交流变频调速技术7PPT课件.ppt

交流变频调速技术 北京交通大学海滨学院机电系李鉴 1 第六章变频技术应用概述 6 1变频技术的应用 交 逆变 直流 调压 可调电源 变频技术的应用 调频逆变信号源 静态电源 电气传动调速 直流电机电枢及励磁电源 各种直流稳压源 可调电解电镀化工源 自发电后备电源等应用 无线电通讯系统信号源 载波源 信号转换 信号发生 实验室应用等 优点 体积小 方便 易控 可靠 缺点 大功率容量时价高 波形畸变影响电网 取代价高 有环境和设备缺陷的直流电动机调速 应用于各种工业场合乃至家用电器 优点 技术新 控制性能优 高可靠启动 调速 制动 高功率因数 特别显著的节能效果 缺点 目前高压元器件昂贵 交交直接矩阵尚在发展中 交流异步电动机软启动器 调速器 由于交流变频调速技术的先进性 普遍应用广泛性 被国内外公认为是最有发展前途的电气应用技术 下面用几个数表来展示变频调速的特点 节能潜力和应用效果 2 1 变频器传动的特点 6 1变频技术的应用 3 2 变频器在工业领域的节电潜力 6 1变频技术的应用 4 3 变频器应用效果 6 1变频技术的应用 5 一 起升机构的特点起重机 箱式垂直升降电梯等 是恒转矩设备 有动能和势能 经常正反转 反复启动 制动中 变化速度大 6 2起升机构的变频调速 1 起升机构的转矩分析和负载特性 三种转矩 1 电动机的转矩TM 2 重力转矩TG 3 摩擦转矩T0减速传动比较大可达50 不能忽视 摩擦转矩的特点其方向永远和运动方向相反 TG与T0有时同向 有时反向两者代数和为负载转矩 只能在额定频率以下调速 2 起升机构中变频调速电动机的工作状态 三种状态 四个象限工作 电动机正向转矩TM TL TG T0若忽略T0 TL TG旋转方向与负载转矩方向相反 处电动状态在第一象限在 曲线A点以n1稳定运转 当降低供电频率而减速时 瞬间转数不能突变 但已到 曲线A 点 进入第二象限处于再生制动 发电机 状态 电磁转矩变为制动转矩 TL方向仍不变 转数迅速下降沿 曲线回到第一象限B点 以n2新的稳定状态运转 1 重物上升 6 0 C T n3 n4 TG TL D T0 空钩下降时工作点移动 n 2 空钩 包括轻载 下降 6 2起升机构的变频调速 空钩时 有摩擦转矩 重物自身不能下降 电动机反向带物下降 转矩TL TG T0 电动机转矩和转速都是负的 机械特性曲线处于第三象限 在 曲线C点以n3稳速下降 当降低供电频率而减速时 瞬间转数不能突变 但已到 曲线C 点 进入第四象限处于再生制动 发电机 状态 电磁转矩变为制动转矩 减慢下降速度沿 曲线回到第三象限D点 以n4新的稳定状态下降 C 3 重物下降 重载时 重物靠自身重力下降 并带电动机反向下降 转矩TL TG T0 电动机转矩与转速方向相反 属于再生制动状态 机械特性曲线处于第四象限 在 曲线E点以n5稳速下降 电动机的作用是防止重物由于重力加速度而加速摔向地面 达到匀速下降的目的 此时摩擦转矩与电磁转矩同向起阻碍重物下降的作用 7 6 2起升机构的变频调速 二 起升机构对拖动系统的要求 1 调速范围 通常调速比D 3调速范围较广的可达D 3 调速时 空钩或轻载可快速 重载时要慢 要求能频繁启动 制动 停车 反向 转速平稳 过渡过程短 能按一定速度曲线运行 2 上升时的预备级速度 上升起动时 要慢速消除传动间隙 将钢丝绳拉紧 所以从静止到启动第一档称为预备级 预备级速度不宜过大 以免机械冲击过程 3 重力势能的处理 起升机构经常工作在再生制动状态 必须妥善解决由重力势能产生的再生电能的处理问题 4 制动方法 必须考虑没有电动机拖动时的机械制动 因为重物在空中难以长时间停住 常用有电磁抱闸和液压电磁制动器等 而且采用常闭方式 即线圈断电制动器起作用 以弹簧力抱闸 