电机变频节能设计说明

1、毕业设计说明话题：电机变频节能设计姓名： 导师： 部门机电工程 目录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc295138475 摘要 PAGEREF _Toc295138475 h 1 HYPERLINK l _Toc295138476 第 1 章 讨论 PAGEREF _Toc295138476 h 1 HYPERLINK l _Toc295138477 1.1我国电动机现状 PAGEREF _Toc295138477 h 1 HYPERLINK l _Toc295138478 1.2我国煤矿风机运行中的常见问题 PAGEREF _Toc295138478 h 1

2、HYPERLINK l _Toc295138479 1.3课题研究的方向与趋势 PAGEREF _Toc295138479 h 2 HYPERLINK l _Toc295138480 第 2 章电机基础知识 PAGEREF _Toc295138480 h 4 HYPERLINK l _Toc295138481 2.1电机分类 PAGEREF _Toc295138481 h 4 HYPERLINK l _Toc295138482 2.2电机设备转速计算及调速措施 PAGEREF _Toc295138482 h 4 HYPERLINK l _Toc295138483 第三章 变频器基本原理与知识

3、PAGEREF _Toc295138483 h 8 HYPERLINK l _Toc295138484 3.1逆变器8发展历程 PAGEREF _Toc295138484 h HYPERLINK l _Toc295138485 3.2变频技术发展历程 PAGEREF _Toc295138485 h 10 HYPERLINK l _Toc295138486 3.3变频器的分类 PAGEREF _Toc295138486 h 11 HYPERLINK l _Toc295138487 3.4变频器的电路组成 PAGEREF _Toc295138487 h 12 HYPERLINK l _Toc295

4、138488 3.4.1变频器中的半导体开关 PAGEREF _Toc295138488 h 15 HYPERLINK l _Toc295138489 3.5变频调速方式 PAGEREF _Toc295138489 h 17 HYPERLINK l _Toc295138490 3.6变频控制算法 PAGEREF _Toc295138490 h 19 HYPERLINK l _Toc295138491 3.7普通异步电动机与变频电动机的区别 PAGEREF _Toc295138491 h 21 HYPERLINK l _Toc295138492 3.8变频调速的优势与市场 PAGEREF _To

5、c295138492 h 24 HYPERLINK l _Toc295138493 第四章 电机节能改造工程 PAGEREF _Toc295138493 h 26 HYPERLINK l _Toc295138494 4.1调速装置的运行可靠性和投资比较 PAGEREF _Toc295138494 h 26 HYPERLINK l _Toc295138495 4.2投资比较 PAGEREF _Toc295138495 h 27 HYPERLINK l _Toc295138496 4.3主要调速方案技术经济比较 PAGEREF _Toc295138496 h 28 HYPERLINK l _Toc

6、295138497 4.4变频改造节能案例 PAGEREF _Toc295138497 h 29 HYPERLINK l _Toc295138498 4.4.1改造投资估算 PAGEREF _Toc295138498 h 31 HYPERLINK l _Toc295138499 4.4.2扩建32节节能效益计算 PAGEREF _Toc295138499 h HYPERLINK l _Toc295138500 4.4.3经济评价 PAGEREF _Toc295138500 h 32 HYPERLINK l _Toc295138501 4.5变频控制技术显性和隐性利弊分析 PAGEREF _To

7、c295138501 h 33 HYPERLINK l _Toc295138502 4.6变频器外围电路及参数设置 PAGEREF _Toc295138502 h 33 HYPERLINK l _Toc295138503 第 5 章 结论 PAGEREF _Toc295138503 h 38 HYPERLINK l _Toc295138504 参考文献 PAGEREF _Toc295138504 h 39 HYPERLINK l _Toc295138505 至 PAGEREF _Toc295138505 h 41概括电机是一种应用量大、应用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国总装机容量约4亿千

8、瓦，年用电量约6000亿千瓦时，约占工业用电量的70-80%。我国以中小型电机为主，占比约80%，而中小型电机的耗电量占总损耗的90%。在我国电机的实际应用中，与国外相比存在较大差距。机组效率75%，比国外低10%；系统运行效率为30-40%，比国际先进水平低20-30 % 。因此，我国中小型电机节能潜力巨大，实施电机节能势在必行。中国的资源主要是煤炭，电机是煤矿生产的重要设备，也是主要的耗能设备。研究电机的节能方法具有重要的现实意义。本文介绍了电机设备运行中存在的主要问题，对电机设备的能耗进行了分析和理解，讨论了电机的基本参数和特性曲线，以及电机的节电方法和节能原理。电机被强调。与现有的电机

9、节能措施相比，对变频调速的节能原理和实现进行了深入研究。重点阐述了电机变频的节能方法和应用。本文给出的电机节能改造变频技术方法和基本原理，旨在为企业选择合理的节能改造改造方案提供依据。同时介绍了调速装置的选择和调速方案的比较，使先进技术与经济效益相统一。关键词：电机节能；电机调速；变频;矢量控制。第一章讨论1.1 我国电动机现状电机是一种应用量大、应用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国总装机容量约4亿千瓦，年用电量约6000亿千瓦时，约占工业用电量的70-80%。我国以中小型电机为主，占比约80%，而中小型电机的耗电量占总损耗的90%。在我国电机的实际应用中，与国外相比存在较大差距。机组效率

