第7章变频技术的综合应用PPT课件.ppt

第7章变频技术的综合应用 教学重点变频器在工业设备 恒压供水系统 空调系统 楼宇自动化系统上的应用 教学难点变频器在恒压供水系统的应用 7 1变频技术在空调设备上的应用 空调电动机一般为380V 15 55kW 变频器电源可采用三相输入 三相输出 也可采用单相输入 三相输出 7 1 1中央空调1 中央空调系统的构成 图7 1中央空调系统的构成 Pt1 Pt2 Pt3为Pt100温度传感器 冷却风扇 1 冷冻机组2 冷却水塔3 外部热交换系统 2 中央空调的拖动系统中央空调的拖动系统通常由以下几个部分组成 1 冷冻机组拖动系统如图7 2所示为冷冻机组拖动系统的控制电路 图7 2冷冻机组拖动系统的控制电路 制动电阻 欠压保护线圈 制动电阻 欠压保护线圈 2 风机拖动系统如图7 3所示为风机拖动系统的控制电路 图7 3风机拖动系统的控制电路 检测室内温度 检测送风管道压力 3 中央空调的变风量系统中央空调的变风量系统采用的是变频控制 如图7 4所示为变风量系统主回路控制回路的原理图 图7 4变风量系统主回路的控制回路 9 图7 5变风量系统主回路原理图 检测电机电流 4 中央空调系统的调试 7 1 2家用空调分体式空调在家庭生活中使用较多 分体式变频空调的工作原理如图7 6所示 11 1 利用变频控制节能2 压缩机运行和停止时 损耗明显减少3 舒适性改善4 消除电源频率变化的影响5 启动电流减小 12 图7 6分体式变频空调的工作原理 变频 输入波形 13 7 2变频技术在机床设备上的应用 7 2 1变频器在外圆磨床上的应用变频器的无级调速 软启动 恒转矩输出 满足了机械加工设备对恒速度 恒转矩的要求 对磨床可避免产生振刀纹 烧糊纹等 14 1 外圆磨床加工的负载特性外圆磨床的主砂轮电动机的转速等于砂轮输出的转速 磨削力的大小取决于砂轮电动机的输出转矩 15 图7 7外圆磨床加工的电动机负载特性 16 2 外圆磨床加工中变频器的选择根据系统运行的特点 选择带自动转矩提升功能的通用型U f变频器 该类具有自动转矩提升 柔性PWM控制功能 可实现更低噪声运行 有多于10段的转速控制 17 3 外圆磨床加工系统的启动与调速外圆磨床的主砂轮电动机的启动电路在继电器控制电路中多采用星 三角型转换启动电路 启动时有一定的惯量冲动 如图7 9所示为主砂轮电动机的控制原理图 18 L1 L2 L3为输入端子 U V W为输出端子 频率调整电位器 控制端子 显示变频器频率 显示电机运行电压 控制线屏蔽 19 考虑到砂轮启动的惯性 变频器软启动时间设定为10s 停止制动时间设定为15s 根据不同类型的砂轮 启动转矩可在最大转矩的50 80 之间调节设定 20 4 外圆磨床系统的调试变频器要根据以下几种情况进行系统调试 1 磨削砂轮平衡精度的提高 2 低速时的散热情况 3 消除电磁干扰 4 变频器选择由负荷率确定 21 7 2 2变频技术在铣床上的应用1 铣床系统设置系统的硬件以变频调速器MICROMASTER为传动控制设备 其硬件结构如图7 10所示 22 图7 10铣床传动控制设备的硬件结构 L1 L2 L3为输入端子 U V W为输出端子 频率调整电位器 控制端子 显示电机运行电压 控制线屏蔽 23 2 铣床系统控制对于不同型号的铣床 变频器可通过设置参数P1300实现多种不同的运行方式来控制变频器输出电压和电动机转速间的关系 本系统中采用了无传感器矢量控制方式 用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制 24 变频器恒压供水装置如图7 11所示 图7 11变频器恒压供水装置 7 3变频技术在恒压供水设备上的应用 变频器输入电源 变频器输出电源 变频器控制电源 液位控制反馈信号 管道压力控制反馈信号 电机运行电源 变频器面板 25 7 3 1恒压供水控制技术恒压供水装置实现无水自动停泵 低水压全速运行 变频泵转速 管网压力数码显示 过电流保护及工作电流显示 变频器故障显示 蜂鸣器 电铃报警 管网过水压自动停泵并报警 一次水不足自动停泵 抗干扰能力强等 如图7 12所示为供水系统配置图 26 图7 12恒压供水系统配置图 27 图7 13恒压供水系统简化工作原理图 28 7 3 2恒压供水控制回路 以三台泵为例 恒压供水控制回路由主供水回路 备用回路 一个清水池及泵房组成 其中 泵房装有1号 3号共3台泵机 