變頻器調(diào)速系統(tǒng)的研究與應(yīng)用論文

邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 目 錄 1 變頻調(diào)速節(jié)能 3 1.1 變頻調(diào)速 3 1.1.1 變頻調(diào)速的基本原理 3 1.1.2 電動機調(diào)速與節(jié)能的關(guān)系 3 1.1.3 電機在不同頻率下運行的節(jié)電效果 4 1.2 變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)省能源 4 1.2.1 應(yīng)用變頻器調(diào)速的其它好處 4 1.2.2 變頻器輸出諧波 的影響 4 1.3 節(jié)能分析 5 1.3.1節(jié)能計算 5 1.3.2 節(jié)能分析 7 1.4 節(jié)能分析結(jié)論 7 2 拖動系統(tǒng)功率的確定 9 2.1 變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識 9 2.2 電機容量的 確定 9 2.2.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 9 2.2.2 平方律負(fù)載 10 2.3 功率裕量的考慮 10 2.3.1 電機的冷卻方式 11 2.3.2 變頻器輸出諧波 的影響 11 2.3.3 超額定轉(zhuǎn)速的運行 11 2.3.1 特殊應(yīng)用場合 11 2.4 節(jié) 變頻器容量的 確定 12 3. 諧波的產(chǎn)生機理、危害以及抑制措施 13 3.1 諧波產(chǎn)生機理 13 3.2 諧波的危害 14 3.3 諧波的抑制措施 14 3.4 一種有效的諧波抑制方案 15 4 變頻調(diào)速技術(shù)在水處理工藝不同流程應(yīng)用 17 4.1 工藝流程 17 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 4.2 變頻器選擇要注意的問題 19 4.3 變頻器在工程應(yīng)用中要注意的問題 21 結(jié)束語 23 參考文獻(xiàn) 24 致 謝 25 摘 要 變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點，是目前運用最 廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻器。目前變頻調(diào)速的主要方案有 :交 -交變頻調(diào)速，交 -直 -交變頻調(diào)速，同步電動機自控式變頻調(diào)速，正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻調(diào)速，矢量控制變頻調(diào)速等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶鬧管 GT0，電力晶體管 GTR，絕緣門極晶體管 IGBT， MOS 晶閘管及 MTC 等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，再加上控制單元也 從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性及經(jīng)濟性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。 本文針對變頻調(diào)速器的電壓選擇方案，以及在運行中高次諧波的產(chǎn)生和抑制問題進(jìn)行闡述和變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用舉例 關(guān)鍵詞 ： 變頻調(diào)速 諧波 變頻器 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 Abstract The characteristic of Frequency conversion adjustment of speed is the high efficiency, the width scope and the high accuracy and so on. At present, it obtains the widespread utilization, and is most has the development future the velocity modulation way。 Exchange motor system type of Frequency conversion adjustment of speed has very much. It begins from the type of voltage source, then the source type of electric current comes out, following closely, the pulse width and other various kinds of frequency converters is emerged. At present ,the main scheme of Frequency conversion adjustment of speed is as follows, Hands over - the alternation Frequency conversion adjustment of speed, hands over - the straight - alternation Frequency conversion adjustment of speed, the synchronous motor automatic control Frequency conversion