（机械工程专业论文）泵船取水工程系统控制及节能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 沿长江 汉水流域一带 城镇供水厂取水水泵机组为了保证在沽水期低水 位时 水泵机组的出水扬程 设计都按照长江 汉水百年一遇最低水位选择水 泵出水扬程 这样在高水位时往往由于扬程太大而偏离水泵的工作高效区 浪 费了大量电能 选择合适的调速方式对泵船水泵机组进行节能改造 成为当务 之急 风机 水泵等采用变频调速是我国节能的一项重点推广技术措施 中 华人民共和国节约能源法 第3 9 条已将变频调速列入通用节能技术加以推 广 泵船上的水泵机组随着江河四季水位的变化 船端相对于岸端高程位置发 生变化 其水泵机组出水扬程也随之发生变化 只有调整相关的性能参数 即 水泵的出水扬程 才能保证水泵的工况点处在高效工作区 电机的输出功率与 负载处于合理的匹配范围内 目前 国内绝大多数的泵船上的水泵机组未采取措施 电机的输出功率是 恒定的 在水位较高时 水泵仍然以高扬程输水 电机的输出功率没有降下 来 浪费能源 根据相似定律 流量与转速的一次方成正比 扬程与转速的二次方成正 比 功率与转速的三次方成正比 即在降低转速 调低水泵出水扬程的同时 功率下降的幅度非常大 从中可以节省相当大的电能 完全应在高水位时降 低水泵机组转速 从而使电机的输出功率随着转速下降值与转速原值商的三次 方关系下降 以达到节能的目的 源水在通过水泵机组出口压送后 仅经过短距离输水管道后 在管道尾部 水敞开奔向开放式明渠 管道系统中 压力变化小 在水泵机组高于出水管道 系统时形成自流无压状态 压力参数不能正确的反映水位的相应变化 变频调 速控制的水泵机组的转速 只能通过采集水位参数变化与转速关系建立起来的 相关数学关系来确定 并同时应参考水流量参数 在汉江处于丰水期高水位时 将水泵的富余出水扬程通过降低水泵转速节 省下来 使电机的输出功率下降 达到节能的目的 同时 通过水位 扬程 武汉理工大学硕士学位论文 水量之间的关系 建立数学关系 以保证选择合适的开机数量 保证取水水 量 在高压变频调速系统采用直接 高 高 变换形式 为单元串联多电平拓扑 结构 可由移相变压器 功率单元和控制器等组成 主体结构由多组功率模块 串并联而成 从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出 单元串联多电平p w m 电压源型6 k v 变频器采用若干个低压p w m 变频功 率单元串联的方式实现直接高压输出 对电网谐波污染小 输入功率因数高 不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置 输出波形好 不存在由谐波引 起的电机附加发热和转矩脉动 噪声 输出d u d t 共模电压等问题 综合汉江水位情况分析 宗关水厂泵船取水系统中 1 9 9 5 1 9 9 9 年五年期 水泵处于高效运行区域仅有2 7 3 个月 仅占五年内运行时间的3 9 4 o 另通过 绘制水泵并联曲线图 在高水位状态下 水泵特性曲线巳脱离理论值范围 找 不到扬程与流量的量比关系 在泵船取水系统中 采用变频调速控制技术节能潜力很大 有着非常重大 意义 交流变频调速技术的发展由于其地位的重要性 巳迅速发展成为一门独 立的技术 学科领域 它对合理利用水资源 减少环境污染 节约电能 改善 工作条件 节省原材料 降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用 关键词 水位 扬程 高压变频调速 节能 2 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s t a n c eo fp u m p si nw a t e rf a c t o r yi sd e s i g n e di nt h el i g h to ft h el o w e s tr i v e r l e v e lf o rt h ep u r p o s eo ft h eb e s td i s t a n c e a tt h es a l n et i m e al o to fe l e c t r i c a le n e r g yi s w a s t e dw h e nt h el e v e li sh i g ha n dt h ew o r k i n gc a r v ei sd i s p l a c e d s ou r g e n ta f f a i r sa r e c h o o s i n gr i g h tt i m i n gw a y s t or e b u i l dt h ep u m p s a p p l y i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t i m i n g t ow i n dm a c h i n e sa n d p u m p s i sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y t h es i t u a t i o ni sn o to n l yc h a n g e dw i t ht h ew a t e rl e v e lb u ta l s ot h ed i s t a n c eo fp u m p m a c h i n e