交流系统调节柜）、操作台及上位机监控系统、其它部分外围设备，系统总图如下：

2.主要技术特点

2.1定子回路

定子变流采用背靠背双三电平结构，网侧为三电平全控整流系统，主要作用为直流电压调节和网侧功率因数控制，阀侧为三电平逆变系统，主要完成速度闭环、转矩控制、电流控制、功率因数调节等功能，中间为大容量电容器，主要起到滤波和无功缓冲作用。

三电平结构可大大减轻du/dt 对功率器件和电机绝缘的影响，降低功率设备的EMI水平，减小系统损耗。同时背靠背拓扑利于功率系统结构化设计，利于维护，使系统可靠性大大增强。

2.2谐波污染

由于晶闸管变流器采用相切控制方式调节直流电压或电流，使电网正弦波型受到切割，并由此产生谐波电流，致使电网电压波形畸变。危害是使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。

而同步电机变频系统，采用了先进的SVPWM控制技术，抑制了谐波，系统谐波含量极小。满足国际和国内标准，不需要增加治理装置。

2.3功率因数

晶闸管装置基本上相对于一个感性负载，随着控制角的改变，其功率因数也发生变化。运行期间一般在0.02-0.7之间，即起动阶段功率因数很低，等速段功率因数较高，需要进行无功补偿。而且直流系统启动无功冲击大，引起电网电压发生波动，尤其对矿井提升机这类短时重复工作制的负荷，电压波动问题更加突出。

而采用全控整流变换器进行网侧接口的三电平交直交变换器 可实现功率因数为0.98以上，在轻载时还可对其他无功需求进行补偿，其网侧谐波含量可在不增加滤波器的前提下符合国际标准。

2.4调速性能

目前交流电机的调速技术已经非常成熟，同步机变频调试系统采用矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。

（1）同直流系统相比，同步机变频系统具有更好的转矩响应，直流系统功率器件是晶闸管，控制周期是3.3ms，而同步机变频系统使用的是IGBT，控制频率一般是2KHZ，根本不是一个数量级的。

（2）直流系统在低速时，不可避免的要受电流纹波的影响（3.3ms），低速精度会有影响；而同步机变频系统低速控制精度要好于直流电机，可实现零速时全负载。

（3）基于电机的原因，由于同步机没有换向火花对过载能力的限制，同步机变频系统过载能力也大于直流电控系统。电控系统的过载能力只与功率器件有关系。

2.5单、双绕组同步电机变频控制系统

单绕组和双绕组同步电机价格相当。对电控系统来说，双绕组电控系统价格要高于单绕组电控系统约30%，但是双绕组同步电机电控系统是每个绕组配置一台变频器，当一台变频器回路出现故障时（例如高压柜、变压器、变频器等），当可实现半速全载运行。

3.技术应用

三电平高压变频器中同时应用SVPWM和SHEPWM，即低频时采用异步SVPWM，高频时采用SHEPWM，避免了高频时SVPWM谐波特性变差和SHEPWM在低频时存储量大的缺点，充分发挥了二者的优点，使变频器在整个工作范围内都可以有效抑制低次谐波，得到较好的输出波形。混合调制的难点在于衔接问题，文中分析了影响二者之间平滑切换的原因并提出了具体的解决方法，保证了切换过程中电压和电流没有跳变。采用PSIM软件对三电平SVPWM和SHEPWM进行了仿真研究，并在实际三电平变频器控制平台上进行了实验。在电力系统、轧钢、造纸、煤炭等领域对设备可靠性、安全性要求很高的应用场合，采用三电平变频调速系统，不但能降低能耗，而且可以改善工艺水平，提高生产效率。此变频调速系统结构简单，体积小。与两电平相比，采用同样电压等级，器件可以实现2倍的电压输出。降低电机的共模电压，降低对电网的共模干扰。能方便实现能量的双向流动，电机的四象限运行。与两电平相比，输出du/dt减小一半，相电压输出电平数增加，输出谐波减小。

