通用变频器在交流电机变频调速中的应用.doc

1、通用变频器在交流电机变频调速中的应用摘要：随着国家对电力节能的大力提倡，对交流电机的节能技术已经刻不容缓。交流电机的节能，关键是对电机的变频调速，交流电机变频调速的典型应用就是通用变频器。因此，本文对交流电机的变频调速和通用变频器的应用进行了深入研究和探讨。 关键词：交流电机、变频调速、通用变频器 Abstract: With China has strongly advocated for power saving, energy-saving AC motor technology has become essential. AC motor energy, the key is for

2、frequency control motor, AC Motor typical application is the general-purpose inverters. Therefore, this article inverter AC motor drive applications and general-depth study and discussion.Keywords: AC motor, frequency control, general-purpose inverters 中图分类号：TN77 文献标识码：A 概论 1.交流电机调速的发展和趋势 近年来,交流电机变频

3、调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着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、快的动态响应以及在四象限并可逆运行等良好的技术性能。交流电动机调速系统的性能越来越好，特别是鼠笼式交流异步电动机的变频调速系统，其性能己与直流电动机调速系统相媲美。由于鼠笼式交流异步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、坚固耐用、工作可靠、维护方便、适应性强等一系列优点，而且功率、转速、电压的允许值高于直流电动机，所以交流变频调速技术得到了迅速的发展，并有取代直流电动机调速的趋势。 2.交流电机变频调速的应用 在拖动

4、系统中，交流电机变频调速的典型应用就是通用变频器，用变频器驱动电动机的目的就是实现调速，让电动机按照希望的方式运转。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。 以下就以通用变频器为例，论述交流电机变频调速的应用 2.1 变频器的发展前景 中国是能源大国，能源利用率很低，而能源储备不足。然而 2011 年中国发电总量约为 46037 亿千瓦时，电力拖动系统消耗的发电量约为23018.5 亿千瓦时，风机水泵类负载消耗 6113 亿千瓦时。因此国家大力提倡节能，并着重推荐了变频调速技术。应用

5、变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在节能的转速下运行。许多电机一般按最大需求来选择电机的容量，故设计裕量偏大，而实际运行中轻载运行所占比例较高。如果采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此，电机的节能潜力巨大，变频器应用于各行业。 2.2 变频器应用的行业 变频器主要用于交流电动机转速的调节，是交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪 80 年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在水利、电力、市政、化工、钢铁行业、矿

6、井提升、水泥行业风机、恒压供水等领域中，变频器都在发挥着重要作用，产生了巨大的经济效益。 2.3 变频器的选型 通用变频器的选型主要依据变频器的使用类型和容量两方面。 变频器的类型要根据负载要求来选择。一般来说，生产机械的特性分为恒转矩负载、恒功率负载和二次方律负载。 变频器容量的选择由很多因素决定，如电动机容量、电动机额定电流、电动机加减速时间等，其中最主要的是电动机额定电流，电动机的额定功率作为参考。变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。 2.4 变频器的工作原理以及应用 2.4.1 工作原理 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，控制

7、电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号。 （a）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

8、统中，电动机的减速和停机，是通过逐渐降低频率来实现的。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。 主电路原理图 （b）控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，影响着整个系统的性能，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。 在控制逆变部分，根据 PWM 波形的生成原理，用 IGBT 控制 PWM 波形，从而产生完美的正弦波。根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，从而提高了系统的精度和稳定度。保护电路主要包括电机

9、过压、过流、以及调速系统的保护等。控制电路和保护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，它主要是向变频主电路提供各种控制信号，使主电路安全、可靠的工作。 2.4.2 变频调速的控制策略 变频调速经过了两代控制方式的转变，实现了由恒压频比控制到矢量控制的转变。 第 1 代变频器采用的是恒压频比控制方式，它根据异步电动机等效电路确定的线性进行变频调速。电压是指基波的有效值，改变 U/f 只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制。 第 2 代变频器的主要特征是采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分

10、量和转矩分量。首先是要控制励磁，所以又把矢量控制称为磁场定向控制。矢量控制的主要缺点是需要复杂的坐标变换运算，以及需检测转速信号。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制的方法，它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流，以及定转子绕组参数推算出转速观测值，以实现磁场定向的矢量控制。 2.4.3 交流变频调速的优越性： (1) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 (2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。 2.4.4 变频器与负载电机的通讯协议 变频器的节能效果与普通调速的对比优势在于所用的通讯协议。通用变频器

11、一般都带有 RS232/422/485 通讯接口，可以实现上位工控机对变频器的 1 对 1 或 1 对多的通讯功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。在需要高精度控制时，可选用编码器，将转速反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。完善的软件功能和规范的通讯协议，使它可实现灵活的系统组态，组成现场总线系统，变频器在其中作为通讯的从站和传动执行装置。 2.5 变频器调速与传统调速方法的比较 上世纪八十年代到九十年代初，高压电机要实现调速，主要采用三种方式：（1）液力耦合器方式。 （2）串级调速。 （3）高低方式。 上述三种方式，发展到目前都是比较成熟的技术。液力耦合器和串级调速的调速

12、精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点：效率低，谐波大，对电机的要求比较严格，功率较大时（500KW 以上） ，可靠性较低。 与传统的调速方法相比变频器可以实现软启动和软关闭，任意调整发动机的加/减速时间，平稳的启动电机。 3.结束语 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。 变频器不仅具有卓越的节能作用、显著的调速性能和保护功能，还具有优越的控制方式。应用变频调速，不仅可以使电动机在节能的转速下运行，而且还可以大大提高电动机转速的控制精度，提升工艺质量和生产效率，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。 参考文献 （1）王建峰、秦庆国、李永军、任建业 浅谈交流电机的变频调速-科技创新与应用2012 年 13 期 (2)倚鹏高压变频器的产品和市场状况-电器工业2006年 06 期 (3)鲁元祥 浅谈交流电动机变频调速技术及应用-机电信息2011 年第 12 期 (4)浅谈交流变频调速技术的发展