变频器调速系统--毕业论文.doc

共37页第1页装订线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。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。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共37页第2页装订线行。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。共37页第3页装订线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dU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。共37页第4页装订线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