毕业设计论文变频器调速系统的研究与应用.docx

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毕业设计论文变频器调速系统的研究与应用

邵阳学院

毕业设计（论文）

课题名称变频器调速系统的研究与应用

学生姓名

学号26

院（系）、专业机械与能源工程学院机电一体化

指导老师

2006年6月5日

邵阳学院毕业设计（论文）任务书

专业班级

2003机电一体化

学生姓名

杨文超

学号

26

课题名称

变频器调速系统的性能研究与应用

设计（论文）

起止时间

2006年1月1日至2006年6月10日

课题类型

应用研究

课题性质

模拟

一、课题研究的目的与主要内容

课题目的：

变频器调速可大幅度节约能源、降低成本、满足生产工艺过程实现对电动机无级调速的控制要求。

但在实际应用中，由于负载性质不同、电动机输出功率大小不等、变频器额定电压等级不一样等客观因素的不利影响，时而发生变频器、电动机损坏和电网谐波干扰。

本课题的目的：

从理论上探讨负载性质、电动机输出功率与变频器额定电压等级之间的正确匹配关系，为用户正确选用变频器调速系统的可靠性提供理论依据。

主要内容：

1、300KW以上变频器调速系统的电压选择方案。

2、高压变频器对电动机的影响。

3、变频器运行中高次谐波的产生与抑制。

4、高压变频器的选择方案。

5、应用举例。

二、基本要求

1、收集、研究与本课题有关的资料，但有关企业进行变频器应用情况的调查研究。

2、按要求写出开题报告。

3、撰写格式、内容符合规范要求、不少于10000字的应用研究论文一份

注：

1、此表由指导教师填写，经各系、教研室主任审批生效；

2、此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

三、课题研究已具备的条件（包括实验室、主要仪器设备、参考资料）

1、学校图书馆及学生本人拥有的相关资料。

2、电气原理实验室。

四、设计（论文）进度表

1、2006年1月5日---1月10日，完成选题；

2、2006年1月11日---1月18日，赵小林老师下达设计任务书；

3、2006年2月28日---3月5日，完成开题报告；

4、2006年3月16日---5月20日，完成设计计算和论文文本写作；

5、2006年5月21日---6月1日，设计审修改、定稿、准备答辩；

6、2006年6月2日---6月10日，毕业答辩。

五、教研室审批意见

教研室主任（签名）年月日

六、院（系）审批意见

院（系）负责人（签名）单位（公章）年月日

指导教师（签名）学生（签名）

摘 要

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。

交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。

目前变频调速的主要方案有:

交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。

这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。

随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

本文针对变频调速器的电压选择方案，以及在运行中高次谐波的产生和抑制问题进行阐述和变频调速系统的应用举例

关键词：

变频调速谐波变频器

Abstract

ThecharacteristicofFrequencyconversionadjustmentofspeedisthehighefficiency,thewidthscopeandthehighaccuracyandsoon.Atpresent,itobtainsthewidespreadutilization,andismosthasthedevelopmentfuturethevelocitymodulationway。

ExchangemotorsystemtypeofFrequencyconversionadjustmentofspeedhasverymuch.Itbeginsfromthetypeofvoltagesource,thenthesourcetypeofelectriccurrentcomesout,followingclosely,thepulsewidthandothervariouskindsoffrequencyconvertersisemerged.Atpresent,themainschemeofFrequencyconversionadjustmentofspeedisasfollows,Handsover-thealternationFrequencyconversionadjustmentofspeed,handsover-thestraight-alternationFrequencyconversionadjustmentofspeed,thesynchronousmotorautomaticcontrolFrequencyconversionadjustmentofspeed,thesinewavepulse-durationmodulation（SPWM）theFrequencyconversionadjustmentofspeed,thevectorcontrolFrequencyconversionadjustmentofspeedandsoon.Inthesetechnicaldevelopmentverygreatdegreesreliesonthehighefficiencysemiconductordevicemanufacturelevel.Alongwiththeelectricpowerelectronictechnologydevelopment,speciallythedevelopmentofsomethingthatmayshutoffthecrystalnoisilytomanageGT0,electricpowertransistorGTR,insulationgateextremelytransistorIGBT,theMOScrystalthyratronandMTCandothersthathavetheabilitytocontrolthepowerpart.Inadditioncontrolunitalsodevelopsfromtheseparativeelementtothelarge-scaledigitalintegratedcircuitandusesthemicrocomputercontrol,thuscausesthefrequencyconversionequipmenttherapidity,thereliabilityandtheefficiencyunceasinglyenhances,theFrequencyconversionadjustmentofspeedsystemperformancealsoobtainstheunceasingconsummation.ThisarticleisinviewofvelometervoltagechoiceplanofFrequencyconversionadjustmentofspeed,aswellasthehigherharmonicproductionandthesuppressionquestion,andgivesanexamplefortheuseoftheFrequencyconversionadjustmentofspeedsystem.

