变频技术及变频器刍议（精选十篇）
变频技术及变频器刍议 篇1
由于工艺装置原料的多样性、工艺技术的复杂性、上下游装置能力的变化等原因, 使工艺装置中的每台泵都要有一定的操作范围, 通常设置正常操作工况及额定工况。为了保证工艺装置操作的弹性, 泵的额定流量通常都设定得比正常工况大10%~20%, 个别泵还会更多。
在以往的应用中, 离心泵的流量调节基本上都是通过泵出口调节阀及最小流量旁路来实现的, 很少采用变频调速的方法。为什么这么多年、这么多离心泵在应用, 却很少采用变频技术呢?是不好用还是根本就不能用?要用的话如何用?下文就一一来解答这些问题。
1 影响离心泵功耗的因素
下式为离心泵的功率计算公式:
式中:Q—泵的流量, m3/h;
H—泵的扬程, m;
ρ—介质比重, 无量纲;
η—泵的效率, 取小数。
从式1可以看出, 离心泵的功率是由泵的流量、扬程、介质比重和泵的效率决定的。
2 离心泵扬程的组成
对一个泵系统, 泵的扬程 (H) 是由入口起始压力 (P1) 、入口管系压力降 (△P1) 、出口管系压力降 (△P2) 、出口调节阀压降 (△P3) 、出入口液位高度差 (H2-H1) 和出口末端设备背压 (P2) 决定的, 见图1。
离心泵扬程的计算公式如下:
式中:P、△P—压力或压差, MPa;
H、H1、H2—扬程和液位高度, m;
ρ—比重, 为无量纲量。
当一个泵系统确定后, 通常入口起始压力、出口末端设备背压和进出口液位高度差都是基本不变的;入口管系压力降、出口管系压力降会随着流量变化而变化;出口调节阀压降取一定值, 对于10%~20%的流量调节范围, 调节阀压降通常要取1~2bar。
为了保证泵在额定流量下扬程也能满足要求, 泵的扬程是按额定流量来计算的。在正常流量下, 进出口管线管道阻力下降, 工艺需要的扬程比额定流量下需要的扬程应该低。但在转速不变的情况下, 随着流量变小, 泵的曲线是连续上升的, 使泵在正常工况下的扬程反到比额定工况下的扬程高, 高出的这部分扬程, 通过调节阀白白地消耗掉;另外, 在正常工况下, 采用调节阀调节泵的工况时, 泵的效率比在额定工况下泵的效率低很多, 加上不同功率时电机本身的效率差别, 使正常操作时的能耗提高;当工艺需要的流量小于泵的最小流量时, 为了泵的稳定运行, 需要打开最小流量旁路阀, 使部分流量回流, 这也是很浪费能量的地方;更有甚者, 为了节省投资, 增加泵的可靠性, 很多专利商或工程公司设置一个常开的最小流量旁路管线, 使泵始终有30%左右的最小流量一直处于回流状态, 这根管线的设置还使泵原来的额定流量增加30%左右, 从而大大地浪费了能源。
例如在一个1000kt/a工艺装置中部分离心泵在不同工况下的流量、扬程、效率、功率等参数。额定流量是正常流量的110%、115%、125%不等, 各别的为130%、150%, 甚至180%, 这都是为了满足特殊条件下工艺操作的需要, 但大部分情况下还是要在正常流量下操作。额定工况虽然只是一种安全备用措施或临时措施, 但也是必不可少的。
由于化工装置中物料流速通常都设计得比较小 (管径大) , 介质粘度也都不大, 所以虽然流量差异较大, 但管道阻力带来的扬程差异却较小, 每百米扬程通常只有几米液柱的差异。但即使这样, 如果按正常工况下需要的扬程来计算正常工况下的轴功率, 也比按正常工况下泵的实际扬程来计算正常工况下的轴功率要小不少, 如果泵统计下来也有1200kW, 一套1000kt乙烯一年 (按8000h连续运行计算) 要省9百多万度电。
如前所述, 流量的变化造成管道阻力的变化很小, 主要的压力消耗都在调节阀上。一个调节阀至少都要有1~2bar以上的压力降, 这就相当于10m至20m的扬程甚至更高;如果取消调节阀, 单靠转速调节流量和扬程就能够实现的话, 这样一来泵统计下来要省4100kW一套1000kt乙烯一年要省3千3百多万度电, 这是一个可观的数字。
3 变速调节时离心泵流量、扬程、功率的关系
采用变频调速真的可以降低这部分能耗吗?实际上能降低多少?这是一个很复杂的问题。泵的流量调节很简单, 通常总是有10%~20%的调节量, 但当流量变化时, 工艺对泵扬程的要求却不是随着流量变化而成线性变化的, 而是变化很小, 很难超过10%。
对离心泵而言, 按比例定律, 流量与转速的一次方成正比, 扬程与转速的平方成正比功率与转速的三次方成正比, 即:
图2绘出了泵靠阀门调节及升、降速调节的性能曲线
通常变速调节都是先按额定工况选定设备型号及转速, 再按流量或压力要求降速调节。
从比例定律看, 好象用降转速调节流量时, 流量降10%时, 转速需要下降到90%, 扬程却降到了81%;功率下降到了72.9%;流量降20%时, 转速需要下降到80%, 扬程却降到了64%;功率下降到了51.2%。但用转速调节流量时, 泵给出的能头H总是与该流量下的管路阻力L相等, 即新的操作点为泵的新性能曲线与管路阻力曲线的交点, 没有附加能量损失。由于泵的性能曲线的斜率一般都在20%以下即流量:扬程=5:1。所以, 流量要下调10%泵转速并不需要变化10%, 而是远低于10%, 见 (图2) 。为了便于调节, 应选用较陡的H-Q曲线。如果泵曲线较平坦, 转速变化很小, 流量变化就很大, 流量调节就困难了。
4 变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点:
1) 采用变频的目的;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。
3) 变频器与负载的匹配问题;
I.电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配;普通的离心泵, 变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则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。
III.转矩匹配;这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4) 在使用变频器驱动高速电机时, 由于高速电机的电抗小, 高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型, 其容量要稍大于普通电机的选型。
5) 变频器如果要长电缆运行时, 此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响, 避免变频器出力不足, 所以在这样情况下, 变频器容量要放大一档或者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, 如高温, 高海拔, 此时会引起变频器的降容, 变频器容量要放大一挡。
5 采用变速调节需要注意的几个问题
(1) 采用变速调节只能针对单回路调节, 如果一个泵系统有多个回路, 每个回路的流量和压力都要分别调节, 还得加调节阀来实现。
(2) 工艺需要给出管路阻力曲线, 或至少给出正常流量、最小流量时的管路阻力, 以设定转速变化幅度。
(3) 选泵时要选性能曲线比较陡的泵, 以使泵调节容易。此时泵的关闭压力会比较大, 设计时应提前考虑。
(4) 出口系统的设计压力一定要考虑泵最高转速时产生的压力, 以免系统超压。
(5) 变速调节虽然可以降低泵的最小连续稳定流量, 但对各别泵系统, 最小回流线可能仍然不能取消, 这时建议在回流线上加调节阀, 只在需要的时候打开。
(6) 具体哪些系统可以采用变频的方式调节还要根据工艺要求对每一个系统进行分析, 以确保操作的灵活性和可靠性。
结论
综上所述, 离心泵的变频调节确实有很大的节能潜力, 因为它可以取消调节阀的阻力降;可以降低正常工况下的扬程;可以提高正常工况下的泵效率;可以与管道阻力自动匹配。但也确实有一定的局限性, 除了考虑变频系统带来的一次性投资增加外, 对系统操作的灵活性、稳定性的影响也要充分加以考虑所以推广时要慎重, 要根据工艺系统的组成情况、操作范围的变化程度、泵的特性曲线、管路系统的特性曲线等综合来决定。
参考文献
[1]赵恒.浅谈离心泵的变频调速.氯碱工业2002-12-25.
[2]杨晓珍;裴毅;谢方平;龙志军;杨良玖.离心泵调速运行节能效果试验.湖南农业大学学报 (自然科学版) 2005-10-30.