电机变频调速器应用 篇6

一、项目原理

1. 注水系统耗能分析

注水系统由注水机组和注水管网两部分组成, 前者包括注水泵和电动机, 后者包括注水站高压阀组、注水干线管网、配水间和单井注水管线等。注水系统能耗包括注水泵驱动电机损耗的能量及注水泵消耗的能量、注水管网消耗的能量、将水注入油层所需的能量。注水机组的能量损耗主要由电机运行耗能p1和泵运行耗能p2两部分组成, 提高注水机组效率是降低能耗的重要环节。

2. 导致注水泵运行效率低的原因

在注水系统生产中, 常需要对泵的流量进行调节, 以适应实际生产需要。主要传统调节方法如下。

(1) 改变排出阀门的开启程度。这种调节法既增加了节流损失, 又使泵不能在高效区工作。

(2) 旁通回流法。从泵的排出管引一根回流到泵的进口, 称旁通回路管。当需要节流流量时, 通过改变旁路阀门的开度改变回流管内回流量, 从而改变排出管内的流量。此方法消耗了从回流管流回吸入管端的液体能量, 所以这种调节方法也是不经济的。

3. 优化注水泵运行的有效途径

为了使注水站输出水量在保证配注要求的情况下系统能耗极限降低, 目前最广泛采用的是用变频器来调节电机的转速以达到节能目的。为此引入变频调速装置。如图1所示, A为泵额定工作点, 其额定流为Q2, 额定扬程HA, 当该泵采用节流调节到Q1时, B点为泵阀门节流调节时的工作点, 其对应扬程为HB, 泵所做的功P1为0-Q1-B-HB所围成的面积;调速调节时, C点为泵工作点, 其对应扬程为HC, 泵所做的P2功为0-Q1-C-HC所围成的面积, 可见P1>P2, 即调速时泵消耗的功率小于阀门节流调节时的功率。这就是应用电机变频调速的节能原理。

从图2可以看出启泵时的电压波形, 在工频启泵时电压产生了近15%的陡降, 电压的陡降将造成电网电压波动, 影响电网中的设备其他运行, 甚至造成电器设备损坏。

从图3可以看出, 在工频启动时, 启泵电流是额定电流的6～7倍, 这将使电机在启动的瞬间启动电流达到近2 000A。电流过大将引起电动机绕组严重发热, 缩短使用寿命。而变频启动时, 电流平滑地从零开始达到工作电流, 减轻了启动电流对绕组的冲击。

二、现场实施情况

至2012年12月, 沈一联、沈二联、沈三联、沈四注、法一联5座高压注水联合站均已实现注水变频控制。其中, 在沈四联、沈二联、沈一联1250～1800kW注水电机上率先应用高压大功率变频器3套, 在法一联180kW注水电机上应用变频调速装置4套, 均取得了明显的节能效果。

2011年, 对沈三联利用原注水站高压配电间进行改造, 安装户外整装结构箱式高压变频器HARSVERT-A06/150 (匹配电机功率1250kW) 变频装置一套, 变频调速装置采用一拖二方式, 控制两台1800kW注水电机, 值班室安装上位机及综合保护操作平台1套。实施改造后沈三联高压注水泵出口与管网干线的压差由安装前的1.4MPa降低到0.5MPa, 注水泵单耗下降了1.12kW·h/m3。

其他各站改造前后效果对比见表1。

三、经济效益

1. 节电效果

如表2所示, 合计年节电725.33×104kW·h, 节约电费434.47万元。

2. 间接经济效益

(1) 在工频50Hz电网直接启动时, 估算其启动一次的损耗为Ws=0.5J (1+r1/r2) Tm/ (Tm-TL) , 离心泵负载的平方转矩特性与异步电动机启动时的机械特性曲线部分相似, 可以按Tm/ (Tm-TL) =1计算。而变频软启动损耗很小, 只有上述Ws的1/10, 故每年的启动节能效益可观。

