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1、变频调速技术及应用,殷鹏,一、电气传动系统概述,定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成,中间传动机构,交流电源输入,终端机械,交流电机,直流调速装置,直流输出,减速箱等,提升机、风机等,直流电机,交流调速装置,交流输出,执行机构,变频器,交（直）流电气传动系统的特点,直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，一种调速方式性能优良，对硬件要求不高 电机有换向电刷（换向火化）电机设计功率受限电机易损坏，不适应恶劣现场需定期维护,交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机控制原理复杂，有多种调速方式性能
2、较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护,1、三相感应电动机的结构,（1）定子部分,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,（2）转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,包括端盖、风扇等。,（3）其它部分,二、三相感应电动机的工作原理及结构,按转子结构分：,绕线型感应电动机
3、,笼型感应电动机,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。,笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,2、三相感应电动机的工作原理,（1）转动原理,电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,三、交流异步电机的变频调速,调速方式主要有：1、变极调速2、变频调速3、变转差率调速4、转子串电阻调速（绕线式）,当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着
4、，这就是旋转磁场。,表面看来，只要改变定子电压的频率f就可以调节转速大小了，但是事实上只改变，并不能正常调速为什么呢?,假设现在只改变f调速设f上升，则将下降，于是拖动转矩T下降，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；倘若调节f下降，则上升会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高会使定子铁芯损耗I2R急剧增加。这两种情况都是实际运行中所不允许的。由上可知，只改变频率f实际上并不能正常凋速。在许多场合，要求在调节定子供电频率的同时，调节定子供电电压U的大小，通过u和f的配台实现不同类型的调频凋速。所以，变频的同时也必须变压，这也就是变频器常被简称为VVVF(Variable V
5、oltage Variable Frequency)的原因。,变频器的分类与特点,根据变频器的变流环节的不同进行分类：,（1）交直交变频器交直交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电，又称间接式变频器。目前应用广泛的通用型变频器都是交直交变频器。（2）交交变频器交交变频器就是把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电，而且转换前后的相数相同，又称直接式变频器。,变频器的电路结构,通用变频器的构造,主回路包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分。,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直
6、流,直流,交流,整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。,单相逆变电路工作原理,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,f1,f2,Ed,U1,逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,UUV,UVW,UVW,612,123,234,345,456,561,612,Ed,缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大，低速运行时影
7、响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,电机,PWM调制,PWM（Pulse Width Moduration）调制PWM控制是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为一系列等幅(幅值等于输入直流电压)电压脉冲序列，控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。改变开关通断时间比就可以改变输出电压的大小。逆变器的输出 脉冲的幅度取决于逆变器直流电压，脉冲的宽度取决于控制电压uc，而脉冲宽度的变化周期就是控制信号的周期1f。,控制电压,载波,控制电压,交流调速的控制核心是：只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果V/F控制简单实用，性能一
8、般，使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例:对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304V低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高,矢量控制性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电 流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的 转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算 机技术迅速发展才真正大范围使用,1、朱庄矿井下提升机1140V500KW隔爆兼本
