（电力电子与电力传动专业论文）双吊舱变频调速系统试验设计.pdf

d e s i g no f v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls p e e ds y s t e mt r i a li ne l e c t r i c t w i n - p o dp r o p u l s i o n a b s t r a c t p o d d e dp r o p u l s i o ni san e wf o c u si nd e v e l o p m e n to fs h i pp r o p u l s i o ns y s t e m t h e d e b u to fi ta c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp r o p u l s i o n b u tt h es t u d yo fp o d d e d p r o p u l s i o ni sj u s ts t u d i e di n t e r i o r l y ，s od o i n gt h er e s e a r c ho ft h ep o d d e dp r o p u l s i o ni s n e c e s s a r y t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h et r i a lo fs p e e d a d j u s t m e n ts y s t e mi nt h ee l e c t r i ct w i n p o dp r o p u l s i o n t h et h e s i sc o n s i s t so f7c h a p t e r s i nt h eb e g i n n i n g ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i p ，t h e ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dc o m p o s i n go ft h ep o d d e d p r o p u l s o r si nd e t a i l ；a n di tp r e s e n t st h e o r i e s ，i n s t r u m e n t sa n dm e a n so ft h et r i a la l s o i t e x p l a i n st h ep r i n c i p l eb o t ho ft h ei n v e r t e ra n dp l c ，a n di n t r o d u c e st h ec o n t r o l m o d e a n dt h ec h o i c et y p eo ft h e md e t a i l e d l y b e c a u s et h et r i a lo fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e ma d o p t st h em e a no fd i g i t a lp i dc o n t r o l ，t h ec o n t r o l m e n ta n dd i g i t a lp i dc o n t r o l a r ei m p l e m e n t e db yp l c ，s ot h e t h e s i se l a b o r a t e st h ep r i n c i p l eo fp i da n da n a l y s e s p a r a m e t e r s p h y s i c a lm e a n i n g ，t h e nd e s i g n st h ei m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lp i d t h e t h e s i sg i v e st h es y s t e ms t r u c t u r ep i c t u r e ，s y s t e mc o m p o s i n gp i c t u r ea n dt h ef l o wc h a r t o ft h ep r o g r a m f o rt h en e t w o r k ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n dt h ep l cb a s e do np r o f b u s - d p b a s e d0 nt h ea b o v es t u d y ，t h ea u t h o r o ft h i sp a p e rd e s i g n e dv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls p e e ds y s t e mi ne l e c t r i ct w i n - p o d p r o p u l s i o n t h i ss y s t e mh a st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h es p e e dc o n t r o lt h r o u g ht h e r e p e t i t i o