adjustment of speed, the sine wave pulse-duration modulation (SPWM) the Frequency conversion adjustment of speed, the vector control Frequency conversion adjustment of speed and so on. In these technical development very great degrees relies on the high efficiency semiconductor device manufacture level. Along with the electric power electronic technology development, specially the development of something that may shut off the crystal noisily to manage GT0, electric power transistor GTR, insulation gate extremely transistor IGBT, the MOS crystal thyratron and MTC and others that have the ability to control the power part. In addition control unit also develops from the separative element to the large-scale digital integrated circuit and uses the microcomputer control, thus causes the frequency conversion equipment the rapidity, the reliability and the efficiency unceasingly enhances, the Frequency conversion adjustment of speed system performance also obtains the unceasing consummation. This article is in view of velometer voltage choice plan of Frequency conversion adjustment of speed, as well as the higher harmonic production and the suppression question, and gives an example for the use of the Frequency conversion adjustment of speed system. Key word: Frequency conversion adjustment of speed ； overtone ；frequency changer 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 1 變頻調(diào)速節(jié)能探討 1.1 變頻調(diào)速 1.1.1 變頻調(diào)速的基本原理 在變頻調(diào)速中使用最多的變頻調(diào)速器是電壓型變頻調(diào)速器 ,由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時首先將三相交流電經(jīng)橋式整流裝置整為直流電 ,脈動的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下 ,用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源 ,輸出到需要調(diào)速的電動機上。由電工原理可知電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比 , 通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速 ,實現(xiàn)平滑的無級 調(diào)速。 1.1.2 電動機調(diào)速與節(jié)能的關(guān)系 風(fēng)機和水泵都是流體機械，流體機械的轉(zhuǎn)速變化與其流量、壓力和功率之間的變化有如下的關(guān)系 Q1/Q2=n1/n2 （ 1-1） H1/H2=(n1/n2)2 （ 1-2） P1/P2=(n1/n2)3 （ 1-3） 上述式子中 Q1、 H1、 P1 分別代表轉(zhuǎn)運 n1 時的流量、壓力、功率。 Q2、 H2、 P2、分別代表轉(zhuǎn)速 n2 時的流量、壓力、功率。即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比：壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比；功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。 由此可見，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速以減少流量來達(dá)到節(jié)流目的時，所消耗的功率將降低很多。例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速降到 80%時，流量減少到 80%，而軸功率卻下降到額定功率的(80%)351%；若流量需減少到 40%，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)減少到 40%，此時軸功率下降到額定功率的 (40%)36.4%。 