(2) 当采用变频调速时, 50Hz满载时功率因数为接近l, 工作电流比电机额定电流值低许多, 可以为电网节约容量。

(3) 采用变频调速后, 可以避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动, 延长了电机的使用寿命, 减少了检修维护开支。

四、存在问题

电机变频调速器应用 篇7

1 水泵电机变频调速控制原理

在变频调速控制系统中, 水泵电机控制系统在从煤矿配电网系统中获得频率为50Hz的交流电源后, 就会通过PLC控制器发出对应命令, 经变频器内部整流电路、滤波电流等相关电路转换成直流电源后, 再经变频器控制单元的直流逆变电路转换成频率f和电压U均满足电机实时调控需要的交流电源, 直接供给电机拖动系统中提供动力, 经电机拖动系统转换输出所需的转矩, 实现对水泵电机拖动系统的动态变频调节控制。对于水泵电机拖动系统而言, 根据整个拖动系统需求侧需水量的动态波动变化, 通过PLC控制器和变频器组成变频调速控制系统中的相关功能单元的动态调节, 来优化水泵电机的实时调节运行的工况曲线, 达到节能降耗动态调控的目的[2]。水泵电机节能经济运行工况曲线, 具体详见图1所示。

图1中可以直观看出, 水泵电机在正常运行时, 其额定运行工况点处于A点, 当用户需求水量随负荷波动从1Q降低到Q2的过程中, 如采用常规阀门静态调节控制, 则整个水泵拖动系统的供水管网自身所具备的管阻特性将会从1R (阀门全开) 向2R (阀门关小) 方向进行实时调节, 对应工况点将会从A点调到B点, 整个调节过程中功率由OQ1AH1变为OQ2BH2, 变化较小, 但电机电能转换功率 (效率) 却随之降低非常多。另外, 水泵电机运行工况的突然从A点跃变到B点, 将会给整个供水管网带来非常大的冲击, 会影响到需求侧的水量的正常供应, 影响用户安全可靠、节能经济的正常高效生产。

采用P L C和变频器对电机拖动系统进行技术升级改造后, 可以根据需求侧用户用水量的波动情况, 实时动态调节水泵电机的输入电源频率来进行运行转速调节。在图1中, 当整个电力拖动系统需求侧需水量由1Q降低到2Q的变化过程中, 水泵电机的实时调节运行工况曲线, 金贵从额定转速的1n平滑过渡到2n运行工况曲线上, 对应工况点将由A点平滑过渡到C点。按照面积估算法可以获得, 当水泵电机拖动系统采用基于P L C和变频器的变频调速控制系统的技术升级改造后, 其在同等流量变化调节下, 整个电机拖动系统理论节约的电能资源为图1中阴影部分H2C B H2所示, 不仅其能进行平滑稳定调节控制, 同时整个系统节能节电效果十分明显。

2 水泵电机变频调速节能改造技术要点

建筑给排水系统中水泵电机采取基于P L C与变频器的变频调速技术升级改造中, 其节能实现的基本控制要求包括以下多个方面。

(1) 节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施, 能够防止非正弦波干扰水泵电机控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作, 也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中, 不能改变水泵电机控制系统的其它功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。

(2) 在变频调速节能运行过程中, 当水量检测系统出现故障时, 变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行, 以确保系统最大的水量。当变频调速控制系统出现故障时, 能够发出声响及指示灯指示, 提醒运行管理人员进行相关设备性能检查, 同时起动原控制系统 (如:软起动、继电器直接起动等) 。

3 水泵电机变频调速节能改造效益分析

3.1 电机变频调速节能改造方案

建筑给排水系统中共采用3台 (两用一备运行方式) 的水泵机组, 其轴功率为203kW, 配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380V F级IP55, 功率为220kW。为了提高给排水电机拖动系统运行的经济可靠性, 结合建筑给排水系统的实际运行工况, 遵循“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等电机拖动系统技术升级改造基本原则, 决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对给排水电机拖动系统进行技术升级改造, 1#水泵电机采取变频运行方式, 2#水泵电机采取工频运行方式。