u st r i a l t h es y s t e mc a ni m p l e m e n tt w om o t o r ss t a r t i n gw o r ka ts a m et i m ea n d n o t ，a n dm o t o r sc a nb ec o n t r o l l e db yd i s c r e t i o n a lg i v e ni n p u ts i g n a l i no r d e rt of i n dt h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，d e b u g g i n gt ot h es y s t e mi sn e c e s s a r y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e p r o c e s so f d e b u g g i n ga n dp r e s e n t sr e s u l t so f t h ew h o l et r i a l a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s o f t h et r i a l ，i tp r o v e st h i st r i a ld e s i g na c h i e v e dt h ea n t i c i p a t er e q u e s t s k e yc o n c l u s i o n sa r eg i v e na tt h ee n do ft h et h e s i s p r o b l e m sa n dd r a w b a c k so ft h e r e s e a r c h i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d ，a c c o r d i n gt ow h i c hs o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e nf o r f u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：e l e c t r i ct w i n p o dp r o p u l s i o n ；v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls p e e d ； d i g i t a lp i d ：p l c ；p r o f i b u s - d p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 塑虽舱变麴翅速丕缠试验遮让：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 轳蚴麟觚衅胁担一繇群加辟；月加 论文作者签名：百：万 加# 年；月硝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密吖( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名夕乡髟眵穸导师签 矿 日期：庐5 月土r 日 第1 章绪论 1 1 选题来源、背景及其意义 船舶电力推进，是指船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶运动 的推进方式。通常是由原动机带动发电机发电，然后直接或经变流器给推进电动 机供电，由推进电机带动推进器旋转，使船舶运动。原动机有柴油机、蒸汽轮机、 燃气轮机和原子能动力等动力装置。1 传统的船舶推进方式是利用汽轮机、柴油机等原动机直接推进；而电力推进 是将原动机的机械能转变为电能，并以电动机驱动螺旋桨推进器，它可以满足由 于船舶结构、运行特点和技术性能所提出的许多条件和要求，而传统的船舶推进 方式不能满足这些条件。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力半导体技术、交流调 速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟。这也使 得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破 性的进展，应用范围也在不断扩大，不仅在传统的领域，如破冰船、挖泥船、勘 探测量船等占有越来越大的份额，而且在游船、班轮、穿梭油船、滚装船和近海 客货船方面也显示出广泛的应用前景。 船舶电力推进系统工作方式是原动机带动发电机，发出的电能送至配电板， 由配电板汇流后分配至全船各用电设备，电能经变频器给推进电动机供电，由推 进电动机驱动螺旋桨转动，从而推动船舶运动的一种推动方式。它的相关技术有 电力电子技术、交流调速技术、电机制造技术、永磁材料技术以及计算机控制技 术等。其系统结构如图1 1 所示。 2 - 4 图1 ，1 船舶电力推进系统结构倒 f i g1 1 s t r u c t u r ep i c t u r eo f e l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i p 现代船舶电力推进在以下几个方面优点： ( 1 ) 优化机舱 采用综合全电力推进系统，有利于船舶动力装置配置。推进装置不需要构成 长轴系，柴油机、燃气轮机等原动机、推进电机和发电机组都可以相对独立布置， 使总体设计的自由度大大增加。 ( 2 ) 性能提升 采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，正反车速度切换快， 可大大地提升船舶的操纵性。由于电动机的转速易于调节，还具有紧急停船时滑 行距离短、小角度回转和快速响应等优点。 ( 3 ) 节能环保 采用电力推进系统后，机械噪声大幅度下降，振动减少：柴油发电机组可以 一直工作在最佳工作状态，整体效益提高；减少废气排放，减少污染( 减少了n o x 和s o x 的排放) 。 f 4 ) 维护减轻 船舶采用电力推进系统后，有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的 自动控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准，实现自动化监控，能很 快发现问题，排除故障，可进行针对性的适情和适时维护，既提高了适航性又减 少了工作量，呵减少编制人员。 f 因为电力推进船舶具有操纵性能好、机舱布置灵活、减少了尾轴等优点， 冈此2 0 世纪8 0 年代以来，综合电力系统，全面融合了现代最先进的数控技术、 网络技术以及动力和机电技术的电力推进船舶，已引起国际造船和航运界的重视， 世界上各大船用设备生产厂家也都纷纷开始在这方面丌展研究开发工作。在十几 年的时问里，电力推进型式从直流电力推进发展到了采用p w m 技术的交流电力 推进和矢量控制、直接转距控制的交流电力推进。系统中采用的电力半导体器件 也经历了从半控型器件( 如s c r ) 到全控型器件( 如g t o 、i g b t 、i g c t ) 的发 展历程。在系统硬件结构方面，目前先进的船舶电力推进系统几乎都已开始采用 吊舱式的结构型式。但在国内对吊舱式的结构电力推进系统的研究甚少【2 捌。因此 大连海事大学自动化与电气工程学院实验室针对电力推进船舶，以吊舱式电力推 进系统为研究对象进行了有针对性的研究，模拟实际电力推进船舶，设计电力推 进试验系统。系统包括双吊舱电力推进调运试验系统、双吊舱电力推进回转试验 系统、双吊舱电力推进航向控制试验系统、电力推进船舶网络监控试验系统、电 力推进d t c 调速试验系统以及电力推进系统负荷模拟研究等多个系统。因此可以 潞这项研究具有根强的前瞻性，是电力推进船舶方面研究的一次深入探索和尝试， 对于提高电力推进船舶尤其是吊舱式电力推进船舶的以识有着重要的意义。 本文是针对电力推进试验系统中的双吊舱电力推进调速试验系统的研究，双 吊舱电力推进诵速试验系统是电力推进船舶的重要组成部分，是整个电力推进试 验系统研究的重中之重，双吊舱电力推进调速试验系统的实现是整个吊舱式电力 推进船舶实现的基础。 1 2 课题的相关技术状况 1 2 ，1p l c 技术 p l c 即可编程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，是以微处理器为基础r 综台了计算机技术、半导体集成技术、n 动控制技术、数字技术和通信网络技术 发展起来的一种通用工业自动控制装置。 p l c 技术虽然仅诞生于上个世纪6 0 年代表期，但其已显示了枉工业控制中的 重要地位。随着微处理器c p u 和微型计算机技术在p l c 中的应用，如今的就p l c 产品已使用了1 6 位、3 2 位高性能处理器。目前世界上有2 0 0 多个厂家生产口j 编程 序控制器产品，较著名的厂家有德垦的西门子，美国的a b 、通用，日本的三菱、 欧姆龙、松下，法国的施咐德、韩国l g 等。 p l c 具有控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于控制：功能完善， 体积小，维护方便；抗干扰能力强可靠性高等特点。因此，本次取吊舱电力推 进调速试验系统采用它作为控制单元。 7 1 1 ，22 变频调速技术 变频凋速技术，是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速日的的技 术。 近1 0 年柬，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交 流调速取代直流调速已成为发展趋势。交流电机变频调速技术是当今节f 巳、改善 i ，艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速 工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速 以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果、适用范围广等 优点，而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 国外交流变频调速技术高速发展。在大功率交一交变频调速技术方面，法国 阿尔斯通已能提供单机容量达：3 1 0 4 k w 的电气传动设备用于船舶推进系统。在 大功率无换向器电动机变频调速技术方面，a b b 公司提供了单机容量为：6 1 0 4 k w 的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司 的电流型晶闸管变频调速设备单机容量已达到1 0 2 6 0 0 k v a ；p w m 变频调速设备 单机容量已达到1 0 - 9 0 0k v a ，其控制系统已经实现数字化，用于电力机车、风机、 水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士b j t 变频器最大单机容量 可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器已经形成系列产品，其控制系统也已经实现全数字化。 