变频技术及变频器刍议 篇2
1引言
供水系统在各行各业的生产和生活中都起着至关重要的作用。如何保证供水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都很关注的问题。把先进的PLC控制技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。
在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全隐患。因此，在一些用水量变化大、水压控制高且流量完全由用户确定的供水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。
图1变频恒压供水系统原理图
2变频恒压供水工作原理
变频恒压供水就是变频调速技术在供水中的应用，其采用PID调节技术，使供水压力恒定在一个设定范围，其具有恒水压力波动小，节能效果明显。实验中采用循环软启方式。
它的工作原理是：当变频泵运行到工频50Hz时，此时的实际供水压力若还没有达到设定的供水压力，不是直接启动另外一台水泵，而是将当前以变频运行的水泵直接切换到工频方式运行，而以变频方式启动另外一台水泵，以达到维持系统压力的目的。在切换水泵时，按照先启先停的方式进行。这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到。变频恒压供水系统的原理图，如图1所示。
从图1可以看出，在系统运行过程中，将供水管网实际压力与设定压力比较，将得到的压力差经过PID控制器计算与转换，得到变频器输出频率的变化值后，调节水泵机组的运行方式和运行速度，最终使实际供水压力与设定压力值相等。
图2 系统结构框图 系统硬件设计
变频恒压供水系统结构原理图[1][2]如图2所示。系统由水箱、管路、阀门和水泵机组、电气操作系统和各种传感器、仪表等组成。电气操作系统由PLC(德国SIEMENS公司的S7-200型)、变频器(MM440)、小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源、小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成；传感器和仪表包括温度传感器、压力传感器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等。
在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。变频器[3]是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力[4]，实现恒压供水的要求。PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行PID运算，然后将计算值输出变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电机转速的调节，改变管内压力值。
根据控制要求[5]，水泵机组由四台水泵组成。第一台水泵变压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵第四台水泵启动。停泵时先停第一台工频泵，再停第二台工频先开先停。
图3 主程序流程图 系统软件设计 4.1程序模块设计
软件系统设计基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7 Micro WIN，采用模块化设计方法，主程序的流程图如图3所示。
除主程序的流程以外，程序模块设计还涉及到定时器T0初始化程序、中断服务程序、故障报警子程序等相应的模块。
4.2组态软件
本系统我们采用WINCC组态软件[6]。WINCC是一个工控系统中的一个电脑控制组态软件，它他可以和PLC通讯，可以点击组态中的按钮来操作一些设备的运行或停止；PLC是可编程控制器[7]，可以利用自己的程序来控制一些设备的运行顺序和状态，是工业中必不可少的一种控制方式。
因组态软件不能直接读取AIW通道中的数据，所以运用STEP7中的传送指令，将AIW通道中的数据传送到变量存储区中，以便组态软件从中读取数据。
4.3WINCC与S7-200PLC的通信
WINCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和PROFIBUS两种协议之一进行。通过PROFIBUS协议进行WINCC与S7-200系列PLC通信的实现,需要以下几点：(1)软硬件要求
PC机，Windows98操作系统；S7-200系列PLC；CP5412板卡或者其他同类板卡，如：CP5613，CP5611；EM277 Profibus DP模块；Profibus电缆及接头；安装CP5412板卡的驱动；安装WINCC 4.0或以上版本；安装COM Profibus软件。(2)组态
首先，打开SIMATIC NETCOM Profibus，重新建立一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277 Profibus-DP。(3)设置PG/PC interface 在设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。(4)WINCC的设置
在WINCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUS DP.CHN，设定参数。(5)建立变量
WINCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WINCC从S7-200系列PLC读入数据，Out表示WINCC向S7-200系列PLC写出数据。In和Out与数据存储区V区对应。(6)优缺点
优点：该方法数据传输速度快，易扩展，实时性好；
缺点：传送数据区域有限(最大64字节)，在PLC中也必须进行相应的处理，且硬件成本高，需要Profibus总线等硬件，还需要Com Profibus软件。
应用场合：适用于要求高速数据通信和实时性要求高的系统。
图4 系统实时监测界面
5系统运行实时监测界面 图4为系统实时监测界面。
6结束语
文中介绍的新型供水方式不论在设备的投资运行的经济性，还是系统的稳定性和可靠性，自动化程序等方面，都是具有无法替代的优势，而且具有显著的节能效果。目前，该系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展，而追求高度智能化、系列化、标准化将成为必然趋势。
变频技术及变频器刍议 篇3
关键词：工业电气自动化；变频调速；应用
中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）27-0060-01
德国学者Blaschke于20世纪70年代提出矢量控制理论，这一理论的提出使交流电动机实现了解耦，并能够进行矢量的变换，促进交流调速动、静态性能达到直流调速的水平。80年代，德国学者Depenbrock接着提出直接转矩控制原理，从而减少了在矢量的控制较为繁琐的坐标的控制的变换。这种方法是电压型逆变器的工作过程中，控制住转子磁链和定子磁链间的夹角，完成对电动机转矩的直接控制。该种控制方法比较简单且易于操作，而且对电动机模型的参数没有太大的要求。变频调速技术的应用，使控制的效果好于直流调速，而且变频调速的可靠性也在不断的提高，实用性较强，其在工业电气自动化中有着广泛的应用，是科学技术发展的必然结果。
1 变频器的节能原理及常用功能
1.1 变频器的节能原理
①变频调速节能。根据水泵工作的原理，流量和转速的一次方是成正比的，功率和转速的立方成正比，扬程与转速的平方成正比，即水泵的效率保持一定，当调节流量下降，转速也成比例下降，此时功率成立方关系降低。
②功率因数补偿功能。无功功率容易导致设备发热和增加线损，功率因数降低会使有功功率降低，导致大量电能消耗，降低了设备的使用效率，浪费严重。装置变频调速器能够提高功率因数，减少无功损耗。
③软启动节能。电机一般为Y/D启动或直接启动，其中启动电流相当于额定电流的4～7倍，这既需要较高的电容量，也容易影响电机使用寿命。变频器能够利用软启动的方式使启动电流极大降低，降低了电容量的要求，减轻了对电网的冲击，延长设备寿命。
1.2 变频器的常用功能
①过载保护功能。该功能能够有效保护电动机使其不易被烧坏。电机在低额运行的时候其较差的散热性导致电机发热严重，温度升高超过额定值。变频器具有电子热保护的功能，其中在不同运行的频率下有着相应的保护曲线，运行频率越低，连续运行的时间就越短，对电动机进行有效保护。
②升速功能。变频器的升速其实就是从一种稳定的状态到另一种稳定的状态，一般情况下，在保证电流低于额定电流的情况下，尽量降低升速时间。其中常见的升速方式有：S形方式、半S形方式、频率和时间呈线性关系。当然需要根据具体的情况选择合适的升速方式。
2 变频调速技术在电气自动化控制中的应用
2.1 变频调速技术特征
在工业生产领域应用变频调速的技术能够满足企业生产的需要，变频调速技术经过长时间的研发和实践而形成，具有显著的特征，影响着工业领域成长和发展。变频调速器中所使用的全部Cyclonell器件运用的都是300 mm晶圆，并且采用低K工艺和TSM90 nm技术而制造，从而加快了制造速度，提高生产效率，并且节约了成本，降低了生产造价。这种技术在设计时使用的的是最小化硅区，在具有复杂性的数字系统中，一个芯片就可以了，所花费的成本仅仅相当于一个专用的集成电路成本。这样既降低了成本，还可以达到使用的要求。高性能的通用变频器的主要目的就是满足不同工程的需求，其硬件结构通常包括带能量回馈单元变频器、公共直流母线式变频器、独立式变频器。特别是独立式变频器应用较为广泛，它能够逆变单元和整流单元共同放在同一个机壳里，并且效果十分不错。
2.2 变频调速技术的应用
变频调速技术最早出现于20世纪80年代，是随着科学技术的发展而产生的，该技术的出现使工业生产进入全新的时期，为人类生产力的提高起到了巨大的推动作用。
变频调速技术主要由以下几个部件组成，其中每个部件都发挥着各自的功能并有着重要的作用。
①自适应电动机模型单元。这个单元是重要的组成部件，在具体的应用中，它主要的作用是对输入电动机的电流和电压进行检测，从而来识别电动机的基本参数。根据这种电动机的模型来说，它有着十分重要的作用，而且是进行转矩直接控制的关键单元。变频调速技术在工业中应用的时候，一般情况下当转速控制精度大于0.5%的时候，可以运用闭环转速来反馈，最后达到应用的要求。
②转矩和磁通比较器。两种比较器就是将参考值和反馈值分别对比，每20 ms进行一次比较。在对比完成之后，利用滞换调节器的功能来输出磁场状态或者转矩，然后就能够及时的掌握磁场状态和转矩状态，从而为采取针对性的措施提供重要依据。
③脉冲优化选择器。一般情况下选择CyclonellEP2C5Q208
C8芯片来对信息进行处理，完成选择之后，需要设计OFDM信号源，同时还要编写由5个模块所组成的电路，每个模块具有不同的功能，其中包括D/A功能、缓冲模块、插入循环前缀、FFT、星座映射。可以使用OFDM信号源仿真验证的方式对这些模块的功能进行验证。接下来的工作就是完成OFDM信号源的设计，工作内容为FPGA硬件验证和软件仿真验证。一定要认识到电解电容器的容量本身具有强烈的离散性，这种特性的存在很可能会造成他们承受着不相等的电压状况，从而对整个系统造成不利的影响，这时就需要采取一定的措施对这种状况进行必要的改进和优化，最后将离散性可能造成的不利影响消除。常用处理方法：在电容旁各并联一个相等阻值的均压电阻。此外，为了保护整流电路的安全以防止被烧毁，可以在电路中增加抑制浪涌电流的方法。
3 确保变频器正常运行的预防措施
变频器的不正确使用容易使变频器发生故障或影响使用效果，为了确保变频器的正常发挥功能需要掌握科学的预防措施。
针对外部电磁感应的干扰，可以采取缩短控制回路配线的距离，并与主线分离。变频器应该按照规定来接端子，不可以同动力接地、电焊混用。安装噪声过滤器，以防止干扰；针对环境问题，按照要求安装空调或采取一些避免阳光直射，对某些振动冲击大的情况，可以应用橡胶等减震方法，此外还要定期的检查变频器的冷却风扇及空气过滤器；最后，一定要特别注意选择正规厂家的变频器产品，规范对变频器的日常保养，由专人对变频器的日常使用和维修负责，加强对变频器设备的操作和管理人员的培训，对维修人员的专业节能深入或系统的培训，确保变频设备正常运行。
4 结 语
目前有很多生产领域都装置了变频调速器，有效地满足了生产中降低能耗的要求，在保证生产安全和产品质量的前提下，其为企业带来了良好的經济效益。调速器的设计应该根据实际要求将调速器的作用和功能不断地创新和完善，为工业电气自动化提供具有优秀节能价值的高质量变频调速器，既起到了节能作用，又达到了改善工艺条件的要求。
参考文献：
[1] 张丽峰.变频调速技术及其在工业电气自动化控制中的运行[J].科技风，2013，（21）.