風(fēng)機 (水泵 )調(diào)節(jié)流量，可行的方式有兩種： 第一種方式是保持電機轉(zhuǎn)速不變，通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥來調(diào)節(jié)流量。此時風(fēng)機的對 H-Q 特性曲線不變。而風(fēng)閥開度發(fā)生變化，即管路的阻力特性發(fā)生了變化，即管路阻力增加。 第二種方式是管路的阻力特性保持不變 (即風(fēng)門不變 )，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。 這種方法所消耗的功率相對于第一種要小得多。調(diào)速是控制風(fēng)機、水泵節(jié)能的相當(dāng)有效的措施。 風(fēng)機、水泵一方面由于在生產(chǎn)中具有面廣、量大、耗電多的特點，另一方面由于節(jié)能潛力大的特點，故此類電機的節(jié)能具有廣闊的前景，且意義重大。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 1.1.3 電機在不同頻率下運行的節(jié)電效果： P=N3 ( 僅供參考 ) （ 1） 頻率下降 10%情況下的節(jié)電率： 1-(1-10%)3=27.1%； （ 2） 頻率下降 15%情況下的節(jié)電率： 1-(1-15%)3=38.6%； （ 3） 頻率下降 20%情況下的節(jié)電率： 1-(1-20%)3=48.8%； （ 4） 頻率下降 25%情況下的節(jié)電率： 1-(1-25%)3=57.8%； （ 5） 頻率下降 30%情況下的節(jié)電率： 1-(1-30%)3=65.7%； 如果電機運行頻率長期穩(wěn)定在 30%以下，且遠(yuǎn)期負(fù)載無擴展趨勢，建議更換電機拖動系統(tǒng)，經(jīng)濟上更合算。 1.2 變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)省能源 1.2.1 應(yīng)用變頻器調(diào)速的其它好處 傳統(tǒng)的控制流量的辦法是用閥門控制，而用閥門控制流量從 100 流量減到 70流量時能量只減少 2。而用變頻調(diào)速控制以后，同樣的降到 70流量，能量下降了 52，從而使系統(tǒng)的效率大為提高。國外資料表明：當(dāng)工作點位于最大流量的 80%時，使用風(fēng)閥將消耗電機能量的 93%，導(dǎo)流葉片消耗為 70%，渦流聯(lián)軸器消耗67%，而變頻器消耗 51%，差不多是風(fēng)閥的一半；當(dāng)氣流量降至 50%時，變頻器只消耗 15%，而聯(lián)軸器消耗為 29%，導(dǎo)流葉片消耗為 49%，風(fēng) 閥為 73%。這顯示出在輸送相同氣流量情況下，風(fēng)閥消耗的能量幾乎是變頻器的 4 倍。 1.2.2 應(yīng)用變頻器調(diào)速的其它好處： (1)、減少噪音，對風(fēng)機來說降低轉(zhuǎn)速的同時，噪音大幅度降低。 風(fēng)機噪聲抑制公式： (dB)551og( 速度 1/速度 2),速度從 100降到 50的噪聲降低量為： 55 1og(1500/750)=550.30=16.5dB 噪音電平降低了 16.5 分貝 ,這是一個很顯著效果。 (2)、設(shè)備軟啟動，消除了起動沖擊。 感應(yīng)交流電動機的啟動電流可以達(dá)到滿載電流的 7倍多，即便是采用 Y- 起動也會達(dá)到 4.5 倍。所有啟動方式都必需考慮到接通電源瞬間對電網(wǎng)的沖擊，電機越大沖擊越大，這就不得不加大相應(yīng)供電設(shè)備的供電能力來承受沖擊。而使用了變頻器后則不然，它沒有了啟動沖擊，起動電流由零開始隨著負(fù)荷增加而逐步上升，不管什么時候它都不會超過滿載電流，而且起動時間還可人為設(shè)置，平穩(wěn)地達(dá)到預(yù)設(shè)速度。 (3)、高功率因數(shù)： 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 供電局對用戶功率因數(shù)有嚴(yán)格要求。當(dāng)?shù)陀?90時用戶必需采取補償措施，否則將罰款，反之則可受獎。而使用變頻器后功率因數(shù)可接近 1，免除了功率因數(shù)的補償。 (4)、改善機械性能： 減小機械磨損。起動時間和停 車時間均可設(shè)置，使運行平穩(wěn)。消除了啟動時的皮帶打滑尖叫損壞皮帶。延長了機械的使用壽命。 (5)、變頻器有完善的保護(hù)： 由于變頻器普遍使用了智能控制，所以保護(hù)十分完善。電氣上的常規(guī)保護(hù)全都包括，而且還有許多例如：電機 /電源缺相；相間短路；接地故障；過 /欠電壓；變頻器/電機過熱；過速 /低速報警；過載 /空載報警等等保護(hù)。 (6)、操作簡捷直觀： 變頻器設(shè)有顯示屏，可迅速而簡單地進(jìn)行所需要的調(diào)試，編程及查詢工作，顯示器能提供有關(guān)變頻器，電機和操作狀態(tài)的信息。其中包括轉(zhuǎn)速、頻率、負(fù)載、千瓦小時、運行時間、報警狀態(tài)等等 。 (7)、變頻器具有通訊功能： 現(xiàn)在不少變頻器都具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。例如標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 通訊。這就可方便地納入 BAS 等網(wǎng)絡(luò)的集散控制系統(tǒng)。 1.3 節(jié)能分析 1.3.1 節(jié)能計算 對于風(fēng)機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進(jìn)行計算： (1)根據(jù)已知風(fēng)機、泵類在不同控制方式下的流量負(fù)載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計算。 