国内交流变频调速技术也有较快发展，但较国际先进水平仍有较大差距。在 大功率交一交、无换向器电动机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力 制造，在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方 面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，取得了一定的成果。1 6 j 1 2 3 吊舱装置 吊舱式电力推进方式是由k m y 和a b b 这两家公司于1 9 8 9 年率先提出来的。 作为一种行之有效的推进方式，它很快就获得了广泛的认可，这种推进方式是一 种革命性的设计思想，也是常规动力和推进系统发展的必然结果，它把船舶动力 装置置于一个能3 6 0 。转动的吊舱内，悬挂在船下，是推进装置和操舵装置的综合 体，这样就省去了通常所使用的舵和轴系，从而极大地提高了船舶设计、建造和 运行的灵活性，使船舶设计具有更大的自由度。 6 1 目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有a z i p o d 、m e r m a i d 、s s p 和d o l p h i n 4 种。这些不同品种的吊舱产品都有其自身的不同特点。各家吊舱产品的发展突 飞猛进。而且每种产品都在不断完善更新，它是船舶电力推进的一个重要发展方 向，在未来的船舶推进市场中，它将拥有着巨大的潜力。 1 3 论文主要工作 本文针对双吊舱电力推进系统中的双吊舱调速系统进行了介绍、分析及设计。 通过对整个设计过程的介绍，验证此次双吊舱变频调速试验设计系统达到系统要 求。文章共分七章。 第一章首先介绍选题来源、背景及意义，介绍了电力推进系统的特点，然后 介绍了本次课题所涉及的相关技术。第二章详细介绍了吊舱电力推进系统的结构、 组成和系统特点，对当前吊舱式电力推进系统的发展状况作了详细的说明。第三 章阐述了变频调速控制技术的原理，对调速试验系统中变频器的结构以及选型进 行了详细的介绍，并给出实际变频器的外围接线图和功能设置。第四章介绍了调 速试验系统中主要控制单元一p l c 的原理和选型。以上两章是对系统中重要部件 的介绍，以助于对整个系统的理解。第五章从试验设计系统的设计要求出发，分 析了系统的结构，在介绍完系统实现所需的硬件设备后，深入探讨了试验系统中 采用的p i d 控制算法。p i d 控制的参数对控制器性能的好坏起到决定性作用。为 了找到合适的p i d 参数，通过对试验系统进行调试，求出最佳p i d 参数。然后介 绍了调速系统与上级网络间的通讯实现。在第六章进行调速试验系统的程序设计。 第七章对双吊舱调速系统的设计的调试过程进行介绍和分析，给出试验系统实现 的调速波形，验证设计方案的可行性。 第2 章吊舱电力推进系统 目前世界上已有的先进船舶电力推进系统几乎都已开始采用吊舱式的结构型 式。所谓的吊舱式电力推进系统，就是推进用电机直接和推进螺旋桨相连，制成 一个独立的推进模块，并吊挂在船体底部。该模块可以3 6 0 。水平旋转。这样，推 进的方位角可以人为地进行控制和调节，其直接后果就是取消了舵机系统及相应 的操纵机构。 2 1 吊舱式电力推进器简介 船舶电力推进系统主要由推进电动机、螺旋桨和变速控制系统三部分组成。 与电力推进相适应的推进装置主要有常规推进器和吊舱推进装置( p o d t y p e p r o p u l s i o nu n i t ) 两种形式，常规推进器是将螺旋桨安装在传动轴的尾部，传动轴 和支架裸露在船体外面，动力装置只能安排在船体中的底层，电动机和螺旋桨要 通过复杂的齿轮箱及轴系相连。吊舱推进系统将电动机和螺旋桨直接相连，置于 一个能够3 6 0 0 转动的吊舱( p o d ) 内，舵的功能以及推进功能就是由能够全回转 的p o d 推进器来实现。船舶电站和电动机只需用电缆相连，发电机组可设置在船 体的适当部位，将电力推进和吊舱结构相结合，就形成了吊舱电力推进系统，它 不仅继承了电力推进系统的各种优点，而且给螺旋桨的选择和安装带来灵活性， 给制造和维修带来极大方便。而且，还给船舶的总体布置及操纵性带来了更大的 灵活性。吊舱电力推进系统的螺旋桨有更好的水动力性能( 伴流得到改善) ，伴 流的变化是指螺旋桨叶前的水流是不均匀的。由于受到船体的粘滞效应，越靠近 船体表面，水流的速度越小。由于没有轴支架，螺旋桨前也没有轴系，p o d 推进 器远离船体，因而吊舱推进的伴流受船体的粘滞影响比较小，它的伴流比较均匀。 吊舱式推进器与传统轴系裸露在船体外的推进器相比，其附体阻力不到后者的一 半。与普通的双桨船相比，它的水动力推进效率可以提高1 0 。吊舱装置还提高 了船舶在港口、窄航道中的操纵性；降低了在港口对拖轮的依赖；低速时有良好 的机动性；环保性好：紧急情况下的安全性也大为提高。 2 2 吊舱电力推进系统结构组成 在水下吊舱中装有一台交流电动机，而在吊舱的一端或两端装有定距螺旋桨， 它由电动机直接驱动，由船上的变频器提供电源。功率及控制数据经滑环从非旋 转部件传到旋转部件。如图2 1 为“美人鱼”式吊舱电力推进装置结构图。 图2 1 “美人鱼”式吊舱电力推进装置的结构图 f i g 2 1s t r u c t u r ep i c t u r eo f m e r m a i dp o d d e dp r o p u l s o r 吊舱式推进装置除了包含推进电动机和螺旋桨外，还安装有如下部件。 ( 1 ) 带防水油封的螺旋桨轴和气动压力安全装置，密封制动器的空气压缩机 ( 2 ) 轴承、螺旋桨制动阀、舱底系统、舱底排漏泵； ( 3 ) 电机、轴承和密封系统的报警监视器、机旁指示器： ( 4 ) 可以4 1 0 。旋转或以任意角旋转的电缆管、电动或液压操舵系统。 6 1 2 3 吊舱式电力系统的发展状况 目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有a z i p o d 、m e r m a i d 、s s p 和d o l p h i n 4 种。除s s p 是同轴同转双桨设计之外，其余均为螺旋桨位于吊舱首部的拖式设 计。f 面分别介绍这四种主要吊舱式电力推进器。 a z i p o d 推进系统：a b b 公司和荷兰的k v a e m e r m a s a y a r d s 公司于1 9 8 9 年， 提出了吊舱式推进这种革命性的设计思想。随后a b b 公司又成立了专门从事吊舱 式推进器业务，其产品命名a z i p o d 。其主要产品是c o m p a c t a z i p o d ，c o m p a c t a z i p o d 是为了满足小型船舶对船舶操纵性能和运行经济性等方面日益增长的市场需求而 推出的，其功率覆盖范围为4 0 0 k w 到5 0 0 0 k w 。 m e r m a i d 推进系统：m e r m a i d ( 美人鱼) 吊舱式电力推进装置是由罗尔斯，罗伊 斯( r o l l s r o y c e ) 公司和法国阿尔斯通( a l s t o m ) 公司共同研制而成，最高输出 功率达3 0 m w 。m e r m a i d 吊舱式推进系统与a z i p o d 推进系统不同的是，电动机的 定子与椭圆体热压配合，并且采用向周围海水传热的部分冷却方法。由于此种冷 却方式，m e r m a i d 吊舱式推进系统比az i p o d 全空气冷却推进系统的直径要小，因 此改善了螺旋桨流体动力的效率。 s s p 推进系统：德国的s i e m e n s 公司和s c h o t t e l 公司联合研制了s s p 装置， 其吊舱内装有s i e m e n s 公司的永磁同步电动机( p e r m a s y n ) 。s s p 采用了s c h o t t e l 独特的同轴同转双桨设计思想，同轴同转双桨技术指在一根共用轴上安装二只螺 旋桨。这两只3 叶螺旋桨以相同方向旋转，它们分别位于推进装置模块的前面和 后面。这种推进装置结构的特点是吊舱前后的两个螺旋桨均承担负载，并可使二 只螺旋桨获得最大的推进能力。吊舱舱体的外面有两个飞机尾翼状的翼片，其主 要作用是沿着推进器的支架获得涡流能量，回收前桨尾流的旋转能量，这种翼片 也提高了推进装簧的综合效率。 d o l p h i n 推进系统：荷兰j o h nc r a n e l i p s 公司与德国s t n a t l a s 船舶电气公 司联合研制了d o l p h i n ( 海豚) 吊舱推进系统。其采用同步电机直接驱动螺旋桨， 功率输出范围5 m w 1 9 m w ，适用于各类高速高性能的船型。d o l p h i n 与a z i p o d 一样，该系统采用空气冷却，系统可采用对转螺旋桨。由于电机内部定子和转子 运动方向相反，可以将一个螺旋桨安装在转子轴上，另外一个螺旋桨安装在定子 上实现对转。 8 q 2 1 图2 2 是四种吊舱的外形图。 ( a )( b )( e )( d ) ( a ) a z i p o d 外霉! 图( b ) m e r m a i d 外型图( c ) s s p 外型图 ( d ) d o l p h i n 外型图 图2 2 各种吊舱外型图 f i g 2 2a p p e a r a n c eo f e v e r yp o d d e dp r o p u l s o r 对以上四种产品作表加以比较，见表2 1 。【他 表2 1各种吊舱产品的综合比较 t a b21 c o m p a r a t i o no f e v e r yp o d d e dp r o p u l s o r 产品名称a z i d o d m e r m a i d s s pd o l d h i n 螺旋桨j 商荷兰k v a e m e r瑞典k a m e w a德国s c h o a e i荷兰j o h nc r a n el i p s 机 b 商芬兰a b b法国a l s t o m德国s i e m e n s德国s t n a t l a s 输j l 功率 4 0 0 k w - 2 5 m w 最高3 0 m w5 3 0 m w 5 - 1 9 m w 交一直一交脉 交一直一交负载换向交一交交直一交负载换 变额方式 宽调制( p w m )变频( l c )直接变频( c y c l o )向变频( l c i ) 问世最早，订单 相对a z i p o d 最具竞争 刊轴同转双桨技术， 特点 最多技术虽成力，冷却方式采用水吊舱外有翼片，采用可采用对转螺旋桨。 熟，种类多。冷。永磁同步电机。 2 4 吊舱式推进器系统的特点 ( 1 ) 推进效率高。 ( 2 ) 取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统，从而节省了 舱容，简化了安装。 ( 3 ) 空间配置灵活，可以在机舱整个空间内立体布置，既方便灵活，又充分利 用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活 性。