还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量 控制系统采用了以PLC为核心的多功能高可靠性控制系统 为防止变频器停电不工作时 系统给变频器反送电 造成变频器元件损坏 KMl和KM2 KM3和KM4 KM5和KM6必须进行机械互锁 29 恒压供水控制系统的泵机部分原理如图7 14所示 图7 14泵机部分原理图 管道压力控制信号 变频器输出电源 手动控制接触器 变频器控制使用的接触器 控制接触器工作 控制水源的闸阀 变频器输入电源 30 7 3 3恒压供水控制系统的工艺要求恒压供水控制系统的工艺要求包括以下几点 1 供水压力要求恒定 波动一定要小 尤其在换泵时 2 三台泵根据压力的设定 采用 先开先停 的原则 3 为了防止一台泵长时间运行 需设定运行时间 当时间到时 自动切换到下一台泵 以防止泵长时间不用而锈死 4 要有完善的保护和报警功能 5 为了检修和应急要设有手动功能 6 需具有水池防抽空功能 31 7 3 4恒压供水控制系统PLC的选型泵机部分采用以PLC和变频器为中心组成的恒压供水控制系统 系统由S7 200CPU224 ABBACS400系列7 5kW变频器和具有压力显示的PID调节器组成 利如图7 15所示为采用PLC控制的系统框图 32 图7 15采用PLC控制的系统框图 33 7 3 5恒压供水控制系统PLC的I O分配恒压供水控制系统占用PLC的4个输入点 9个输出点 具体的I O分配见表7 1 表7 1I O分配表 34 7 3 6变频器的技术参数相关参数设定见表7 2 表7 2ABBACS400型变频器参数设定 35 7 3 7恒压供水控制系统电气原理1 电气控制系统的主电路电气控制系统的主电路 如图7 16所示 M1 M2 M3为三台电动机 交流接触器KMl KM6控制三台电动机的运行 FRl FR2 FR3为电动机M1 M2 M3的热继电器 QFl QF2 QF3 QF4 QF5分别为主电路 变频器和三台泵的断路器 36 图7 16电气控制系统的主电路 变频器控制电路 QF3 QF4 QF5为手动控制电路 37 图7 17电气控制系统的PLC接线 PLC输入端子 PLC输出端子 PLC输入控制信号 PLC输出信号 PLC输入电源 2 电气控制系统的PLC接线 38 3 电气控制系统的控制电路电气控制系统的控制电路如图7 18所示 SA为手动 自动转换开关 39 图7 18电气控制系统的控制电路 手动 自动转换 自动工作继电器触点 工作显示指示灯 PLC电源输入 手动工作继电器触点 SB1 SB6为手动按钮 KM2 KM4 KM6为手动控制接触器 KM1 KM3 KM5为自动控制接触器 PLC输出端子 40 7 4变频技术在自动生产线上的应用 变频器控制密度板联动生产线系统采用的是MICROMASTER440系列变频器 所具有的Profibus网络和BICO控制功能 通过工业控制计算机和PLC 利用Profibus网络控制及变频器外部端子两种控制方法 对变频器进行自动和手动控制 正常时采用第1命令数据组CDS进行Profibus网络控制 自动控制 网络有故障时采用第2命令数据组 即变频器外部端子控制 手动控制 7 4 1变频器控制密度板联动生产线系统的概述 41 7 4 2变频器控制密度板联动生产线系统配置变频器控制密度板联动生产线系统配置 根据控制的要求 需要14台容量不同的变频器 变频器的选用如下 1 6SE6440 2UD22 2BA0型2 2kW变频器2台 2 6SE6440 2UD24 0BA0型4kW变频器3台 3 6SE6440 2UD33 0EA0型30kW变频器2台 4 6SE6400 1BP00 0AA0型变频器7台 42 7 4 3变频器控制密度板联动生产线系统单线图 图7 19变频器控制密度板联动生产线系统单线图 43 7 4 4变频器控制密度板联动生产线系统原理图变频器控制密度板联动生产线系统原理图如图7 20所示 该系统由7台变频器组成 图中仅绘出了两台 44 图7 20变频器控制密度板联动生产线系统原理图 主电路开关 匹配电抗器 变频器控制电路 变频器主电路 变频器程序输入 45 7 4 5变频器控制密度板联动生产线系统的主要调节参数以一台容量为4kW的变频器为例说明主要调节参数 1 电动机参数的设定电动机参数的设定如下 电动机参数的第1和第2驱动数据组DDS所设置参数均相同 P100 0 0 00P304 