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山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 - 1 - 毕业设计说明书毕业设计说明书 题目题目：电机变频节能设计电机变频节能设计 姓姓名：名：吴宏伟 指导教师指导教师：田丽萍郝世宇 系系部部机电工程系 山西煤炭职业技术学院山西煤炭职业技术学院 2011 年年 6 月月 4 日日 班级班级： 电气 330802 学号学号： 4333080235 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 1 目目录录 摘摘要要.1 1 第一章第一章论述论述.1 1 1.1 我国电机的现状.1 1.2 我国煤矿风机运行中普遍存在的问题 1 1.3 课题研究的方向与趋势.2 第二章第二章电机基础知识电机基础知识 4 4 2.1 电动机分类4 2.2 电机设备的转速计算以及调速措施. 4 第三章第三章 变频器的基本原理和知识变频器的基本原理和知识8 8 3.1 变频器的发展史.8 3.2 变频技术的发展过程10 3.3 变频器的分类.11 3.4 变频器的电路组成12 3.4.1 变频器中的的半导体开关. 15 3.5 变频调速方法17 3.6 变频的控制算法.19 3.7 普通异步电动机与变频电机的区别. 21 3.8 变频调速的优点及市场24 第四章第四章 电机节能改造项目电机节能改造项目 2626 4.1 调速装置的运行可靠性和投资对比26 4.2 投资对比.27 4.3 主要调速方案技术经济对比 28 4.4 变频改造节能案例.29 4.4.1 改造投资估算.31 4.4.2 分机节能效益的计算. 32 4.4.3 经济评价32 4.5 变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析.33 4.6 变频器的外接电路与参数设置. 33 第五章第五章 结结论论.3838 参考文献参考文献.3939 致致谢谢.4141 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 1 摘摘要要 电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总 装机容量约为 4 亿千瓦， 年耗电量约为 6000 亿 kWh， 约占工业用电的 7080%。 我国以中小型电机为主，约占 80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的 90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为 75%，比 国外低 10%；系统运行效率为 3040%，比国际先进水平低 2030%。因此在 我国中小型电机具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。我国资源以煤 炭为主，电机是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备。对电机节能方法 进行研究具有重要的现实意义。 本文中介绍目前电机设备在运行中存在的主要问题，分析了解电机类设备 的能耗状况，讨论了电机的基本参数、特性曲线，重点阐述了电机的节电方法 以及节能原理。与现有的电机节能措施，深入研究了变频调速节能原理和实现。 重点说明了电机变频节能方法与应用。 文中给出的电机节能改造的变频技术方法、基本原理，目的是为企业进行 节能改造时选择合理的改造方案提供依据。同时对调速装置的选择和调速方案 比较作了介绍，力求技术先进与经济效益的统一。 关键词：关键词：电机节能；电机调速；变频；矢量控制。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 1 第一章第一章论述论述 1.1 我国电机的现状我国电机的现状 电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总 装机容量约为 4 亿千瓦， 年耗电量约为 6000 亿 kWh， 约占工业用电的 7080%。 我国以中小型电机为主，约占 80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的 90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为 75%，比 国外低 10%；系统运行效率为 3040%，比国际先进水平低 2030%。电机设 备是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备，电机设备具有容量大，运行 时间长， 系统运行是要求绝对可靠。 例如主通风机停止供风 5min 就是煤矿大事 故。煤矿通风电耗一般占生产电耗的 15%25%，高的可达 40%以上。我国的 能源资源相对拥有量较少，长期以来能源供需矛盾十分紧张。因此，为了缓解 这个矛盾，就必须重视对电机的节能改造。通过对电机的节能改造，不仅能够 节约能源，推动国民经济的发展，有很好的社会效益，而且能够直接减少企业 的成本支出，提高企业的经济效益。同时也可以为国家节约资源造福于我们的 后代。 1.2 我国煤矿风机运行中普遍存在的问题我国煤矿风机运行中普遍存在的问题 各工业部门调查资料的大量数据表明，目前我国使用的风机、水泵的效率 比国外同类产品的效率低 5%10%。 设计中过多的考虑建设前后工艺要求的差 异，选型欲量过大，使设备长期在低负荷、低运行效率下工作。如某矿的主风 机以及辅助风机实际运行情况表明，其负荷率（电动机输入功率/电动机铭牌功 率）在 76%以上者仅占 15.1%，低于 60%者占 65.3%。 作为煤矿企业，都希望厂家能提供效率更高的风机。提高单体设备的效率， 可以为国家节省可观的能源。但是许多高效设备在现场往往处于低效运行的状 态，并没有达到节能的目的。 风机只有在使用中才能反映出它的经济性。纵然一台风机本身效率已经很 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 2 高，但由于使用和选型不当，也将变成“电老虎” 。近年来，我国风机技术发展 很快，加上引进、消化国外的一些先进技术，大部分风机本身的效率已有明显 提高。但是，根据我国当前风机的使用现状来看，只有注意大力提高“风机系 统效率” ，才能取得较好的节能效益。 现在煤矿风机普遍存在的问题有：管理制度不完善；需要调节流量的地方， 绝大部分采用挡板或阀门来调节风量或流量，节流功率损失非常大。 