s i no r d e rt oe n s u r et h ew o r k i n gp o i n tb e i n gi nh i g he f f i c i e n c yw o r k i n ga r e a t h e o n l yw a y i st oa d j u s tc o r r e l a t i v ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s of a r m o s tp u m pm a c h i n e si n s h i p sa r en o t t a k e na c t i o n w h e nt h el e v e li sh i g h p u m p ss t i l lw o r ki nh i g hd i s t a n c e w h i c hh a v et h ee n e r g y w a s t e d am e t h o di st or e p l a c ep u m pi m p e l l e rt oc h a n g et h ed i s t a n c eo fp u m p b u ti ti s e f f e c t i v eo n l yi ns m a l la r e aa n dh a r dt om a n a g e a c c o r d i n gt op u m pp e r f o r m a n c ec u r v e s h o w nw ec a ng e tt h a tt h ed i s t a n c ehi s c h a n g e d w i t ht h er o t a t es p e e dni nt h es a n l ep o i n tq a n dt h ef l u xqi sc h a n g e dw i t ht h e r o t a t es p e e dni nt h es a m e p o i n th f r o m t h ec u r v ew ec a ng e tt h er u l et h a tt h ed i s t a n c e a n dr o t a t es p e e da r ei nd i r e c tw i t hr a t i oa tt h es a m ef l u xp o i n t a n dt h er o t a t es p e e da n dt h e f l u xa r ea l s oi nd i r e c tw i t hr a t i oa tt h es a n l ed i s t a n c ep o i n t w h e nt h ep u m pm a c h i n e sp a s st h es h o r td i s t a n c ep i p e l i n e t h ew a t e ri nt r a i lp i p e l i n e g o e st oe x o t e r i cd y k e t h ev a r i e t yo fp r e s s u r ei sl i t t l e a n ds o m e t i m e sf o r m sn o n p r e s s u r e s t a t u s w h e nt h ep r e s s u r ep a r a m e t e rc h a n g e sl i t t l ea n dc a n tr e f l e c tt h ec h a n g eo fl e v e l i t i si m p o s s i b l et og e tc o r r e c tr o t a t es p e e di n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ep a r a m e t e r w h e nt h er i v e r sl e v e li s h i g h t h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g yc a nb er e a l i z e db y r e d u c i n gt h ep u m p r o t a t es p e e da n dt h eo u t p u tp o w e ro fe l e c t r i cm a c h i n e s a tt h es a m e t i m e t h ew a t e rq u a n t i t yc a nb ee n s u r e db ys e t t i n gu pt h er e l a t i o no fl e v e l d i s t a n c ea n d f l u x w a t e r l e v e li n s t r u m e n tt r a n s m i t st h el e v e li n f o r m a t i o nt oc o m p u t e rw h i c hg i v e st h e r o t a t es p e e di n s t r u c t i o nt oc o n t r o lt h em o t o rb ym a t h e m a