變頻器調(diào)速系統(tǒng)--畢業(yè)論文.doc

共37頁第1頁裝訂線1引言1.1概述在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速的基本方法就是通過改變給定的頻率來實現(xiàn)，在目前許多應(yīng)用的場合，由于拖動系統(tǒng)的慣性較大，而工藝要求電機快速降速或停車，因此會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：電機將出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩，電機處于制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的機械能快速回饋到直流母線上，使之迅速上升，變頻器因母線電壓過高而無法完成制動過程，因此必須將該回饋能量迅速消耗掉，保持直流母線電壓在一定安全范圍以下，否則變頻器將會使得過壓保護或檢測故障失靈。1.2發(fā)展的概況變頻器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。國際上400kva以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成高潮。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。自上世紀(jì)80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發(fā)揮著重要作用。變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60-70為動力電，而在總?cè)萘繛?.8億千瓦的電動機總?cè)萘恐?，只有不?000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據(jù)市場研究報告分析，在中國，帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)。應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運共37頁第2頁裝訂線行。以風(fēng)機水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。因此，精確調(diào)速的節(jié)電效果非?？捎^。與次類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產(chǎn)電動機的容量，所以設(shè)計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的節(jié)能潛力巨大。以電力行業(yè)為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求，降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。市場研究報告顯示，僅電力行業(yè)，2003年的變頻器市場規(guī)模就達到了2.5億元。因此，變頻器的節(jié)能應(yīng)用前景非常。隨著電力傳動及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域，很好地解決了交流電動機的調(diào)速問題。它具有調(diào)速范圍廣闊、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。在紡織與化纖行業(yè)是變頻器應(yīng)用最多、使用密度最高的行業(yè)。在最常見的化纖機械設(shè)備中，選用變頻器的設(shè)備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。這些設(shè)備都要求精確速度控制、多單元同步傳動或比例同步(牽伸)傳動等，應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時減輕了人工的勞動強度、提高了生產(chǎn)效率。目前，中國的設(shè)備控制水平與發(fā)達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高。但隨著中國加入WTO，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要面臨國際競爭，因此提高設(shè)備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。中國擁有龐大的產(chǎn)業(yè)群，并保持著持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展；與國際接軌，眾多的企業(yè)需要提升國際競爭力；人們生活質(zhì)量不斷提高等。這些都是變頻器市場的增長驅(qū)動力和更廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。市場研究報告認為，至少在十年以后，中國的變頻器市場才能飽和并趨于成熟，因此，中國的變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間。共37頁第3頁裝訂線1.3開發(fā)的目的在變頻調(diào)速的過程中，拖動系統(tǒng)需要急劇減重、剎車、定位等場合時，機械部分都因存在較大慣性而無法滿足工藝要求，因此，需要制動組件來消耗能量，以克服慣性的影響，實現(xiàn)快速制動的目的。目前市場上使用的制動單元都數(shù)位變頻器廠家為自家設(shè)備提供的配套產(chǎn)品。性能參差不全，通用性差，而且都是國外廠商的產(chǎn)品，國內(nèi)在開發(fā)和生產(chǎn)變頻器制動單元者的領(lǐng)域內(nèi)還存在一段空白。有跡象表明，國產(chǎn)化的制動單元正向國外產(chǎn)品挑戰(zhàn)，而國產(chǎn)化的價格比國外產(chǎn)品的價格低一半以上。本課程設(shè)計意在開發(fā)出一種設(shè)計先進，功能齊全，有一定市場競爭實力的制動單元產(chǎn)品。2保護裝置的實現(xiàn)方法2.1能耗型制動單元能耗制動采用的方法是在變頻器直流側(cè)加上放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此又被稱為“電阻制動”，它包括制動單元和制動電阻二部分。制動單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓dU超過規(guī)定的限值時（如660V或710V），接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。制動單元可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工程生產(chǎn)中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動電阻的“開關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路。2.2共用直流母線方式的回饋制動我們知道通常意義上的異步電機多傳動包括整流橋、直流母線供電回路、若干個逆變器，其中電機需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流回路。通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態(tài)的電機上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上一個共用制動單元即可。2.3回饋到交流電網(wǎng)的方式要實現(xiàn)直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動。共37頁第4頁裝訂線它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現(xiàn)功率的雙向流動，且具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度。同時，這樣的拓撲結(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流一側(cè)和直流一側(cè)之間的無功和有功的交換。以上三種制動方式各有優(yōu)缺點，綜合了通用性，性價比等諸多因素，最后我們采取了能耗型制動單元的方法。3制動單元的簡介3.1制動單元的組成制動單元包括大功率晶體管、電壓采樣比較電路、驅(qū)動電路和其他的電力電子器件等。3.2制動電阻制動電阻作為電機的再生能量從熱能方式消耗掉的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)，通常在工程上選用較多的是波紋電組和鋁合金電阻兩種。前種采用表面立式波紋，有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化，延長使用壽命；后者電阻耐氣候性和耐震動性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛用于高要求，惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝，易附加散熱器，外形美觀。3.3制動過程主要有四步：1、當(dāng)電機在外力的作用下發(fā)電運行時，其產(chǎn)生的三相交流電動勢被變頻器的逆變部分的六個二極管組成的三相全控整流，使變頻器內(nèi)直流母線電壓持續(xù)升高。2、當(dāng)直流母線電壓達到某一電壓值（制