从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机分成几组( 如全船共有6 台发电 机的情况下，可以分成3 台1 组) 布置在不同的舱室中。 ( 4 ) 模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装， 必要时，可在海上安装和拆卸推进模块。 ( 5 ) 噪声低、振动小、废气排放减少。 ( 6 ) 应急停车时间最短。 ( 7 ) 推进器可在3 6 0 。水平范围内旋转，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。 ( 8 ) 根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的 负荷下，这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少维修保 养工作和降低备件费用。 t 2 - 1 3 第3 章变频调速控制技术基本原理 3 1 变频调速原理简介 由电机学可知，交流电机的转速公式为： n ：6 0 i f _ f ( 1 - s ) ( 3 1 ) 。 式中：厂一定子电源的频率，单位为h z 尸极对数 s 一转差率 从上式可见，当极对数p 一定时，改变电源频率可以改变电机转速n ，这种通 过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。表面看来，只要改变电源频 率厂就可以正常调速了，但事实上并非如此，在实际系统中是在调节电源频率的 同时调节电源电压u ，通过对己，和厂的协调控制实现不同类型的变频调速。 目前，变频凋速技术已在工业化国家开始了规模化的应用，并得到迅速发展。 在我国，该技术仍处在起步阶段，与先进水平相比还有较大差距。作为国内外最 理想、最有发展前途的变频调速技术，其核心设备是变频器。通过变频器，可以 向交流电机提供频率可调，电压可调的交流电，并控制交流电机的转速变化。 3 2 试验中变频器的控制方式 常用的变频器控制方式主要有u f 控制、电压空间矢量控制、直接转矩控制 等几种。本次调速试验当中采用的变频器所采用的控制方式是u f 控制，因此， 剥u 厂控制方式进行详细介绍。该方式指在改变频率的同时控制变频器输出电压， 使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电机转矩、效率、功率因数不下降。 因为是控制电压和频率的比值，所以称为u 厂控制。 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生 一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中 的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流， 而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转 磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场 的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的 转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率 所决定： 。：盟：6 - 0 0 s ( 3 2 ) 月；，2 翮。 ”。一同步频率 厶一电源频率 ”，一磁极对数 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： 。：胛。( 1 - s ) ：6 0 f s ( 1 一，) ( 3 3 ) n p 式中：”一电动机实际转速 s 一异步电动机的转差率 由公式( 3 3 ) 知，改变参数 ，s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即 划异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电 动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电 源。 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量中。为额定值不变。 磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费：若增大磁通，又会使铁心饱和， 从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。由电机学可知，异 步电机有如下关系式： e s = 4 4 4 兀n n k s 中。 ( 3 4 ) 疋= c 。m 。2c o s ( , 0 2 ( 3 5 ) 式中：鼠一每相中气隙磁通感应电动势有效值 。一定子每相绕组串联匝数 k 。一波绕组系数 西。一每相气隙主磁通量 c 。一转矩常数 一转子电流折算到定子侧的有效值 c o s ( o ，一转子电路功率因数 如果忽略定子上的阻抗压降，则有： “e s = 4 4 4 厶n n k n 中。 ( 3 6 ) 式中：u 。一定子相电压 于是，主磁通为： m 。：垦；l ( 3 7 ) 1 “4 4 4 f s n s k s4 4 4 ；n s k s 从上式可以看出，若不变，则兀与m 。成正比。倘若 下降，则中。增加， 当瓜低于额定频率时，。将超过额定值。由于电机的主磁通o 。