风机、水泵变频控制的设计和研究 - 图文-

建虢电乞。-_●_—___—_-_____IBUlLl3lNG21:3口7年第11期lELECTRICITY风机、水泵变频控制的设计和研究郭风雷(信息产业电子第十一设计研究院有限公司,成都市610021DesignandResearchonFrequencyChangerControlofFansandWaterPumpsGuoFenglei(TheEleventhDesign&ResearchInstituteofIT,Co.,Ltd,Chengdu610021,ChinaAbstractSeveralnoticeableproblemsinfrequencychangercontrolinthespecificengineeringpracticehavebeendiscussed:theselectionofthemajorloopschemesofthefrequencychangercontrolandthedesignofsecondaryloop;theelectromagneticdesign,structuredesignofthefrequencychangermotor,andthepowersupply,controldesignforthecoolingfan;themainspecificationsforevaluationofthequalityofthefrequencyconverter;selectionofthefrequencyconverter(onthebasisoftheculTent,capacityandoperatingmodeofthemotor;theoutputvoltage,frequencyandprotectingstructureofthecasingofthefrequencyconverter,theadaptionbetweenthetorquecharacteristicsoftheloadandthefrequencyconverter(constanttorqueload,constantpowerloadandsquaretorquereductionload.KeywordsFrequencychangercontrolFre-quencychangermotorLoadcharacteristics摘要讨论了变频控制在具体的工程实践中应注意的几个问题:变频控制主回路方案的选择及二次回路的设计:变频电机的电磁设计、结构设计及降温风扇的电源、控制设计:评价变频器质量的主要指标;变频器的选择(根据电动机电流、容量、运行方式;变频器的输出电压、频率,外壳防护结构,负载的转矩特性与变频器的配合(恒转矩负载,恒功率负载.二次方减转矩负载。关键词变频控制变频电机负载特性在建筑电气设计中,暖通、水专业出于节能和自动控制的考虑,在净化新风空调机组、工艺冷却水泵系统、冷冻水二次泵系统中,经常提出要求采用变频控制。而现在变频控制器的技术已经非常成熟,产晶成4■——■魁熙;!孵一y蛆绳!曼蛆628本也在不断下降,为变频控制在工程中的使用提供了条件。1风机、水泵采用变频控制的优势a.调节效率高,接近于理想的调节和变速,节能效果显著。b.变频器提供了丰富的输入输出信号端子,利用这些端子,可方便地实现电机的启停、调速,再加上速度检测回路,形成闭环控制,很容易实现自动化控制。变频器在调速范围、加减速性能、速度、精度等方面的优势和其增速特性,可使生产效率显著提高。C.可容易地实现工频电网运行与变频器运行之间的切换,一旦变频器发生故障,可以退出运行改由工频电网直接运行,不影响风机、泵的连续运行。d.能同时实现软启动和软停车。e.易进行设备改造。改造设备时,不涉及电动机及所驱动的风机、泵本身,停机改造时问短。f.安装地点灵活。不限于电动机轴端或靠近处,处理方便。2变频控制主回路方案变频控制主回路的几种常见方案见图1。2.1方案1:变频器直接控制此方案适用于负载对可靠性运行要求不高的场所,若变频器出现故障.则不能继续运行。2_2方案2:变频器带直接启动旁路此方案适用于负载对可靠性运行要求较高、且负载功率不大、可旁路直接启动的场所,若变频器出现故障,则可以手动切换到旁路,直接启动运行。同时万方数据电源负载方案1:变频器直接控制电源负载方案2:变频器带直接启动旁路KM2卜一一_至一一_|负载方案3:变频器带软启动旁路水系统的水泵主回路的接触器。在主回路接通的同时,接触器的辅助触点接通变频器,变频器加电。同时启动变频器运行。在变频器的主回路断路器和变频器之问增加了接触器,本意是在变频器不运行时处于断电状态。由于变频器启动过程过长.造成工艺冷却图1变频控制主回路方案水系统的压力波动过’19・lsohom。8oi1。e.q“onoY。h8“98。oon‘m1“aln100P大。在PLC的停泵信可检修变频器。号给变频器控制柜时,变频器处于断电状态。在工作2.3方案3:变频器带软启动旁路泵/备用泵切换的过程中,也造成启动时问过长。