t i cm o d e l t h e nt h es p e e do f i l i g h p o w e rw a t e rp u m p m o t o ri sa d j u s t e db yf r e q u e n c yc o n v e r s i o n w h i c hc a nd e c r e a s e t h ep l a n tw i r es u r g eo fc u r r e n ta n dp i p en e ts u r g eo fh y d r a u l i cp r e s s u r ew h e nt h em o t o r s u d d e n l ys t a r t e do rs t o p p e d t e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nc a nr e d u c ec o n s u m e i n c r e a s el i f eo f p i p en e ta n de q u i p m e n t w h i c hi sv e r ys i g n i f i c a n c eo fe c o n o m y a n da w a y t oe n s u r e c r e d i b i l i t yo f w a t e r s u p p l y 3 茎堡望三盔堂堡主堂焦笙壅 t h e6 k vt r a n s d u c e rw i t ht h es e r i e s w o u n du n i to f t h e 删p r e s s u r et y p ec a nr e a l i z e t h eo u t p u to ft 1 1 ed i r e c ti t i g hp r e s s u r eb y c o l l e c t i n ga l o to fl o w e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n p r e s s u r e i ti sn ou s ei n p u t t i n gt h et u n ew a v ef i l t e ra n dt h ec o m p e n s a t ei n s t r u m e n t sw i t h t h ep o w e rf a c t o rb e c a u s et h el i t t l ep o h u t i o no ft h et u n ew a v ea n dt h el o w e r p o w e rf a c t o r a tt h es a m et i m e t h e r ea r en o tm a n y p r o b l e m sf o rt h eg o o dw a v es h a p e f o re x a m p l e y a w p o u t p u t t i n gd u d t t o r q u ei m p u l s ea n ds oo n t e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nh a dd e v e l o p e di n t oa i la b s o l u t e t e c h n o l o g y m o r e o v e r i ti si m p o r t a n ti nm a n yf i e l d s s u c ha sr e a s o n a b l eu s i n gr e s o u r e eo fw a t e r d e c r e a s i n gp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t s a v i n ge l e c t r i cs o u r c e s i m p r o v i n gw o r kc o n d i t i o n s a v i n gm a t e r i a l s r e d u c i n gc o s t sa n d i m p r o v i n go u t p u t k e y w o r d s w a t e rl e v e lt h ed i s t a n c eo f p u m p sh i g hp r e s s u r ef r e q u e n c y c o n v e r s i o n t i m i n gs a v i n ge n e r g y 4 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章概论 1 1 城镇供水厂及其它领域调速技术的运用 水泵电机调速技术应用有其多方面优越性能 一是节电显著 二是在电机 开启或停止时减小电流对电网的冲击 三是减小水泵开启或停止时减小供水水 压对管网系统的冲击 四是减小水泵 电机自身的机械冲击损耗 在众多的供 水行业中许多实例表明 对水泵电机采用调速技术对企业降低能耗 提高管网 和设备的使用寿命有着重大的经济意义 也是保障管网系统供水安全的方法之 据统计 全国3 8 1 个城市中的3 4 4 个城市自来水1 9 8 7 年的用电量合计为 4 7 亿千瓦时 