的额定值一般选 择在定子铁心的i 临界饱和点，所以当在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱 和，励磁电流迅速上升，使定子铁心损耗急剧上升，导致电机效率降低，也使公 率因数减小。反过来，倘若厶上升高于额定值时，中。将下降，于是电磁转矩t 减 小，电机拖动能力会降低，过载能力下降，严重时会使电机堵转。这两种情况在 实际运行中是不允许的。 因此在实际调速中，要求在调解兀同时控制电压u s 以维持m 。不变。根据两 个被控量的协调关系不同，有不同的变频调速方式。通常在基频以下采用b 和氕 同时调解的方法，即保持b 兀不变；在基频以上保持弧兵不变。 由以上分析可知，巾。不变，需要考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情 况： ( 1 ) 基频以下调速： 即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持巾，不变，但频率兀从额定值0 向下调节时，必须同时降低丘。 然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕 组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压u 。e 。，则得兀= 常值。 低频时，【，。和e 。都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。 这时，可以人为的把电压u 。抬高一些，以便近似的补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b 线，无补偿的为a 线。如图3 1 所示。 ( 2 ) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从0 往上增高，若仍要维持兀= 常值，定 子电压要高于额定电压，这是不允许的。所以在额定频率以上调频时，只能向上 调频，不能向上调压，必须保持u 。= u 。这样一来气隙磁通就会小于额定磁通， 导致转矩的减小，这时变频电机近似地视为恒功率调速。相当于直流电机弱磁升 速的情况。 u 。 ( 定子相电压) u s n 0 图3 1 恒压频比控制特性 f i g 3 1c o n s t a n tu f c h a r a c t e r 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制 特性，如图3 2 。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温 升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒 转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“叵功率调速”。 1 4 - | 6 o 。 u s q 图3 2 异步电动机控制特性 f i g 3 2c h a r a c t e ro f c o n t r o la s y n c h r o n o u sm o t o r 3 3 变频器的基本结构 变频器的基本结构见图3 3 工频交流 直流 高频交流 图3 3 变频器结构图 f i g 33s t r u c t u r ep i c t u r eo f c o n v e r t e r 3 3 1 主回路 给交流电机提供调频调压电源的电力变换部分称为主回路，其主要由整流器、 滤波器和逆变器3 部分组成，另外，电机需要制动时，有时需要附加“制动单元”。 ( 1 ) 整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是将工 频电源进行整流变换，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。 ( 2 ) 滤波器 利用整流器得到的直流电压或直流电流含有纹波成分，滤波器的作用就是对 整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流 电源。按其结构不同又分为电压型变频器及电流型变频器。 ( 3 ) 逆变器 逆变器是是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控 制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆 变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状 态，变频器功率因素总不会为1 。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率 的交换，这种无功能量就靠滤波器的储能元件来缓冲。逆变器的主要作用是在控 制电路的控制下，将滤波器输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流 电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控 制。 ( 4 ) 制动单元 异步电动机在再生制动运行时，再生能量首先存储在直流回路的电容器中， 使直流回路的直流电压升高。由于机械系统( 含电机) 惯量所积蓄的能量比电容 器所能存储的能量大，所以中、大功率系统需要快速制动时，必须用可逆变器把 再生能量回馈到电网侧，这样节能效果好；或设置制动单元( 开关管和电阻) ， 把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路电压上升过高而超过限制值。 