此方案适用于负载对可靠性运行要求较高,且负解决方案:取消主回路断路器和变频器之间增加载功率较大,旁路软启动的场所,若变频器出现故的接触器,主回路断路器合闸后,直接给变频器加障,则可以手动切换到旁路,通过软启动器启动运电。PLC的启停信号用1对自保持的触点,不采用行。同时可检修变频器。脉冲信号。直接将PLC的启动触点接到变频器,不2.4带旁路的变频控制主回路需要注意的问题通过接触器辅助触点转接。a.变频器主路出1:3设置有1只接触器,同时与旁3.2手动/自动状态转换路出口接触器进行机械和电气联锁,其作用是防止在在要求进行自动控制风机、水泵的二次控制回路旁路工作时,电源接通到变频器的出口,不能安全检中,通常会在控制柜面板设置手动/自动转换开关。修变频器,同时也可能损坏变频器。在自动状态时,接受BA(楼宇自动化等系统的自b.变频器主路和旁路各设一只主断路器,同时两动控制信号。者之间进行电气联锁,防止主路和旁路同时投入工作。但在变频器的二次回路中,不宜如此设置。因为3变频器的二次回路设计萎荔望妻雩蓄薯昙羹箩芸二?篙蓑掣笔雩菩雾霎簇凳3.1变频器的启动延迟问题关,会导致控制复杂、混乱。变频器在加电过程中.需经过一个加电自检的过建议如下:变频器的手动/自动切换直接在变频程后,才能处于准备工作的状态。加电自检的过程通器上用按键操作,不在柜体上另外设置转换开关,同常需要5~10s。在设计变频器的主回路和二次回路时将变频器的手动/自动状态触点送到自控系统。同时.要求考虑此问题。时注意最好给变频器配置操作控制面板,安装在控制如在某工程的工艺冷却水恒压变频控制中,工柜柜体面板上,以方便操作。艺冷却水系统的2台水泵均为变频控制,1用13.3变频柜的发热备,自动切换,由PLC(可编程逻辑控制器系统变频柜通常发热量大,一般均配置散热风扇。散自动控制,保持工艺冷却水系统的压力恒定,且要热风扇回路建议增加保护熔断器,因为散热风扇连续求波动很小。变频器的二次回路设计为,PLC的启运行时间长,使用寿命一般在一年左右。设置熔断器泵信号给变频器控制柜的二次回路,控制工艺冷却保护后,可避免散热风扇故障导致变频器停机。5世二~垄塞窦塑摈麴鲍堡过麴霹塞堕曼量2—■■_629万方数据建裁电乞。_—●__———--—_●—_一BUILDING2a勰7章雾11絮|纛LECTItlICiTy4变频电机配电4。1变频电动机的特点4,1.1电磁设计对普通异步电动机来说,在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。而交频电动机。滋予临界转差率反比予电源频率,可以在睡秀转差率接迓1时直接瘸动,医魏,过载镱力和启动性髓不褥需要过多考虑,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。一般采用如下方法:a。尽哥镶地减小定子稻转子逛阻。减小宠子电阻可降低基波铜耗.以弥补高次谐波引起的镉耗增加。b.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,高次谐波钢耗氇增大。因魏,电动撬瀑抗酶大,j、要兼颇爨整个调速范围海阻抗匹配的合理性。c.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,二是考虑在低频蓦专,为了提离输出转矩两适姿提褰变频器的输出电珏。在结构设计时。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,一般注意以下闻题:a。绝缘等级。一般为F级或更高,加强对邀绝缘和线匝绝缘强度,特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。目前中小型变频器,不少是采用PWM(脉冲宽度调铡的靛铡方式。其载波频率约为几予到卡几千赫,这就使褥电动褫定子绕缀要承受缀离斡惫压上舞率,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魁鹾上,会对电动机对地绝缘构成威胁。b。对电撬的振葫、噪声阕题,要充分考淼电动视构件及整体的刚性,尽力提高其固有频率,以避开与各次谐波产生共振现象。e。冷却方式,普通异步电动机在转速降低时,冷却箴量与转速翡三次方瘦鲍铹藏小,致使毫漤撬懿低速冷却状况变坏。温升急剧增加,难以实现憾转矩输出。而变频电机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。6—_■■!呶垫塑№!垄腆孰!￡6304.2变频电机降温风扇的电源、控制设计变频电机其囱带的降温风扇电源为单独的电源(通常为三摆,与泡机主电源分开。可以实现:电机变邃运行,但降溢风崩蠢在任何憾况下全速运行。这样做的好处是,电机低速运行时,降温效果好。变频柜在设计时,建议同时提供另一路不经过变频器的三楣嗽源给风扇。此风扇与变频器的准备或运行状态输爨继电器联铰,交频器准备袭运行,筑痢才癌动。5评价变频器质量的主要指标跑较考||己良的变羰器,在O。5Hz时麓输出200%的高启动转矩。此指标表明。变频器可根据负载要求实现短时间平稳地加减速。5.2速度调节范围控制精度、转矩控制精度优良懿变频器,速度控裁糟度能达±0。