计入其它城市和乡镇自来水以及工业给水设施用电 总计约6 5 亿千瓦时电左右 若按9 0 为水泵机组用电 则水泵的总用电量约计6 0 亿 千瓦时 如果一半机组采用调速装置 则每年节电4 5 亿千瓦时 可见水泵调 速的节电潜力很大 经济效益很高 目前全国绝大多数水泵机组都没有采用调 速装置 在进行供水水量 供水压力控制调节时 多采用阀门控制与开停台数 控制 能源浪费严重 对水泵机组变频调速运行的研究和运用 目前巳成为城镇供水行业的重要课 题 各地区根据本地不同情况 也逐步开始运用 特别是在二十世纪9 0 年代 开始 巳逐渐在各地区城镇供水厂二级泵站中 即送水泵站 使用 水泵机组变频调速系统特别适用于在新建城区建设水厂时 水厂初期的供 水范围和水量都较小 一般都采用规模较小的设备 但随着城市建设的发展 水厂后期的供水范围和水量都在扩展 初期安装的设备在水厂后期生产时不能 满足要求 采用变频调速技术可使设备调节于不同的工况要求 以满足各种不 同时期城区建设发展的供水要求 源水在通过水泵机组出口压送后 仅经过短距离输水管道后 在管道尾部 水敞开奔向开放式明渠 管道系统中 压力变化小 在水泵机组高于出水管道 系统时形成自流无压状态 在这种情况下 不能简单根据封闭供水系统中压力 参数来控制变频调速的电机转速时 只能采用水位信号来控制水泵机组变频调 速 7 武汉理工大学硕士学位论文 现在水泵机组变频调速系统主要控制方式是采集管网压力信号 通过变频 调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵的出水扬程和电机的输出功率 保障 供水压力和节省机组电耗 采用变频调速控制改善了工艺 水泵阀门可在全开位置 其出口压力等于 管网压力或相应水位所需要的扬程 阀门节流损失减小到零 由于变频器可以 非常平滑稳定的调整 运行人员可以自如的调控 使得用水量无论大小 水压 总保持恒定 改善了供水质量 提高了效率 可以避免因通过阀门控制使泵过 多偏离额定工作区而引起的振动 通常情况下 变频调速系统的应用主要是为 了调节泵的转速来改变水泵的出水扬程 以满足不同条件时对水泵的性能要 求 由于启动缓慢 相应地延长了许多零部件 特别是密封件 轴承的寿命 有效地延长检修周期 减少了检修维护开支 节约大量维护费用 采用变频调节后 系统实现软启动 电机启动电流从零逐渐增至额定电 流 启动时间相应延长 对电网无大的冲击 减轻了起动机械转矩对电机机械 损伤 有效的延长了电机的使用寿命 1 2 城镇供水厂调速技术的运用 变频调速技术还可以在城镇供水厂的许多领域得到应用 例如以下几个方 面 1 2 1 在净水药剂搅伴混凝反应池中的应用 可根据源水的浊度情况信息 水中温度的变化以及净水混凝剂反应絮凝的 情况信息 通过调整网浆搅伴速度使混凝效果达到最佳 即采集源水的浊度 水中温度和反应絮凝信息后 经计算机软件系统分析处理信息后 将分析处理 信息后所对应的转速指令 通过变频调速装置指挥电机以不同的转速驱动网浆 搅伴反应 以达到最佳的搅伴效果 混凝反应后形成的矾花颗粒大而重 能够 迅速地沉降在池底中 使得沉淀池的出水水质有效地提高 1 2 2 在沉淀池排泥行车中的应用 根据泥位传感器取得的池底积泥深度的不同情况 控制行车驱动电机以不同 的行走速度在池面上行走排泥 如图1 1 所示 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 沉淀池排泥行车 当行走到积泥较多 较深的区域时 行车行走速度应减缓下来 以便行车 清除更多的泥砂 当行走到积泥较少 较浅的区域时 行车行走速度应加快 以便行车的工作效率提高 节省排泥水量和电耗 使整个沉淀池的排泥效果达 到一致 泥位传感器采集沉淀池底部积泥信息后 经计算机处理信息后 将转速指 令通过变频调速装置指挥实现电机以不同的转速驱动行车行走 1 2 3 在滤池排除滤料表面杂质工作中的应用 滤池在反冲洗时 反冲洗水泵机组应先进行高转速大流量的先期高强度大 力反冲洗 以使附着在滤料表面的泥砂或杂质受到大力冲击而剥离滤料层 随 后 反冲洗水泵以低转速小流量的低强度反冲洗将附着在滤料表面的泥砂或杂 质带走 这样 可以达到最经济 最佳效果 即通过预先设定的程序 将转速 指令通过变频调速装置实现电机在不同的工序中 以不同的转速驱动水泵 水 泵在不同的工序段输出不同的水量以满足滤池的反冲洗工作要求 这样即能有 效地对滤池进行反冲洗 又能节省滤池的反冲洗所用的水量 9 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 滤池反冲洗行车 此种方法可为给滤池提供一种新的反冲洗思路 1 2 4 在泵船取水开放式明渠的配水系统中变频调速的应用分析 泵船取水开放式明渠配水系统因水通过短距离输水管 管道尾部水敞开奔 向开放式明渠 所以压力变化小而且有时形成自流无压状态 而且有时还非紊 流状态 使压力信号产生干扰 而不能简单根据封闭供水系统中压力参数来控 制变频调速的电机转速 可在江河四季水位发生变化 船端相对于岸端高程位置也发生变化 其水 泵机组出水扬程也随之发生变化 通过水位信号实现变频调速控制水泵的转 速 以使其满足不同水位时的输水扬程 同时因转速发生变化 水泵输水量也 发生变化 必须合理组合开机台数 以确保输水量的要求 通过水位信号进行变频调速控制 实现泵船取水机组系统扬程控制 以节 省电机的输出功率是目前较理想的应用方案 也是 个新的研究课题 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 