10、75%，比国外低10%；系统运行效率为30-40%，比国际先进水平低20-30 % 。电机设备是煤矿生产中的重要设备，也是主要的耗能设备。电机设备容量大、运行时间长，要求系统运行绝对可靠。例如，如果主风机停止送风5分钟，这是煤矿的重大事故。煤矿通风电耗一般占生产电耗的15%25%，高耗电可达40%以上。我国能源资源相对较少，长期以来能源供需矛盾十分紧张。因此，要缓解这一矛盾，就必须重视电机的节能改造。通过电机的节能改造，不仅可以节约能源，促进国民经济发展，具有良好的社会效益，而且可以直接降低企业成本，提高企业经济效益。同时，可以为国家节约资源，造福子孙后代。1.2 我国煤矿风机运行中的常见问题

11、来自各工业部门调查数据的大量数据表明，我国目前使用的风机、泵的效率比国外同类产品低5%10%。设计时过多考虑施工前后工艺要求的差异，选型量过大，使设备长期在低负荷、低运行效率下工作。例如，某矿井主风机和副风机实际运行表明，其负载率（电机输入功率/电机铭牌功率）在76%以上，占比仅为15.1%，低于60%，占比65.3%。作为煤矿企业，他们都希望厂家能够提供更高效率的风机。提高单个设备的效率可以为国家节省大量能源。但是，很多高效设备在现场经常处于低效状态运行，达不到节能的目的。风扇只有在使用时才能体现它的经济性。即使风扇本身已经很高效，也会因为使用和选择不当而变成“电老虎”。近年来，我国的风机技

12、术发展迅速。再加上从国外引进和消化一些先进技术，大部分风机的效率都有了明显的提升。但根据我国目前风机的使用情况，只有注重大力提高“风机系统效率”，才能取得更好的节能效益。，煤矿风机普遍存在的问题是：管理制度不完善；在需要调节流量的地方，大多采用挡板或阀门来调节风量或流量，节流功率损失很大。1.3 课题研究的方向和趋势、水泵、空压机、液压油泵、循环泵占企业用电设备的绝大部分。受技术条件限制，此类负载的流量、压力或风量控制系统几乎都是阀门控制系统，即电机以额定转速驱动，系统提供的流量、压力或风量恒定.当设备的工作要求发生变化时，通过设置在出口端的溢流、泄压阀或比例调节来调节负载流量、压力或风量，以

13、满足不断变化的设备工况的需要。溢流溢流阀或比例控制阀溢流后，会释放大量能量。这部分耗散的能量实际上是电机从电网吸收的一部分能量，造成电能的极大浪费。从该类负载的工作特性可知，电机功率与转速的三次方成正比，转速与频率成正比。如果我们改变电机的工作方式，使其不总是以额定工作频率运行，而是采用变频调节控制系统进行启停控制和调节运行，其转速可以连续在0范围内。 2900r/min。可调，即输出流量、压力或风量也可以在0 100%的范围内连续调节，使其能准确匹配负载的工作要求，从而达到节能降耗的目的。消费减少。变频电机节电器是革命性的新一代电机专用控制产品。基于微处理器数字控制技术，通过其专用的节电优化

14、控制软件，可以动态调节电机运行项目中的电压和电流。在电机转速条件下，电机输出转矩与负载需求精确匹配，有效避免电机输出过大造成电能浪费。交流电机是目前应用最广泛的电机，约占各类电机总数的85%。具有结构简单、价格低廉、免维护等优点。但它的弱点是很难调整速度，因此在很多应用中受到限制。或通过机械方式实现调速。基础技术微型计算机、数字信号处理器、大规模集成电路芯片等都深刻影响着外观。电驱动自动化技术的发展。因此，开发了绝缘栅双极晶体管（IGBT）、高频大功率静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶体管（MCT）、绝缘栅晶体管（IGT）、绝缘栅由晶闸管（IGTO）、智能功率集

15、成电路（Smart Power）和光控晶闸管等元件组成的交流输电装置是风机交流调速的发展方向。同时，电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的高度发展和应用，使逆变器的节能效果更加显着。它不仅可以实现无级调速，而且在负载不同时始终高效运行，具有良好的动态特性，可实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。与其他调速方式（如：降压调速、变极调速、转差调速、交流串级调速等）相比，变频调速性能稳定、调速范围广、效率高。随着理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日益完善，已成为交流电机调速的最新趋势。变频调速装置（变频器）已广泛应用于工业领域。使用变频器具有调速信号传输快、控制系统时滞小、响应灵敏、调节

16、系统控制精度高、使用方便等优点，有利于增产、保质、减产。费用。消费的首选产品。从负载类型来看，变频器主要有两种典型应用：1、恒转矩应用； 2. 可变扭矩应用。就应用目的而言： 1、改进工艺的主要目的是保证工艺中的最佳速度，不同负载下的最佳速度和准确的定位。凭借其卓越的调速性能，可以提高生产率、提高产品质量、提高舒适度、使设备合理化、适应或改善环境等。 2、节能的主要目的是通过风机的调速来实现节能。需要调节流量或压力的泵，其改造效果非常显着。第 2 章电机基础2.1 电动机的分类从机械结构上看，电机由转子和定子两部分组成。其工作原理是电流通过转子线圈产生励磁磁场与定子线圈产生的磁场相互作用，从而