1.3 课题研究的方向与趋势课题研究的方向与趋势 为在企业所使用的耗电设备中风机、水泵、空压机、液压油泵、循环泵等 电机类负载占绝大多数。由受到技术条件限制，这类负载的流量、压力或风量 控制系统几乎全部是阀控系统，即电机由额定转速驱动运转，系统提供的流量、 压力或风量恒定，当设备工作需求发生变化时，由设在出口端的溢流、溢压阀 或比例调节来调节负载流量、压力或风量、从而满足设备工况变化的需要。而 经溢流溢压阀或比例调节阀溢流溢压后，会释放大量的能量，这部分耗散的能 量实际上是电机从电网吸收能量中的一部分，造成了电能极大的浪费。从这类 负载的工作特性可知，其电机功率与转速立方成正比，而转速又与频率成正比。 如果我们改变电机的工作方式，让它不总是在额定工作频率下运转，而是改由 变频调整控制系统进行启停控制和调整运行，则其转速就可以在 02900r/min 的范围内连续可调，即输出的流量、压力或风量也随之可在 0100%范围内连 续可调，使之与负载的工作需要求精确匹配，从而达到节能降耗的目的。 变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器 数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程 中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需 求精确匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。 交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的 85%，它具 有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应 用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。 随着电力电子成本降低和系统性能改善以及新型电力电子元件的问世和发 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 3 展，机电一体化基础技术微型计算机、数字信号处理器以及大规模集成电 路芯片的出现正在意义深远地影响着电气传动自动化技术的发展。因此开发绝 缘门极双极型晶体管（IGBT） ，高频大功率静电感应式晶体管（SIT） ，静电感 应式晶闸管（SITH） ，MOS 控制的晶体管（MCT） ，绝缘门极晶体管（IGT） ， 绝缘门极可关断晶闸管（IGTO） ，智能功率集成电路（Smart Power）和光控晶 闸管等元件组成的新型交流传动装置是风机交流调速的发展方向。 同时电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用使变频 器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高 效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。 相对于其它调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等） ， 变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术 的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速的最新潮流。变 频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。 使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制 精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变 频器是厂、矿企业节能降耗的首选产品。 变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用；2、变 转矩应用。 就应用的目的而言主要有：1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的 最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提 高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。2、 以节能为主要目的以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来 实现节能，改造效果非常显著。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 4 第二章第二章电机基础知识电机基础知识 2.1 电动机分类电动机分类 电动机从机械结构上来看，是由转子和定子两部分组成的，其工作原理是 通过电流经过转子线圈产生励磁磁场和定子线圈产生的磁场相互作用，从而推 动转子按照左手定律旋转，进而带动负载进行运动，完成将电能转化为机械能 的使命。 按电机的功能区分：发电机、电动机、变压器、控制电机 按电流性质区分：有直流电动机、交流电动机；直流电动机如发电机，交 流如轧钢机等 按用电相位区分：有二相电动机、三相电动机；二相电机如吹风机、电风 扇等，三相如电梯、风机、水泵等。 按转子工作性质区分：有同步电动机、异步电动机； 按装配形式区分：有鼠笼式小功率高功率因数、绕线式大功率低功率 因数。 按转子电极对数区分： 有 2 级-2950r/min.、4 级-1470r/min.、 6 级-980r/min.、 8 级-720r/min.、10 级-590r/min.。 按使用电压区分：有 220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV、 10KV。 以电机的作为原动机拖动各种生产机械运转的系统，称为电力拖动系统。 电力拖动系统主要有电源、控制设备、电机、传动机构、生产机械五部分组成。 2.2 电机设备的转速计算以及调速措施电机设备的转速计算以及调速措施 在工业生产系统的动力装置中， 三相交流异步电动机约占 90%左右的份额， 其原因在于它：体积小、造价低、使用维护简单、适应各种复杂工作环境等。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 5 为了更好地应用它，就需要让它精确地工作，换句话说，就是要对它进行精准 调速。 