泵船摇臂系统取水方式 如图1 3 所示 泵船摇臂系统具有水平 垂直旋转方向两个自由度 在水位上涨时 泵船所受到浮力的支撑点随着水位上升 泵船带动摇臂管 向上旋转 同时 因水位上涨时船距离岸端较远 船舶受江水冲击力大 可在 水平平面内向岸端旋转 以使船向岸边靠拢 减小水的冲击力 在水位下落时 泵船所受到浮力的支撑点随着水位下降 泵船带动摇臂管 向下旋转 同时 因水位下落时船距离岸端较近 船舶易搭搁浅 可在水平平 面内向江心旋转 以使船向江心伸展 距离岸边更远一些 防止船舶搁浅 泵船摇臂管取水方式能全方位适应各种不同时期水位变化的要求 而且在 水平 垂直旋转工作时照样进行供水工作 其结构型式先进 成为沿长江 汉 水流域取水方式中较好的一种取水方式 1 3 电力电子技术及功率器件i g b t 的发展状况 1 3 1 电力电子技术的发展 武汉理工大学硕士学位论文 电力电子技术的发展由于其地位的重要性 巳迅速发展成为 n 独立的技 术 学科领域 它对节能 减少环境污染 改善工作条件 降低成本和提高产 量等方面均起着十分重要的作用 近几年来世界上经济高度发达的国家 尽管 经济总体的增长速度较慢 但在这些国家中 电力电子技术的发展仍一直保持 着每年增长百分之十几的高速度 从发展历史上看 功率器件对电力电子技术的发展起着至关重要的作用 一代新型电力电子器件的出现 总是带来一场电力电子技术的革命 因为功率 器件就好象现代电力电子装置的心脏 虽然它在整台装置中的价值通常不会超 过总价值的2 0 一3 0 但是 它对装置的总价值 结构 重量和技术性能 却起着十分重要的作用 2 1 二十世纪5 0 年代 硅晶闸管问世以后 研究工作者一直就想使功率器件 具备有理想的静态和动态特性 在阻断状态时能承受高电压 在导通状态时具 有高的电流密度和低的导通压降 在开关状态转换时具有短的开 关时间 能 承受高的d i d t 和d v d t 以及具有全控功能 1 3 2 功率器件i g b t 的发展 二十世纪8 0 年代 绝缘栅门控双极型晶体管 i g b t 问世 它综合了功 率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功能 它的迅速发展 又激起了人们对 综合功率m o s f e t 和晶闸管两者功能的新型功率器件一m o s f e t 门控晶闸管的 研究 i g b t 模块的结构 1 用于变频器逆变桥上的功率半导体器件一绝缘栅极型晶体管的结构是在 m o s 结构上的漏极侧追加一层p 得到的 功率m o s f e t 在o n 状态时成为单一 的n 型半导体 漏极与源极间的电阻与n 基极的厚度有关 随着该厚度的增 加 m o s f e t 能承受的耐压也增大 但导通时的电阻也增大 饱和压降也随之 升高 因此 m o s f e t 难以大容量化 另外 通过在栅极上施加正偏压 使p 型硅表面形成强反型层 相应地也降低了沟道内阻r c h i g b t 的缓冲层比m o s f e t 加厚 并采用了杂质浓度最优化 有效地抑制 了注入到p 基极的过剩空穴 使积聚的载流子空穴寿命受限 以加快其消失过 程 开关速度也得到提高 武汉理工大学硕士学位论文 i g b t 是双极型晶体管 b j t 和m o s f e t 的复合器件 其将b j t 的电导调 制效应引入到v d m o s 的高阻漂移区 大大改善了器件的导通特性 同时它还 具有m o s f e t 的栅极高输入阻抗 为电压驱动器件 开通和关断时均具有较宽 的安全工作区 射极 基极 基扳 缓冲极 层 图1 4i g b t 基本结构 i g b t 型的变频器主回路 i g b t 型变频器主电路如图1 5 所示 它由整流 枥t 管模块 i g b t 模块及直 流回路滤波等环节组成 一 鲁一告一告 j lj l l l广i 工l 一 一 叫 一p i廿 一 jl 一l 图i 一5 变频器主回路 武汉理工大学硕士学位论文 i g b t 驱动 i g b t 虽说是电压驱动的功率模块 由于i g b t 具有m o s 栅极构造 在开 关时必须对栅极进行充放电 要驱动i g b t 导通 不但栅极要有足够的电荷 量 而且必须有足够的电压幅值 此外 还必须考虑到控制信号与主回路强电 之间的电位隔离 i g b t 驱动电路和电流 电压波形 i g b t 是电压控制型功率开关元件 从理论上讲 其在静态工作时 是不 需要门极电流的 但因其内部寄生电容的存在 会产生短时的门极脉冲电流 见图1 6 d 同时 驱动电路输出电压 即门极驱动电压 及门极电阻的大 小 除应与i g b t 的输入特性相匹配外 还直接影响i g b t 集一一射极饱和压 降 开关时间及开关损耗 所以 门极驱动电压及门极电阻大小的选择 将直 接影响到主电路中电压上升率的抑制和主电路发生短路时的保护关断时间 巳 v6 0 vr c a c 1 4 0 b 卜 卜 y 七 d 武汉理工大学硕士学位论文 图1 6 a i g b t 等效电路 b 驱动电路 c 电压波形 d 电流波形 高压i g b t 作为新型电力半导体器件的主流器件 由于其高电压 大电 流 变频率 模块化 集成化及智能化方面的突破将得到更为广泛的应用 电 力电子器件设计工程师和驱动 牵引等专家的合作将更为密切 以使系统最优 化 1 4 国内外变频调速技术的发展 电机调速从静止晶闸管整流器直流调压调速逐步发展到交流感应电机变频 调速 变频调速又由v