17、推动转子按左旋定律旋转，进而带动负载.运动完成将电能转化为机械能的使命。按电机功能分：发电机、电动机、变压器、控制电机按电流性质：有直流电机、交流电机；直流电动机如发电机，交流电动机如轧钢机等。按电相分，有两相电机和三相电机；两相电机如吹风机、电风扇等，三相电机如电梯、风扇、水泵等。按转子的工作性质：有同步电动机和异步电动机之分；按组装形式有鼠笼式低功率高功率因数，绕组式高功率低功率因数。按转子极对数分：2级-2950r/min.、4级-1470r/min.、6级-980r/min.、8级-720r/min.、10级-590r/min。按使用电压分：220V、380V、440V、660V、11

18、40V、3KV、6KV、10KV。以电动机为原动机驱动各种生产机械的系统称为电驱动系统。电驱动系统主要由电源、控制设备、电机、传动机构、生产机械五部分组成。2.2电机设备的速度计算和调速措施在工业生产系统的电厂中，三相交流异步电动机约占90%的份额。原因是体积小，成本低，使用维护简单，适应各种复杂的工作环境。为了用好它，它需要精确地工作，换句话说，它需要被精确地调整。额定功率= SKIPIF 1 0 额定电流额定电压功率因数电机的功率因数越高，在变频使用中的调节能力越强，也就是说其节电空间的变化可以接近理论值。三相异步电动机工作原理：1）对称三相绕组通入对称三相交流电，产生旋转磁场；2）转子导

19、体切断旋转磁场，产生感应电动势和感应电流；3）转子载流导体在磁场中受到电磁力，形成电磁转矩，使转子转动；因此，三相异步电动机调速公式： SKIPIF 1 0 其中：n：速度；f：频率；s：滑差率；p：极对数极对数P与同步转速N的关系磷123456.300015001000750600500.根据泵风机科普知识，在风机泵变流量、变压运行工况下，流量、扬程与能耗的关系如下： SKIPIF 1 0 风机/泵的流量与电机转速成正比； （Q是延长管和泵的流量） SKIPIF 1 0 风机/泵的全压/扬程与电机转速的平方成正比； （H是风机/泵的全压/） SKIPIF 1 0 风机/水泵消耗的轴功率与电机

20、转速的立方成正比； ( P为风机/水泵消耗的轴功率；轴功率公式： N 0 / N = r / r 1 ( n 0 / n ) 3 ( N : 功率; r : 气体密度; n : 转速)无论是泵、风扇还是其他电机，启动功率都与转速n有关。交流电动机的同步转速表示为：n = 60 f(1 - s )/ p (1)式中： n为异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电机转差；p电机极对数。下图为电机的机械特性图 2-1电机机械特性图因此，三相异步电动机的调速大致分为五种：1）变极调速：适用于变极电机，即电机有多组绕组，运行时通过外接开关控制绕组接法，从而改变极数，然后改变电机转速。2）串电阻调速：适

21、用于绕线异步电动机。在转子电路中串联不同阻值的电阻，人为地改变电机的机械特性。3）降压调速：适用于电阻较大的高转差异步电动机，通过改变定子电压来调节速度。4）串极调速：适用于绕线异步电动机，可通过改变转子回路阻抗来调节速度。5）变频调速：普遍适用，通过改变电源频率来调速。由式（1）可知，转速n与频率f成正比。只要改变频率 f 就可以改变电机的速度。当频率f在050Hz范围内变化时，电机调速范围很宽。变频器通过改变电机电源的频率来实现调速，是一种高效、高性能的理想调速手段。第三章 变频器基本原理与知识变频器是交流电机的驱动器。它将三相工频交流电转换成频率可调的三相交流电驱动交流电动机（主要是异步

22、电动机），从而调节电动机的转速。3.1 逆变器发展历程早期的通用变频器如东芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5 / P5系列、SANKEN SVF系列等都是开环恒压比（ V / F =常数）控制方式。优点是控制结构简单，成本低。缺点是系统性能不高，比较适合在风机和水泵中的应用。具体来说，它的控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时由于定子电阻和逆变器死区效应的存在，性能和稳定性变差。等待。变频器U / F控制系统的改造主要经历了三个阶段。第一阶段：1980年代初，日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果

23、为前提，旨在逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹，一次性生成两相调制波形。这种方法称为电压空间矢量控制。 1989年左右进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等典型机型。/P7系列于1991年设计。三菱日立和东芝也有类似产品。然而，在上述四种方法中，由于没有引入扭矩调节，系统性能并没有得到根本性的改善。第二阶段：矢量控制。也称为磁场定向控制。最早由西德人 F. Blasschke 等人在 1970 年代初提出，并通过比较直流电机和交流电机的方法对其原理进行了分析和解释，从而开创了控制交流电机等效于直流电机的先河。让人看到，交流电机的控制虽然复杂，但也