额定功率=3额定电流额定电压功率因数 功率因数越高的电机在变频使用当中，其被调节的能力越强，也就是说其 节电空间的变化可以接近理论值。 三相异步电动机工作原理：三相异步电动机工作原理： 1）对称三相绕组中通入对称三相交流电产生旋转磁场； 2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流； 3）转子载流导体在磁场中受电磁力作用，形成电磁转矩使转子转动； 因此三相异步电动机转速公式： s p f n 1 60 其中：n：转速； f：频率； s：转差率； p：极对数 极对数 P 与同步转速 N 的关系 P123456 N300015001000750600500 根据泵与风机学的知识，在风机、水泵类负载变流量、变压力的运行状况 中，流量、扬程和消耗的能量之间有下面的关系： 2 1 2 1 n n Q Q 风机/水泵的流量和电机转速成正比； （Q 为分机和水泵的流量） 2 2 1 2 1 n n H H 风机/水泵的全压/扬程和电机转速的平方成正比； （H 为风机/ 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 6 水泵的全压/） 3 2 1 2 1 n n P P 风机/水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比； （P 为风机/ 水泵消耗的轴功率； 轴功率公式：N0/N=r/r1（n0/n）3（N：功率；r：气体密度；n：转速） 无论是水泵还是风机还是其它的电机起功率都与转速 n 有关，交流电动机 的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p(1) 式中：n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 如下图则为电机的机械特性图 图 2-1 电机的机械特性图 因此三相异步电动机调速大致分五种： 1）变极调速：适用于变极电机，即电机有多套绕组，在运行时通过外部开 关控制绕组连接方式，从而改变极数，进而改变电机转速。 2）串电阻调速：适用于绕线式异步电动机，在转子回路串入不同阻值的电 阻，人为改变电动机机械特性。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 7 3）降压调速：适用于较大电阻的高转差率异步电动机，通过改变定子电压 来调速。 4）串极调速：适用于绕线式异步电动机，通过改变转子回路阻抗来调速。 5）变频调速：普遍适用，通过改变供电电源频率来调速。 由式(1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的 转速，当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变 频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高 性能的调速手段。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 8 第三章第三章 变频器的基本原理和知识变频器的基本原理和知识 变频器是交流电机的驱动器，它是将三相工频交流电转变成频率可调的三 项交流电来驱动交流电机（主要是异步电动机） ，从而使电动机调速的。 3.1 变频器的发展史变频器的发展史 早期通用变频器如东芝 TOSVERT130 系列、FUJI FVRG5/P5 系列， SANKEN SVF 系列等大多数为开环恒压比（V/F=常数）的控制方式。其优点是 控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵 场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转 矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性 变差等。对变频器 U/F 控制系统的改造主要经历了三个阶段。 第一阶段第一阶段: 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹 法） 。该方法以三相波形的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，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控 制。典型机种如 1989 年前后进入中国市场的 FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、 SANKEN（三垦）MF 系列等。 之后，1991 年由富士电机推出大家熟知的 FVR 与 FRNG7/P7 系列的设计 中，三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引 入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 第二阶段：第二阶段： 矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke 等人首 先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开 创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控 制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流， 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 9 使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由 于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难 以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直 接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种 矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来 不便。 