得电时再松开 8 6 2起升机构的变频调速 5 必须克服 溜钩 失电到机械抱闸起作用之间可能会有 溜钩 重物自重拖迅速下落 严重时会出事故 必须妥善解决 以后备制动措施 6 具备 点动 功能 调整位置和松绳 拉紧 都需要 点动 功能 但注意点动频率不能过高 三 起升机构的变频调速改造 1 变频调速方案 1 控制模式 定位要求不高的可以采用无反馈矢量控制 为保证低速和启动时能有足够大转矩 最好采用带转速反馈的矢量控制方式 2 启动方式 消除传动间隙和拉紧要求必须软起动 S型启动 斜坡式启动 V f控制方式尤其要设定这一功能 3 制动方法 采用再生制动 直流制动 和常闭式电磁机械抱闸结合 2 电动机的选择 1 鼠笼电机直配变频器 线绕电机要把滑环短路转子绕组 尽量用原电机 2 选启动转矩大的YZ YZR型异步机 不选Y系列低频难启动 9 3 变频器类型和功率容量选择 6 2起升机构的变频调速 1 类型与控制模式对应的类型 2 容量按第四章所定原则 但在起重机械中 因升 降速时电流较大 应求出对应最大启动转矩和升降苏转矩的电动机电流 应比额定电流IN 按第四章选定数值 再大1 5 2倍 4 制动电阻的选择 参见第四章 1 位能的最大释放功率等于起重机构在装载最大重载的情况下以最高速度下降时电动机的功率 实际就是电动机的额定功率 2 制动单元的计算 制动单元的允许电流IVB可按工作电流的两倍考虑 5 起升机构电能的反馈 我们把具有再生制动发电功能的现象称为 泵生能量 当电动机由于收到势能回馈工作在发电机状态时 其泵生电压必然反应在 交 直 交 电路的直流侧 有不少变频器制造厂家 把这部分泵生电压再解出来经 反馈控制板 控制回归到交流逆变侧 这种方式不但进一步节能 还具有抑制谐波电流的功效 6 公用直流母线 主 付钩不同变频器直流侧接在一起 便于回馈泵生 10 6 3箱式电梯设备的变频调速 一 箱式电梯与起升机构的异同 1 箱式电梯与起升机构的共同点 1 都是恒转矩负载 2 都有频繁启动 制动 转速变化大 对动态 静态特性要求高的特点 3 都有电动机在四个象限工作 存在电能回馈问题 1 箱式电梯与起升机构的不同点 1 箱式电梯有配重 配重计算公式 配重 载重量 2 轿厢自重 45 50 2 箱式电梯对调速性能要求 电梯重载上行和空载下行时 电动机负载大处驱动状态 空载上行和重载下行时 处在回馈制动状态 电动机在四个象限运行 为满足乘客舒适和平层精度 要求电动机在任何负载下都具有良好的调速和准确停车性能 调速性能 启动 制动平稳舒适 尽量控制加速度小 在0 9m s 以下 启动和停止时采用 S形矩阵控制模式 转矩逐渐增减 使人无冲击感 上下运行的速度力求加快 一般为30 105m min 3 箱式电梯对工作过程控制要求 载人使用情况复杂 开门 关门 上行 下行 加速 稳速 减速 呼梯排队 信息搜索判断 平层等 采用PLC的逻辑程控 箱式电梯示意 11 6 3箱式电梯设备的变频调速 二 构建箱式电梯变频调速系统 1 系统方案构成 M PLC CPU A D转换 SPWM控制装置 门极控制装置 DI输入 DI输入 DI输入 DO输出 DO输出 转速反馈 电流反馈 电压反馈 PID控制 矢量矩阵运算 速度指令发生 人机对话设定 外控启停指令 楼层排队设定 轿厢 载重量反馈 平衡配重 导向轮 拽引机 故障报警 电磁制动 制动电阻 AC380V A B C 变频器 主控单元 断路器 电磁接触器 交流电抗器 噪声滤波器 变频器 交流异步电动机 交流电抗器 噪声滤波器 电磁接触器 电磁制动器 DK KM AL1 ZF1 ZF2 AL2 KMB R T S U V W ZL UP P1 P N RB BV M YB YB 主电路 配件选择 电梯拖动控制系统构成 AC380V 12 6 3箱式电梯设备的变频调速 