3.2 水泵电机变频调速升级改造节能效益分析

为了分析采用变频调速技术升级改造后, 水泵电机拖动系统所取得的节能经济效益, 将2台工作用水泵电机中的1台采取工频调节运行工况, 另外1台采取变频调速运行工况。2台参数相同水泵电机的实际运行数据比对, 如表1所示。

从表1可知, 在各项运行技术指标和环境均相同情况下, 1#水泵电机相比2#水泵电机其调节运行工况性能要更加平滑稳定, 平均运行电流降低到287A, 比工频运行额定电流的4 1 6 A, 要直接降低129A, 理论节电效率为:, 实际节电效率为48%, 节能节电效果十分明显。

4 结语

采用基于P L C与变频器的变频调速控制, 能有效控制给排水系统的电机工作效率, 降低电机运行能耗, 达到增收节支、降低运营成本的目的。同时, 采取变频调速技术升级改造后, 能够实现电机的软起动和设备软运行, 并实现了电机拖动系统过压、过流、缺相等多种保护功能, 消除了电机起动、调节过程中的电流、电弧冲击问题, 避免了运行工况突然改变水垂现象的发生, 大幅度降低了设备冲击冲击损害, 降低了温升及运行噪, 可以大大延长电机、接触器、以及给排水系统中的轴承、阀门、管道等机械设备的综合使用寿命。

摘要：建筑给排水系统中水泵电机的控制和稳定运行, 是确保建筑给排水安全可靠、节能经济高效稳定运行的重要保障性基础。为解决原有给排水系统中水泵电机运行中存在的电能浪费严重、起动冲击较大、综合使用寿命较短等问题, 针对建筑给排水系统中3台 (两用一备运行方式) 220kW水泵电机的现场供水工艺要求, 提出了将水泵电机控制方式由常规直接起动, 改变为以变频器和PLC为控制核心的变频调速节能控制方案。从运行数据统计分析结果表明, 水泵电机采用变频调速节能控制方案, 达到了节能改造性能要求, 实时平滑调控和节能效果均十分明显。

关键词：水泵电机,变频调速,节能,变频器

参考文献

[1]王新亭, 李庆红.变频调速技术在风机水泵节能改造中的应用[J].自河南工程学院学报 (自然科学版) , 2010, 22 (3) :20-22.

浅析变频调速电机节能技术 篇8

据悉, 电机运行所消耗的电量大约占到全世界用电量的一半以上。出于对起动冲击、过载保护、系统安全等处于对电机保护的原因, 高效能的电动机经常在低功率状态下运行, 这种“快马拉慢车”的情况工业生产中十分常见。变频调速就是通过改变电源频率调整电动机转速的连续平滑调速方法。根据系统的工艺要求, 通过实时检测系统运行参数, 采用变频调速设备对电动机的输入频率, 转速, 输入功率, 使得电机按需输出, 随时调节。避免了低效低能, 减少了功率的虚耗, 节省大量的电能。这种技术被广泛运用于鼠笼型异步电动机。

2 变频调速电机及节能简介

由于电机转速与工作电源输入频率成正比的关系, 只要通过改变电动机工作电源频率就可以达到改变电机转速的目的。变频调速节能就是利用这样的特点。其以变频器为供电电源的变频调速三相异步电动机通过改变电源频率实现平滑地调节电动机的转速, 达到节能和控制自动的目的。变频调速交流电动机, 具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、制造成本和运行费用低、能在恶劣环境下可靠运行等一系列优点。此类电机其具有效率高, 调速范围广, 精度高, 运行稳定, 操作和维修方便, 定额是以连续工作制 (S1) 为基准的连续定额。也可以运行在S3、S4、S5工作制下。常规电机额定频率为50HZ, 可以在3～100HZ范围内连续调速, 3～50HZ为恒转矩运行, 50～100HZ为恒功率运行。其运行特性如图1所示。变频调速电机适用于驱动轧钢、起重、运输、机床、印染、造纸、化工、纺织、制药等要求连续和频繁正反转的各种机械设备上。