24、能实现转矩和磁场独立控制的本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，与转子磁链定向，然后将定子电流分解为转矩和磁场两分量，通过坐标变换实现正交或解耦控制。然而，由于转子磁链的准确观测困难，矢量变换的复杂性，实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践中的不足。此外，必须直接或间接获取转子磁链在空间中的位置，才能实现对定子电流的解耦控制。在这种矢量控制系统中，需要配置转子位置或速度传感器，这显然给很多应用带来了不便。 .尽管如此，矢量控制技术仍在尝试集成到通用变频器中。 1992年起，德国西门子开发出6SE70通用系列，可通过FC、VC、SC板卡分别实现变频控制、矢量控制、伺服控制

25、。 1994 年，该系列扩大到超过 315 kW 。目前，6SE70系列除了200千瓦以下的高性价比外，还有200千瓦以上的高性价比。第三阶段：1985年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授首先提出了直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）理论。直接转矩控制不同于矢量控制。它不是通过控制电流、磁链等间接控制转矩，而是将转矩作为受控变量直接控制。的优点是：转矩控制是控制定子磁链，本质上不需要速度信息；该控制对除定子电阻以外的所有电机参数变化具有良好的鲁棒性；引入的定子磁键观测同步速度信息可以很容易地被控制器估计出来。因此，可以容易地实现无速度传感器。这种控制方法

26、很自然地应用于通用变频器的设计，这种控制称为无速度传感器直接转矩控制。但这种控制依赖于精确的电机数学模型和电机参数的自动辨识，通过辨识运算自动建立电机的实际定子阻抗互感、饱和因数、电机惯量等重要参数，然后根据精确的电机模型。产生实际转矩、定子触链和转子转速，通过对磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号来控制逆变器的开关状态。该系统可以实现快速的转矩响应速度和较高的速度和转矩控制精度。1995年ABB公司率先推出ACS600直接转矩控制系列，已达到2ms的转矩响应速度，带PG的静态速度精度可达0.01%。负载突变的影响可以达到正负0.1%的速度控制精度。其他公司也瞄准直接转矩控制，如安

27、川VS-676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽然与直接转矩控制有区别，但也实现了100ms的转矩响应和正反速度控制精度为0.2%（无PG），正负0.01%（有PG），转矩控制精度在正负3%左右。日本富士电机等其他公司推出的FRN 9 /P9采用了5000G与最新的FRN5000Gll / P11系列类似的无速度传感器控制的设计，性能得到了进一步的提升。但是，逆变器的价格并不比以前的型号贵多少。 .控制技术的发展完全得益于微处理器技术的发展。自1991年INTEL推出8X196MC系列以来，专门用于电机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有了很大的发展。例如日本三菱电机开发的用于电

28、机控制的M37705和M7906单片机，美国仪器公司的TMS320C240DSP都是具有代表性的产品。3.2 变频技术的发展历程变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 1960年代后半期以来，电力电子器件从SCR （晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）、SIT（静电感应晶体管）转变为)、SITH（Static Induction Thyristor）、MGT（MOS Controlled Transistor）、MCT（MOS Controlled Thyristor）到今天的IGBT（Insulated Gate Bi

29、polar Transistor）、HVIGBT（High Voltage Insulated Gate Bipolar Thyristor），器件功率转换技术的更新推动了电源转换技术的不断发展。自1970年代BANNED以来，脉宽调制可变电压可变频率（PWM-VVVF）调速的研究备受关注。 1980年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，得到了很多优化模式，其中以鞍波PWM模式效果最好。自1980年代后半期以来，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF逆变器相继投入市场并得到广泛应用。图3-1 逆变器开发示意图3.3变频器的分类逆变器主要包括三部分：一是主电路端子，

30、包括与工频电网相连的输入端（R、S、T）和与频率和频率相连的输出端（U、V、W）。连续调节电机电压。 ;二是控制端，包括外部信号控制端、变频器工作状态指示端、变频器与微机或其他变频器的通讯接口；第三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘图 3-2 逆变器的组成变频器分为：AC-AC变频器（将频率固定的交流变为连续可调）AC-DC-AC逆变器（将固定频率的交流电转换为直流电，再将直流电转换为连续可调的三相交流电）- AC和AC - DC -AC逆变器优缺点对比逆变器优势缺点交流-交流逆变器无中间环节，转化效率高连续可调，频率范围窄交-直流-交流逆变器调节范围宽，变频后机械性能好目前使用最多的是AC-D

31、C-AC逆变器，分为电压型（用电容整流滤波，比较常见）和电流型（整流后感应滤波，比较少见）。按电压分为脉幅调制（改变直流电压来改变输出电压，即PAM）和脉宽调制（改变输出脉冲的占空比来改变输出电压，即SPWM；SPWM调制是：利用三角波和正弦波交叉得到的PWM波形，可以直接控制每个开关，得到正弦输出脉冲电压和每个脉冲之间脉宽和占空比可变的电压，控制效果理想可以得到：输出电流近似为正弦曲线）。用于此目的的常用频率转换器是交流、直流和交流电压脉冲宽度调制。3.4 逆变器的电路组成图 3-3 逆变器电路图如图所示，逆变器主要由整流单元、逆变部分和制动部分组成！其中，整流单元的作用是将工频电源转换为直