[2] 黄仁勇.浅谈变频调速技术在电气自动化控制中的应用[J].电源技术应用，2013，（2）.
[3] 韩齐丽，王娜，董琳.变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用[J].中国机械，2013，（32）.
[4] 杨渭建.变频调速技术及其在工业电气自动化控制中的应用探析[J].科技风，2014，（3）.
[5] 翟昱明.变频调速技术在工业电气自动化控制中的运用探究[J].信息系统工程，2014，（20）.
刍议矿山机电设备变频控制技术 篇4
一、阐述变频控制技术的应用原理
1. 电压转化的有效调速
变频控制技术就是一种交流变频的调速处理技术, 只要含有对电力电子技术、点击传动技术以及各种微机处理技术的综合应用体, 将矿山机电设备的使用电能与强弱不同的电能进行混合处理的综合性技术。主要的表现原理就是通过电力半导体器件通断作用将工频电源变换成为其他频率的电能控制装置。在基本原理的掌握上, 主要把握点就是通过整理将矿山机电设备或者其他的交流电压转化为普通的直流电压, 然后通过改变频率, 采取逆变器的有效作用, 实现电压的交互应用, 并将交流电压作为一种驱动电能, 从而实现无极调速的电压需求点, 并达到没有附加损耗的有效调速方式。
2. 整体功能的全面发展
在变频控制技术的原理应用上, 通过调速来实现矿山机电设备的负载变化, 获取自动化的增减速效果, 从而更好的提升矿山开采的工作效能。尤其是近年来在技术追求上的不断升级, 通过在功率器上更换GTR、IGBT等, 建立全面的智能功率模块形式, 在变频控制技术上, 将实际变频器中的矢量控制和转矩直接控制方式等技术融入进来, 并研发出模糊自动化控制以及人工神经网络的技术提升, 形成数字信号处理技术、各种高级集成电路的单机片等, 更好的实现基本调速, 采取参数识别、编制程序等方式实现自动化的管理和应用。
二、概括矿山机电设备变频控制技术的现状及问题存在
1. 故障表现的主要点
机电故障的主要表现有损坏型故障, 如断裂、开裂、点蚀、烧蚀、变形、拉伤、龟裂、压痕等;退化型故障, 如老化、变质、剥落、异常磨损等;松脱型故障:松动、脱落等;失调型故障, 如压力过高或过低、行程失调、间隙过大或过小、干涉等。机电设备对于煤矿企业来说是重要的生产工具, 特别是在现代化生产的今天, 机电设备也是衡量煤矿企业生产技术水平的重要标志。
2. 不同阶段的表现特征
设备的发生故障分为三个阶段, 即早期故障期、偶发故障期、耗损故障期。早期故障期对于机械产品又称为磨合期。此段时间的长短, 随产品、系统的设计与制造质量而异, 此期间发生的故障, 主要是由设计、制造上的缺陷所致, 或是使用环境不当所造成;设备进入偶发故障期, 故障率大致处于稳定状态, 趋于定值。在此期间, 故障发生是随机的;在设备使用的后期, 故障率开始上升。这是由于设备零部件的磨损、疲劳、老化、腐蚀等造成的。如果在此其初期进行大修, 可有效地降低故障率。
三、探讨矿山机电设备变频控制技术的具体应用
1. 在提升设备中的应用
在矿上开采的过程中, 提升机的作用是不可低估的, 在输送各种物质材料等方面承载着重要的作用, 在传统变频控制的技术应用上, 一般采用的是采用金属电阻的接入方式, 并通过鼓型控制器来切除电阻已达到调速的效果。这样就会造成电能的各种损耗, 尤其是对提升机在调速过程中带来各种动力制定直流电流以及低频电流, 影响提升机的整体运用效果。因此, 在全面分析矿山采矿提升机设备的电力安装系统的基础上, 将变频控制技术运用进来, 能更好的提升各种效能, 达到平稳的调速。一是可以通过编制一定的程序设计, 形成完整的电控系统, 并构建与继电器的逻辑关系, 形成控制电路图与梯形图之间的相互转换, 降低外部线路执行继电器的减少, 减少故障的发生率。二是在提升机的负力状态的处理上, 通过修改内部程序, 增强提升机的制动力矩, 增强绞车下方的安全性, 这样就能有效减少提升机的机械磨损, 不易发生机械实效的故障, 增强提升机的使用寿命, 提高工作效能和经济效益。
2. 在皮带中的应用
矿山设备中的机电皮带运转, 功率也是更大的, 作为一种高电能的机电设备, 在变频控制技术的应用, 更显得尤为重要。皮带的主要应用原理就是通过驱动轮毂, 依靠摩擦力牵动皮带运动, 皮带通过其特殊的张力变形以及摩擦力带动在滚轴上运动。变频控制技术的运用, 处理好上下轴出力不均匀, 造成机体整体运作的不协调性, 尤其是前后上下的拖动、恶性循环, 造成电源不断、电阻受阻, 导致过载跳闸。如果失去稳定性能, 就会造成位置的偏移, 对矿山的整体运作都会造成很大的破损, 也会带来皮带的磨损, 因此, 在矿山机电设备皮带工作的过程中, 要全面确保稳定性, 在停用传统理论计算方法来确定工作辊偏移距的同时, 尽量避免摆动, 采用变频技术实现皮带传输机软起、软停等运行方式, 稳定了皮带机工作性能。改造之后, 系统可以根据负载变化情况, 调整输出频率和力矩, 改变了以往电机工频恒速运行模式, 在一定程度上节约电力能源消耗。
3. 在通风机中的应用
在矿山机电设备中, 变频控制技术应用于通风机中, 通过对通风机中主扇风机的控制, 有效的调节通风机的安全运转。尤其是通风机在矿山采矿过程中, 对功率要求是越来越高, 在矿山通风机设备采用了变频调速之后, 可以根据巷道的风量需求情况进行调速, 避免了电能消耗, 应用效果十分显著。由于通风机通过变频器的改造之后实现了变频软启动, 防止了启动电流冲击, 既对电网设备没有冲击, 又能随意启停。在大部分时间里面, 通风机都是在较低的速度下面运行, 所以大大降低了通风机工作强度, 能使得通风机的使用寿命得到延长, 避免不必要的维修。通风机的机房必须安装水柱计、电流表、电压表、轴承温度计等。
4. 常规采矿设备的创新
在提高常规装备经济实用性的基础上, 根据提高装备性能的需要有计划地发展新产品。通过使用新技术新装备, 譬如, 快开门方式应用于控制箱当中, 电气控制应用双PLC全数字控制系统, 硬件电路互相荣誉做好绞车提升控制与数字监控, 并且在PLC发生故障能技术完成零食提升。在控制系统中配置正常操作, 设置各种保护设备, 其中过卷装置、限速装置和加速功能保护成为相互独立的双线模式。从综合经济效益出发考虑, 在2000m以下的矿井中使用最新的钻井技术, 从而避免钻机总体设计不合理的弊端, 实现机械化和自动化, 提高装备的工艺性能为主要目标, 取得最大的经济效益, 都以高度的可靠性为基础。
四、结语
随着采矿技术的不断提升, 变频控制技术在机电设备中也面临着更大的任务和压力, 在全面提升变频控制技术的同时, 增强变频控制技术在速度调适, 效率提升、面积减少等方面的优势, 从而更好的实现技能降耗的效果, 并提升采矿业的运行效率, 更好的服务经济社会的发展需求, 提高各种安全性能。
摘要：简要分析矿山机电设备变频控制技术的原理基础上, 概述矿山机电设备变频控制技术的应用现状和存在的主要问题, 全面探讨变频控制技术在矿山机电设备中的应用模式, 更好的服务矿山的技术开采。
高压变频器构成及测试 篇5
哈尔滨九洲电气股份有限公司成立于，是以“高压、大功率”电力电子技术为核心技术，以“高效节能、新型能源”为产品发展方向，从事电力电子成套设备的研发、制造、销售和服务的高科技上市公司，
本文主要对PowerSmart系列高压变频器功能、出厂测试进行介绍。
1 Power SmartTM高压变频调速控制装置系统组成
Power SmartTM系列高压变频调速系统主要由切分移相干式变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、远控操作箱、旁路开关柜等部分组成。切分移相干式变压器为变频器的输入设备，一般由铁心、输入绕组、屏蔽层、输出绕组及冷却风机、过热保护等部分构成。控制单元柜主要由主控制器、温控器、风机保护器、人机界面(数码管和彩色触摸屏可选)、PLC、嵌入式微机、开关电源、EMI模块、隔离变压器、空气开关、接触器、继电器、模拟量模块、开关量模块等组成。
2 工作原理
Power SmartTM系列高压变频器是采用单元串联多重化技术属于电压源型高-高式高压变频器。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器来独立供电。采用多重化叠加的方式，使变频器输出电压的谐波含量很小，不会引起电动机的附加谐波发热。其输出电压的dV/dt 也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交流电动机供电，而且无需降容使用。由于输出电压的谐波和dV/dt都很小，不需要附加输出滤波器，输出电缆也长度无要求。由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，避免了由此引起的机械共振。变频器工作时的功率因数达0.96以上，完全满足了供电系统的要求。因此不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“完美无谐波的高压变频器”。