0 380 00P305 0 7 80P307 0 4 00P308 0 0 82P310 0 50 00P311 0 1400 00P1082 0 50 00P1121 0 5 00P1300 0 20 00P300 0 2 00P1120 0 5 00 46 2 数字量I O及BICO的参数数字量I O及BICO的参数设定如下 P700 0 6 00P700 1 2 00P701 0 99 00P810 722 00P702 0 0 00P702 1 1 00P703 0 0 00P703 1 13 00P704 0 0 00P704 1 14 00P1000 0 6 00P1000 1 1 003 Profibus网络的参数Profibus网络参数的设定如下 P918 10 根据Profibus地址 R2090 B0 从CB收到的控制字1 47 7 5 1变频技术在照明上的应用1 高频照明技术的概述在我国实施的 绿色照明工程 中 变频电子节能灯是主要推广项目 7 5变频技术在照明和家用电器上的应用 48 图7 21高频照明灯工作原理图 49 2 高频照明技术原理高频照明技术是气体放电灯的高频高效化技术 气体放电灯可分为两类 1 冷阴极辉光放电灯2 热阴极辉光放电灯 50 高频照明是利用高频电子镇流器对荧光灯灯管实施高频电流预热灯丝 再施以高频高压脉冲启辉灯管 最后以高频常压来保持灯管的正常工作 51 3 高频照明实例1 高频镇流器原理高频照明的高频电来源于高频镇流器 高频镇流器是一种高频振荡器 如图7 22和图7 23所示 52 图7 22LC并联谐振型电路 图7 23LC串联谐振型电路 灯管 耦合器 高频部分 耦合器 灯管 高频部分 53 图7 22中LC并联谐振型镇流器全部输出功率通过变压器耦合 变压器的性能直接影响镇流器及整个光源系统的效率 同时 LC并联谐振电路对逆变管的耐压要求较高 因此 现代高频整流器一般都采用LC串联谐振型电路 54 2 镇流器的典型电路镇流器的典型电路可以分为以下几种 1 32W日光灯镇流器典型电路如图7 24所示为一种32W日光灯镇流器的工作原理图 组成镇流器的电路有 整流滤波电路 高频振荡电路以及输出负载电路三部分 55 图7 2432W日光灯镇流器电工作原理图 整流滤波部分 高频部分 输出部分 56 2 卤素灯高频镇流器典型电路 图7 25卤素灯高频镇流器电路 57 3 高低频镇流器典型电路 如图7 26所示为高低频镇流器基本原理图 高强度气体放电灯HID在高频工作时 会因声共振引起电弧不稳 闪烁甚至灭弧 因此采用的一种低频矩形波电路来克服这种现象 图7 26高低频镇流器基本原理图 58 4 调光典型电路 电位器式无级调光台灯电路如图7 27所示 图7 27电位器式无级调光台灯电路 负载 59 5 高频无极灯照明 高频无极放电灯是集电子技术 真空科学 功率电学 等离子体科学 磁性材料科学等领域综合应用的高新技术产品 又称为电子灯泡 60 高频无极放电灯的结构如图7 28所示 无极灯在结构上由三部分组成 即高频发生器 高频电源 功率耦合器和涂有稀土荧光粉的玻璃泡壳组成 图7 28高频无极放电灯的结构 高频发生器 灯泡 耦合器 61 图7 29高频无极放电灯电源原理图 如图7 29所示为高频无极放电灯电源原理图 高频产生电路 匹配电感 灯泡 耦合器 62 7 5 2变频技术在家用电器上的应用 1 变频洗衣机1 变频洗衣机的工作原理变频洗衣机不同于普通洗衣机 它利用电动机调速控制技术对它的电动机 动力传动系统以及控制系统进行变频控制 如图7 30所示 63 图7 30变频洗衣机的控制原理图 64 2 变频冰箱变频冰箱采用专用变频压缩机和驱动器 使用变频控制系统 利用模糊控制原理实现系统的最佳运行 冰箱压缩机转速在2000 4000r min之间变化 提高了制冷效率 65 3 变频微波炉变频微波炉以变频器替代了传统微波炉内的变压器 变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成20000 45000Hz的高频率 通过改变频率来得到不同的输出功率 66 4 变频彩电数字变频彩电是新兴的变频家电 它采用数字变频技术 运用动态帧 行扫描速度转换 将电视台发送的隔行扫描信号转换为逐行扫描信号进行显示 并将场频从50Hz提升到75Hz 67 5 变频空调变频空调通过压缩机转速的变化 可以实现制冷量随室外温度的上升而上升 