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談變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)間:2007-10-16 11:58:00來(lái)源:hanjuan

導(dǎo)語(yǔ):?變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。
1 引言 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代后半期開(kāi)始, 電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制品閘管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管),器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開(kāi)始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣, 并得出諸多優(yōu)化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始, 美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。下面我結(jié)合自己多年從事變頻調(diào)速方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),談一些設(shè)計(jì)原則,希望與各位共勉。 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率分析 2.1 變頻器的效率與損耗 變頻器效率是指其本身變換效率。就變頻器的兩種形式而言。交-交變頻器盡管效率較高,但調(diào)頻范圍受到限制,應(yīng)用受到限制,目前通用的變頻器主要是交-直-交型,其工作原理是先把工頻交流電通過(guò)整流器變換成直流,然后用逆變器再變換成所需頻率的交流電。所以變頻器的損耗有三部分組成,整流損耗約占40%,逆變損耗約占50%,控制回路損耗占10%。其前兩項(xiàng)損耗是隨著變頻器的容量、負(fù)荷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而變化的,而控制回路損耗不隨變頻器容量、負(fù)荷而變化。變頻器采用大功率自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù),其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術(shù)中整流損耗力量小,根據(jù)文獻(xiàn)[1>提供資料,變頻器在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí),其效率為86.4%~96%,隨著變頻器功率增大而得以提高。 2.2 變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)效率的變化 變頻調(diào)速后,電動(dòng)機(jī)的各種損耗和效率均有所變化,根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,電動(dòng)機(jī)的損耗可分為鐵芯損耗(包括磁滯損耗和渦流損耗)、軸承摩擦損耗、風(fēng)阻損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。 鐵芯中的磁滯損耗表達(dá)式為: 說(shuō)明磁滯損耗Pn與磁通的交變頻率f成正比,與磁通密度的幅值Bm的α次方成正比,α對(duì)于一般硅鋼片,當(dāng)Bm=0.8~1.6W/m2時(shí),α=2。 由風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)理論,其流量Q與所需電動(dòng)機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為: Q∝n; P∝n3; P∝Q3 變頻調(diào)速后,磁滯損耗減少速度比電動(dòng)機(jī)有功減少,速度慢,損耗所占比例有所提高。 渦流損耗表達(dá)式為: Pe∝af2; 式中a=(Bm)2d2/rw; Bm磁通密度的幅值Bm; d鐵心厚度; rw渦流回路等效電阻。 軸承摩擦損耗: Pz∝f1.5 風(fēng)阻損耗: Pf∝f3 定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒(méi)有直接關(guān)系,但高次諧波及脈動(dòng)電流增加了電動(dòng)機(jī)的銅耗。 雜散損耗及附加損耗:不論何種形式的變頻器,變頻后除基波外,都產(chǎn)生現(xiàn)諧波,這些附加的高次諧波,許多諧波的轉(zhuǎn)矩方向是與基波轉(zhuǎn)矩方向相反的,另外高次諧波也會(huì)增加渦流損耗。綜上所述,變頻調(diào)速后,電動(dòng)機(jī)的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加,有關(guān)文獻(xiàn)指出,變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)電流增加10%,溫升增加20%。 3 變頻器控制方式的合理選用 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多,包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好,其實(shí)只要按負(fù)載的特性,滿足使用要求就可,以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。附表中參數(shù)供選用時(shí)參考。
4 轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問(wèn)題 基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn),變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式。在推出PWM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后,1998年末又出現(xiàn)采用DTC控制技術(shù)的變頻器(直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器)。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器,它能夠用開(kāi)環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制,而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。 直接轉(zhuǎn)矩控制它以測(cè)量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值,轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值的比較,給出其最佳開(kāi)關(guān)位置。由此可以看出它是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量,即刻調(diào)整逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通,以達(dá)到精確控制的目的。 