v v f 的变压变频控制的p w m 变频调速发展到矢量控制 变频调速 提高了变频器的恒转矩输出范围和动静态特性 使得交流电机变频 调速性能超过了直流电动机调压 调速性能 在矢量控制变频调速的基础上又 发展了无速度传感器的失量控制变频调速 19 8 5 年 德国鲁尔大学d e p e n b o c k 教授首次提出了直接转矩控制变频技 术 克服了矢量调速的三大不足 转子磁链难于准确观测 系统特性受电动机 参数的影响较大 在等效直流电机控制过程中所用矢量旋转变换复杂 使得矢 量控制的实际效果难于达到理想分析的结果 目前该技术巳获成功地应用 现代电力电子技术的进步和高压大功率开关器件的成功开发 交流变频调 速在技术与性价比上已优于直流调速系统 在中高 3 k v 6k v 1 0k v 等调 速范围的应用也越来越多 变频器从主电路结构上看 可分为交一交变频和交一 直一交变频两大类 美国罗克韦尔a b 公司1 5 5 7 m v 电流源型高压变频器 采用无速度传感器 矢量控制 具有类似直流调速的性能 可配合不同负载特性快速 准确调整参 数 可对各种中高压电机进行理想控制 美国r o s s h i l l 公司和意大利a n s a l d 0 公司的v f d 型 采用自换向s c r 三 相全控桥整流器及逆变器 由直流电抗器限制电流变化率 v f d 型变频器不用 输入变压器 但必须配置输出电抗器 输出电压电流的总谐波畸变小于5 转矩波动小 欧洲a b b 公司a c s l 0 0 0 型 该变频器采用先进的直接转矩控制 d t c 低速转矩大 阶跃转矩响应小于5 m s 输出端串接l c 低通滤波器 减少电压的 武汉理工大学硕士学位论文 谐波含量 i g b t 器件无须能量吸收回路 功率模块更简化 日本松下电气公司的小功率变频器 具备有自我诊断断开功能 能够记忆 过去5 次断开主要原因 i g b t 低噪音矢量控制 通电再启动防止等功能有其 显著特点 深圳市安圣电气有限公司的t d 2 1 0 0 系列供水专用变频器 o 一7 5 k w 采用 实时死区补偿技术 有效消除由于上下桥臂开关死区引起的转矩脉动 无源功率 因数 p f r 校正技术 解决变频器对电网影响 成都希望森兰变频器制造有限公司b t 4 0 系列变频器运用拟超导技术 解决 变频器低速状态输出力矩显著的方法也成其专利技术 专利树状结构 具有高散 热强度 日立变频器s j 一3 0 0 智能王系列 将模糊控制技术应用到机车变频牵引上 先进的无速度传感器矢量控制 0 h z 时1 5 0 的高启动转矩 首创变频器系统功能 模块结构 i s p m 双c p u 控制 远控时可以实现多给定控制 满足多种工艺要 求 多电机 大转矩矢量控制 在线腐线电机参数自定 富士高压i g b t 变频器 采用单相三电平变频器星型连接方式 省空间 可 靠性高 而且装有节能运行模式 效率高 约9 8 功率因数高 约9 5 采用富士电机独有的多电平p w m 控制 输出电压对电机抗冲击小 运用简易无速 度传感器矢量控制 运用3 2 位r l s c 和d s p 运行稳定 响应快 精度高 北京先行公司开发时代变频器 推出国产以多重化技术原理的高 高交换方 式的高压大功率变频调整装置 为用户提供3 k v 6 k v 1 0 k v 功率2 0 0 i 0 0 0 0 k w 的高压大功率变频调速装置具备有新一代i g b t 模块 表面贴装 s m t 技术 完善的自硬件保护 内置p i d 调节器 宽电压输入范围 西门子公司在交一直一交电压源型结构开发了m v 系列中压变频器 其采用矢 量转换磁场定向控制原理既优化的空间矢量和脉宽调制模式 高压i g b t 和三电 平技术获得了优良的输出电压特性 高压i g b t 的应用使m v 的结构简单可靠 采 用模块化技术优化传动装置 可使用1 2 或2 4 脉冲二极管整流器 或输入端使用 有源前端 a f e 以获得高动态性能 随着电力电子器件的发展 特别是具备有 将单极型和双极型两种器件组成的混合型器件能力的全控功率器件的不断推出 将其技术的发展向其高性能化 高频化 大容量化方向发展 各类电气传动装置 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 的控制器由模拟控制转向全数字控制 使信息处理能力大幅度地增强 1 5 课题研究的意义和目的 1 5 1 加强对水资源的合理应用 目前 对水资源的合理应用和保护非常重要 城镇供水处理厂在生产中 厂 用水的消耗量占供水量的7 一8 远远高出西方发达国家的厂用水标准 注 西方发达国家的厂用水的消耗量占供水量的3 0 4 这些厂用水有近一半是 由于取水和送水设备没有配套的调速装置 在外界对水量的需求因天气 季节和 一日内用水差异等因素的变化时 设备无法自动调节来适应变化 造成水池溢水 等浪费现象 水池溢水这部分水量通过排水渠道重新流入江 河 对江 河产生 污染 采用变频调速装置 使取水和送水设备根据外界需求 实时改变水量和压 力 避免水池溢水问题 可使宝贵的水资源得到合理应用 1 5 2 采用变频调速控制也是对电力资源的合理应用 水厂地表面取水有二种型式 岸边固定式泵房取水 泵船式取水 沿长江 汉水流域的城镇供水厂均采用这二种方式 但是泵船式水泵因水泵 机组安装在船上 其水泵扬程随长江 汉江水位的变化而变化 船端相对于岸端 高程位置发生变化 因此水泵机组的扬程也在不断变化 只有调整相关性能参数 才能保证水泵的工况点随时处在高效区工作 