2 系统构成特点说明 1 总体类同起升机构 2 考虑有势能回馈主电路整流用SCR可调稳压 3 控制功能齐备 选用矢量控制变频器 采用转速反馈 电压 电流反馈还有位置反馈 载重量反馈 适应高性能和精确控制要求 4 变频器控制超高速电梯 从舒适性考虑加 减速度通常控制在0 9m s 运行特性如图所示 5 必须从零速到最高速平滑变化 变频器输出应几乎从0到额定频率平滑变化 但是特别说明从电动机侧观看包括绳索在内的机械系统具有5 10HZ的故有震荡频率如果电动机产生波动与该固有频率谐振 会影响乘坐舒适的 另外电动机在低速时若产生10 12HZ的次声波噪音 将危害人员身体 必须加以克服或迅速跳离此可能共振的噪声 6 电梯负载最特殊的是要准确可靠制动到位 除了制动电阻外 还要强有力的电磁抱闸停车环节 还有准确平层有感应接近开关闭环控制 7 电梯负载的载重量和距离控制都是随机的 必须有转矩补偿和分级控制特性 有些变频器预存多条距离 速度曲线 判断选择切换 8 还有开门 关门 楼层定位 乘客先后 楼层上下 叫梯排队控制功能复杂 多变量输入输出 是适合与PLC程控结合的系统 也有的变频器控制单元包含程序控制器功能 13 6 4 水泵 风机类的变频调速 一 水泵 风机类变频调速系统应用类型和节能效果 1 负载类属应用场合水泵风机类负载是二次方率负载 选用变频调速方式主要特点是节能效果明显 以水泵为例主要应用在城市供水 污水处理等 比较普遍 现以恒压供水调速为例介绍节能效果和应用系统设计 2 供水中的节能效果供水流量控制方法抽水水泵的扬程保证的前提下 流量由阀门控制或转速控制 所谓扬程是指水泵抽水能力表示水泵可以把水从水面扬起的高度 从扬程与流量关系看 在所需流量小于额定流量时 转速控制所需扬程比阀门控制小得多 且供水功率也比阀门控制小得多 这是显而易见的 阀门控制时水泵的转速始终最大 而流量小的时候阀门关小 水泵仍然是最大功率 见教材P116图6 17 其次从水泵的工作效率看 其中PG 供水功率 PP水泵轴功率 另外效率与流量的关系也表明阀门控制随流量变化 水泵效率下降很多 而转速控制不论流量大小 效率曲线始终处在最佳点 转速控制时水泵的效率比阀门控制要大很多 见教材P117图6 18 结论 采用调速控制比以前的阀门控制节能效果大很多 14 二 恒压供水变频调速系统的构成 6 4 水泵 风机类的变频调速 1 单台恒压供水变频调速系统的构成 断路器 电磁接触器 交流电抗器 噪声滤波器 变频器 恒压供水泵电动机 交流电抗器 噪声滤波器 DK KM AL1 ZF1 ZF2 AL2 R T S U V W PT UP SV AI M 主电路 配件选择 AC380V 这是一个以水压为控制参数的闭环调节系统 PID调节器在变频器内 用内部设定或电位器给定接到变频器AI端子 反馈信号用压力变送器送来标准4 20mA或1 5V信号给变频器AI端子 定值控制供水压力 一般小范围恒压供水即可用此系统 15 6 4 水泵 风机类的变频调速 这是一个以水压为控制参数的闭环变频调速 多台泵自动根据压力增减切换 一台变频 多台甩工频 正向反向自动循环恒压供水调节系统的构成 2 一台变频多台水泵的恒压供水系统 断路器 电磁接触器 交流电抗器 噪声滤波器 变频器 DK KM AL1 ZF1 R T S U V W UP SV AI AC380V 交流电抗器 噪声滤波器 ZF2 RJ1 M1 1 水泵电动机 KC1 KC2 RJn KCn KCn 1 n 水泵电动机 n台 n 奇数 2 断路器 DK 断路器 AL1 1 水泵及电磁阀 n 水泵及电磁阀 压力变送器 PT 电位器外给定 PLC或专用控制器 运行与故障 工频切换 AI或上下限接点 DO控制各 泵电机工频 变频切换 DO DI KC1 KC2 KCn