變頻電機畢業(yè)設(shè)計正文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 用交 — 直 — 交電路。 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 網(wǎng)側(cè)變流器 1 中間直流環(huán)節(jié) 負載側(cè)變流器 2 運行指令 整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器 1 是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流電。 逆變器 負載側(cè)的變流器 2為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負載為異步電機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為 ，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要 靠 AC電源 電機 整流器 逆變器 控制電路 6 極變頻電動機 設(shè)計 7 中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。所以有常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 控制電路 控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護佛那個能等，控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)值控制方式靠可以完成模擬控制方式難以完成的功能。 交 直 交變頻器 交 直 交變頻器又稱逆變器。它是將交流電整流為可控直流電壓 ,然后由逆變器將直流電逆變成 交流電。顯然輸出的電壓頻率不受電網(wǎng)頻率的影響 ,而是取決于逆變器的切換頻率。為了提高功率因數(shù) ,可以不采用可控整流獲得直流電壓 ,而采用不可控整流再經(jīng)斬波器或脈寬調(diào)制逆變器來調(diào)壓。我用 SPWM 變頻調(diào)速器。 在 SPWM 型逆變器中必須添加強迫換相電路。晶閘管 SPWM 型逆變器主電路如圖 2— 1 所示。在此電路中由 VTl～ VT6 和 VDl～ VD6 組成逆變器， VT7~VTl0和 L， C 構(gòu)成換相電路， VTll， VTl2 和 Cp 及只 R1， R2等組成過載斷路開 關(guān)電路。 晶閘管 SPWM 逆變器同樣可以使用各種脈寬調(diào)制方法。我們現(xiàn)在來說明一下此電路的工作過程，圖 2— 4 表示出此逆變器的工作過程，圖中表示出 6只主晶閘管的控制脈沖以及換相晶閘管的工作方式。在此圖中，控制脈沖為正時，上橋臂 VT!或 VT3， VT5 導通，控制脈沖為負時，下橋臂 VT4 或 VT6， VT2 導通，波形最下面的 VT VT8 和 VT9， VTl0 表示換相回路中被觸發(fā)導通的晶閘管。以晶閘管 VTl 強迫關(guān)斷為例來說明換相過程：當 VTl 導通時，設(shè)換相電容器已經(jīng)充好電，極性為左正右負，觸發(fā) VT7， VT8 換相晶閘管，使之導通，電容 C 上的電壓通過 VT7， VT8 及 VD4加到主晶閘管 VTl 上，使 VTl 受反壓 而關(guān)斷。電容 C放電后接著反向充電，為下一次雙序號晶閘管關(guān)斷作好準備，換相電流過零時，VT7， VT8 自行關(guān)斷，其他晶閘管的關(guān)斷情況與此類似。晶閘管 VTl， VT3， VT5 強迫關(guān)斷過程相同，而晶閘管 VT4， VT6， VT2 強迫關(guān)斷過程相同。直流電路中的電抗 L 的作用是避免經(jīng)反饋二極管 VDl～ VD6 而使晶閘管 VTl～ VT6 的反饋電流被直流短路，并限制電流上升率。 VD7， VD8 為續(xù)流二極管，防止逆變管兩端出現(xiàn)過高電壓。 6 極變頻電動機 設(shè)計 8 圖 21 晶閘管 SPWM 型逆變器 過載斷路開關(guān)電路在逆變器正常工作時，導通 VT11， VTl2 處 于截止狀態(tài)，電容 Cp 充滿電，極性為上正下負。一旦發(fā)生過電流，觸發(fā)導通 VTl2， Cp經(jīng) r1，只：放電，給 VTll 加反壓而使之關(guān)斷，從而切斷主電路，實現(xiàn)過電流保護。 變頻器的控制方式 簡述變頻器的控制方式 其控制方式經(jīng)歷了以下四代 : U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）控制方式 電壓空間矢量（ SVPWM）控制方式 矢量控制（ VC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）方式 矩陣式交 — 交控制方式 交流電動機變頻調(diào)速四種控制方案的分析 根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣 的變頻調(diào)速控制方案。這里只討論交 直 交 (AcDcAc)變頻器。至于交 交循環(huán)變頻器（ AcAc 相控變頻）以及自同步控制逆變器（不論 AcAc 方式還是 AcDcAc方式），即俗稱無換向器電動機，均不展開討論。 1 環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) [5] 控制框圖如圖 1所示。 6 極變頻電動機 設(shè)計 9 圖 24 開環(huán)異步機變頻調(diào)速 VVVF通用變頻器 IM異步電動機 該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動機存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達到 %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步機開環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場合，例如風機、水泵等機械。 