由于电机中电流的大小是随负载的变化而改变, 而电流的大小又直接影响到电机的消耗功率, 实际上也就是电机消耗的功率也是随负载的大小而改变, 而在工作实际中负载的大小并非是一定值, 因此要想具体地计算系统的节能值是比较困难的。变频调速器是一种用来改变交流电频率的电气设备。它是把工频电源变换成各种频率的交流电源, 以实现电机的变速运行的设备。

变频调速技术制造业有着非常广泛的运用, 因为采用该技术既对产量有着较大的提高作用, 理论上提高5—10%转速是可行的 (主要受电机轴承制约) 。也可改善产品质量, 随着电机速度的变化, 在生产加工中的电机速度调节具有调速跨度大、调节精度高、响应速度快的优点, 相应的也就提高了产品的质量。最后变频调速特别适宜使用于常规电机功能无法企及的场合, 由于变频技术自动化程度高, 易于实现无人操作, 所以变频调速具备了在恶劣环境以及精确位置控制系统场合使用的能力。

3 变频调速使用实例

3.1 需要软起动的场合

由于电机的起动方式为直接启动或星-三角降压启动, 电机起动后段时间内存在较大的瞬时起动电流, 三相电动机启动时的瞬时启动电流一般是电机额定电流的5-7倍, 如果电机质量不好, 甚至有到10倍的。如此强大的电流如不注意防护, 可能会烧毁电机或对电网引起冲击, 并影响其他电气设备的正常运行。另外大强度起动电流对电动会产生电磁应力和机械应力, 大大降低了设备的使用寿命。使用变频节能装置, 电机在起动时可以利用变频器进行软起动, 其启动电流强度从零开始渐增, 最大值也不超过额定电流。这样的设置减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求, 延长了设备和阀门的使用寿命, 节省了设备的维护费用。

3.2 变频调速家电

普通家用电器常用单相异步电动机, 其分相主要采用电容或电阻进行。家用电器电机工况下常处于重复状态, 此类电机起动频繁、噪声大易造成电机寿命短、温度稳定性差、能耗高。变频技术的发展促进了家用电器的变频化, 变频家用电器有省电、节能、舒适、寿命长、静音等优点。主要用于空调器、冰箱、洗衣机、电热器具、照明和视听电器等, 这里的变频调速也能发挥节约电能和保护环境的作用。

3.3 风机、水泵

当前最适宜使用变频调速节能的场合是装机容量大的高压电动机驱动的风机水泵和压缩机。主要原因在于节电率百分比相同的情况下装机容量愈大, 其绝对节电量也愈大。对风机、泵、压缩机而言, 对应电机输入功率与流量的关系的三次方成正比, 急系统调速前后的速差成正比, 速差越大, 节能越显著。除去机械损耗、电机铜、铁损等影响, 节能效率也接近40%。由于采用变频器还可以实现电动机的软停止、软起动, 避免了启动时的电压冲击, 减少电动机故障率, 延长使用奉命, 同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗, 因此为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。以某钢铁厂一号锅炉现有鼓风机和引风机各一台, 分别配用160kW和185kW电机, 风量分别在80%-30%和90%-70%变化, 设全速供水量为均为Qn, 空载损耗为0.1 (Y0≈cosnt) , 每天总供风量分为60%Qn和80%Qn。则两者全速时功率分别为144kW和166.5kW。变频后:消耗功率分为:47kW和103.7kW。节约的功率分别为97kW和63kW。以0.7元/kW小时计算, 每年几月电费总量约为:59+38=97万元。

4 结束语

一般情况下, 变频器用于50Hz调速控制。在平方转矩特性负载, 或恒转矩特性负载作用下, 只有通过调速方能实现节能, 调速不明显或不调速即在工频下运行是无法显现节能效果的。因此, 在符合使用变频调速的情况下, 应该对设备进行更新换代, 尽管短期投入较大, 但就长期来看还是有百利而无一害。在当前国家提倡节能减排的大背景下, 在电机使用领域提倡使用变频调速节能电机合乎当前国情, 也是生产制造业的大势所趋。

参考文献

[1]陈丕璋, 周明宝, 俞鑫昌.电动机节能技术[M].北京:科学出版社, 1989 (03) .