3 技术特点
采用双DSP控制，可靠性高，杜绝了变频器死机问题;采用36脉冲整流(以6KV变频器为例)及空间矢量多重化PWM技术，每相由6个功率单元串联而成，并直接驱动电动机，无需输出升压变压器，
输出电平数高，dv/dt很小，输出波形接近正弦波。采用专利技术的实时光纤传送技术，对功率单元进行控制。变频器输出转矩脉冲窄，控制精度高，避免了机械共振。完善的自我诊断和故障预警机制，上电自检，运行中实时监测，检测速度高。通过双DSP系统，实现纳秒级运算并进行综合判断，分析准确，减少变频器误报警。
具有PWM控制波形与逆变输出波形实时验证功能，提高了输出波形的准确性，增强了系统无故障的运行能力。具有反转启动和飞车启动功能，无论电机处于正转还是反转状态，变频器均可实现大力矩直接启动。具备来电自启动功能，避免电网短时失电对生产造成影响。变频器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等情况时，系统均能故障定位并且及时告警或保护，对电网波动的适应能力强。支持中心点偏移式的旁路技术。当某一个功率单元失效时，能够立即对该单元实施旁路处理，而整个变频器的输出仍能维持94%以上的电压，这保证了系统的不间断运行。
4 出厂测试
Powersmart系列高压变频器检验项目(全功率出厂测试)包括：①一般检验：包括外观、部件、元器件。②电气间隙与爬电距离检验。③安全与接地检验。④外壳防护检验。⑤保护功能检验。⑥显示功能检验。⑦效率检验。⑧功率因数检验。⑨输出电压检验。⑩频率分辨率检验。 过载试验。 连续运行试验。 启动特性控制实验。 温升试验。 谐波实验。 控制回路上电源切换实验。 不间断后备电源实验。 高压掉电短时跟踪再启动实验。 飞车启动试验。
九洲电气生产的每一台PowerSmart系列高压变频器，在出厂时都经过严格测试。九洲电气组建了高压大功率变频器实验室。具体包括：电气性能试验室，负责对产品的工频耐压、电气绝缘、三防、效率、功率因数、产品的动态特性等性能进行综合测试。电磁兼容实验室，负责对产品进行快速脉冲群、静电、浪涌、电压跌落等项目试验。单元模块老化实验室，负责对每一个功率单元、控制单元板进行高温带载72小时老化实验。中高压变流试验站，是与罗克韦尔共同建造的，负责对中高压等级的变频器、软启动器、兆瓦级风力发电变流器、SVC产品进行智能化带负载性能测试。其所能测试等级为690V到10KV,最大测试功率可达到5000KW。它为高压变频器的技术发展提供了一个全方位的试验平台。
参考文献：
离心泵变频调速及节能技术探讨 篇6
【摘 要】对于离心泵的选型依据就是根据在生产的过程中可能出现的最大的负荷，比如说最大的流量和扬程来选择合适的离心泵的。但是在实际的运行过程中，我们有时候是需要对离心泵进行相应的调整的，因为当生产情况发生改变了，所传输的流量就不能达到原本的设计要求了。本篇文章笔者将主要就离心泵的变频调速和节能技术进行详细的探讨。
【关键词】离心泵；变频调速；节能技术
在离心泵的实际运行的过程中，往往会由于实际工况的改变而不能够做到满负荷的运行，所以就会造成系统效率低、电能消耗很大的现象[1]。当然在近几年，炼油厂在离心泵的节能方面也做了不少的工作，比如说合理的选型和配套等。但是离心泵由于定转速电机传动。用阀门调节造成的浪费现象并没有得到有效的解决，而如果想要切实的实现节能技术，就必须要对离心泵实行变频调速。
一、离心泵的相关概述
离心泵是一种通用流体机械，它被广泛的应用于化工工业系统之中， 它具有的优点也是十分的多，比如说：它的性能适应范围很广（当然也包括流量、压头及对输送介质性质的适应性）、结构构成简单、体积比较小、操作难度小、所需要的费用也很低等。通常情况下，我们所选择的离心泵的流量、压头可能会和管路中要求的不一致，或着则是由于生产任务、工艺的要求发生了一定的变化，不管是怎样的情况，只要是出现了不适合的现象，都要求对泵进行流量调节。而所谓的这些流量调节的实质其实就是改变离心泵的工作点。
离心泵的工作点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线一起来决定的，因此，改变任何一个的特性曲线都可以达到流量调节的目的。
二、 离心泵的变频调速及节能效果
对于离心泵出现的高耗能的问题，我们最常用的方法就是通过调节泵出口阀门的开启度来进行调节的，然后再通过出口节流来控制相应的流量，但是我们会遇到这样的问题，那就是当泵的效率下降的比较快的情况下，就很难让泵再恢复到以前的那种状态了，而且也不能够在情况很复杂的地区使用[2]。所以如果是面对这样的问题的话，最简单可行的方法，就是对泵速进行相应的调节，改变泵的转动速度。这样不仅可以代替阀门的作用，而且也可以减少管路的一些损耗。
对于离心泵的调速方法有很多种，主要包含了：变极调频、变速调频、串级调频、无换向器等等。在这么多种的调速方法中，其中变频调速被用到的是最广泛的，不管是在老机器还是新机器中，都会被大量的使用到的。
（一） 变频调速的相关原理
我们所说的变频调速实际上就是改变电动机的转速的。它主要是通过变频对三相交流电的控制来得以具体的实现的，我们可以参考下面的公式来进行理解：
n=60f（1-s）/p （1）
在上面的这个公式里面，n代表的是电机转速；f代表的是电源的频率，Hz；s则是转差率；p是电机极对数。我们从这个式子里面可以看得出来，转速n和频率f它们之间的关系是呈现正比例的函数关系，借助于这个公式，我们肯定就能够发现，通过改变转速，就是可以改变离心泵的扬程还有它的流量的。
对于泵的调频节能原理，我们可以参考下图，因为它的变频调速是可以通过调整扬程和流量而得以实现的。如图一：
（H-Q）1它表示的是泵在调速时的流量和扬程的变化关系；（H-Q）e则表示的是泵在而定的转速下扬程和流量的变化关系；Hs代表的是泵的静止扬程；R1则是泵出口阀完全开放的时候的管道的阻力曲线；He和Qe代表的是泵的额定扬程和流量；R2是泵出口阀节流控制时候的管道阻力曲线；Hb和He、Q1为调节后的扬程和流量。当流量通过泵出口阀来进行调节的时候，流量从是Qe变化到了到Q1，而管阻则是由R1变化成了R2，扬程的变化是从He变为Hb。
面积OHbBQ1可表示Pb，如果泵的全部出口阀都打开，那么就会改变泵的转速，通过对转速的改变进而再去调节流量，则（H-Q）e曲线会平行下移到（H-Q）1，管道的阻力曲线R1和这条曲线会相交在C点，面积OHCCQ1就表示了的泵的轴功率Pc。我们很直观的看到了流量是由Qe调节到了Q1，当然因为不同的调节方式，完全会出现不一样的结果的。当Pc （二）离心泵变频调速技术的应用 我们所了解的变频调速，其实对于它的变频调速的范围是比较宽泛的。当我们在实施变频调速的时候，当转速控制在70%以上的时候，系统的效率变化看起来变化的比较小；但是转速低于额定转速的40%-50%的时候，系统的效率往往变化，也就是下降的会很明显，所以这个时候其实它的节能效果也并不好。我们可以通过公式的应用来计算出电动机的实际功率：具体公式表示如下： 在第三个式子里面，PN代表额定的功率；P指的是实际的功率，而F代表电源的实际频率。 （三）离心泵变频调速的实际应用及节能效果 在很多的炼油公司，离心泵是被经常使用到的，就拿用到这些设备的一个公司来作为例子。这个公司现在拥有泵用变频调速电动机的数量是6台，而且几乎都是在上个世纪九十年代购入的，所以到目前也大概都超过了十年。下面的表格就是这六台离心泵变频调速发动机前后使用情况的相关对比： 从这个表格中我们很清楚的就能够发现，在使用了变频调速之后的电动机，它的电流下降了40%-70%，相应的功率也减少了类似的比例。这六台变频调速电动机的额定功率是718kw，按节能50%来计算的话，年节电也可以达到3020MW/h。所以我们通过离心泵的变频调速，看到的也是实实在在的节能效果，而且还可以获取很多的效益： 首先，利用这种技术可以有效的减少耗能。基于对这样的变频调速技术的应用，在厂区的电耗量也有所降低，而且还一度比全国的平均水平还要低，这肯定就是泵的变频调速技术的应用带来的好处了。 其次，机泵检修的时间周期慢慢的延长了，节约了检修的时间，降低了检修的费用，这些都会使得及其的故障发生率明显的降低，因此也提高了装置的运行平稳率，也在一定的程度上延长了电器的使用寿命。 再次，延长了调节阀和管路的使用寿命。当我们对离心泵进行变频调速之后，调节阀的压力就会降低很多，管路系统压力也相应的会有所降低，这样的话，就会使得调节阀和管路的使用寿命得到延长的。 