32、流电源，将交流电源转换为直流电力电子设备。其输入电压为正弦波，输入电流为非正弦波，谐波丰富图 3-4 整流电路逆变器部分逆变器部分是将直流电转换为交流电的电力电子器件，是逆变器的核心部分。其输出电压为非正弦曲线，输出电流近似为正弦曲线。图 3-5单相逆变器电路图通过改变开关的导通时间来改变输出电压的频率通过改变开关管的导通顺序来改变输出电压的相序图 3 - 单相逆变电路示意图当S1、S3同时闭合时，U1电压为正；但当S2和S4同时闭合时，U1的电压为负。因此，开关S1-S4依次导通和关断，从而将直流电压Ed变为交流电压U1。可以看出，在交流电变化的一个周期内，每个开关导通电度。因此，可以通过改

33、变开关的通断速度来调节交流电的周期（频率），交流电压的幅值就是直流电压幅值的U1。图中，S1S6构成桥式逆变电路。 6个开关交替开启和关闭，在输出端获得一个相位差。2/3 三相交流电图 3-7 三相逆变电路图 3-8 三相逆变电路示意图S1、S6同时闭合时，Uu-v为正；当S3和S4同时闭合时，Uu-v为负；同理：S3和S2同时闭合，S5和S6同时闭合，得到Uv-w； S5和S4同时闭合，S1和S2同时闭合得到Uw-u。为了使三相交流电Uu-v、Uv-w、Uw-u依次具有2/3的相位差；每个开关的开启和关闭必须符合一定的规则，即：1）每个桥臂上的开关总是交替打开和关闭。2）每相的切换顺序是基于

34、每相的“头端”，即一个相差2/3的电角。由以上分析可知，6个开关交替工作可以获得三相交流电，只要调节开关的通断速度即可调节交流电的频率。3.4.1变频器中的半导体开关如上所述，可以看出逆变电路的工作是在逆变管的高频通断下完成的。如果输出交流频率为50Hz，电流管和逆变管需要每0.01s开关一次（开关频率为25Hz），如此高分断速度的普通开关器件无法胜任。随着电力电子技术的发展，大功率开关器件经历了以下几个阶段：(1) 门极可关断晶闸管 (GTO)栅极可以关断的晶闸管结构有三极：阳极（A）、阴极（K）、栅极（G）。它的工作特点是：它是一个由门控信号导通和关断的晶闸管。详情如下：1 开启条件在栅极

35、和阴极之间施加一个正向电压，即：G(+)、K(-)，GTO 导通。2 关机条件在栅极和阴极之间施加反向电压 G(-)、K(+)，GTO 关闭。GTO 可以轻松打开和关闭。它是一种非接触式开关。它是逆变电路中的主要开关元件。但GTO的关断需要巨大的反向脉冲，控制容易失灵，工作频率不够高。 GTO晶闸管在大小容量逆变器中已经被新型大功率晶闸管GTR所取代，但在大容量逆变器中，GTO4500A由于其工作电流（ ）和耐压高（8000V）的特点，仍然被广泛使用。(2) 大功率晶闸管（GTR或BJT）1 结构大功率晶闸管又称双极晶闸管（BJT），GTR在结构上常采用达林顿结构形式，由多个晶闸管组成一个大功

36、率晶闸管。 GTR 构成一个模块。这样一来，GTR也和普通的晶体管一样，分为基极（B）、发射极（E）、集电极（C）三个阶段。2GTR工作特性GTR也有放大、饱和、截止三种工作状态。在电力电子应用中，GTR主要工作在开关状态，即饱和和截止状态。GTR具有自管分断能力和开关时间周期、饱和电压降低、安全工作区域宽等特点，广泛应用于交流调速和变频电源。在中小容量逆变器（工作范围400A/1200V、 1000A/400V、频率5000Hz）中，曾经占据主导地位的GTR所需的驱动功率较大，因此基础驱动系统较为复杂，这使得很难提高工作频率。 ，这就是 GTR 存在的地方。(3) 功率场效应晶体管（MOSF

37、ET）MOSFET与场效应管一样，也有源极S、漏极D和栅极G三级。管的连接和工作特性与场效应管基本相同。 MOSFET是压控器件，所需的驱动功率很小，使用方便，开关频率比较高（1000V 200A/1000kHz）。缺点是击穿电压和工作电流不是特别大，所以应用不是特别广泛。(4) 绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是一种结合了大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET特性的复合器件。它具有三个阶段：集电极 (C)、发射极 (E) 和栅极 (G)。它既具有MOS器件工作速度快、驱动功率低的特点，又具有大功率晶体管的大电流和降低导通电压的优点。由于其优异的性能（1800A/4500V/50

38、kHz），IGBT已完全取代功率晶体管，成为中小容量功率交流器件中的主要器件，广泛应用于交流调速、开关电源等设备中.同时，IGBT的单管容量也不断提高，开始进入有容量的功率交流器件。 IGBT作为逆变器的变频能力也比原来的250kVA有了很大的提升。3.5 变频调速方式由于异步电动机的同步转速与SKIPIF 1 0 电源SKIPIF 1 0 的频率成正比，改变SKIPIF 1 0 变化来SKIPIF 1 0 实现调速，即变频调速。其调速特性基本保持了异步电动机固有的小转差特性，具有效率高、外壳宽、精度高等特点。是一种理想的异步电动机调速方法。变频调速的原理和特点(1)恒转矩调速只要改变f 1就