尽管如此， 矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中， 1992 年开始， 德国西门子开发了 6SE70 通用型系列，通过 FC、VC、SC 板可以分别实现频率 控制、 矢量控制、 伺服控制。 1994 年将该系列扩展至 315kW 以上。 目前， 6SE70 系列除了 200kW 以下价格较高，在 200kW 以上有很高的性价比。 第三阶段：第三阶段： 1985 年德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control 简称 DTC） 。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电 流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。 转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转 速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定 子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器 化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制 被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模 型和对电机参数的自动识别，通过 ID 运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、 饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机 的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的 BandBand 控制产生 PWM 信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应 速度和很高的速度、转矩控制精度。 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接转矩控制系列，已达到2ms 的 转矩响应速度在带 PG 时的静态速度精度达土 0.01%， 在不带 PG 的情况下即使 受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到正负 0.1的速度控制精度。 其他公司也以直接转矩控制为努力目标， 如安川 VS676H5 高性能无速度传感 器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了 100ms 的转矩 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 10 响应和正负 0.2%（无 PG） ，正负 0.01（带 PG）的速度控制精度，转矩控制 精度在正负 3左右。其他公司如日本富士电机推出的 FRN 5000G9/P9 以及最 新的 FRN5000Gll/P11 系列出采取了类似无速度传感器控制的设计， 性能有了进 一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从 1991 年 INTEL 公 司推出 8X196MC 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、 性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的 M37705、 M7906 单片机和美国德州仪器的 TMS320C240DSP 等都是颇具代表性 的产品。 3.2 变频技术的发展过程变频技术的发展过程 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20 世纪 60 年代后半期 开始，电力电子器件从 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功 率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静 电感应晶闸管)、MGT(MOS 控制晶体管)、MCT(MOS 控制品闸管)发展到今天 的 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件 的更新促使电力变换技术的不断发展。20 世纪 70 年BANNED始，脉宽调制 变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。 20 世纪 80 年代， 作 为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优 化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世纪 80 年代后半期开始，美、 日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并广泛应用 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 11 图 3-1 变频器发展示意图 3.3 变频器的分类变频器的分类 变频器主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端 （R、S、T） ，接电动机的频率、电压连续可调的输出端（U、V、W） ；二是控 制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或 其他变频器的通信接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘 图 3-2 变频器的组成 变频器分为： 交交变频器（将频率固定的交流电变成连续可调） 交直交变频器（将频率固定的交流电变成直流，再把直流变成连续可 调的三相交流电） 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 12 表 3-1 交交和交直交变频器优缺点对比表 变频器优点缺点 交交变频器没有中间环节，变换效率高连续可调、频率范围窄 交直交变频器调节范围广，变频后的机械特性好 目前使用最多的是交直交变频器，而它又分为电压型（整流后靠电容 来滤波，比较常见）和电流型（整流后靠电感滤波，较少见） 。