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变频器调速系统--毕业论文(南工院)
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更新于2023-03-03
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1.1 概述 在变频器调速系统中,调速的基本方法就是通过改变给定的频率来实现,在目前许多应用的场合,由于拖动系统的惯性较大,而工艺要求电机快速降速或停车,因此会出现以下现象:电机将出现负转矩,电机处于制动状态,拖动系统的机械能快速回馈到直流母线上,使之迅速上升,变频器因母线电压过高而无法完成制动过程,因此必须将该回馈能量迅速消耗掉,保持直流母线电压在一定安全范围以下,否则变频器将会使得过压保护或检测故障失灵。
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毕业设计(论文)报告纸
1
引言
1.1
概述
在变频器调速系统中,调速的基本方法就是通过改变给定的频率来实现,在目前许多应用
的场合,由于拖动系统的惯性较大,而工艺要求电机快速降速或停车,因此会出现以下现象:
电机将出现负转矩,电机处于制动状态,拖动系统的机械能快速回馈到直流母线上,使之迅速
上升,变频器因母线电压过高而无法完成制动过程,因此必须将该回馈能量迅速消耗掉,保持
直流母线电压在一定安全范围以下,否则变频器将会使得过压保护或检测故障失灵。
1.2
发展的概况
变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流
电动机最理想、最有前途的调速方案,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速
装置。其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电
源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然
后由大功率晶体管 IGBT 组成的 PWM 高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可
变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
É国际上 400kva 以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公
司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至 1997 年,其占有率已达到日本家用
空调的 70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于 90 年代初期开始研究
变频空调,96 年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计
到 2000 年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的
压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
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工艺控制中越
来越重要的自动化设备,得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建
材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(中央
空调、供水、水处理、电梯等)中,变频器都在发挥着重要作用。
变频器产生的最初用途是速度控制,但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗
大国,能源利用率很低,而能源储备不足。在 2003 年的中国电力消耗中,60-
70%为动力电,而在总容量为 5.8 亿千瓦的电动机总容量中,只有不到 2000 万千
瓦的电动机是带变频控制的。据市场研究报告分析,在中国,带变动负载、具有节
能潜力的电机至少有 1.8 亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施,并着重推荐了变频
调速技术。
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应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下
运
行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当
所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的
节电效果非常可观。与次类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的
容量,所以设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。
如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力
巨大。
以电力行业为例,由于中国大面积缺电,电力投资将持续增长,同时,国家电改方
案对电厂的成本控制提出了要求,降低内部电耗成为电厂关注焦点,因此变频器在
电力行业有着巨大的发展潜力,尤其是高压变频器和大功率变频器。市场研究报告
显示,仅电力行业,2003 年的变频器市场规模就达到了 2.5 亿元。因此,变频器
的节能应用前景非常。
随着电力传动及控制技术的发展,变频调速越来越广泛地应用于工农业各领域,
很好地解决了交流电动机的调速问题。它具有调速范围广阔、调速精度高、动态响
应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量
和生产效率的显著作用。在纺织与化纤行业是变频器应用最多、使用密度最高的行
业。在最常见的化纤机械设备中,选用变频器的设备有螺杆挤出机、纺丝机和后加
工机等。这些设备都要求精确速度控制、多单元同步传动或比例同步(牵伸)传动等,
应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量,同时减轻了人工的劳动强度、提高
了生产效率。
目前,中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不