4.1 選型原則 在選型前,首先要根據(jù)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動(dòng)、連續(xù)及過(guò)載)的要求,確定機(jī)械要求的最大輸入功率(即電機(jī)的額定功率最小值)。 P=n . T/9950(kW) 式中: P—機(jī)械要求的輸入功率(kW) n—機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min) T—機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩(N.m) 然后,選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速,要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍,使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能,避免浪費(fèi),可允許電機(jī)短時(shí)超出同步速度,但必須小于電機(jī)允許的最大速度。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)載或最高速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后,根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號(hào)。 應(yīng)注意的是,變頻器的額定容量及參數(shù)是針對(duì)一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的,一般指海拔1000m以下,溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定,在根據(jù)變頻器參數(shù)確定型號(hào)前要考慮由此造成的降容因素。 4.2 變頻器容量的選擇 通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個(gè)方面。其總的原則是首先保證可靠地實(shí)現(xiàn)工藝要求,再盡可能節(jié)省資金。 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類(lèi)型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱(chēng)無(wú)跳閘變頻器)和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類(lèi)型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等平方轉(zhuǎn)矩(TL∝n2),低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小,通常可選擇普通功能型的變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類(lèi)負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速要求的機(jī)械采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的。因?yàn)檫@種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大,靜態(tài)機(jī)械特性硬度大,不怕負(fù)載沖擊,具有挖土機(jī)特性。日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列屬于此類(lèi)。也有采用普通型變頻器的例子。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,常采用加大變頻器容量的辦法。對(duì)于要求精度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械(如造紙機(jī)械、軋鋼機(jī)等),應(yīng)采用矢量控制高功能型通用變頻器。安川公司的VS-616G5系列、西門(mén)子公司的6SE7系列變頻器屬于此類(lèi)。 大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述:額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng),變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出,或隨變頻器輸出電壓而降低,都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí),只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是,確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù),例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)額定電流要大于普通鼠籠異步電動(dòng)機(jī)額定電流,冶金工業(yè)常用的輥道電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多,同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài),且輥道傳動(dòng)大多數(shù)是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保持在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。 變頻器供給電動(dòng)機(jī)的是脈動(dòng)電流,電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下,用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大,所以選擇變頻器電流或功率要比電動(dòng)機(jī)電流或功率大一個(gè)等級(jí),一般為: Pnv≥1.1Pn 式中; PNV—變頻器額定功率,kW; PN—電動(dòng)機(jī)額定功率,kW 5 變頻調(diào)速設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 5.1 負(fù)荷匹配問(wèn)題 機(jī)泵負(fù)荷最大節(jié)能是選用型號(hào)、容量與實(shí)際負(fù)荷相匹配,其中包括機(jī)泵與所配電動(dòng)機(jī)的匹配,要避免“大馬拉小車(chē)”,一般設(shè)計(jì)裕量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。我國(guó)的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),往往存在向上靠檔,層層加碼,寧大勿小的現(xiàn)象,可以說(shuō),從工藝上提出流量時(shí)加系數(shù),選機(jī)泵時(shí)再加系數(shù),電動(dòng)機(jī)選擇還加系數(shù),以致部分工業(yè)系統(tǒng)的機(jī)泵實(shí)際運(yùn)行效率極低。如果在設(shè)計(jì)機(jī)泵負(fù)荷時(shí)加變頻調(diào)速,以達(dá)到節(jié)能的目的,實(shí)際是增加了變頻器,名義上是增加了新的能源損耗和增加了投資。現(xiàn)在不少對(duì)變頻調(diào)速的節(jié)能效益分析往往忽略了變頻器的效率等,這種簡(jiǎn)單的理論計(jì)算,其效果是失真的。 