根据电压又分脉 幅调制（改变直流电压来改变输出电压大小，即 PAM）和脉宽调制（改变输出 脉冲的占空比来改变输出电压的大小，即 SPWM ；SPWM 调制是：采用三角 波和正弦波相交获得的 PWM 波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉 冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压， 能获得理想的控制效果： 输出电流近似正弦） 。为此常见的变频器为交直交电压脉宽调制。 3.4 变频器的电路组成变频器的电路组成 图 3-3 变频器电路图 如图所示变频器主要有整流单元、逆变部分和制动部分组成的！ 其中整流单元它的作用是把工频电源变换成直流电源将交流电变换成直流 的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 13 图 3-4 整流电路 cos35. 1cos34. 2 2ld UUU 逆变部分逆变部分 逆变部分则是把直流变成交流，是变频器的核心部分将直流电转换成交流 电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦 图 3-5 单相逆变电路图 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 图 3-单相逆变电路原理图 当 S1、S3 同时闭合时，U1 电压为正；但 S2、S4 同时闭合时，U1 电压为 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 14 负。因此开关 S1S4 的轮番通断，从而将直流电压 Ed 变成交流电压 U1。可 以看到在交流电变化的一个周期中，每个开关导通电角度度。因此交流电的 周期（频率）可以通过改变开关的通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流 电压幅值的 U1。 图中 S1S6 组成了桥式逆变电路， 这 6 个开关交替的接通、 关断就可以在 输出端得到一个相位差 2/3 的三相交流电 图 3-7 三相逆变电路 图 3-8 三相逆变电路原理图 当 S1、S6 同时闭合时，Uu-v 为正；S3、S4 同时闭合得到 Uu-v 为负； 同理：S3、S2 同时闭合和 S5、S6 同时闭合，得到 Uv-w； S5、S4 同时闭 合和 S1、S2 同时闭合，得到 Uw-u。 为了是三相交流电 Uu-v、Uv-w 、Uw-u 在相位上依次相差 2/3；各开关 的接通、关断须符合一定的规律，即： 1)各桥臂上的开关始终是交替打开和关断的状态。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 15 2)各相位的开关顺序以各相的“首端”为准互差 2/3 的电角度。 通过以上分析说明 6 个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调 节开关的通断速度就可以调节就交流电的频率。 3.4.1 变频器中的的半导体开关变频器中的的半导体开关 如上所述可知，逆变电路的工作是在逆变管高频率的通断下完成的。如果 输出的交流电频率为 50Hz，在、逆变管则需要每 0.01s 通断一次（通断频率为 25Hz） ，如此高的断速度普通开关器件是不可能胜任的。随着电力电子技术的 发展，大功率开关器件经历了以下阶段： （一）门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管结构上有三极：阳极（A） 、阴极（K） 、门极（G） 。其 工作特点是：它是通过门极信号进行接通和和关断的晶闸管。具体如下： 1 导通条件 在门极和阴极之间加一正向电压，即：G(+)，K(-)，GTO 导通。 2 关断条件 在门极和阴极之间加一反向电压，G(-)，K(+)，GTO 关断。 GTO 可以方便的通断，是一种无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元 件，但是 GTO 的关断需极大的反向脉冲，控制容易失败，工作频率也不够高， 所以GTO晶闸管在大小容量变频器中已经被新型的大功率晶闸管GTR所取代， 但在大容量变频器中，GTO 以其工作电流(4500A)，耐压高的特性(8000V)，仍 得到普遍应用。 （二）大功率晶闸管（GTR 或 BJT） 1 结构 大功率晶闸管，又叫双极性晶闸管（BJT） ，GTR 在结构结构上常采用达林 顿结构的形式，由多个晶闸管复和组成大功率的晶闸管，同时还可将反相续流 二极管与 GTR 组成一个模块。这样 GTR 也像普通的晶体管一样，有三个级分 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 16 别是基极、 （B） 、发射极（E） 、集电极（C） 。 2GTR 的工作特征 GTR 也有三种工作状态， 即放大、 饱和、 截止。 在电力电子的应用中， GTR 主要工作在开关的状态，即饱和和截止状态。 GTR 具有自管断能力及开关时间段、饱和压降低、安全工作区宽等特点， 广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中(工作范围 400A/1200V、1000A/400V，频率 5000Hz)，曾一度占据饿了主导地位 GTR 所 需的驱动功率较大，故基极驱动系统较复杂，从而使得工作频率难以提高，这 是 GTR 存在的足之处。 （三）功率场效应晶体管（MOSFET） MOSFET 与场效应晶体管一样也是有三个级， 分别是源极 S.漏极 D.和栅极 G，管子的连接及工作特性也基本与场效应晶体管一样。MOSFET 是一个电压 控 制 型 器 件 ， 所 需 的 驱 动 功 率 很 小 ， 使 用 方 便 ， 开 关 频 率 比 较 高 （1000V/200A/1000kHz） 。其缺点是击穿电压及工作电流大不是特别大，所以 应用不是特别广泛。 （四）绝缘栅双极晶体管（IGBT） IGBT是一种结合了大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET两者 特点的复合型器件，它有三个级：集电极（C） 、发射极（E） 、栅极(G)，它既 有 MOS 的器件的工作速度快，驱动功率小的特点，又具备了大功率晶体管的 电流大，导通压降低的优点。 由于 IGBT 性能优良(1800A/4500V/50kHz)，已全面取代了功率晶体管而成 为中小容量电力交流装置中的主力器件，并广泛用于交流变调速、开关电源及 其他设备中。