3 3 2 控制电路 控制电路的主要作用是向变频器主回路提供各种控制信号，是变频器的核心 部分。其由以下部分组成：频率、电压的运算回路；主回路的“电压电流检测回 路”；p w m 生成及驱动电路：变频器和电机的“保护回路”等。 3 4 变频器的选型 在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额 定电流大于该异步电机的额定电流，或者是变频器的适配电动机的功率大于当前 电动视的功率。 按连续性负载运转时所需变频器容量( k v a ) 计算公式计算： 6 l ( 3 8 ) 叩c o s p 只w k 3 u m ， ( 3 9 ) k l m ( 3 1 0 ) 式中一负载所要求电动机轴的输出功率 ，7 一电动机的效率 c o s 口一电动机功率因数 u 。一电动机电压 o m 一工频时电机电流 k 一裕度修f 系数，如果容量较小的电机可取1 只。一变频器额定容量 i o n 一变频器额定电流 这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤 其变频器电流是一个较关键的量。d 6 1 考虑到电机性能上的差异及机械负载的不同，变频器容量应是电机容量的1 2 倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积， 得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。 但是，由于实验室条件所限，本次试验调速系统只能采用富士f v r g 7 s 系列 变频器，其型号为f v r 0 2 2 g 7 s 4 e x ，额定容量为4 2 k v a ，额定电流为5 5 a ，因 此根据由公式( 3 8 ) 一公式( 3 1 0 ) ，进行对电机进行选择。由于一般电机的效率叩在 8 5 左右，c o s ( p 一般为0 8 5 左右，所以可以根据公式进行计算，即： 塾：!：!翌一42kva85o85 3 0 3 4 5 w( 3 1 1 ) kl ，旦；4 2 k v a 。6 8 8 a ( 3 1 2 ) ”7 3 女u 。4 3 3 8 0 根据以上两式我们选择三相异步电动机y 1 0 0 l 2 4 ，其额定输出功率3 k w ，额 定电压3 8 0 v ，额定电流6 8 a ，额定转速1 4 3 0 r m i n ，电机的效率叶为8 2 5 ，c o s ( p 为o 8 1 。 3 5 富士变频器f v r - - g 7 s 性能介绍 3 5 1 富士变频器f v r - - g 7 s 参数介绍 富士变频器f v r g 7 s 的基本性能及参数见表3 1 。 1 7 1 8 1 表3 1 富七变频器f v r g 7 s 的基本性能及参数 f i g 3 ib a s i cc h a r a c t e ra n dp a r a m e t e ro f f u j if v r g 7 sc o n v e r t e r 额定输入a c 电压三相三线2 2 0 2 3 0 v ( 3 8 0 4 6 0 v ) ，5 0 6 0 t t z 允许波动范围电压：+ 1 0 电压不平衡：3 电压：一1 5 频率：5 频率控制范围0 2 4 0 0 h z ( 起动频率0 2 6 0 h z 可变，最大频率0 2 4 0 0 h z ) 输出频率稳定性模拟给定：最大频率0 2 ( 1 5 3 5 ) 控制 数字给定：最大频率0 ，0 1 ( 一1 0 5 0 c ) 频率设定模拟设定：0 0 2 h z ( 最大频率为6 0 h z ) 数字设定：0 0 0 2 h z ( 最大频率为6 0 h z ) v f 特性 电压：2 0 0 2 3 0 v ( 3 8 0 4 6 0 v ) 频率：5 0 4 0 0 h z 加减速特性 0 1 3 6 0 0 s 频率给定信号频率给定装置或输入电乐：d c0 1 0 v 电流输入：d c4 2 0 m a 输入信号靠变换终端函数，输入控制或变换方式如下： 周期运行命令、频率加减给定、d c 刹车命令、耦合输入、 输山、停车命令、正向、反向、运行白保选择、多级转 运行 速给定、多级加减速时间给定、函数停车、外部报警、 复位 外部输出触点输出一次性报警输出 开路输出校止器逆变器运行，等效频率检测，过载提 前报警 防止过流、瞬时失电、欠压、过压、逆变器过热、外部故障、电机过载、 保护 错误设定、d s p 错误、耦合错误、输出端短路、接地故障 室内时，在低于海拔1 0 0 0 米，不能和腐蚀性气体、液体及灰尘接触，避免 安装条件 太刚直射。在开关柜中安装，柜内需要冷却 3 5 2 试验系统中变频器的功能参数设定 变频器的功能参数设定是指变频器的功能预置，是通过对变频器的功能码和 数掘码的设定来实现对变频器功能的设定。其中功能码表示变频器可实现的各种 功能的代码，数据码表示各种功能所需设定的数据和代码。 根据试验系统的运行特性及系统的功能，要对变频器进行相关的功能参数调 试运行设定，具体功能码及数据码设定参见附录a 。 3 5 3 试验系统中变频器的接线 富士变频器f v r - - g 7 s 的基本接线图如图3 4 所示 幽3 4 富十变频器f v r - - g t s 基本接线图 f i g3 4b a s i cc o n n e c t i o no f f u j if v r g 7 sc o n v e r t e r 3 6 频率给定功能与给定方式 3 6 1 频率给定功能 首先理解给定频率、工作频率、基本频率的概