39、可以调整异步电动机的速度方程。SKIPIF 1 0 但是当频率改变时，电源电压 U和频率f有什么关系呢？一般来说，电动机的感应电动势E 1近似于外加电源电压U 1 ，即：E 1 = 4.44f1 K n1 N 1 m ; （在4.44 K n1 N 1是常熟电机感应电动势E 1与f 1 m成正比）所以U 1也与f 1 m成正比，由公式可以看出：如果U 1不变，则当f 1 变化时， m也在变化。我们希望在调整频率f时保持m （因为电机在额定运行时磁通接近饱和，如果m继续增大，电机铁芯会出现深度饱和，会导致励磁电流急剧增加，导致定子电流和铁芯损耗急剧增加，使电机工作异常，影响电机的使用。 ）为此，

40、当我们调整到低于额定频率f 1时，我们必须确保 m保持不变。称为U / f =恒定控制法：也称为恒转矩常数；因此，当调频低于额定频率f 1时，也需要调整电压变频和电压转换方式PWM利用调制波与三角波信号进行比较，得到一系列相等的脉冲序列幅度和不等宽。原理：以三角波载波为信号，与调制信号（通常为正弦波）进行比较，确定每个分段矩形脉冲的宽度。当改变调制波的电压脉冲频率时，输出电压基波的频率也会发生变化。当调制波的幅度减小时，各段的脉宽会变窄，从而输出电压基波的幅度也会相应减小）。使用SKIPIF 1 0 / SKIPIF 1 0 =恒定协调控制时，SKIPIF 1 0 低速时最大转矩减小，启动转矩

41、也减小。机械特性是临界转矩T kx变小，电机的过载能力变小。为了在低速时保持转矩不变，提高启动能力，并能够带动负载能力，需要采用电压补偿的控制方式（ V / F控制）。机械特性具有恒转矩特性。(2)恒功率调速为了扩大调速圈，可以制作SKIPIF 1 0 和获得SKIPIF 1 0 ，从而实现调速控制。由于定子电压不允许超过额定电压，在电机SKIPIF 1 0 输出功率P基本不变的情况下，磁通量会减小，额定电流对应的转矩也会减小，特性也会变软，那么SKIPIF 1 0 我们可以得到近似的恒功率速度控制特性。下图为变频调速的机械特性图：图 3.9 低于额定频率的机械特性图 3.10 高于额定频率的

42、机械特性3.6 变频控制算法V/F控制：简单实用，性能一般，应用最广泛，只要输出电压和输出频率保持恒定，磁通量可以大致保持恒定例：380V 50Hz 电机，当工作频率为 40HZ 时，要保持 V/F 不变，则 40HZ 时电机电源电压：380(40/50)304V在低频时，定子阻抗压降会导致磁通量下降。需要适当提高输出电压。用户可以根据自己的需要选择四种控制方式：1.基本U / F控制曲线；2 、转矩补偿的U / F控制曲线；适用于低速时需要较大扭矩的负载。3、负补偿U / F控制曲线；主要适用于风机和水泵的方形负载。4、分段补偿；主要适用于负载转矩与转速大致成正比的负载。低速补偿少，高速补偿

43、多。矢量控制：性能卓越，媲美直流调速，技术发展较晚它模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换实现异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制，以保持电机磁通恒定，从而达到良好的转矩控制性能和高性能控制。 .性能极佳，控制也一样复杂。直到 1990 年代计算机技术的快速发展，它才真正得到广泛应用。矢量基本思想：(1)直流电机分析 在变频调速技术成熟之前，直流电机的调速特性被公认为是最好的。原因是因为它有两个非常重要的特性：(a)磁场特性 其主磁场和电枢磁场在空间上相互垂直，如图(a)所示；(a) 直流电机的磁通量 (b) 直流电机的电路图 3-11(b)电路特性其励磁电路和电枢电路相互独立，

44、如图（b）所示。调整速度时，只调整其中一个电路的参数即可。与直流电机具有相同特性的磁场电流信号i M和转矩电流信号i T ，并设想为两个旋转的直流磁场。的信号。当给定信号变化时，与直流电机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电机的调速具有与直流电机相似的特性。控制电路分解后的控制信号i M和i T ，根据电机参数进行一系列等效变换，得到三相逆变桥的控制信号i A 、 i B和i C 。如图所示控制。结果，获得了与直流电机相似的硬机械特性，并提高了低频负载能力。图 3-12 矢量控制图表2 V/F控制与适当控制比较项目V / F控制矢量控制速度圈响应能力1:10动态响应差1：100以上高达 10

45、00r/s过渡过程特征加减速受限，过流控制能力小无限加减速，高过流控制能力概论良好的通用性与电机特性有关系统结构简单的复杂的3.7 普通异步电动机与变频电动机的区别1、普通异步电动机是按恒频恒压设计的，不可能完全满足变频调速的要求。以下是变频器对电机的影响和电机温升无论变频器型号如何，在运行过程中都会产生不同程度的谐波电压和电流，使电机在非正弦电压和电流下运行。据资料显示，以常用的正弦波PWM逆变器为例，其低次谐波基本为零，其余约2倍载波频率的高次谐波分量为： 2u +1（ u为调制比率）。高次谐波会引起定子铜损、转子铜（铝）损、铁损和附加损耗的增加，其中以转子铜（铝）损最为显着。由于异步电动