交流异步电机变频调速系统研究综述 篇9

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.

变频调速节能系统的应用及效果 篇10

一、熄焦泵的改造

1.改造前的运行情况

设备改造前,两台熄焦泵处于“开一备一均”工作在工频状态,液位采用两点式控制(上、下限控制),也就是当熄焦塔储水罐液位达到设定值上限时,熄焦泵停车,当液位下降到设定值下限时,熄焦泵启动。由于熄焦泵上水量大于实际用水量,就造成了熄焦泵电机频繁的启动停止,频繁的大电流启动对电动机、熄焦泵机械传动部分造成了很大的冲击。再者,这部分电能也被白白浪费了。

(1)频繁启动电机的电流很大,一般是电机额定电流的4～7倍,会直接影响电气控制设备元件的运行稳定,经常造成熄焦泵的接触器主触点严重损坏,影响正常的生产。

(2)电机在工频状态下运行致使熄焦泵运行时噪声很大。

(3)电机工频启动对设备的冲击很大,对机械寿命有很大的影响。

2.熄焦泵变频改造实施方案

根据现场实际情况,我们决定采取先由一台熄焦泵用变频器来控制,另一台熄焦泵采用工频控制,保持一台运行于工频一台运行于变频,避免了设备的频繁加载和卸载,这样,既节省了设备投资,又能满足生产工艺的需要,也达到了节能的目的。系统改造时,在保留原工频系统的情况下,增加变频系统。通过外部控制电路,使熄焦泵起停操作步骤仍然如前,操作简单,安全可靠。本系统根据实际生产情况,以实际用水量基准确定熄焦泵上水量,经过多次试验,将变频器频率设定为42Hz,降低了电动机的转速,同时降低了电机的启动电流和运行电流,使熄焦泵电机始终处于节电运行状态。

3.节能效果分析

改造后电机运行电流由155A下降到100A,一年可节电140400kwh,除此之外还有以下优点:

(1)电动机启动实现了软启动,对电机、熄焦泵机械部分的冲击大为减少。消除了电机的大电流启动引起的电网电压波动。

(2)延长了机械电器设备的寿命,减少了设备的维修量和维护费用。

(3)进一步完善了电器保护功能,如:热保护、过电流、欠电压、短路、缺相等的保护功能。

(4)操作简单方便,运行平稳,电机温升降低,噪声、振动减小。

二、水处理鼓风机的改造

1.改造前的运行状况

设备改造前,鼓风机工作在工频状态,压力采用放散管调节,也就是压力达到规定值上限时,打开放散管阀门将富余部分压缩空气放散到大气中,由于实际用气量小于实际产气量,实属大马拉小车,导致电能白白浪费。同时鼓风机运行时噪声很大。

2.水处理鼓风机变频改造实施方案

系统改造时,我们用变频器来控制鼓风机。采用了压力闭环调节方式,在原来管道上加装一个压力传感器,将压力信号转换成4～20mA的电信号,传送到变频器内部的PID调节器,调节器将信号与压力设定值进行比较运算后输出控制信号,变频器根据该信号输出频率,改变电机的转速,调节供气压力,保持压力恒定,使鼓风机始终处于节电运行状态。

3.节能效果分析

改造后水处理鼓风机一年可节电216200kwh,使用前后优缺点对比如下表:

总之,采用变频调速,不但实现了软启动,节约了电能,并且可根据生产实际需求方便准确的进行调速,改善了员工的工作环境,提高了设备的使用寿命,节约了能源,增加了企业效益。