电机的输出功率与负载处于合理的 匹配范围内 目前国内大多数的泵船上的水泵机组在水位较高时 仅需要较低的 出水扬程即可达到取水目的 但由于未采用变频调速装置 仍以高扬程输水 由 于电机的输入功率是恒定的 不能随水泵的扬程的变化而变化 在低扬程和高扬 程时仍以同一输出扬程工作 能源浪费严重 为满足工艺要求和适应运行工况的变化 使机组尽可能始终工作在高效区内 工作 而水泵机组的扬程与转速之间存在相互关系 需要对水泵机组进行调速研 究 以达到节电降耗的目的 从调速节能的角度看 变频器实质上可称为电力的供应中的另一种电源 火力发电机组每k w 的投资价格为5 0 0 0 6 0 0 0 元人民币 水利发电机组每k w 的 投资价格为8 0 0 0 9 0 0 0 元人民币 核能发电机组每k w 的投资价格为1 0 0 3 0 1 2 0 0 0 元人民币 随着经济的总体发展 国家每年投入巨资进行电厂建设 而变 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 频器作为调速节能的一个重要产品不是从电力产生的角度 而是可从节约电力 的角度 可等同一个 电源 来进行投入产出分析 高压变频器装置目前 平均售价1 5 0 0 元瓜w 平均回收期2 5 年 设备使用寿命2 0 年 尽管这里的 k w 不是同一个概念 但投资高压变频器装置回报率并不少于投资一个电厂 的回报率 电厂回收期一般在1 0 年 使用寿命3 0 年 因此高压变频器装置 作为一个新的意义上的电源 对于节省电力资源 即少建电厂 有着重大的意 义 我国是一个以火力 燃煤 发电为主的能源国家 为减少大量煤烟的排放 鼓励各行业在高压电机上采用节能产品 从而整体上减少火力发电厂的数量 减 少c 0 2 的排放 大功率变频器显然也是一种 绿色产品 1 5 3 设备的安全性能和使用寿命得到进一步提商 大功率水泵电机变频调速其电机在启动或关闭时可减小电流对电网的冲击 和供水水压对管网系统的冲击 对水泵电机采用变频调速技术对企业降低能耗 提高管网和设备的使用寿命有着重大的经济意义 也是保障管网系统供水安全 的方法之一 大型交流同步电动机或异步电动机以往多用直接起动或降压起动 起动电 流大 造成电网电压降低 影响其它电气设备的正常工作 而且电机主轴的机 械冲击大 易造成疲劳断裂 影响机械寿命 当电网容量不够时 甚至有可能 起动失败 如果使用高压变频器 就可以实现 软 起动 电机速度从零开始 起动 起动电流限制在额定值以下 一般在额定电流的1 5 2 倍以内 主轴 以选定的加速度平稳升速 直到指定的同步速度 变频装置的特性保证了起动和加速时足够的力矩 消除了起动对电机的冲 击 保证电网稳定 提高了电机和机械的使用寿命 水泵选型是按照最底水位设计 在最高水位时由于实际输出扬程远低于水 泵机组配置的输出扬程 而导致水泵工作点离开高效率曲线 从而导致水泵震 动 效率降低等一系列问题 1 5 4 在泵船取水系统中采用变频调速控制系的意义 武汉理工大学硕士学位论文 目前 封闭供水系统中 水泵机组变频调速的转速由出水管的压力参数来 确定 当封闭管网压力上升时 降低水泵转速 以避免压力进一步上升 保护 管网系统 节省输送功率 当封闭管网压力下降时 提高水泵转速 以保障管 网系统供水压力要求 而在水通过短距离输水管后 再进入开放式明渠的配水方式则不能用测取 压力的方式来确定转速 因为其配水管道较短 管道尾部水敞开奔向开放式明 渠 压力小而且有时形成自流无压状态 因而不能简单根据供水压力来控制变 频调速的电机转速 水量控制在压力参数上难以体显 其压力参数不能正确指导变频调速 变 频调速的转速只能通过水位参数与转速关系建立起来的特定数学模型来确定 并同时参考水量参数 同时计算机通过数字模型计算后以准确的给定水泵开机 台数 确保取水量 对于泵船式取水机组 改变水泵的转速 调节水泵的出水扬程 相应改变 电机的输入功率 一方面保证了水泵的高效运行 另一方面可以大大降低电能 消耗 提高生产效益 通过水位信号实施对泵船水泵机组变频调速以达到节能的目的 对目前泵 船水泵机组水泵机组通过管网压力信号实施变频调速提出的新思路 对泵船水泵机组直接实施高压变频调速控制 是作者准备在武汉宗关水厂 泵船取水机组6 k v 电机上实施高压变频调速控制 节省能耗 提高设备使用寿 命和设备安全性的目的 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章变频调速的系统组成及原理 2 1 变频调速的基本原理 异步电机的同步转速 即旋转磁场的转速为 n l 6 0 f l n p 2 一1 式中 n l 一一同步转速 f l 一一电源频率 n p 一一磁极对数 交流异步电动机的轴转速 i 1 m 1 一s 6 0 f l n v 1 s 2 2 式中 s 一 异步电机的转差率 s n 1 一n n n 1 一同步转速 f l 一一电源频率 p 一一电机极对数 s 一一转差率 电机极对数p 改变也是很有限 可调范围也很小 不能实现无级调速 电源频率f 与转速1 3 成正比 所以 改变频率即变频调速目前在理论上最 好的调速方式 从上可以看出 改变电源频率 就能改变电机的同步转速 为了使调速过 程中电机的容量能充分利用 就需要维持磁通的恒定 当频率下降时必须使电 压随着频率的下降同时降低 这种电压与频率配合变化称为恒磁通变频调速的 协调控制 根据电压 频率协调控制方法不同 可获得恒转矩特性或恒功率特 性的调速方式 2 2 