KCn 1 水压判断 正调向反调向切换控制 工频精确到位 严格互锁 水阀切换控制 Mn B1 Bn N K0 16 6 4 水泵 风机类的变频调速 2 多台泵恒压供水系统设计要求及特点说明 1 一台变频器控制多台泵的合理选择水泵应选择同容量的 这不单单是维修互换性需要 主要是不浪费变频器资源 考虑变频器的工作状态 在选择变频器和配件容量时略大于单台水泵即可 1 1 1 2倍 而选择电动机的开关附件要按直接启动的容量 2 一带多变频调速恒压供水系统的流程变频器联第一台泵软启动 按水压闭环调速 若调节频率到最高转速 水压不够且到水压下限值变频器发到工频切换信号 甩第一台泵给电网供电恒速运转 变频器联第二台泵软启动 按水压闭环调速 依次类推到最后一台泵连变频器调速 其余泵全部按额定转速运转 此时若水压还低 变频器也不切换了 报警输出 反流程是 水压降低到变频器调速的电机最低频率 压力仍高到上限 变频器发停泵切换信号 停下调速泵 切变频器到相邻的全速泵 按给定频率调速 若压力仍高到上限 再发信号停泵切换到相邻泵 直到变频器只带第一台泵不再切换 3 严格控制变频器切换频率和保证同频切换变频器不能切换太频繁 最短工作时间要在10分钟以上 因此一带多的恒压系统是水压按上下限控制和调速泵的连续调节 为保证与电网工频同频时准确无差切换 考虑电网频率的波动和PLC及继电器接触器动作时间 在设定切换频率时要考虑2 3HZ的缓冲频差 对大容量的泵甚至要监测电网频率以准确控制切换 防止系统大扰动和对电网冲击 4 故障检修处理和系统后备应急配件若系统检修需停下变频调速系统 要在有泵运行时 手动关掉变频系统 让已在工频运行的泵坚持恒速工作 若没有变频器工作情况下需启动水泵临时供水 则系统在设计时要考虑配应急直接启动电动机带备泵运转的Y 启动或其他降压启动附属设备 17 6 5 中央空调的变频调速 1 中央空调的构成属于冷热交换系统 共分四个部分 冷冻主机 内部热交换 变频由厂家配套 冷却水塔 室外喷淋塔 风扇不需变速 外部热交换系统 1 冷冻机输送冷冻液到各房间通过盘管换热循环回冷冻机 2 由循环管 冷却泵经喷淋塔被冷却风扇吹冷与冷冻水回水热交换并带走冷冻主机的发热 冷却风机 1 各房间从盘管处吹出冷风进房间的风机 2 冷却喷淋塔的风扇 2 中央空调变频调速方案全控方案 1 冷冻水循环泵变频调速 用制冷机回水温定值为主和冷冻泵出口进口压差闭环调节为辅的冷冻水换温调节 2 冷却水循环泵变频调速 用回水温度 反映冷冻机工作温升 调节在37度以下 还有根据房间制冷需要调节进房间风速 略 常见的控制是 保持冷冻水系统出场时自带的调速系统不变 单控制冷却水系统循环系统 制冷冷冻主机 房间 盘管 盘管风机 冷冻泵 回水 冷冻水 断路器 电磁接触器 交流电抗器 噪声滤波器 变频器 R T S UP SV AI 热继电器 温度变送器 压差变送器 AC380V 冷冻水循环泵变频调速系统构成 断路器 电磁接触器 交流电抗器 噪声滤波器 变频器 R T S UP SV AI 热继电器 AC380V 制冷冷冻主机 PLC 温度变送器 回水 进水 N 一带三冷却水循环泵变频调速系统构成 18 1 制冷双参数闭环控制系统冷冻泵 制冷机 分别由会水温度和冷水循环泵进口和出口压差控制 根据工况需要切换控制 由于一般中央空调主机带变频控制系统 且控制参数出场时已设定好 这里不再赘述 6 5 中央空调的变频调速 3 中央空调循环泵变频调速系统设计要求及特点说明 2 一台变频器控制三台泵的冷却水循环泵调速系统合理选择循环泵应选择同容量的 这不单单是维修互换性需要 主要是不浪费变频器资源 考虑变频器的工作状态 在选择变频器和配件容量时略大于单台水泵即可 1 1 1 2倍 而选择电动机的开关附件要按直接启动的容量 3 以控制冷冻主机发