005%,转矩控制精度麓达士3%。5.3低速时的脉动高质量的变频器在1Hz时转速脉动只有1.5r/rain。5。4噪声及谐波于携与所使藤器件的诱翩频率和控镧方式有关。如GTO(可关断晶闸管、GTR(大功率晶体管,调制频率低,人的耳朵能听见的燥声就大。用IGBT(绝缘搬双极型晶体管、IPM(智畿功率模块,调制频率离,人的耳条辨不觅,噪声小。徨高次谐波始终存在,如果控制方式好.可减少一魃谐波量。5.5发热量若变频器的发热量大,说骧功耗大,效率低,通风散热系统不鲟,瞧影l邃使爰寿禽。5.6功能齐全好的变频器应该多功能化和智能化。5。7过载能力(略5。8交频器新使蔫的遂变器传变频器质量的优劣.与所使用的逆变器件关系最大。逆变器件有SCR(可控硅整流器、GIO、GTR、MOSFECT(功率场效应晶体管、IGBT、IGCT(集成门稷换流鑫阐餐、IPM等。蘸三静势电滚驱旗,发热量大,调制频率低,谐波干扰严重;后几种为电腻驱动,调制频率高,燥声小。特别是IPM功率集成模块,体积小,可靠性高。万方数据5.9变频器所使用CPU的位数及形式变频器输出量的检测、保护的计算、各种波形的产生和模拟、控制方式的实现及调速的精度,全靠CPU来实现。CPU的位数越高,计算越精确,响应速度越快,信息处理也快。一般有8位、16位、32位、64位、双CPU、三CPU等。现在市场上最低为8位。5.10控制方式控制方式就是变频器对电动机的控制,按控制原理和数学模型进行,是控制理论的实现。控制方式有U/F常数控制、转差率控制、适量控制、直接转矩控制。不同的控制方式决定了变频器控制范围的精度、低速时的状况、各种功能的实现等。5.11平均无故障时间MTBF(MeanTimeBetweenFaultIEC标准和国标均未作出规定。通常应不小于10000h。6变频器的选择6.1根据电动机电流选择变频器在确定异步电动机后,通常应根据电动机的额定电流来选择变频器,或者根据异步电动机实际运行电流的最大值来选择变频器。a.由于变频器供给电动机的电流是脉动值,比工频供电时电流要大,因此需将变频器的容量留有适当的裕量。1.05~1.1倍的电动机的额定电流,或电动机实际运行电流的最大值,即:,啪≥(1.05~1.1,n或,啪≥(1.05~1.1,m。。式中:L岫——变频器额定输出电流,A;厶——电动机额定电流,A;,m。。——电动机实际最大电流,A。变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的,通常,对短时间的加减速而言,变频器允许达到额定输出电流的130%。150%(视不同的变频器而不同,因此,短时加减速时,变频器的输出转矩也可增大。三相异步电动机的启动电流为其额定电流的5~7倍,直接启动时,应保证启动电流不超过变频器的过载能力,满足下式:Kg’lvsD≥Ik式中:K。——变频器的允许过载倍数,Kg=1.3~1.5;,。——在额定状态下电动机启动时的堵转电流,A。6.2根据输出电压选择变频器的输出电压可按电动机的额定电压选择。按国家标准,低压变频器可分220V和400V系列。6.3根据输出频率选择a.变频器的最高输出频率根据机型的不同而有很大的不同。有50/60Hz、120Hz、240Hz或更高。50/60Hz的,以在额定速度以下范围进行调速运转为目的,大容量通用变频器几乎均属此类。b.最高频率超过工频的变频器多为小容量。在50/60Hz以上区域由于输出电压不变,为恒功率特性。要注意在高速区转矩的减小。6.4外壳防护结构a.变频器采用了大量的电力电子器件,其内部产生的热量大,考虑到散热的经济性,除小容量变频器外,多为开启式结构,采用风扇进行强制冷却。b.变频器安装在柜体内时。需留有足够的散热空间,且柜体应采用风扇进行强制冷却。7负载的转矩特性与变频器的配合7.1电动机的功率与负载转矩与转速的乘积成正比P:三竺:旦旦10009550式中:P——功率,kW;r——转矩,N・m;叫——角速度,rad/S;n——转速。r/min。7.2转矩7-与转速门的关系7~照塑:查垂霪攮燕壹!的丝丛垫她』苎墨童上J■■■l63i万方数据建耗电乞。_—-—_--—-_BUlLDING2a07年第11期|￡LECTRIClTYa.恒转矩负载(r为定值,即使转速变化,转矩也基本不变。b。恒功率负载(P为定德,即转速越离,转矩越小。c.二次方减转矩负载(T/n2为定值,即随着转速的降低,转矩也变小。采用变频器调速负载运转时,如果不充分认识负载特牲,磊去选择交频器帮电凌橇,藏不麓充分发挥它靛的性能,有时还会发生电动机过热等不良情况,见图2。功率//,,//转矩///。垣转矩负载二次方减转矩负载慷功率负载圈2负裁功率待性Fig.2Powercharacteristicoftheload7.3恒转矩负载a。负载具有逛转矩特性。锲妇超重槐藏之类懿位能型负载,需要电动视提供与速度基本无关的怄定转矩一转速特性,即在不同转速时,负载转矩不变。b.负载的转矩一转速特性随负载自身的变化而变化。铡翔,若改变舞降枧提秀货物酶重量,则对应不嗣负载重量有不同的转矩特性。缘这种转矩不隧转速变化的潺速方式为恒转矩调速。c.要使U/厂比一定,只能在一定调速范围内近似