最后，装置的噪声有效的降低。在使用了变频调节的电动机之后，它所产生的声音会比之前的要小很多，因此带来的噪声也大大的降低了。 总结 在离心泵的使用过程中，会因为各种各样突发的情况，而不能使它满负荷的运转，因此就造成了离心泵不能够得到高效的使用。而在一系列的实践过程中证明了变频调速技术是可以提高离心泵的使用效率，并且还会产生节能的效果。我们在文章中通过大量的数据和示例论证，结果证明这是可行的，所以在以后的实际操作中，我们也可以继续通过变频调速来实现离心泵的高效率运转。 参考文献： [1]祁彦伟. 浅谈离心泵变频调速节能[J]. 节能技术，2005，05： 95-97. [2]冯浩. 变频调速技术在离心泵节能中的应用[J]. 石油化工设计，2009，03：45-47+21. 1 变频调速技术的优势 一是节约电能:电泵和风机等大功率设备有着十分广泛的应用范围,被应用到各类生产中,它需要消耗非常多的电能。针对这种情况,过去在很长一段时期内,往往是利用阀门或者挡板来适当调整它的流量,这样就浪费了大量的资源。目前,变频调速技术正在兴起,对传统做法进行了革新,节能目的得到了有效实现。 二是生产率的提高:通过引进先进的变频调速技术,不管是怎么样的负载,都可以结合实际情况,对转速进行合理调整,并且还可以有助于加工工艺,保证最佳转速,此外,还可以将低速利用起来,对停车工作的高精度进行增加,这样就可以在很大程度上缩短生产过程中的间歇时间,企业的生产率可以得到有效提高。 三是产品质量的提高:对于加工机械来讲,选择加工对象的速度是最佳的,这样运输带生产机械在加速以及减速就可以实现平滑进行,对于造纸、塑料生产机械等,在转矩控制方面,则可以实现较高的精度,不仅可以达到直流电动机系统的性能指标,还可以有效超过。 2 变频调速关键技术在电力系统中的应用 一是矢量控制技术:西门子公司在上个世纪70年代开创了矢量控制技术,它作为一种新型技术,完成需要借助于矢量交换推经。主要利用转子磁场来定向矢量控制技术,如何有效的控制转换交流电机和直流电机,是本原理的关键内容,目前矢量控制技术已经被广泛应用于电力系统中。 二是直接转矩控制技术:经过矢量控制技术之后,逐渐发展起来了直接转矩控制技术,这种交流变频调速技术具有较高的性能。在具体的实践研究中,要想较高精度观测转子磁链,具有很大的难度。因为系统特性会在很大程度上受到电机参数的影响,并且矢量变换存在着一定的难度,那么理论就可能会不符合于实践情况。直接转矩控制技术不需要解耦电流,这是因为选择的是电子磁场定向。在定子坐标系下,直接分析交流电机的数学模型,并且直接控制电动机的磁链和转矩,这样才可以保证它的控制性能。相较于矢量控制技术,直接转矩控制技术有着十分简单的工作原理,掌握起来难度不大,并且其他参数也不会在很大程度上影响到本项技术,因此有着十分广阔的发展空间。 三是数字控制化技术:数字化技术作为变频装置的核心技术,符合时代社会发展的趋势,在未来一段时期内,将会成为主流。目前,通过调查发现,很多的变频装置在数字化控制方面都得到了不同程度的实现,通过应用微电子技术和ASIC技术,元件数量得到了减少,元件体积得到了缩小,在很大程度上增强了变频器的安全性能,控制的精度得到了提高,并且有着较快的速度和较高的质量,还可以将噪音去除掉。过去没有较高的速度,主要是因为CPU对其起到了限制作用,并且受到了离散化延迟时间的影响,随着科学技术的不断革新,将会大幅度提升CPU的速度。 3 变频调速技术和国外的比较 我国在变频调速技术方面起步较晚,受到很多因素的限制作用,比如经济条件、技术条件等等,这样就没有较高的科技研发能力,相较于西方发达国家来讲,整体水平还需要进一步提高。如今在自主研发方面虽然也可以进行,但是研发出来的产品只有较低的质量,和国家水平相比还存在着较大的差距,需要进一步提升,甚至落后于发达国家30年。从另一方面来讲,我国自从改革开放以来,对市场经济体制进行了确立和完善,形成了一个巨大的开放市场,国外的很多先进物品在我国运作起来也比较的顺利,国外很多技术的利用价值有很大。我国有着庞大的市场和充足的劳动力,因此各地已经纷纷建立了国内外合资公司,对新技术和新方法进行大力利用,将技术的优势充分发挥了出来,这样就大大提升了产品质量。在技术层面,我国的软件是自主研发的,引进国外先进设备作为成套部分,这样就可以将一流的电气传动控制系统应用到重大工程项目中,获得不错的成绩。对于那些直流调速设备,虽然已经落后于时代发展,但是因为改造的话,有着较大的工作量,并且价格也较低,那么在很长一段时期内,还不会完全被变频调速技术所替代。 4 结语 通过上文的叙述分析我们可以得知,变频调速技术具有一系列的优势,可以有效的节约能源,提高生产率和生产质量,因此自开发出来,就被广泛应用于生产之中。经过近些年的发展,我国的变频调速技术日趋完善;在未来一段时期内,随着科学技术的革新,将会越来越成熟。 摘要：随着时代的发展和社会经济的进步,我国电力行业发展迅速,新建了很多的发电站,据相关统计资料表明,在总能源消耗中,电能消耗所占的比例越来越大,在能源资源日趋紧张的今天,就需要节约电能,减少资源的浪费。随着科学技术的不断革新,计算机技术被应用到了电力系统中,自动控制技术不断发展,逐渐出现了交流调速技术。本文简要分析了变频调速技术在电力系统中的运用,希望可以提供一些有价值的参考意见。 关键词：变频调速技术,电力系统,运用分析 参考文献 [1]王宏成.变频调速技术在电力系统中的应用分析[J].科技传播,2013,2(17):123-125. [2]张德梅,索涛.变频调速技术在电厂风机系统中的应用研究[J].城市建设理论研究,2011,2(23):32-34. 近年来, 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展, 交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一, 电气传动技术面临着一场历史革命, 即交流调速取代直流调速和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、高功率因数和节电效果, 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 变频器的原理和基本构成 1.1 变频器 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, 能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。其主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分, 变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器, 直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器, 其直流回路滤波是电感。 1.2 变频器的基本构成 变频器分为交———交和交———直———交两种, 交--交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电称直接式变频器。而交———直———交变频器则是先把工频交流电整流器变成直流电, 然后把直流电换成频率、电压均可控制的交流电, 称为间接式变频器。目前较为常用的是间接式变频器。 1.2.1 整流器: 最近大量使用的是二极管的变流器, 它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器, 由于其功率方向可逆, 可以进行再生运转。 1.2.2 滤波电路: 在整流器整流后的直流电压中, 含有电源6倍频率的脉动电压, 此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动, 采用电感和电容吸收脉动电压 (电流) 。装置容量小时, 如果电源和主电路构成器件有余量, 可以省去电感采用简单的滤波电路。 1.2.3 逆变器:同整流器相反, 逆变器是将整流后的直流电源变换为所要求电压、频率的交流电, 以保证异步电动机运行。 1.2.4 控制电路: 是给异步电动机供电 (电压、频率可调) 的主电路提供控制信号的回路, 它有频率、电压的“运算电路”, 主电路的“电压、电流检测电路”, 电动机的“速度检测电路”, 将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”, 以及逆变器和电动机的“保护电路”组成, 其主要功能是根据各类反馈信号实时有效的控制整流器和逆变器的输出, 供应电压、频率适合的交流电源给电动机。 