Keyword:

Frequencyconversionadjustmentofspeed；overtone；frequencychanger

1变频调速节能………………………………………………………………3

1.1变频调速………………………………………………………………3

1.1.1变频调速的基本原理…………………………………………………3

1.1.2电动机调速与节能的关系……………………………………………3

1.1.3电机在不同频率下运行的节电效果…………………………………4

1.2变频调速技术节省能源…………………………………………………4

1.2.1应用变频器调速的其它好处…………………………………………4

1.2.2变频器输出谐波的影响………………………………………………4

1.3节能分析…………………………………………………………………5

1.3.1节能计算………………………………………………………………5

1.3.2节能分析………………………………………………………………7

1.4节能分析结论………………………………………………………………7

2拖动系统功率的确定………………………………………………………9

2.1变频调速的基础知识……………………………………………………9

2.2电机容量的确定…………………………………………………………9

2.2.1恒转矩负载……………………………………………………………9

2.2.2平方律负载…………………………………………………………10

2.3功率裕量的考虑………………………………………………………10

2.3.1电机的冷却方式…………………………………………………11

2.3.2变频器输出谐波的影响…………………………………………11

2.3.3超额定转速的运行………………………………………………11

2.3.1特殊应用场合………………………………………………………11

2.4节变频器容量的确定…………………………………………………12

3.谐波的产生机理、危害以及抑制措施………………………………13

3.1谐波产生机理…………………………………………………………13

3.2谐波的危害……………………………………………………………14

3.3谐波的抑制措施………………………………………………………14

3.4一种有效的谐波抑制方案……………………………………………15

4变频调速技术在水处理工艺不同流程应用……………………………17

4.1工艺流程………………………………………………………………17

4.2变频器选择要注意的问题…………………………………………………19

4.3变频器在工程应用中要注意的问题…………………………………21

结束语………………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………………24

致谢……………………………………………………………………………………25

前言

交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。

但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。

20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。

人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。

因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。

早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。

20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。

由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。

20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。

1变频调速节能探讨

1.1变频调速

1.1.1变频调速的基本原理

在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器,由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。

在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电,脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下,用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源,输出到需要调速的电动机上。

由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比,通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。

1.1.2电动机调速与节能的关系

风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系

Q1/Q2=n1/n2（1-1）

H1/H2=（n1/n2）2（1-2）

P1/P2=（n1/n2）3（1-3）

上述式子中Q1、H1、P1分别代表转运n1时的流量、压力、功率。

Q2、H2、P2、分别代表转速n2时的流量、压力、功率。

即流量与转速的一次方成正比：

压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。

由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。

例如：

当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的（80%）3≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的（40%）3≈6.4%。

风机（水泵）调节流量，可行的方式有两种：

第一种方式是保持电机转速不变，通过调节风阀来调节流量。

此时风机的对H-Q特性曲线不变。

而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。

第二种方式是管路的阻力特性保持不变（即风门不变），通过调节电机的转速来调节流量。

这种方法所消耗的功率相对于第一种要小得多。

调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。

风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。

1.1.3电机在不同频率下运行的节电效果：

P=N3（仅供参考）

（1）频率下降10%情况下的节电率：

1-（1-10%）3=27.1%；

（2）频率下降15%情况下的节电率：

1-（1-15%）3=38.6%；

（3）频率下降20%情况下的节电率：

1-（1-20%）3=48.8%；

（4）频率下降25%情况下的节电率：

1-（1-25%）3=57.8%；

（5）频率下降30%情况下的节电率：

1-（1-30%）3=65.7%；

如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩展趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。

