变频器在节能领域的应用_毕业设计论文(编辑修改稿)

变频器在节能领域的应用_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

术。 所谓能量反馈装置，就是把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。 能量回馈单元的 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 8 作用，就是取代原有的能耗电阻式制动单元，消除发热源，改善现场电气环境，可减少高温对控制系统等部件的不良影响，延长了生产设备的使用寿命。 同时由于能 量回馈单元，能有效的将变频器电容中储存的电能回馈 20％～ 40％左右。 能量反馈单元具有如下特点： 降低运行成本，包括减少电能损耗、提高功率因数、改善电网运行质量等； 提高制动能力，如果以传统的标准制动电阻器与变频器的组合，制动力矩大约为 120%额定力矩 /10s， 10%ED；而 VS656RC5 与变频器的组合，制动转矩则提高到 150%额定转矩 /30s 或者 100%额定转矩 /1min（ 25%ED）或者 80%额定转矩 /连续再生。 送给交流电网，供周边其他用电设备使用，则可节约生产用电，一般节电率可达 20%。 （ 3）双 PWM 控制技术 双 PWM 控制技术的工作原理 :当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在 PWM 控制下降能量传送到电机。 当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在 PWM 控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。 同时由于 PWM 整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。 双 PWM 控制技 术打破了过去变频器的统一结构，采用 PWM 整流器和 PWM 逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。 无论是能量反馈单元和双 PWM 控制方式都能将能量反馈会电网，形成节能降耗、清洁生产的良好局面，其在变频器节能领域的占有率将从目前不到 3％快速上升到 15%。 变频器的工艺调速市场分析 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 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 9 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，其市场容量占到整个变频器市场容量的 1/3 左右。 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，可以说，变频器在纺织、食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业的应用前景和发展潜力都不可小觑。 比如应用在传送带上的变频工艺控制系统，它采用一台变频器驱动生产线上的多台传送带电机，根据所生 产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。 在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下 3 个优点： （ 1）提高生产率，通过设定变频器的频率，可控制传送带生产线的速度，从而达到了提高生产率达目的； （ 2）可利用现有设备，可利用现有传送带上的齿轮马达和现有的传送带进行改动； （ 3）可用一台变频器来控制多数电动机的驱动，这些电动机均并接到一台变频器上，通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同步运行。 变频工艺控制系统的优点 变频工艺控制系统的优点在于它能大大地提高工艺的高效性，因为其变速不依赖于机 械部分，具体表现特征如下： （ 1） 控制电机的启动电流 当电机通过工频直接启动时，它将会产生 7～ 8 倍的电机额定电流。 这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。 而变频调速则可以在零速零电压启动 (当然可以适当加转矩提升 )。 一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照 V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。 使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。 这个对于输送带的起停控制、多段速控制尤其有效，由于电机经常处于开关 或绕组切换状态，使用了变频器后，就可以保证电动机的运行寿命。 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 10 （ 2）可控的加速功能 变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择 (直线加速、 S 形加速或者自动加速 )。 而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。 这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。 另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。 （ 3）可调的运行速度 运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控 PLC或其他控制器来实现速度变化。 （ 4）可调的转矩极限 通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。 目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到 3％～ 5％左右。 在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。 （ 5）受控的停止方式 如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择 (减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动 )，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也 会相应增加。 （ 6）可逆运行控制 在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能 降低维护成本和节省安装空间。 （ 7）减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出 , 从而节省齿轮箱等机械传动部件 , 最终构成直接变频传动系统。 从而就能降低成本和空间 , 提高稳定性。 当然，使用变频器进行工艺控制，其优点还有很多，根据不同的工艺控制选择不同的变频器运行方式，所产生的效果也不一样。 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 11 第 3 章 变频器 简介 变频器基础 （ 1） VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。 （ 2） CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。 我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。 交流电源在人们使用电源中占总使用电源的 95％左右。 无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三 相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为 220V， 三相交流电线电压为 380V，频率为 50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相 100V/60Hz，三相 200V/60Hz 等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。 通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作 “ 变频器 ”。 为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（ DC），这个过程叫整流。 把直流电（ DC）变换为交流电（ AC）的装置，其科学术语为 “ inverter”(逆变器 )。 一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。 对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。 变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。 对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。 一般变频电源是变频器价格的 15— 20倍。 由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫 “ inverter” ，故该产品本身 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 12 就被命名为 “ inverter” ，即：变频器。 还有荧光灯等产品。 器主要 用于调节电源供电的频率。 用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以 “ inverter” 的名称进行出售。 变频器 基本 原理 简单地讲，变频器是利用交流电动机的转速与所供交流电的频率成正比的原理，改变电动机的供电频率从而达到改变电动机转速的目的。 变频器通常采用交 —直 —交的方式，即先由交 流电整流成直流，通过计算机芯片的运算，控制电力逆变元件，如 GTR（大功率晶体管）、 IGBT（绝缘栅双极型功率管）等，将直流电源逆变成新的频率与电压的交流电源，从而达到控制电动机转速的目的。 变频器的分类 按照不同的分类标准，变频器可以分为若干类别。 按照主电路工作方式分类，可以分为电压型和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM、 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，主要分为 V/F 控制变频器、转差控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，主要分为通用变频器、专用变频器等。 另 外，按照变频器所控制电动机的电压等级，变频器可以分为低压 (110V， 220V，380V 等 )、中压 (660V/690V， 1140V， 2300V)和高压 (3KV， ， 6KV， ， 10KV等 )变频器，高压变频器通常采用 IGBT 多级串联的技术，而中压变频器和低压变频器不需要，由于这一技术方面明显的分界线，使得业内人士通常把中低压变频器归为一个大类，和高压变频器 分开。 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 13 变频器 控制方式 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展。 自从 1991 年 INTEL 公司推出8X196MC 系列以来，专门用 于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。 如日本三菱电机开发用于电动机控制的 M3770 M7906 单片机和美国德州仪器的 TMS320C240DSP 等都是颇具代表性的产品。 变频器的控制方式可以分为非智能和智能控制。 其中，非智能控制方式包括 V/F 控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等；智能控制方式包括模糊控制、人工智能控制、专家系统等，目前还处在理论探索阶段，市场上尚没有相关产品。 本节主要简要介绍目前市场上主流应用的几种控制方式。 （ 1） V/F 控制方式 早期变频器一 般采用 V/F 控制方式，如东芝 TOSVERT－ 130 系列、 FUJIFVRG5／P5 系列， SANKENSVF 系列等系列变频器，大多数为开环恒压频比（ V／ F=常数）的控制方式。 它是基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电机的磁通量不变的思想提出的。 其优点是控制结构简单，尤其适合应用在风机、水泵上，缺点是低速时因电机定子电阻和逆变器死区效应的存在而调速性能下降、转矩响应慢，比较适合应用于对低频调速性能要求不高的场合。 （ 2） 转差频率控制 它是一种直接控制转矩的控制方式，是在 V/F 控制的基础上，根据已知的异步电 机的转速对应的电源频率以及希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，以控制电机的输出转矩。 利用转差频率控制方式，需要在控制系统中安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，是一种闭环控制方式，使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 （ 3） 矢量控制 电流矢量控制方法，也称转子磁场定向控制，该方法于 70 年代提出。 矢量控制方法实现了电机转矩和磁场的独立控制，使交流电动机的控制性能可以和直流电动机相媲美，开创了交流调速和直流调速相竞争的时代，典型产品如德国西门子的 6SE70 通用型 河南工业职业技术学院（ 论文 ） 14 系列。 矢量控制方法发展至今，以其优越的控制性能，在变频器行业得到了最为广泛的应用，国外的高性能变频器普遍采用矢量控制方法。 （ 4） 直接转矩控制 1985 年 德 国 鲁 尔 大 学 Depenbrock 教 授 首 先 提 出 直 接 转 矩 控 制 理 论（ DirectTorqueControl 简称 DTC）。 该方法可以实现很快的转矩响应速度，其控制性能可以和矢量控制相媲美。 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接转矩控制系列是该控制方法的典型产品，但目前直接转矩控制技术在变频器行业未得到普遍使用，迄今为止仍只有 ABB 一家推出。 河南。