2 变频器控制方式 2.1 U/f=C的正弦脉宽调制 (SPWM) 控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低, 机械特性硬度也较好, 能够满足一般传动的平滑调速要求, 已在产业的各个领域得到广泛应用。 2.2 电压空间矢量 (SVPWM) 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提, 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的, 一次生成三相调制波形, 以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进, 即引入频率补偿, 能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值, 消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环, 以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多, 且没有引入转矩的调节, 所以系统性能没有得到根本改善。 2.3 矢量控制 (VC) 方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换, 等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1, 再通过按转子磁场定向旋转变换, 等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1 (Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流) , 然后模仿直流电动机的控制方法, 求得直流电动机的控制量, 经过相应的坐标反变换, 实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机, 分别对速度, 磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链, 然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量, 经坐标变换, 实现正交或解耦控制。 2.4 直接转矩控制 (DTC) 方式 1985年, 德国鲁尔大学的De Penbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足, 并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前, 该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型, 控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机, 因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制, 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 3 变频器调速节能 3.1 变频节能 由流体力学可知, P (功率) =Q (流量) *H (压力) , 流量Q与转速N的一次方成正比, 压力H与转速N的平方成正比, 功率P与转速N的立方成正比, 如果水泵的效率一定, 当要求调节流量下降时, 转速N可成比例的下降, 而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如:一台水泵电机功率为55KW, 当转速下降到原转速的4/5时, 其耗电量为28.16KW, 省电48.8%, 当转速下降到原转速的1/2时, 其耗电量为6875KW, 省电87.5%。 3.2 功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热, 更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低, 大量的无功电能消耗在线路当中, 设备使用效率低下, 浪费严重, 由公式P=S*COSφ, Q=S*SINφ, 其中S-视在功率, P-有功功率, Q-无功功率, COSφ-功率因数, 可知COSeφ越大, 有功功率P越大, 普通水泵电机的功率因数在0/6-0/7之间, 使用变频调速装置后, 由于变频器内部滤波电容的作用, COSdφ≈1, 从而减少了无功损耗, 增加了电网的有功功率。 3.3 软启动节能 由于电机为直接启动或Y/D启动, 启动电流等于 (4-7) 倍额定电流, 这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击, 而且还会对电网容量要求过高, 启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大, 对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后, 利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始, 最大值也不超过额定电流, 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。 4 总结 在工业控制领域中, 绝大多数是电动控制系统, 其最终的控制对象和执行机构均为电机, 电机的自动控制系统往往都是通过控制转速来实现的。上世纪八十年代, 随着电力电子技术的发展, 在国外交流变频调速技术在电机控制系统中开始工业应用, 一九九五年以来, 该技术传到中国大陆, 近几年在我国的应用也越来越广。现在在国外, 交流调速传动系统在很大程度上已取代了直流调速系统而上升为电气调速传动的主流。 摘要：电动机已经在工业生产、交通运输、国防建设等方面得到广泛应用, 其中很多方面对电机的速度调节要求十分精确, 比如车辆、机床等, 泵与风机等平方率型负载对速度调节的应用也十分广泛, 变频器在电力控制和节能方面意义重大。 关键词：变频器原理,控制方式,节能应用 参考文献 [1]郭立君.泵与风机[M].北京.中国电力出版社.2009.[1]郭立君.泵与风机[M].北京.中国电力出版社.2009. [2]孙传森.变频器技术.北京.高等教育出版社.2008.[2]孙传森.变频器技术.北京.高等教育出版社.2008. [3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社.[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社. 所谓变频器 (Variable-frequency Drive, VFD) 是应用变频技术与微电子技术, 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流 (交流变直流) 、滤波、逆变 (直流变交流) 、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器在有利于矿井通风的同时自身会产生一种电磁干扰, 而且随着使用年限的增加, 所产生的电磁干扰就越严重, 影响到变频调速系统的正常运行, 甚至产生矿井事故, 所以如何有效抑制变频器干扰的问题已经成为了我们应该思考的问题。 1 变频器系统的主要干扰 具体来看, 一种是外部环境对变频器的干扰, 主要包括补偿电容器对变频器的干扰和非线性用电设备对变频器的干扰;另一种是变频器对外界环境的干扰, 其中包括变频器所产生的充电电流经常会出现在电源电压的振幅值附近并造成不连续的冲击以及变频器的逆变桥输出的电压分布为矩形波并且带有与开关频率相似的高次谐波群, 进而产生的辐射干扰很强烈。 2 电磁干扰的传播途径 2.1 电磁辐射 变频器对电网来说是非线性负载, 它所产生的谐波对接入同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞, 则辐射强度与干扰信号的波长有关, 当孔洞的大小与电磁波的波长接近时, 会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样, 变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。 2.2 电路耦合 通过电源网络传播。