2 速度傳感器的矢量控制變頻器 異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng) 控制框圖如圖 2所示。 圖 25 矢量控制變頻器的異步電機變頻變頻調(diào)速 VVVF 矢量變頻器 對比圖 1 和圖 2控制框圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率 ，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現(xiàn)了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于 %，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機變頻調(diào)速是非常合適的，可以達到控制 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的實 效 。3 速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng) 矢量控制異步電機閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。 它有許多優(yōu)點： （ 1）可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即甚低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達 100:1 或 1000:1； （ 2）可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制； 6 極變頻電動機 設(shè)計 10 （ 3）系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快； （ 4）電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。 然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，嚴格地講，已經(jīng)降低了異步電動機結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高的特點。況且，在某些情況下，由于電動機本身或環(huán)境的因素無法安裝速度傳感器。再則，多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機率。 因此，如若非采用不可的情況下，對于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場合，往往采用無速度傳感器矢量變 頻器開環(huán)控制異步機變頻調(diào)速系統(tǒng)。 4 磁同步電動機開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) 控制框圖如圖 4所示。 圖 26 永磁同步電動機開環(huán)控頻調(diào)速 SM同步電動機 （ PM. SM） 制變永磁式 假如將圖 1中異步電動機 (IM)換成永磁同步電動機 ()，就是第四種變頻調(diào)速控制方案。又具 有控制電路簡單，可靠性高的特點。至于調(diào)速性能如何呢？ 由于是同步電動機，它轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速 N0=60F/P，只取決于電動機供電頻率 F，而與負載大小無關(guān)（除非負載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩，同步電動機會失步，轉(zhuǎn)速迅速停止），其機械特性曲線為一根平行橫軸直線，絕對硬特性。 如果采用高精度的變頻器（數(shù)字設(shè)定頻率精度可達 %），在開環(huán)控制情形下，同步電動機的轉(zhuǎn)速精度亦為 %。因為同步電動機轉(zhuǎn)速精度與變頻器頻率精度相一致（在開環(huán)控制方式時），所以特別適合多電機同步傳動，靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求甚高 (～ %)的化纖紡絲機，是最理想最簡單的首選方案。至于同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)問題，若采用通用變頻器 V/F 控制，響應(yīng)速度較慢；若采用夭量控制就頻器，響應(yīng)速度很快。 3) 交流電動機變頻調(diào)速控制方案的選擇 在對四種常用控制方案分析的基礎(chǔ)上，列表進行對比，可以根據(jù)實際需求作出正確選擇。 6 極變頻電動機 設(shè)計 11 第 3 章 變頻調(diào)速異步電動機 變頻調(diào)速異步電動機是運用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的專用電動機，因此設(shè)計時必須充分考慮到該類電動機由變頻電源供電時的問題，進行針對性設(shè)計，以適應(yīng)電源波形的非正弦和從低頻到高頻的寬頻范 圍、寬調(diào)速比的運行狀況。 由于在調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機 —— 變頻電源 —— 控制單元是密切相關(guān)的，構(gòu)成一個相對獨立的整體。因此如何根據(jù)機電一體化的觀點，從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標出發(fā)，求得異步電動機與變頻電源的最佳匹配，是變頻調(diào)速異步電動機設(shè)計時應(yīng)解決的又一基本問題。尤其是在電動機參數(shù)的選取時，不再是僅僅在電動機內(nèi)部綜合考慮，而應(yīng)就整個調(diào)速系統(tǒng)通盤考慮。