46、机以接近基频的同步速度旋转，高次谐波电压切断转差较大的转子导条后，会产生较大的转子损耗。除此之外，还需要考虑由于趋肤效应导致的额外铜损。这些损耗会使电机产生额外的热量，降低效率，降低输出功率。例如，普通三相异步电动机如果在逆变器输出非正弦电源的情况下运行，其温升一般会增加10% 20%。2.电机绝缘强度问题目前很多中小型逆变器采用PWM控制方式。它的载波频率约为几千到十千赫兹，这使得电机定子绕组必须承受很高的电压上升率，这相当于给电机施加了一个陡峭的冲击电压，这使得电机的匝间绝缘更加抵抗的。考验。此外，PWM逆变器产生的矩形斩波脉冲电压叠加在电机工作电压上，会对电机的接地绝缘造成威胁，在高压的

47、反复冲击下，接地绝缘会加速老化。3.谐波电磁噪声和振动当普通异步电动机由变频器供电时，由电磁、机械、通风等因素引起的振动和噪声会变得更加复杂。变频电源中所含的时间谐波与电机电磁部分固有的空间谐波干扰，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率与电机本体的固有振动频率一致或接近时，会发生共振现象，从而增加噪声。由于电动机的工作频率较宽，转速变化较大，各种电磁力波的频率很难避开电动机各部件的固有振动频率。电机对频繁启动和制动的适应性使用变频器供电后，电机可以在没有浪涌电流的情况下以很低的频率和电压启动，并且可以利用变频器提供的各种制动方式进行快速制动，以实现频繁启动和制动。创造了条件，使电机的机械系统和

48、电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。5.低速散热问题首先，异步电动机的阻抗并不理想。当电源频率较低时，电源中的高次谐波造成的损耗较大。其次，当普通异步电机再次降低转速时，冷却风量与转速的立方成正比减少，导致电机低速冷却条件恶化，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。二、变频电机的特点1. 电磁设计对于普通异步电动机，重新设计时考虑的主要性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。变频电机，由于临界转差与工频成反比，当临界转差接近1时可以直接启动。因此，过载能力和启动性能不需要过多考虑，但关键要解决的问题是如何改进电机副。对非正弦电源的适应性。方法一般如下：

49、1）尽可能减小定子和转子的电阻。降低定子电阻可以降低基波的铜损，以弥补高次谐波引起的铜损增加。2）为了抑制电流中的高次谐波，需要适当增加电机的电感。但转子槽漏抗大，集肤效应也大，高次谐波的铜损也增加。因此，电机漏抗的大小应考虑到整个调速阻抗匹配的合理性。3）变频电机的主磁路一般设计成不饱和的。一是考虑高次谐波会加深磁路的饱和，二是适当提高逆变器的输出电压，以提高低频时的输出转矩。2.结构设计重新设计结构时，主要考虑非正弦供电特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等的影响。一般要注意以下几个问题：1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地和匝间的绝缘强度，特别要考虑绝缘承受冲击电压的能力。2

50、）对于电机的振动和噪声，应充分考虑电机部件和整体的刚度，尽可能提高固有频率，避免与各力波产生共振。一般采用强制通风，即主电机冷却风扇由独立电机驱动。4）防止轴电流的措施，对容量超过160kW的电动机应采取轴承绝缘措施。主要原因是容易产生不对称磁路，也会产生轴电流。当其他高频元件产生的电流一起工作时，轴电流会大大增加，导致轴承损坏，所以一般采取绝缘措施。5）恒功率变频电机，当转速超过3000/min时，应使用耐高温的专用润滑脂补偿轴承的温升。变频电机可在0.1Hz 130Hz范围内长期运行，至65 Hz 下长期运行；75Hz左右长期运行；6极适合30 85hz左右长期运行； 100hz左右的长期

51、运行。3.8 变频调速优势及市场变频调速的优点主要包括以下优点：1、调速幅度大，可使普通异步电动机实现无级调速，调速精度大大提高2、启动电流小，但启动转矩大；3、启动平稳，消除机械冲击，保护机械设备；4、对电机具有保护功能，降低电机的维护成本；显着的节电效果；电压与频率的关系，方便实现恒转矩或恒功率调速。平滑软启动，降低启动浪涌电流，减少变压器占用，确保电机安全7、电机正反转无需通过接触器切换8、接入通讯网络控制非常方便，实现生产自动化控制卷扬机变频控制系统的技术优势主要体现在： 1、实现了电机的软启动； 2、实现无级平滑调速，电机转速可静态或动态调节； 3、运转平稳，无滑差冲击； 4、响应速

52、度快、容易实现集中控制和系统集成； 集信号处理、运行控制、电子制动、机械制动、安全保护于一体，提高了设备的整体功能； 操作直观、简单； 节能率高。在节能方面，目前，电机是我国主要的工业用电设备。据清华大学电力主管部门统计，我国电机总装机容量已达4亿千瓦，年用电量达6000亿千瓦时，约占工业用电量6000亿千瓦时。耗电量的 80%。我国在用的电机驱动系统整体装备水平仅相当于1950年代发达国家的水平。此外，据统计，塑料行业的电费约占整个生产成本的20%50%。在发达国家，变频器在电机中的普及率已达到80%，而我国变频器的应用还处于起步阶段，普及率不到10%。由上可见，变频调速系统有利于我国节约电