由于输入电流为非正弦波, 当变频器的容量较大时, 将使网络电压产生畸变, 影响其他设备工作, 同时输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机铜损、铁损大幅增加, 影响了电机的运转特性。显然, 这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。 2.3 感应耦合 电磁波辐射能力和干扰源的频率有直接关系, 也就是说在干扰源的频率比较低的时候其电磁波辐射能力也比较低, 虽然干扰源不能和其他设备相连接, 但是其产生的电磁干扰能量还是能通过变频器输入和输出, 进而影响其他的导线并产生感应耦合。感应耦合的表现形式是多样的, 但是最主要的还是由导体间的电容耦合形式出现, 其采用哪种形式出现还和相邻导体之间的联系有直接关系。我们应该关注此种传播模式。 3 变频调速系统的抗干扰对策 3.1 隔离 从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来, 使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中, 通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰, 电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。变频器输入侧的谐波电流常常从电流侧进入各种仪器, 成为许多仪器的干扰源。针对此情况, 应在受干扰仪器的电源侧采取有效的隔离。方法有电源隔离法和信号隔离法。电源隔离法:即接入隔离变压器, 隔离变压器的特点是一、二次绕组的匝数相等, 但一、二次侧之间应由金属薄膜进行良好的隔离。一、二次电路中都可接入电容器。信号隔离法:在信号侧接入光电耦合器进行隔离, 适用于一些传感器传输线路较长, 并采用电流信号的场合。需注意的是:所用光电耦合器应是传输比为1的线性光耦合器;光电耦合器两侧的电容器对传输信号应无衰减作用, 即为直流信号时电容量可大些, 脉冲信号时则应根据脉冲频率的大小适当选择。 3.2 滤波 滤波是由滤波器产生的, 在变频器装置中安装滤波器主要就是为了避免变频器产生的干扰信号干扰到电源, 同时还能够有效地减少电磁产生的噪音和设备的损耗。同时为了减少电磁的干扰, 还可以在变频器的侧装置中也加入滤波器。如果在电源线中存在着某个敏感的电子设备, 还可以在电源线上设置滤波器, 也能够起到减少干扰的作用。在变频器的输出和输入电路里, 不仅有谐波频率低的, 还有部分谐波频率高的, 它们也会把能量传导出去, 对周围其他的电磁设备产生干扰, 滤波器对这种谐波频率高的有比较好的弱化作用。 3.3 屏蔽 当前为了有效的避免泄漏电磁干扰, 变频器都是用铁外壳。所以在选择输出线时应该尽量选择钢管, 尤其是变频器由外部信号控制的情况下, 要求的信号线一般都在二十米范围内, 而且信号线还应该和主电路线好控制线分离, 一定不能放在同一个线槽中, 值得注意的是周围的其他电磁设备也应该进行屏蔽处理, 如果效果不是太明显, 还应该做好接地处理。 3.4 采用电抗器 由于当前变频器中产生的谐波分量小的情况比较多, 这些谐波不仅会影响到自身设备的正常使用, 同时由于它们的产生也消耗了自身的无功功率, 进而导致变频器的线路使用年限的减少, 给企业带来经济损失。为了控制谐波电流, 我们可以改善变频器的功率因数, 当前采用的方法就是在变频器的输入电流中设置电抗器, 就能够有效地解决这个问题。但并不是非得采用电抗器, 工作人员应该根据电网的实际情况和变频器的匹配程度来定, 多数情况下采用还是可以的。此外, 为了减少噪音, 可以使用交流电抗器, 作用也是一样的。 3.5 合理布线 前面我们提到变频器主要是通过信号进行干扰的, 所以可以采用科学合理的布线减少干扰。下面就阐述一下具体的方法。一是在进行布线的时候应该把变频器的电源线和电缆分开, 但是如果电路必须和电缆相交的话, 最好是采用九十度布线法。二是变频器的输出和输入线应该和电源线有一段距离, 避免直接接触也不要平行。三是工作人员应该对所有的电源线和输出输入线进行屏蔽, 如果不能屏蔽的部分也应该使用套管, 最好是接地。四是保证控制柜中的所有线都能够接地, 而且把接地线和公共地线相连, 这样才能够保证尽量减少设备的干扰现象发生。此外, 作为工作人员应该对布线进行定期检查, 也好及时的发现问题, 如果问题严重也可以报告上级部门解决。 4 变频器在矿井设备中抗干扰中的应用 4.1 变频器在胶带运输机应用中速度上的控制 重载下起停机对设备驱动不见的冲击影响是很大的, 而通过变频器的速度调节功能可减少重载下起停机对设备驱动部件造成的冲击, 降低设备故障率。由于矿井原煤煤质的变化, 如含水量、灰分量、矸石量等增大, 这就造成在生产时每小时的处理量要降低。传统的处理办法是通过减少给煤量, 胶带运输机满频运行, 设备负荷率、能效低。而采用变频控制胶带机后, 通过对输送系统调频来降低转速, 降低过煤量, 不仅降低了电能的消耗量, 实现节能, 同时也可减小了设备的无效磨损, 降低设备维护成本。 4.2 变频器在给煤机应用中的给料控制 传统给煤机给料量主要是通过调节给煤机上方溜槽上的闸板的开口大小来调节给煤量的大小, 这种调节方式费时费力不说, 而且给料量的大小不好控制。神东通过对给煤机电机进行变频改造, 通过调节给煤机激振电机的频率, 从面改变激振力的大小实现给煤机给料量的改变。现在直接可以通过集控室的上位监控软件, 就可以快速精确的改变给煤量, 同时也避免了现场操作人员的安全隐患问题等。通过神东近几年变频器使用情况来看, 变频器节能降耗效果显著, 提高了生产系统的自动化程度, 减轻了工人的劳动强度, 降低设备故障率。但同时变频器对其他电气设备的干扰也日益明显。 5 结束语 关键词：四象限变频器,双PWM,LCL滤波器,Matlab,仿真 1 引言 通用型变频器,由于其整流环节不可控,存在网侧功率因数低、电流谐波大、能量不可逆的缺点。双PWM变频器是在一般通用变频器的基础上引进了PWM整流的能量变换装置。该装置能够提高电能的利用率,把由电动机产生的再生能源回馈到交流电网,并且能提高装置的功率因数,能主动地消除变频装置对电网的谐波污染。由于PWM整流,变频器中间直流环节的电压能保持稳定,通过整流桥和逆变桥的功率平衡控制,能大大减小直流电容的容量,提高了变频器的调速性能且节能效果显著。 文中对四象限变频器进行数学建模,然后在其基础上提出了有功功率和无功功率解耦控制的策略,并网电压定向使用了软件锁相环的方法,提高了锁相速度,开关器件使用IGBT双向开关,四象限变流器除了可以工作在整流状态也可工作在逆变状态,实现四象限运行。 2 四象限变换器的数学模型 四象限变换器有多种建模方式,本文所采用了是旋转坐标dq轴系下的数学模型,这种模型可以把有功功率和无功功率进行分解,易于解耦控制策略。它的理论基础基于坐标变换原理,把三相输出交流电从三相静止坐标系变换到两相静止αβ轴系下再变换到旋转dq轴系,空间矢量的变换如图1所示,其中旋转坐标系跟随电网电压相角θ以ω速度进行旋转[1]。 三相静止坐标系的空间矢量分解到旋转坐标dq轴系下得到四象限变流器数学模型: 式中:为交流侧电流矢量的dq轴分量;u q为交流侧电压矢量的dq轴分量;为电网电压矢量的dq轴分量。 式(1)表明电流dq轴分量除了受控制量ud、u q的影响外,还受交叉耦合项ωLiq、和电网电压ed、eq的影响,所以需要一种可以对dq轴分量进行解耦消除电网电压扰动的控制方法。 3 四象限变流器的控制策略 要保证输出交流电的解耦控制,即功率因数可调,必须要对四象限变流器的数学模型进行分析,现将式(1)改写为: 其中 可以看出、是与dq轴电流分量有一阶微分关系的电压分量,为解耦项,∆u d、∆u q为dq轴电压耦合的补偿项,为消除电网电压扰动的影响需要引入电网电压ed、eq进行前馈补偿,这样就实现了dq轴电流分量独立控制,还提高了系统的动态性能。 为简化控制算法,本系统用了电网电压定向矢量控制,把电网电压矢量u s定向与d轴上,这样图1中的θ=ωt就为电网电压u s的相角,电网电压的dq轴分量可以改写为: 式(2)就可以改写为: 四象限变流器与电网的有功功率和无功功率之间的交换: 从式(7)可以看出P大于零表示变流器从电网吸收能量,处于整流状态,P小于零则表示变流器向电网输送能量,处于逆变状态;同理,Q大于零表示变流器从电网吸收感性无功电流,Q小于零表示变流器从电网吸收容性无功电流。从式(7)可以得出结论,dq轴电流分量id、iq实际上就是变流器的无功电流和有功电流,调节id、iq的值就控制了四象限变流器的无功功率和有功功率。 四象限变流器用IGBT作为开关器件,IGBT为双向开关管,所以四象限变流器可做四象限变流器。