下降而下降 这样就实现了制冷量与房间热负荷的自动匹配 改善了舒适性 也节省了电力 变频空调通过变频器改变电流 电压频率来调节压缩机的转速 68 6 高频电磁炉高频电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的 其工作原理如图7 32所示 69 图7 32高频电磁炉的工作原理图 70 高频电磁炉在工作时 交流电压经过整流器转换为直流电 又经高频电力转换装置使直流电变为超过音频的高频交流电 将高频交流电加在扁平空心螺旋状的感应加热线圈上 由此产生高频交变磁场 高频电磁炉利用高频感应加热使锅直接发热 没有燃气和电加热的炽热部分 因此 不但安全 还大幅度提高了加热效率 71 7 6 1不间断电源不间断电源简称为UPS 是一种恒压型不间断电源 主要用于瞬时断电或事故停电即时辅助供电 并维持一定的时间 以减少停电带来的损失 同时 要求稳频稳压 减少谐波对电网功率因数的污染 改善电网供电质量 7 6变频技术在电源技术上的应用 72 1 UPS的输入电压输入电压一般为176 253V 1 后备式UPS2 在线式UPS 73 2 UPS的输出电压正弦波输出的UPS的输出电压一般为220V 浮动范围为 3 稳定性优于交流电 74 3 UPS的输入 输出电流输入 输出电流是选用UPS的重要指标 输入电流大小和波形反映UPS效率和功率因数 输出电流直接反映UPS逆变器输出的能力 75 4 UPS的后备时间一般UPS的后备时间设计值为5 10min 后备时间会受到下列因素的影响 1 负载大小与后备时间不成线性关系 2 电池寿命 般可达3 5年 76 7 6 2UPS的典型实例1 UPS的电路分析如图7 33所示为单相在线式UPS框图 图7 33单相在线式UPS框图 77 2 UPS各部分的功能1 逆变控制器逆变控制器是由基准正弦发生器 误差放大器与PWM调制器构成的 如图7 34所示 78 图7 34逆变控制器调制出的PWM信号 79 2 逆变控制器的驱动电路如图7 35所示为逆变控制器的驱动电路 它由隔离电路的辅助电源和驱动器EXB840构成 完成对4个IGBT管的控制 驱动器同时带有过饱和保护的功能 80 图7 35逆变控制器的驱动电路 电源输入 稳压部分 81 3 H型桥式逆变器 图7 36H型桥式逆变器 C12 C13为缓冲电容 82 4 缓冲电路缓冲电路是指由图7 36中的C12 C13组成的电路 83 5 IGBT保护UPS的保护主要是指对IGBT进行保护 通过限流作用实现过电流关断和过功率损耗的热关断保护 通过电压箝位实现过电压保护 温度过高进行热关断保护 如果驱动功率不足 进行栅极欠电压关断保护 84 3 关键元件的选用IGBT的选用 由于开关频率为20kHz 故应选用第三代速度高 饱和压降低的IGBT 85 7 6 3车载电源实例1 车载电源电路分析如图7 37所示为车载电源系统 12V直流电压经过高频逆变和高频整流 得到一个350V直流电压 由TL494芯片产生控制信号 再经过全桥DC AC逆变电路 得到220V 50Hz交流电压而输出 为防止主电路对控制电路的干扰 通常把主电路和控制电路完全隔 86 图7 37车载电源系统 高压逆变高频整流 隔离变压器 DC AC逆变 87 2 车载电源系统各部分的功能1 SG3525结构框图和引脚功能逆变系统采用了SG3525来进行SPWM控制信号的输出 芯片的引脚及内部框图如图7 38所示 88 图7 38SG3525芯片其引脚及内部框图 89 2 SPWM调制信号的产生逆变电路的控制信号以SPWM方式控制功率管的开关 产生脉冲方波而输出 再经过滤波就可以得到正弦输出电压 实现SPWM的控制电路框图 如图7 39所示 实际电路各点的波形 如图7 40所示 90 图7 39SPWM的控制电路框图 91 图7 40SPWM控制电路各点的波形 92 3 过电流保护过电流保护是利用电流互感器作为电流检测元件 检测元件具有足够快的响应速度 能够在IGBT允许的过流时间内将其关断 起到保护作用 在图7 37中 过流保护信号取自CT2 经分压 滤波后加至电压比较器的同相输入端 如图7 41所示 93 图7 41过电流保护单元的内部电路 94 4 车载电源系统的驱动电路车载电源系统驱动电路是在功率管导通时 可迅速地建立驱动电压 在需要关断时 能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷 