变频调速技术

变频调速技术第1页，课件共58页，创作于2023年2月一、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第2页，课件共58页，创作于2023年2月交（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第3页，课件共58页，创作于2023年2月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第4页，课件共58页，创作于2023年2月按转子结构分：绕线型感应电动机笼型感应电动机第5页，课件共58页，创作于2023年2月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。第6页，课件共58页，创作于2023年2月笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图第7页，课件共58页，创作于2023年2月第8页，课件共58页，创作于2023年2月2、三相感应电动机的工作原理U2U1W2V1W1V2n（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。第9页，课件共58页，创作于2023年2月三、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，这就是旋转磁场。第10页，课件共58页，创作于2023年2月表面看来，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φ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φ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(VariableVoltageVariableFrequency)的原因。第11页，课件共58页，创作于2023年2月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。第12页，课件共58页，创作于2023年2月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。

第13页，课件共58页，创作于2023年2月～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。第14页，课件共58页，创作于2023年2月单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1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第15页，课件共58页，创作于2023年2月S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612Ed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第16页，课件共58页，创作于2023年2月PWM调制载波PWM（PulseWidthModuration）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1／f。控制电压载波控制电压第17页，课件共58页，创作于2023年2月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380V50Hz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第18页，课件共58页，创作于2023年2月1、朱庄矿井下提升机1140V／500KW隔爆兼本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。第19页，课件共58页，创作于2023年2月关键技术：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。第20页，课件共58页，创作于2023年2月系统组成

1140V／500KW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。

第21页，课件共58页，创作于2023年2月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。第22页，课件共58页，创作于2023年2月电气制动方式为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。第23页，课件共58页，创作于2023年2月(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。

第24页，课件共58页，创作于2023年2月（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，当电网电压消失时不会造成逆变失败。第25页，课件共58页，创作于2023年2月采用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%。第26页，课件共58页，创作于2023年2月系统特点：（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。

第27页，课件共58页，创作于2023年2月2、矿井主扇风机高压变频调速装置近年来，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。

第28页，课件共58页，创作于2023年2月风机型号：BD-II-8-No.26变频器变频器型号：HIVERT-Y06/120P

静压：1200-4200Pa额定输入电压：6+15%kV风量：185-95m3/s额定输入电流：120A厂家：湖南湘潭平安电气集团输出电压：0-6kV电动机型号：YBF630SI---8输出电流：0-120A功率：2×450kW输出频率：0-50Hz额定电压：6kV控制方式：空间电压矢量控制额定电流：2×56.6A额定转速：744r/min第29页，课件共58页，创作于2023年2月海孜矿中央风井主扇风机第30页，课件共58页，创作于2023年2月第31页，课件共58页，创作于2023年2月

*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/Q2=n1/n2

H1/H2=（n1/n2）2

P1/P2=（n1/n2）3

Q1、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。第32页，课件共58页，创作于2023年2月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。第33页，课件共58页，创作于2023年2月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。第34页，课件共58页，创作于2023年2月风机供电系统图第35页，课件共58页，创作于2023年2月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。单元A1单元B1单元C1电动机输入三相交流电源单元A2单元C2单元B2单元A3单元C3单元B3单元A4单元C4单元B4单元A5单元C5单元B5移相二次线圈隔离变压器功率单元图HIVERT高压变频器6KV系列主电路图第36页，课件共58页，创作于2023年2月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电压叠加图第37页，课件共58页，创作于2023年2月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。输入电流波形第38页，课件共58页，创作于2023年2月

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Q1～Q4IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。功率单元具有旁路功能。第39页，课件共58页，创作于2023年2月系统构成方案：

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。第40页，课件共58页，创作于2023年2月第41页，课件共58页，创作于2023年2月串联铜排散热器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第42页，课件共58页，创作于2023年2月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，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第43页，课件共58页，创作于2023年2月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秒第44页，课件共58页，创作于2023年2月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CC5—150N/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。第45页，课件共58页，创作于2023年2月

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第46页，课件共58页，创作于2023年2月要求：（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。第47页，课件共58页，创作于2023年2月第48页，课件共58页，创作于2023年2月变频器相关参数型号：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第49页，课件共58页，创作于2023年2月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0~50Hz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。第50页，课件共58页，创作于2023年2月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。第51页，课件共58页，创作于2023年2月主功率系统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。第52页，课件共58页，创作于2023年2月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。第53页，课件共58页，创作于2023年2月功率单元单元正面图单元侧面图第54页，课件共58页，创作于2023年2月现场运行对比图用变频器的运行图用老系统的运行图第55页，课件共58页，创作于2023年2月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