当交流侧输入功率大于直流负载消耗的功率时,多余的功率会使直流母线电压上升,反之则直流母线电压下降。也就是说,直流母线电压与变流器吸收的有功功率有关,因此调节d轴电流给定值id*即可调节直流母线电压。直流母线电压会随着负载的增大而降低,此时增大id*使四象限变流器工作在整流状态,从电网吸收更多的能量为直流母线电容充电,提高直流母线电压,反之,则减小id*是四象限变流器工作在逆变状态,直流母线电容向电网放电,降低直流母线电压。在四象限变流器四象限运行时,控制q轴电流给定值iq*可以控制四象限变流器交流侧输出的功率因数,这就可以灵活控制四象限变流器吸收的无功功率,作为四象限变频器的四象限变流器,一般都需要四象限变流器工作在单位功率因数状态下,这时只需把q轴电流给定值iq*设为0。本文的电流采样在LCL滤波器之后,因为LCL滤波器的作用,电网电压和电流会产生相移,所以这时需要对无功进行补偿控制,也就是说q轴电流的给定值iq*不再设为0,而是根据LCL滤波器吸收的无功而进行给定,这样才保证电网的能量为单位功率因数。 根据式(2)~式(5)可以设计出双闭环的四象限变流器控制策略,如图2所示。 整个控制策略使用双闭环控制结构,外环为电压环,内环为电流环。电压外环给定值udc*与直流母线电压u dc进行比较,经过P I调节器调节,输出d轴电流给定量id*。q轴电流给定量iq*由需要的功率因数决定,一般都需要单位功率因数输出,则iq*给定为0。id*、iq*与实际电流的dq轴分量进行比较,误差经PI调节器调节后输出ud、u q,再与各自的解耦补偿项∆u d、∆u q和电网电压扰动前馈补偿项ed、eq运算后得到四象限变流器参考电压给定值ud*、uq*,再经过坐标变换得到两相静止坐标αβ轴系下的电压分量uα*、uβ*,最后送入SVPWM发生器输出四象限变流器各开关器件的驱动信号。 4 四象限变流器三相锁相环相角估计 四象限控制策略满足了有功功率和无功功率解耦控制,在控制策略中需要用到坐标变换,由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的过程中需要用到电网电压的相位角,这就要求快速而准确地获得电网电压相位角,这是保证整个系统具有良好性能的前提。因为电网相位角固定频率,一般采用锁相环获得电网电压的相位角,因此设计优良的锁相环可以对系统的性能有很大的提高。 获得电网电压相位角的一般途径是先产生一个与电网电压同步的信号,再通过同步信号获得相位角。产生同步信号的方法有很多,最简单方法是用电网电压作为同步信号,但这种方法会因电网电压波形失真而导致系统输出电压和电流的畸变,甚至影响系统的稳定性,因此不宜采用此方法。一般采用锁相环来获得电网电压的相位角。 锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成[2],其结构框图如图3所示。其基本原理是实现跟踪,用实际电网电压的相位角和反馈的相位角偏差值,经鉴相器变换成电压信号,然后再经过环路滤波器对信号进行滤波,最后送入压控振荡器,该表系统内部同步信号的频率,直到输出相位角与电网电压相位一致。 锁相环有很多种,目前在电力电子装置中广泛应用的锁相环一般采用硬件电路检测电网电压过零点求得相位差信号,然后用硬件或软件实现锁相。然而,每个工频周期内电网电压只有两个过零点,这限制了锁相环的锁相速度;而且,电网电压本身的畸变和检测电路的各种干扰信号使得难以准确检测过零点,会导致锁相环输出相位信号产生振荡。 对于三相电网,采用单相同步的方法很难准确的实现dq坐标系与电网三相电压合成矢量的同步,必须综合三相电压的相位信息。如图4所示,当电网电压幅值,即电压合成矢量U的幅值不变时,U的q轴分量U q反映了d轴与电网电压U的相位关系。Uq>0时,d轴滞后U,应增大同步信号频率;Uq<0时,d轴超前U,应减小同步信号频率;U q=0时,d轴与U同相。因此,可通过控制U q,使U q=0来实现d轴与电网电压同相。由于已知电网电压频率为50Hz,因此,一旦锁相成功,相位角就可以在每周期内计算得出。基于这一思想,设计了一种采用ARM实现的软件锁相环。 图5所示是三相软件锁相环的结构框图[3],电网电压经坐标变换后得到U q,经过环路滤波器后改变压控振荡器的振荡频率。用ARM实现时,一般采用ARM内部定时器的循环计数来产生同步信号、实现压控振荡器和分频器的功能,因此可通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位。 设平衡三相电压为: 经过坐标变换后,可以得到 由式(9)可知,当d轴与U完全同相时。 5 仿真及其试验结果 5.1 Matlab仿真 使用Matlab进行四象限变流器仿真实验,本节对四象限变流器的双闭环控制策略进行了仿真。外环为电压环,内环为电流环,并且根据dq旋转坐标系下的电网模型进行解耦控制。 四象限变流器Matlab仿真模型如图6所示。 电流内环解耦模型如图7所示。 母线电压给定值为800V,其控制效果如图8所示。电网电压设定为100V工作在整流状态时的电网电压和电流波形如图9所示。电网电压设定为220V工作在逆变状态时的电网电压和电流波形如图10所示。 通过Matlab仿真实验可以看出,双闭环控制策略对于四象限变流器可以得到良好的控制效果,并且增加解耦控制后,可以有效调节有功功率和无功功率输出,对于LCL滤波器的无功吸收可以进行有效控制。同时,此控制策略采样软件锁相环,对于不同的电网电压有良好的适应性,在各种实际环境都能快速精确的对电网电压进行定向,从而提高了四象限变换器的整体性能。 5.2 实验结果 四象限变流器的结构如图11所示。 系统参数设定:额定功率电网线电压有效值3 8 0 V,取直流母线电压开关频率相电流峰值为取。 参考文章[4]计算出LCL滤波器总电抗分割后考虑1.5倍过载,额定电流有效值不低于25A;电容耐压不低于400V;阻尼电阻。 实际平台采用重物提升方式,负载使用160kg的砝码,由电机曳引,做起升和下降实验。在整个起升和下降的过程中,四象限变流器的电网电压和电流波形通过DL750示波器进行采集,波形如图12所示。 其中在整流状态时电网电压和电流波形如图1 3(a)所示;回馈状态时电网电压和电流波形如图13(b)所示。 从图13(a)可以看出整流状态时电网电压和电流基本重合,功率因数可达到1。当砝码下降时,能量向电网回馈,从图13(b)可以看出能量可以有效的向电网回馈并且可以保证良好的正弦度及功率因数。 6 结束语 本章对四象限变流器控制策略进行了分析和研究。首先建立了四象限变流器的两相旋转dq轴系下的数学模型,在此数学模型的基础上对四象限变流器解耦控制进行了研究,并给出了电网电压定向的矢量控制策略,详细描述了电流环解耦补偿的控制方法。其次,对于系统性能影响较大的电网电压相位角的估计给出了一种软件锁相环的控制策略,利用计算能力非常强的A R M处理器可以精确地对电网电压相位角进行跟踪,在实验中得到了良好的控制效果。整个控制策略达到了四象限变流器的控制目标: (1)稳定直流母线电压恒定且具有良好的动态响应能力; (2)四象限变流器能量可以进行双向流动。 (3)确保交流侧输入电流正弦,谐波小,功率因数可调。 除此之外还对四象限变流器性能产生重大影响的滤波器进行设计研究,提出了一种有效的设计方法。从本质上说四象限变流器是一个交直流电能转换的能量变换系统,由于无穷大电网电压基本恒定,快速实施对输入电流的控制也就能够有效的控制能量流动的速度和大小,本文所提出的四象限变流器可进行能量双向流动,完成四象限运行的目的,以后可在解耦的电流环基础上继续增加更加复杂的算法,实现更多的要求,为日后的研究奠定了基础。 参考文献 [1]M’ONICA CHINCHILLA,SANTIAGOARNALTES,JUAN CARLOS BURGOS.Control of perma-nent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid[J].IEEE Transactionson Energy Conversion,2006,21(1):130-135. [2]王福昌,鲁昆生.锁相技术[M].武汉:华中理工大学出版.1997. [3]CHANGJIANG ZHAN,Fitzer C,RAMACHANDARA-MURTHY,etc.Software Phase Locked Loop Applied toDynamic Voltage Restorer(DVR)[J].IEEE Power Engineer-ing Society Winter,2001,3:1033-1038.变频技术及变频器刍议 篇7
变频器节能技术及应用展望 篇8
刍议如何抑制变频器的干扰问题 篇9
双PWM变频器及应用技术研究 篇10