同时 IGBT 的单管容量也不断提高，并开始进入中大容量的电力 交流装置中，用 IGBT 作为逆变器的变频容量也从原来的 250kVA 有了大幅提 高。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 17 3.5 变频调速方法变频调速方法 由于异步电动机的同步转速 0 n与电源频率 1 f成正比，所以改变 1 f就改变了 0 n而实现调速，这就是变频调速。它的调速特性基本保持了异步电机固有特性 转差率小的特点，所以具有效率高，范围宽，精度高，是异步电动机比较理想 的调速方法。 变频调速的原理和特性变频调速的原理和特性 （一）恒转矩调速（一）恒转矩调速 异步电动机的转速方程式 1 00 60 (1) f nsnn p ，只要改变 f1 就可以 实现调速。但是变频率的时候，电源的电压 U 与频率 f 的关系如何呢？ 一般来说，电动机的感应电动势 E1与外加电源电压 U1近似即： E1=4.44f1Kn1N1m； （于 4.44Kn1N1是个常熟电动机的感应电动势 E1与 f1m正比的） 所以 U1也和 f1m成比， 从公式中可以看出：如果 U1不变，则 f1变化时在变。我们希望在调节 频率 f 时能够维持（因为在额定工作时电机的磁通已经接近饱和，继续 增大，将会是电机铁芯出现深度的饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子 电流和铁芯损耗急剧增加，使电机工作不正常影响电机的使用。 ）为此当我们在 额定频率 f1以下调节时就要保证不变的。 即称为 U/f=常数的控制方法：也叫恒转矩不变；因此在额定频率 f1以下调 频时也需要调节电压变频又变压方法PWM 利用调制波与三角波信号比较后 获得一系列等幅不等宽的脉冲序列。原理：利用三角波载波作为信号与调制信 号（一般为正弦波）相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。改变调制波的电 压脉冲频率时，输出电压基波的频率也随之改变，降低调制波的幅值时，各段 脉冲宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减少） 。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 18 当用 1 U/ 1 f=常数协调控制，在低速时最大转矩 m M减小，起动转矩也减小 表现在机械特性上就是临界转矩 Tkx变小是电动机的过载能力变小。 为了低速时 保持转矩不变，提高起动能力，能够带动负载能力，就必须采用：采用电压补 偿（V/F 控制）控制方法，此时随着转速的降低，定子电压要适当提高，补偿 后机械特性有了恒转矩的特性。 （二）恒功率调速（二）恒功率调速 为了扩大调速范围，可以使 11e ff，得到 e nn，从而实现调速控制。由 于定子电压不允许超过额定电压，则磁通 11 / e Uf 将随着 1 f升高而降低电机 的输出功率 P 基本维持不变的， 相对应额定电流的转矩也减小， 特性也要变软， 则可得近似恒功率的调速特性。 如下图所示为变频调速的机械特性图： 图 3.9 额定频率以下的机械特性 图 3.10 额定频率以上的机械特性 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 19 3.6 变频的控制算法变频的控制算法 V/F 控制控制：简单实用，性能一般，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用户可以 根据自我选择四种控制方式： 1. 基本的 U/F 控制曲线； 2. 转矩补偿的 U/F 控制曲线；适用于低速时需要较大转矩的负载。 3. 负补偿的 U/F 控制曲线；主要适用于风机、泵类的平方负载。 4. 分段补偿；主要适用于负载转矩与转速大致长比例的负载。在低速时补 偿少，在高速是补偿多。 矢量控制矢量控制：性能优良，可以与直流调速媲美，技术成较晚 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。 矢量基本思想： (1) 对直流电动机的分析在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速 特性被公认为是最好的。究其原因，是因为它具有两个十分重要的特点: (a) 磁场特点它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的，如图(a)所示； 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 20 （a）直流电动机的磁通（b）直流电动机的电路 图 3-11 (b) 电路特点 它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图(b)所示。在调节转速时，只 调节其中一个电路的参数。 仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分解成和直流电 动机具有相同特点的磁场电流信号 iM和转矩电流信号 iT，并且假想地看作是两 个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改 变其中一个信号， 从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。 对于控制电路分解出的控制信号 iM和 iT，根据电动机的参数进行一系列的 等效变换，得到三相逆变桥的控制信号 iA、iB和 iC，对三相逆变桥进行控制， 如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性，提高了低频时的带负载 能力。 图 3-12 矢量控制图 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 21 表 2V/F 控制和适量控制的对比 项项目目V/F 控制控制矢量控制矢量控制 调速范围 响应性 1：10 动态响应较差 1：100 以上 高达 1000r/s 过渡过程特性加减速有限制，过流控制能力小加减速无限制，过流控制能力高 通用性通用性好与电动机特性有关 系统结构简单复杂 3.7 普通异步电动机与变频电机的区别普通异步电动机与变频电机的区别 一、普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的 要求。