1.2变频调速技术节省能源

1.2.1应用变频器调速的其它好处

传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100％流量减到70％流量时能量只减少2％。

而用变频调速控制以后，同样的降到70％流量，能量下降了52％，从而使系统的效率大为提高。

国外资料表明：

当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。

这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。

1.2.2应用变频器调速的其它好处：

（1）、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。

风机噪声抑制公式：

（dB）551og（ 速度1/速度2）,速度从100％降到50％的噪声降低量为：

55×1og（1500/750）=55×0.30=16.5dB噪音电平降低了16.5分贝,这是一个很显著效果。

（2）、设备软启动，消除了起动冲击。

感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7倍多，即便是采用Y-△起动也会达到4.5倍。

所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。

而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可人为设置，平稳地达到预设速度。

（3）、高功率因数：

供电局对用户功率因数有严格要求。

当低于90％时用户必需采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。

而使用变频器后功率因数可接近1，免除了功率因数的补偿。

（4）、改善机械性能：

减小机械磨损。

起动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。

消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。

延长了机械的使用寿命。

（5）、变频器有完善的保护：

由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。

电气上的常规保护全都包括，而且还有许多例如：

电机/电源缺相；相间短路；接地故障；过/欠电压；变频器/电机过热；过速/低速报警；过载/空载报警等等保护。

（6）、操作简捷直观：

变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器，电机和操作状态的信息。

其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。

（7）、变频器具有通讯功能：

现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。

例如标准的RS--485通讯。

这就可方便地纳入BAS等网络的集散控制系统。

1.3节能分析

1.3.1节能计算 

对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：

（1）根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。

根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。

则每年的节电量为：

W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h  

W2=45×13×（95%－20%）×300=131625kW·h  

W=W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

（2）根据风机、泵类平方转矩负载关系式：

P/P0=（n/n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。

以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例。

运行工况仍以24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。

则变频调速时每年的节电量为：

W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW·h 

W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW·h 

Wb=W1＋W2=16067＋80309=96376kW·h  

挡板开度时的节电量为：

W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h  

W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW·h  

Wd=W1＋W2=1452＋21780=23232kW·h

相比较节电量为：

W=Wb－Wd=96376－23232=73144kW·h每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。

1.3.2实例分析

某工厂离心式水泵参数为：

离心泵型号6SA-8，额定流量53.5L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37kW。

对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：

流量

时间

消耗电网输出的电能（kW·h）

L/s

（h）

阀门节流调节

电机变频调速

47

2

33.2×2=66.4

28.39×2=56.8

40

8

30×8=240

21.16×8=169.3

30

4

27×4=108

13.88×4=55.5

20

10

23.9×10=239

9.67×10=96.7

合计

24

653.4

378.3

相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1kW·h的电量，节电率达42.1%。

1.4节能分析结论

由以上分析可知使用变频调速技术可以大幅度提高效率节约能源，具有十分可观的经济效益。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视。

实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。

既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。

直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。

附实验数据记录表：

大气压力（pA）

室温（oc）

风机频率（hZ）

风机转速

电功率（kw）

喷嘴前后静压差

进气口温度（oc）

出气口温度（oc）

流量（m3/s）

最大

最小

平均

102.50

23.6

50

2543

129.6

1876

0.3766

37.6~38

25.3

25.1

1.227

104.02

23.7

49

2502

210.3

1892

0.3333

33.0~33.4

25.4

25.2

1.150

103.99

22.8

47

2444

203.8

1697

0.3000

31.0~31.4

23.8

23.9

10115

103.99

22.7

46

2404

136.7

1693

0.2925

29.6~30.0

23.5

23.6

1.089

103.00

24.0

45

2315

120.6

1594

0.2764

28.4~28.6

24.9

25.1

1.065

102.95

24.0

44

2513

291.9

1740

0.2579

27.2~27.6

25.0

25.1

1.045