53、能消耗，同时在我国具有非常巨大的市场需求。在应用领域方面，国家变频调速技术经过几年的应用和推广，取得了快速发展。变频调速技术领域已初步涉及电子、机械、石化、冶炼、纺织、汽车等多个行业，应用范围已涵盖注塑机、空压机、空压机等各种交流电机设备空调、恒压供水和纺织机械。从发展区域来看，变频调速技术的应用在我国沿海省份和南方城市发展迅速，并有快速向地面渗透的趋势。第四章电机节能改造工程交流电动机，尤其是异步电动机，因其结构简单、价格低廉、维修方便等优点而得到广泛应用。但其调速性能无法赶上以往的直流电机，因此交流电机的调速技术一直是世界各国研究的课题。 1960年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变

54、流器技术被应用于交流调速系统，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，均用于通信。速度调控的进一步发展创造了条件。已经研究了多种类型的交流调速系统，其中一些调速性能可与直流调速系统相媲美。因此，交流调速的应用越来越广泛，目前交流电机在调速传动领域有替代直流电机的趋势。早期的交流电动机调速方法，如采用绕线异步电动机转子串联电阻调速、鼠笼式异步电动机变极调速、定子绕组串联电抗器调速等，存在效率低、不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在1920年代就已经得到认可，但由于元器件的限制，当时的逆变器只能由闸流管组成。可以推广。 1950年代中期，晶闸管的研制成功开启了电力电子

55、技术发展的新纪元。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应速度快、管压低等一系列优点，交流电机调速技术有了长足的发展，交流异步电机调压调速、串级调速等系统出现了。 1970年代发展起来的变频调速比上述两种调速方式效率更高、性能更好，近30年来发展迅速。为保证电机节能改造的经济效益，克服改造的盲目性，应针对每个项目进行可行性研究。可行性研究应在认真分析设备运行中存在的问题的基础上，采用相关标准评价系统的经济运行4.1 调速装置运行可靠性及投资比较调速装置的可靠性对用户来说非常重要，而一个装置运行的可靠性受到很多因素的制约。从调速装置本身来看，液力偶合器、变极电磁调速电机、转子串联电阻调速可靠性高，维护

56、方便；以调速、变频器调速等电子器件为核心的调速装置的可靠性，主要取决于元件本身的质量、装置元件的可制造性和抗干扰能力。保护措施和日常维护能力。随着电子器件质量的不断提高和器件生产工艺的改进，调速装置的可靠性越来越高。4.2 投资比较根据市场情况，收集区域内生产调速装置和电机的厂家产品价格。按容量分为2.5-50kW小功率设备、15-100kW中功率设备、130-3000kW大功率设备。小功率2.550kW调速装置价格对照表容量公里各种调速装置参考价格及比例变速串级调速调压调速滑差速度调节元部分元部分元部分元部分2.540001-30000.7531000.78443001-30000.7380

57、00.881158001-33000.5757000.98158000190001.1335000.4465000.611889001104001.1640000.4577000.8622106001126001.1845000.4288000.8330140001185001.3250000.3695000.6837170001218001.2855000.3295000.5655195001252001.2865000.33117000.6100kW以下中功率各种调速装置初投资容量公里各种调速装置参考价格及比例变频装置部分级联装置部分液力偶合器部分1515000190000.6136000

58、.9222300011260000.5515900069130320001185000.5815900049737400001195000.49159000.445500001218000.44198000.455620001253000.40198000.3275750001352000.47258000.3590850001510000.60258000.3110950001550000.58258000.271303000kW大功率各种调速器初投资比较容量公里各种调速装置参考价格及比例变频装置串扰装置液力偶合器百万部分百万部分百万部分1321516.00.46.20.411601716.

59、660.396.20.372002317.80.346.702925026.519.0.346.70.2531535110.20.296.70.1936038112.00.327.70.2440421200.487.80.1950068123.20.347.80.1268090126.50.39.90.118501201300.25120.110501701350.2115.50.091500-38-24-2000-78-3000-46-从上表可以看出，串联调制从130kW到1000kW竞争激烈，液力偶合器500-3000kW更具竞争力。4.3主要调速方案技术经济比较几种重要调速方案的技术经济

60、条件综合比较，仅供参考。调速程序转子串反抗定子电压调节电磁阀调速液力偶合器合路器换极晶闸管级联变频调速方法更换转子附件反抗改变损失输入电压改变激励磁电流改变燃料供应换极对数变化倒置喇叭同时改变频率和电压调速环绕100501008097109730一步步100401000节能益处一般节能(1-S)因为SKIPIF 1 0 优秀一般节能(1-S)因为SKIPIF 1 0 好一般节能(1-S)因为SKIPIF 1 0 好一般节能(1-S)因为SKIPIF 1 0 好卓越的节能效果极好因SKIPIF 1 0 出色的节能好很好因SKIPIF 1 0 区别节能好极好因SKIPIF 1 0 出色的除了投资中