以下为变频器对电机的影响 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使 电动机在非正弦电压、 电流下运行。 拒资料介绍， 以目前普遍使用的正弦波 PWM 型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐 波分量为：2u+1（u 为调制比） 。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增 加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对 应的同步转速 旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便 会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。 这些损耗都会使电动机 额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异 步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加 10% 20%。 2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用 PWM 的控制方式。他的载波频率约为几 千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对 电动机施加陡 度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。 另外，由 PWM 变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 22 对电动机对地绝缘构成 威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引 起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁 部分的固有空 间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电 动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由 于电动机工作频率范围 宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电 动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流 的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁 启动和制动创 造了条件， 因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的 作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5、低转速时的冷却问题 首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波 所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的 三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实 现恒转矩输出。 二、变频电动机的特点 1、电磁设计 对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动 性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可 以在临界转 差率接近 1 时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多 考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方 式一般如下： 1）尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 23 补高次谐波引起的铜耗增 2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较 大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到 整个调速范围内阻抗匹配的合理性。 3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深 磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电 压。 2、结构设计 再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振 动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题： 1）绝缘等级，一般为 F 级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要 考虑绝缘耐冲击电压的能力。 2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力 提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。 3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机 驱动。 4）防止轴电流措施，对容量超过 160kW 电动机应采用轴承绝缘措施。主 要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合 一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措 施。 5）对恒功率变频电动机，当转速超过 3000/min 时，应采用耐高温的特殊 润滑脂，以补偿轴承的温度升高。 变频电机可在：0.1Hz130Hz 范围长期运行， 普通电机可在：2 极的为 2065Hz 范围长期运行； 4 极的为 2575Hz 范围长期运行； 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 24 6 极的为 3085hz 范围长期运行； 8 极的为 35100hz 范围长期运行。 