9、安型四象限变频调速电控装置,四、变频调速技术在集团公司的应用,朱庄矿井下副暗立井提升机型号为2JK-3/11.5，双滚筒，滚筒直径3m，电动机为500KW、6KV、490转分，提升最大速度Vm=6.71m/s。,关键技术：A、500KW、1140V大功率四象限防爆变频器的主回路结构，采用3300V/400A高电压、大功率IGBT模块，结构紧凑，体积小，安装方便。B、采用无速度传感器矢量控制技术；C、采用AFE的自换向控制技术实现能量回馈制动；D、采用双PLC完成井下提升机的各种保护及控制；E、采用真空热管散热技术解决大功率防爆变频装置的散热问题。目标：实现提升全过程变频调速控制，满足提升机各种
10、运行方式，电气防爆，满足煤矿安全规程要求，安全可靠，技术先进，维修方便，节能降耗等。,系统组成 1140V500KW隔爆兼本安型四象限变频调速电控装置划分为：变频调速系统(由输入电抗器箱+VFD1、变频器箱+VFD2、输出电抗器箱+VFD3组成)；PLC控制系统(由PLC控制箱+DS、司机台+PA组成)；信号系统(+LM)。系统组成图所示。,无速度传感器矢量控制技术。采用全数字无速度传感器矢量控制，变频器在低频运行时，也保证有100%额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，0.5HZ即可达到1.7倍以上的起动转矩。,电气制动方式为AFE回馈制动,（1）能耗制动的变频绞车电控二象限变频器配上制动
11、单元和制动电阻后，可以进行四象限运行。由于电动机的再生能量完全消耗在电阻上，浪费了大量的电能，因而这类变频器适用在小功率的电机上，并且也适用在非防爆的矿井提升机上。,(2)采用回馈单元此系统虽然也是回馈制动，但其整流侧为六脉动整流桥，为不可控整流。因此当再生能量产生时，通过回馈单元经自耦变压器回馈电网，此时回馈电网的波形接近于方波，故在回馈时对电网造成非常大的污染。,（3）采用AFE技术的四象限变频绞车电控整流器与逆变器具有相同的主回路结构，是由IGBT模块组成。其显著特点是电源侧电流波形为正弦波；功率因数可调；可工作在电动或发电状态；有电压提升功能可补偿电网电压降低的影响；在发电状态时，当电
12、网电压消失时不会造成逆变失败。,采用AFE自换向变频新技术，使绞车在减速段或重物下放操作时系统能自动转入发电反馈状态，使制动更平稳，结构更简单，大大提高了安全可靠性能。网侧变频器采用PWM斩波调制，使输入电流波形为正弦波，大大减小对电网的谐波污染，总谐波电流含量4%。,系统特点：（1）结构紧凑、体积小、移动方便。（2）以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心，使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。表现在低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。（3）操作简单、运行稳定、故障率低、基本免维护。（4）功率因数高（0.95以上），谐波含量符合国标。,2、矿井主扇风机高压变频调速装
13、置,近年来，许多矿井采用对旋式主扇风机，该类型风机采用交流隔爆异步电机双电机拖动，靠调节叶片角度改变风量。这种调节必须在风机停机时才能进行，调整困难，且范围小；另一种调节方式是调节风机电机转速。海孜矿中央风井配置两台BD-II-8-26型对旋风机，一用一备，每台风机配置两台450kW、6kV防爆型鼠笼电机。因矿井通风系统变化，风机叶片角度已调到最小，并使用风门调节风量。这样造成风机系统运行效率低，电能浪费大，运行状况差。,海孜矿中央风井主扇风机,*风机变频调速节能分析 变频调速是通过改变电源频率f来调节电动机转速的。根据风机、水泵的相似定律，变速前后风量、风压、轴功率与转速之间关系为：Q1/Q
14、2=n1/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3Q1、H1、P1风机在n1转速时的风量、风压、轴功率；Q2、H2、P2风机在n2转速时相似工况条件下的风量、风压、轴功率。假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。,调节风机转速与调节风门改变风量，风机运行的工况点和特性如图所示。调节通风机转速改变风量的运行方式节电效果显著。,本项目首次将单元串联多电平式高压变频调速技术应用于矿井主扇风机上，改变了风机运行工况，提高了风机运行效率及装备水平，确保了矿井通风安全。由于两个电机的参数一样，由一台1000kW容量的高
15、压变频器控制两台电机，开环定速运行，风量风压控制在满足矿井的需要，大大降低能耗，减少维修工作量。因此，研制高压变频调速装置，降低风机运行速度，同时调整叶片角度在最佳角度，风机在高效区域运行，既满足矿井风量要求，又提效节能。,风机供电系统图,系统结构,高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6KV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，具有很高的可靠性。,变频器输出是将每相5个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。3相输出Y接，中性点悬浮，得到
16、驱动电机所需的可变频三相高压电源。图3.4为6kV 变频器的电压叠加示意图。,6kV电压叠加图,隔离变压器付边采用延边三角形接法，绕组间有12的相位差，相当于30脉冲整流输入，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流。下图为6kV系列输入电流实录波形，电流峰值120A，几近完美的正弦波。无需在输入侧安装滤波器，正常调速范围内功率因数大于0.95，无需功率因数补偿电容；可以减少无功输入，降低供电容量。,输入电流波形,快熔 二极管整流 直流环节 逆变输出 单元输出,原理功率单元,功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉
17、宽调制波形。功率单元具有旁路功能。,系统构成方案：为了充分利用变频器和保证系统运行的可靠性，系统共设置了三个切换柜。下图为高压变频器改造过程中高压变频器柜，变频器电源柜和三台切换柜。3#切换柜对应东台风机，2#切换柜对应西台风机，1#切换柜的手柄打到上位置时变频器输出对应2#切换柜，1#切换柜的手柄打到下位置时变频器输出对应3#切换柜。,串联铜排,散热器,Y接中点短接线,快熔,三相输入电缆,输出电流检测,通讯光纤,单元固定螺钉,变频改造实现的效果：（1）可以实现远程监控，对矿井精确配风，确保矿井通风安全。（2）节电效果显著。改造前海孜矿中央风井风机运行效率低，在45以下，采用高压变频调速装置后
18、，风机效率提高到78以上，年节电92万KWh。（3）变频器根据设定频率调节电动机的转速，实现风机的转速自动控制，投入变频器后风机进风闸门全部打开，增设DCS控制系统后，实现风机的远程联网控制，实现无人操作。（4）减少了对电网的冲击，延长了电机及风机的使用寿命。（5）维护量减少。采用变频调速后，风机的振动、噪音和温度明显降低,3、朔里矿付井提升机高压变频调速电控装置,现场技术参数：电机：6kV/630kW 减速机：11.5 滚筒：直径3米 井深：234.8米 最大提升速度：7.66米 加速时间：14秒 减速时间：13秒,朔里矿副井提升高度234.8m，原提升速度为8.1m/s，超速运行，不符合煤
19、矿安全规程规定，属重大安全隐患。整个系统在运行期间，出现失控区，易造成减速段超速。整个系统调速性能差，机械冲击大，系统运行不稳定。高压低频换向装置,型号为CC5150N/63，服务年限长，机构老化，存在严重安全隐患；安全性能差，故障率高，噪音大，能耗高，降低了系统的安全性，给系统的正常运行带来隐患；维护量大，维护点多，维护费用高。,一个提升周期为180秒，分为加速、高速运行、减速、低速爬行、停机五个过程。为了提高日采煤量，必须压缩提升周期，要求提升机在10秒内从OHz上升到50Hz运行。又在10秒内提升机从额定转速降到2Hz运行，提升机转筒,斗车惯量很大，减速过程中将产生80%额定功率的能量回
20、馈。,矿井提升机运行特点如下：恒转矩起动，转动惯量大；频繁启停，正反转交替运行。3分钟一个周期，急起急停，需要变频器具备四象限运行能力，提升急停或重物下放时变频器将再生电能送向电网；恒转矩低速爬行时需求速度平稳,要求：（1）原有电控系统和电动机等保留，增加高压变频调速装置；（2）利用用现有的操作控制系统控制新变频装置，并可使新老系统切换工作。要求变频器可以用双电源供电，可以自由切换使用两台电机。方案：（1）按着要求，在原来系统上增加一台高压开关柜；增加两台高压切换柜，来切换高压电源和电机；（2）在两台电机的主轴上安装轴编码器；（3）增加HIVERT-YVF06/077高压变频器一台。,变频器相
21、关参数型号：HIVERTYVF06/077输入电压：6kV输出电压：0-6kV输出电流：0-77A输出频率：0-50Hz运行方式：四象限控制方式：带速度反馈的矢量控制,高压变频调速柜是该系统的调速设备，具有能量回馈特性的四象限高压变频调速装置及其它必要的电器组成，用于向交流电机供电。高压变频调速装置将50Hz工频变成050Hz连续可调的变频电源，电动状态时从电网吸取能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，使电动机产生制动力，完成对电机启动、调速、验绳、低于额定速度运行等控制过程。,带速度反馈的矢量控制：,采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子
22、电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。,主功率系统1、隔离变压器：隔离变压器为输入6000V，输出580V的移相变压器，为每个单元单独提供动力电源；2、功率单元：每个功率单元是一个独立的变频器，即可以为电机提供变频后的电源，有可以通过控制，实现有源逆变，能量在单元内实现双向流动。,功率单元,功率单元由功率单元本身和滤波环节组成：1、滤波环节：由Y型接法的电容
23、和三相电抗器组成；2、功率单元本身：由快熔、缓冲环节、同步整流和有源逆变环节、直流环节、单元逆变输出环节组成。,功率单元,单元正面图,单元侧面图,现场运行对比图,用变频器的运行图,用老系统的运行图,特点和创新点,主要特点和创新点：（1）采用单元串联多电平式结构，实现提升全过程变频调速闭环控制、无级调速和多速度等级运行，满足副井提升机各种运行工况及特殊载荷运行条件；（2）采用AFE自换向变频控制技术实现能量回馈，可实现四象限运行，可靠性高，输入侧功率因数高且波形畸变小；（3）采用矢量控制技术，电机启动转矩大，过载能力强，能保证200%额定转矩输出1分钟。（4）节电效果显著，与原电控系统相比，可节
24、电30左右；与原转子串电阻调速控制电路可以互相切换，互为备用。,朔里矿副井电控系统改造成变频调速后，克服了原系统的缺陷，具有以下优点：(1)解决了煤矿安全规程第424条规定：立井罐笼提升最大速度不得超过v=0.5=0.5=7.66 m/s，原朔里矿副井速度为8.1m/s(工频50赫兹状态下)，现高压变频运行最高频率为46.66赫兹,最大速度为7.6m/s7.66 m/s。符合煤矿安全规程规定。(2)有良好的调速性能，调速精度高。启动、制动平稳，调速连续方便，连续平滑调节，提升人员时使乘罐人员乘座舒适；低速爬行平稳，定位精度高；通过减少爬行距离，缩短了提升时间，增大了日提升量。(3)启动及加速过
25、程冲击电流小，提升机在重载下从低速平稳无级平滑的升至高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击，延长设备寿命。4)四象限运行，能快速进行正、反转运行，制动时，将能量回馈电网，节约能源；节能效果显著，据实测可达到30%以上。(5)降低了运行噪声、发热量，改善了现场环境；自动化程度高，操作简单，降低司机劳动强度和操作难度，改善了司机的工作环境，使噪音及室温降低。,(6)电控系统现场变更控制内容十分简单，安装调试容易。关键器件采用高可靠性进口产品，电子元件全部进行老化筛选，保证了产品质量。变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，可靠性大为提高。这样，每天用于维护电控系统的人员和材料大为降低。另外，故障减少，提高了劳动生产率。采用模块式结构，一旦电路出现故障，可快速更换，不影响生产。(7)输入、输出谐波含量低，输入功率因数高。可以驱动普通交流异步电动机，在有交流提升机电控系统改造时可以保留原电动机，不用购置专用变频调速电机，并且不需增加谐波抑制及无功补偿装置，减少改造难度和设备投资。,