在工業(yè)生產(chǎn)中,由于生產(chǎn)負(fù)荷變化,生產(chǎn)季節(jié)變化等,機(jī)泵負(fù)荷也不是恒定不變的,有時(shí)變化范圍還是很大的,有些發(fā)電廠由于調(diào)峰需要,晝夜負(fù)荷變化也較大,而且機(jī)泵負(fù)荷在使用一年后,輸出流量將比額定流量有所下降。對(duì)流量變化較大的機(jī)泵負(fù)荷采用變頻調(diào)速效果是顯而易見(jiàn)的,而且負(fù)荷變化范圍越大,節(jié)能效果越好。 5.2 高次諧波 變頻器產(chǎn)生的高次諧波,會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變,而且是電網(wǎng)有效容量越小,變頻器容量越大,這種影響越嚴(yán)重。這種對(duì)電網(wǎng)的污染,會(huì)使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱,并產(chǎn)生電磁諧振,電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗,繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作等。各國(guó)對(duì)電壓畸變和諧波控制都有相應(yīng)的規(guī)定,我國(guó)GB12668-90中規(guī)定,電壓畸變率小于10%,任何奇次諧波均不超過(guò)5%,任何偶次諧波均不超過(guò)2%。使用變頻器后,在電網(wǎng)局部會(huì)超過(guò)國(guó)標(biāo),所以一定要采取相應(yīng)的措施。 5.3 電動(dòng)機(jī)選擇 由于變頻的載波頻率較高,電動(dòng)機(jī)繞組要承受較高的沖擊電壓。另外電動(dòng)機(jī)效率下降,轉(zhuǎn)速下降后產(chǎn)生的冷卻效果降低,這些都是應(yīng)該注意的。所以變頻調(diào)速后,包括變頻器和電動(dòng)機(jī)損壞情況較多。如條件允許,可采用YTSP和YSG系列變頻調(diào)速專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)。 由通用變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī),采用PWM變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí),定子電流中不可避免的含有高次諧波,電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)和效率將會(huì)更低,負(fù)載運(yùn)行時(shí)的鐵損也會(huì)有所增加。額定負(fù)載下電動(dòng)機(jī)的電流增加約8%,溫升增高20%左右,這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作在滿載或接近滿載狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)而言是不可忽視的問(wèn)題,故應(yīng)適當(dāng)加大電動(dòng)機(jī)容量,以防溫升過(guò)高,影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。 通用的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力是按額定轉(zhuǎn)速下且進(jìn)行自扇風(fēng)冷考慮的,當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí),其發(fā)熱不變但低速下的散熱能力變差了,可采用另加恒速冷卻風(fēng)扇的辦法或采用較高絕緣等級(jí)的電動(dòng)機(jī)。 5.4 變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問(wèn)題 (1) 選擇合適的外部熔斷器,以便保護(hù)因內(nèi)部短路對(duì)整流元件的損壞。變頻器的型號(hào)確定后,若變頻器內(nèi)部整流回路前沒(méi)有保護(hù)硅元件的快速熔斷器,變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開(kāi)關(guān),不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開(kāi)關(guān)。 (2) 選擇變頻器的引入和引出電纜。根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動(dòng)力電纜。尤其是從變頻器到電機(jī)之間的動(dòng)力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜,且要盡可能短, 這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)變頻器所允許的輸出電纜長(zhǎng)度時(shí), 電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作,為此要配置輸出電抗器。對(duì)于控制電纜,尤其是I/0信號(hào)電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對(duì)于變頻器的可選件與變頻器之間的連接電纜其長(zhǎng)度不得超過(guò)10m。 (3) 在輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器。根據(jù)變頻器安裝場(chǎng)所的其它設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的要求, 若變頻器工作時(shí)已影響這些設(shè)備正常運(yùn)行, 可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器, 來(lái)抑制由功率元件通斷引起的諧波畸變和傳導(dǎo)輻射。若與變頻器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點(diǎn)不接地,則不能選用EMC濾波器。當(dāng)變頻器用500V以上電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí), 需在輸出側(cè)配置dv/dt濾波器, 以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化, 有利于保護(hù)電機(jī), 同時(shí)也降低了容性漏電流和電機(jī)電纜的高頻輻射, 以及電機(jī)的高頻損耗和軸承電流。使用dv/dt濾波器時(shí)要注意濾波器上的電壓降將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的稍微降低;變頻器與濾波器之間電纜長(zhǎng)度不得超過(guò)3m。 6 結(jié)束語(yǔ) 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo), 以負(fù)載的機(jī)械特性為設(shè)計(jì)主要參數(shù),在注重變頻器控制方式的選擇及變頻器的選擇的基礎(chǔ)上, 解決變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題, 以使所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)和高的性能價(jià)格比。

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