拉低驱动电压 具体的驱动电路如图7 42所示 95 图7 42车载电源系统的驱动电路 96 7 6 4集成一体化电源如图7 43所示为开关式集成一体化电源原理框图 如图7 44所示为三相逆变式集成一体化电源原理框图 单相逆变式集成一体化电源原理框图 如图7 45所示 97 图7 43开关式集成一体化电源原理框图 98 图7 44三相逆变式集成一体化电源原理框图 99 图7 45单相逆变式集成一体化电源原理框图 100 7 7变频技术在太阳能节能技术上的应用 7 7 1太阳能发电技术太阳能发电技术就是把太阳辐射能转化成电能的发电技术 常见有两大类 1 利用太阳能直接发电 此类发电量小 有的方法尚处于原理性试验阶段 2 将太阳能通过热机带动发电机发电 其热能是从太阳能转换来 101 7 7 2太阳能光电技术太阳能光电技术就是利用太阳能电池把白天的太阳能转化为电能由蓄电池储存起来 到晚上时在放电控制器的控制下释放出来 供室内照明和其他需要 太阳能光电转换系统主要由太阳能电池 充放电控制器 蓄电池 负荷等部分组成 102 1 光电池组件2 充放电控制器3 蓄电池4 负荷 103 7 7 3太阳能光热技术太阳能光热技术是指将太阳辐射能转化为热能进行利用的技术 常见的直接利用方式有 1 利用太阳能热水器提供生活热水 2 利用太阳能空气集热器进行供暖或物料干燥 3 基于集热一储热原理的间接加热式被动太阳房 4 利用太阳能加热空气产生的热压增强建筑通风 104 7 7 4太阳能光伏发电技术1 并网式发电系统并网发电系统通过光伏阵列将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频 同相的正弦交流电流 光伏发电的并网运行 将省去独立太阳能光电转换系统中的贮能环节 蓄电池 从而大大减少了电站的维护 105 图7 46光伏发电并网专用逆变器的结构 并网继电器的触点 匹配电感 电阻 106 2 独立式发电系统独立式发电系统光伏阵列首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载 并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中 在日照不足时 储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成SPWM波 然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V 50Hz的正弦电压供给交流负载使用 107 图7 47光伏发电原理图 匹配电感 逆变网络 稳压滤波电容 108 图7 48交流电断电时的单独运行方式 稳压滤波电容 逆变网络 匹配电感 市电 与太阳能切换继电器触点 109 其工作原理是 如果公用电网断电 此时电网侧相当于短路状态 并网运行的逆变器会由于过载而自动保护 若微处理器检测过载时 除封锁SPWM信号外 还将断开继电器KA 此时 若光伏阵列有能量输出 逆变器会在单独运行状态下运行 110 7 8变频技术在风力发电技术上的应用 风力发电结构如图所示 111 7 8 1同步发电机并网系统同步发电机的转速和电网频率是硬性连接 可是风力资源有较大的随机性 因此 发动机和电网之间使用交 直 交变换器可使风机在较大转速范围内运行 交 直 交同步风力发电系统如图7 49所示 112 图7 49交 直 交同步风力发电系统 齿轮箱 发电机 整流 逆变 并网回路 113 同步发电机具有独立的励磁回路 无需提供再生能量 因此 交 直 交变换器不需要四象限运行 如图7 50所示 114 图7 50具有升压功能的同步风力发电系统 齿轮箱 发电机 整流 逆变 升压并网 115 7 8 2双馈型风力发电并网系统双馈发电机在结构上与绕线型感应电动机相似 即定子 转子均为三相对称 转子绕组电流由滑环引入 其电气原理如图7 51所示 116 图7 51双馈型发电机的电气原理图 齿轮箱 发电机 整流 逆变 并网回路 反馈网络 117 7 8 3低速永磁同步发电机直接驱动系统新型的风力发电机采用多极低速永磁同步发动机 通过功率变换器直接并入电网 这就省去了增速齿轮箱 使系统效率大大提高 噪声也进一步降低 如图7 52所示为无增速齿轮箱的风力发电机系统 118 图7 52无齿轮箱的风力发电机系统 发电机 发电控制逆变 并网电压控制 并网变压器 并网