变频器的构成及控制方式 变频器可以分成交一直一交变频器 交一交变频器两大类 2 2 1 变频器的构成 交一交变频器可将工频交流直接变换成频率 电压均可控制的交流电 又 称直接式变频器 交 直一交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电 然后再把 直流电变换成频率 电压均可控制的交流电 它又称间接式变频器 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 变频器的基本构成 交一直一交变频器的基本构成如图2 1 所示 它由主电路 包括整流器 中间直流环节 逆变器 和控制电路组成 整流器 电网侧的变流器1 是整流器 它的作用是把三相交流电整流成直流电源 中间直流环节 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或 发电制动状态 其功率因数总不会为1 因此 在中间直流环节和电动机之间总 会有无功功率的交换 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件 电容器或 电抗器 来缓冲 所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节 逆变器 负载侧的变流器2 为逆变器 利用半导体六个功率开关器件组成的三相桥 式逆变电路 最常见的结构形式是在确定的时间里 有规律地控制逆变器中六个 功率开关器件的导通 关断 从而将直流电流变换为所需电压和频率的三相交流 输出 控制电路 由运算电路 检测电路 控制信号的输入 输出电路和驱动电路等构成 其 主要任务是完成对逆变器的开关控制 对整流器的电压控制以及完成各种保护功 武汉理工大学硕士学位论文 能等 2 2 2 变频器的控制方式 u f 控制 改变频率的同时控制变频器输出电压 为保证恒定转矩 使电动机磁通保 持一定 在广范围内调速运行 电动机的效率 功率因数不下降 对于异步电动机的变频器驱动 为了避免电动机的磁饱和 同时抑制起动 电流 在改变频率的同时必须控制变频器输出电压 称为调压调频变频器 v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y 一一v w f 实际运 f h z 恒转矩区 图2 2通用变频器u f 控制 在额定频率下 保持u f 值恒定 称为恒转矩区 见图2 2 所示 实际运行线 f h z 图2 3 风机和泵类变频器u f 控制 武汉理工大学硕士学位论文 图中 u 与f 的二次方成正比 而在额定频率以上 保持输出电压不变 由于电动机输入阻抗增大 输出转矩减小 是恒功率区 考虑到低速时电阻压 降会引起励磁不足 因此 实际运行时 对转矩做了提升 u l f 控制的电压模式的特性见图2 4 所示 曲线1 2 分别表示恒转矩模式 及平方转矩模式 1 一恒转矩负载用模式 2 平方转矩模式 图2 4u l f 控制的电压模式 对于恒转矩负载 采用曲线1 所示电压随频率线性变化的模式进行控制 对于风机之类的传动机构 负载转矩以速度的平方关系增加的情况 电流 也同样增加 应采用补偿电压随频率增加而增加的曲线2 模式进行控制 u l f 控制的基本构成如图2 5 所示 图中为采用晶体管p w m 控制的变频 器 作为控制的基本构成 除电压模式发生器外 还有给定加减速时间的斜率 信号发生器和防止过电流 过电压的加减速抑制电路 武汉理工大学硕士学位论文 3 源 图2 5u f 控制的基本构成 作为变频器调速控制方式 u f 控制比较简单 机械特性硬度也较好 能 够满足一般的平滑调速要求 但是这种控制在低频时 由于u 较小 定子阻抗 压降的分量比较显著 不再能忽略 另外 其输出最大转矩t 一随着f 的降低 而减小 t 一太小将限制调速系统的带载能力 当转矩增大到最大值以后 其机 械特性是非线性的 而不能像直流电机一样是线性的 其动态转矩能力和静态 调速性能都还不完善 对系统动 静态调速性能要求较高时只有用失量控制变 频调速的方法 失量控制 失量控制变频调速的构想如下图2 6 所示 速度给定信号u 和速度反馈 信号u 经过控制器综合 产生类同于直流电机励磁电流的给定信号i 和电枢 电流的给定信号o 经过反旋转变换v r 4 得到i 和i 一再经过二相 三相变 换得到i i 和i 把这三个电流控制信号和控制器直接得到的频率控制 信号u 加到带电流控制的变频器上 就可以输出异步电动机调速所需的三相变 频电流i i i 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 矢量控制的构想 矢量控制变频调速提高了变频器的恒转矩输出范围和动静态特性 使得交 流电机变频调速性能超过了直流电动机调压 调速性能 在矢量控制变频调速 的基础上又发展了无速度传感器的失量控制变频调速 直接转矩控制变频调速 德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制变频技术 直接 转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 控制电动机的磁链 和转矩 不需要将交流电动机化成等效直流电动机 省去了矢量旋转变换中的 许多复杂计算 它不需要模仿直流电动机的控制 也不需要为解藕而简化交流 电动机的数学模型 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链