高。但随着中国加入 WTO,产品质量和生产效率都需要面临国际竞争,因此提
高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态
响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工
艺质量和生产效率的显著作用。
变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的
技术领域,总的发展趋势是:驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制的数字化、
智能化和网络化。因此,变频器作为系统的重要功率变换部件,提供可控的高性能
变压变频的交流电源而得到迅猛发展。中国拥有庞大的产业群,并保持着持续稳定
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的发展;与国际接轨,众多的企业需要提升国际竞争力;人们生活质量不断提高等。
这些都是变频器市场的增长驱动力和更广泛应用的基础。市场研究报告认为,至少
在十年以后,中国的变频器市场才能饱和并趋于成熟,因此,中国的变频器市场具
有广阔的发展空间。
1.3
开发的目的
在变频调速的过程中,拖动系统需要急剧减重、刹车、定位等场合时,机械部分
都因存在较大惯性而无法满足工艺要求,因此,需要制动组件来消耗能量,以克服
惯性的影响,实现快速制动的目的。目前市场上使用的制动单元都数位变频器厂家
为自家设备提供的配套产品。性能参差不全,通用性差,而且都是国外厂商的产品,
国内在开发和生产变频器制动单元者的领域内还存在一段空白。有迹象表明,国产
化的制动单元正向国外产品挑战,而国产化的价格比国外产品的价格低一半以上。
本课程设计意在开发出一种设计先进,功能齐全,有一定市场竞争实力的制动单元
产品。
2
保护装置的实现方法
2.1
能耗型制动单元
能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加上放电电阻单元组件,将再生电能消
耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法,它是将再生
能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上,转化为热能,因此又被称为“电阻制
动”,它包括制动单元和制动电阻二部分。
制动 单元 的功能是 当直 流回路的电压 超过 规定 的限 值时 (如 660V 或
710V),接通耗能电路,使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单
元可分内置式和外置式二种,前者是适用于小功率的通用变频器,后者则是适用于
大功率变频器或是对制动有特殊要求的工程生产中。从原理上讲,二者并无区别,
都是作为接通制动电阻的“开关”,它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。
2.2
共用直流母线方式的回馈制动
我们知道通常意义上的异步电机多传动包括整流桥、直流母线供电回路、若干
个逆变器,其中电机需要的能量是以直流方式通过 PWM 逆变器输出。在多传动方
式下,制动时感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路,这部分反馈能量就可以
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消耗在其他处在电动状态的电机上,制动要求特别高时,只需要在共用母线上并上
一个共用制动单元即可。
2.3
回馈到交流电网的方式
要实现直流回路与电源间的双向能量传递,一种最有效的办法就是采用有源逆
变技术:即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网,从而实现制
动。它采用了电流追踪型 PWM 整流器,这样就容易实现功率的双向流动,且具有
很快的动态响应速度。同时,这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流一侧和直
流一侧之间的无功和有功的交换。
以上三种制动方式各有优缺点,综合了通用性,性价比等诸多因素,最后我们
采取了能耗型制动单元的方法。
3
制动单元的简介
3.1
制动单元的组成
制动单元包括大功率晶体管、电压采样比较电路、驱动电路和其他的电力电子器件等。
3.2
制动电阻
制动电阻作为电机的再生能量从热能方式消耗掉的载体,它包括电阻阻值和功率容量两个
重要的参数,通常在工程上选用较多的是波纹电组和铝合金电阻两种。前种采用表面立式波纹,
有利于散热减低寄生电感量,并选用高阻燃无机涂层,有效保护电阻丝不被老化,延长使用寿
命;后者电阻耐气候性和耐震动性,优于传统瓷骨架电阻器,广泛用于高要求,恶劣工控环境
使用,易紧密安装,易附加散热器,外形美观。
3.3
制动过程
主要有四步:
1、当电机在外力的作用下发电运行时,其产生的三相交流电动势被变频器的
逆变部分的六个二极管组成的三相全控整流,使变频器内直流母线电压持续升高。
2、当直流母线电压达到某一电压值(制动单元的动作电压)时,制动单元功率
管开通,电流流过制动电阻。制动电阻吸收再生能量并转换成热能释放,变频器直
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流母线电压快速降低。
3、当直流母线电压将到某一电压值(制动单元的停止电压)时,制动单元功率
管关断,此时没有电流流过电阻,制动电阻在自然散热,降低自身的温度。
4、当直流母线电压重新升高至动作电压时,制动单元重复以上过程,以平衡母
线电压,使系统正常工作。
3.4
系统功能
表 1:主要描述系统所能实现的功能
制动单元系统功能 功能说明
参
数
设
定
制动起始电压设定 设定制动单元的动作制动起始电压值
制动停止电压设定 设定制动单元的动作制动停止电压值
制动使用率 设定制动单元的工作使用率
故
障
报
警
模块异常报警 当直流回路发生断路,过载或 IGBT 模块损坏故障报警,
故障继电器动作
散热器过热 制动单元散热器过热报警,故障继电器动作
输
入
输
出
故 障 继 电 器 ( 输
出)
制动单元故障时故障继电器吸合报警
外部禁止(输入) 当外部设备禁止制动单元工作时用
显
示
停止状态 制动单元已经上电,但是不进行任何操作,面板闪烁显示
当前的母线电压,RUN 指示灯熄灭
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