這是因為在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，電動機的參數(shù)不僅影響到電動機自身的性能指標，而且影響到整個系統(tǒng)，它的取值對系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標有著重大影響。因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)變頻 器和電動機兩者的技術(shù)和經(jīng)濟的合理性綜合分析，從總體的最佳要求來確定。 由變頻電源供電的專用電動機的設(shè)計雖然受到了一些制約，但同時也解除了一些約束。變頻調(diào)速電動機既然由專用的逆變電源供電，這就避免了以往直接由工頻電網(wǎng)供電的各種限制，因此其參數(shù)配置和性能要求在許多方面也就不再受工頻運行的制約。電動機的頻率、電壓及效率等額定值的選取，不再受工頻電網(wǎng)的限制，僅僅根據(jù)機電一體化原則，在系統(tǒng)內(nèi)通盤考慮決定。系統(tǒng)起動時總是采用降頻降壓的軟起動方式，這樣不必考慮工頻起動特性。因此，設(shè)計中不存在工頻時的起動性能指標對設(shè)計的限 制及對其它指標的約束，也不會出現(xiàn)高轉(zhuǎn)差頻率運行。因此，可盡量減少轉(zhuǎn)子電阻，必要時還可增大定、轉(zhuǎn)子漏抗。在采用矢量控制等情況下，由于運行中保持轉(zhuǎn)子磁通不變，電動機的機械特性是一條直線，不存在最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)對設(shè)計中漏抗取值的限制。 應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要目的，一是節(jié)能；二是高精度的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；三是現(xiàn)高速驅(qū)動。變頻調(diào)速中變頻電源供電的電動機與傳統(tǒng)工頻正弦波供電的電動機的主要區(qū)別在于：一方面是從低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運行，另一方面電源波形是非正弦的。由于以上特點 ，因而帶來以下一系列問題： (1)損耗增加，效率降低 由于變頻電源的輸出中含有大量的高次諧波，這些諧波會產(chǎn)生相應(yīng)的銅損耗和鐵損耗，降低運行效率。即便是目前廣泛采用的6 極變頻電動機 設(shè)計 12 SPWM 正弦脈寬技術(shù)，也只是抑制了低次諧波，降低了電動機的脈動轉(zhuǎn)矩，從而擴展了電動機低速下的平穩(wěn)運行范圍。而高次諧波不僅沒有降低，反而大大增加了。一般說來，與工頻正弦電源供電相比，效率要下降 1％ —— 3％，功率因數(shù)下降 4％ —— 10％，因此，變頻電源供電下電動機的諧波損耗是一個很大的問題。 (2)產(chǎn)生電磁振動和噪聲 由于一系列高次 諧波的存在，還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲。如何降低振動和噪聲，對正弦波供電的電動機來講已經(jīng)是一個難題了。而對于由變頻電源供電的電動機來講，由于電源的非正弦性，就使問題變得更為復雜和棘手。 (3)低速時出現(xiàn)低頻脈動轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運行 即使是采用 SPWM 調(diào)制方式，但與工頻正弦供電相比，仍然會出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運行時產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機低速穩(wěn)定運行。 (4)出現(xiàn)浪涌電壓和電暈現(xiàn)象，損害電動機絕緣 電動機運行時，外加電壓經(jīng)常與變頻裝置中元器件換流時產(chǎn)生的浪涌電流相迭加，有時浪涌 電壓較高，致使線圈受到反復電沖擊，絕緣加速老化。此外，有時還伴有電暈現(xiàn)象產(chǎn)生，致使線圈對地絕緣損壞。 (5)產(chǎn)生軸電壓和軸電流，縮短軸承壽命 軸電壓的產(chǎn)生主要是由于磁路不平衡和靜電感應(yīng)現(xiàn)象的存在，這在普通電動機中并不嚴重，但在變頻電源供電的電動機中則較為突出。若軸電壓過高，軸和軸承間油膜的潤滑狀態(tài)遭到破壞，軸承壽命將大大縮短。 (6)低速運行時散熱效果降低 由于變頻調(diào)速電動機調(diào)速范圍大，常常在低頻率下低速運行。這時，由于轉(zhuǎn)速很低，普通電動機所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風量已大大減小， 散熱效果大大降低，必須采用其它的冷卻方式。 (7)容易產(chǎn)生共振干擾 一般來說，任何機械裝置都會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。但工頻恒定轉(zhuǎn)速運行的電動機，要避免與 50Hz 的電頻率響應(yīng)的機械固有頻率發(fā)生共振比較容易。而變頻調(diào)速運行時的電動機運行頻率變化范圍廣，加之各個部件都有各自的固有頻率，這就極易使它在某一頻率下發(fā)生共振， 綜上所述，異步電動機在由變頻電源供電運行時將會面臨諸多的特殊問題。因此針對問題，進行變頻調(diào)速異步電動機的專門設(shè)計已成必要。 6 極變頻電動機 設(shè)計 13 由于變頻電機是有變頻器供電的，而變頻器輸出的電 壓或電流中含有比工頻電網(wǎng)多的多的諧波，所以再設(shè)計時必須給予考慮，下面是對諧波的一些相關(guān)分析。 氣隙磁勢諧波 通常的三相電動機有三組在空間相差 ?120 分布的定子線圈。正常使用時每一組線圈若流入一個正弦電流，這個電流將產(chǎn)生一個脈動的磁勢。假定每一