3.8 变频调速的优点及市场变频调速的优点及市场 变频调速的优点主要有如下一些优点： 1、调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速，调速精度大大提 2、启动电流小，而启动转矩大； 3、启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 4、对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； 5、具有显著的节电效果； 6、通过调节电压和频率的关系方便的实现恒转矩或者恒功率调速。平滑软 启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全 7、电机正反向无需通过接触器切换 8、非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制 提升机变频操控系统的技术优势主要体现在：实现了电动机的软启动； 实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速；运行平稳， 无转差冲击；响应迅速，便于实现集中控制和系统集成；集信号处理、运 行控制、 电子 制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能； 操作直观简便；节能率高。 从节能来说，当前，电机是我国主要的工业耗电设备，据清华大学电机权 威人士统计， 我国电机的总装机容量已达 4 亿千瓦， 年耗电量达 6000 亿千瓦时， 约占工业耗电量的 80%。我国在用的电机拖动系统总体装备水平仅相当于发达 国家 50 年代水平。另外据统计，对于塑胶行业的电费成本，约占整个生产成本 的 20%50%。在发达国家，变频器在电机投用的普及率已达到 80%，而我国 变频器的运用还在起步阶段，普及率不到 10%。从以上可以看出，变频调速系 统有利于我国的电能消耗的节约，同时在我国有着非常巨大的市场需求。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 25 从应用领域来说，国内变频调速技术在经过几年的应用推广下已得到了较 快的发展，变频调速技术的领域已初步涉及到电子、机械、石化、冶炼、纺织、 汽车等多种行业，应用范围已覆盖注塑机、空压机、空调、恒压供水、纺织机 等各种交流电机设备。 从发展区域来说，变频调速技术的应用在我国沿海省份和南方城市发展较 快，目前已有向内地快速渗透的趋势。 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 26 第四章第四章 电机节能改造项目电机节能改造项目 交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点 被广泛使用。但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速 技术一直是世界各国研究的课题。20 世纪 60 年代以后，随着电力电子技术的 发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是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，都为交流调速的进一步发展创 造了条件。人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已 可与直流调速系统相媲美。因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速 传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。 早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、 笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济 等缺点。交流变频调速的优越性早在 20 世纪 20 年代就已被人们认识，但受到 元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大 而未能推广。20 世纪 50 年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术 发展的新时代。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优 点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串 级调速等系统。20 世纪 70 年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效 率更高，性能更好，在近 30 年得到了迅速发展。 为确保电机节能改造的经济效益，克服改造的盲目性，对每个项目都应进 行可行性研究。可行性研究应在认真分析设备运行存在问题的基础上，运用相 关标准对系统的经济运行情况作出评价 4.1 调速装置的运行可靠性和投资对比调速装置的运行可靠性和投资对比 调速装置的可靠性对于用户是至关重要的，而一种装置运行的可靠性又受 多种因素制约。从调速装置本身来看，液力耦合器、变极及电磁调速电动机、 转子串电阻调速可靠性较高，也容易维修；定子调压调速、转子斩波调速、晶 闸管串级调速、变频器调速等电子器件为核心的调速装置的可靠性，则主要取 山西煤炭职业技术学院2011 届毕业设计 27 决于元器件本身的质量、装置部件的工艺性和抗干扰能力 保护措施及日常维修能力。随着电子器件质量的不断提高和装置生产工艺 的改善，调速装置的可靠性已经越来越高。 4.2 投资对比投资对比 根据市场情况，在上海地区收集了生产调速装置和电机有关厂家的产品价 格， 按照容量大小， 分为 2.550kW 小功率装置、 15100kW 中功率装置、 130 3000kW 大功率装置。 小功率小功率 2.550kW 调速装置价格对比表调速装置价格对比表 容量容量 KM 各种调速装置的参考价格及比例各种调速装置的参考价格及比例 变调速变调速串级调速串级调速调压调速调压调速滑差调速滑差调速 元元比例比例元元比例比例元元比例比例元元比例比例 2.540001-30000.7531000.78 443001-30000.738000.88 1158001-33000.5757000.98 158000190001.133500