以一臺 IS150-125-400 型離心泵為例，額定流量 200.16m3/h，揚程 50m；配備 Y225M-4 型電動機，額定功率 45kW。根據(jù)運 行要求，水泵連續(xù) 24 小時運行，其中每天 11 小時運行在 90%負(fù)荷， 13 小時運行在 50%負(fù)荷；全年運行時間在 300天。 則每年的節(jié)電量為： W1=45 11( 100% 69%) 300=46035kWh W2=45 13( 95% 20%) 300 =131625kWh W = W1 W2=46035 131625=177660kWh 每度電按 0.5 元計算，則每年可節(jié)約電費 8.883 萬元。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 (2)根據(jù)風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式： P / P0=(n / n0)3 計算，式中為 P0額定轉(zhuǎn)速 n0 時的功率； P 為轉(zhuǎn)速 n 時的功率。 以一臺工業(yè)鍋爐使用的 22 kW 鼓風(fēng)機為例。運行工況仍以 24 小時連續(xù)運行，其中每天 11 小時運行在 90%負(fù)荷 (頻率按 46Hz 計算 ,擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按 98%計算 )，13 小時運行在 50%負(fù)荷 (頻率按 20Hz 計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按 70%計算 )；全年運行時間在 300 天為計算依據(jù)。 則變頻調(diào)速時每年的節(jié)電量為： W1=22 11 1 (46/50)3 300=16067kWh W2=22 13 1 (20/50)3 300=80309kWh Wb = W1 W2=16067 80309=96376 kWh 擋板開度時的節(jié)電量為： W1=22( 1 98%) 11 300=1452kWh W2=22( 1 70%) 11 300=21780kWh Wd = W1 W2=1452 21780=23232 kWh 相比較節(jié)電量為： W= Wb Wd=96376 23232=73144 kWh 每度電按 0.5元計算，則采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費 3.657 萬元。 1.3.2 實例分析 某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號 6SA-8，額 定流量 53. 5 L/s，揚程 50m；所配電機 Y200L2-2 型 37 kW。對水泵進(jìn)行閥門節(jié)流控制和電機調(diào)速控制情況下的實測數(shù)據(jù)記錄如下： 流 量 時 間 消耗電網(wǎng)輸出的電能 (kWh) L/s (h) 閥門節(jié)流調(diào)節(jié) 電機變頻調(diào)速 47 2 33.2 2=66.4 28.39 2=56.8 40 8 30 8=240 21.168=169.3 30 4 27 4=108 13.88 4=55.5 20 10 23.9 10=239 9.67 10=96.7 合計 24 653.4 378.3 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 相比之下，在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省 275.1 kWh 的電量，節(jié)電率達(dá) 42.1%。 1.4 節(jié)能分析結(jié)論 由以上分析可知使用變頻調(diào)速技術(shù)可以大幅度提高效率節(jié)約能源，具有十分可觀的經(jīng)濟效益。風(fēng)機、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視。實踐證明，變頻器用于風(fēng)機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。 直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設(shè)備一次性投資通?？梢栽?9 個月到 16 個月的生產(chǎn)中全部收回。 附實驗數(shù)據(jù)記錄表： 大氣壓力(pA) 室溫(oc) 風(fēng)機頻率(hZ) 風(fēng)機轉(zhuǎn)速 電功率(kw) 噴嘴前后靜壓差 進(jìn)氣口溫度(oc) 出氣口溫度(oc) 流量(m3/s) 最大 最小 平均 102.50 23.6 50 2543 129.6 1876 0.3766 37.638 25.3 25.1 1.227 104.02 23.7 49 2502 210.3 1892 0.3333 33.033.4 25.4 25.2 1.150 103.99 22.8 47 2444 203.8 1697 0.3000 31.031.4 23.8 23.9 10115 103.99 22.7 46 2404 136.7 1693 0.2925 29.630.0 23.5 23.6 1.089 103.00 24.0 45 2315 120.6 1594 0.2764 28.428.6 24.9 25.1 1.065 102.95 24.0 44 2513 291.9 1740 0.2579 27.227.6 25.0 25.1 1.045 102.99 23.5 43 2281 281.3 1588 0.2379 27.828.0 24.6 24.7 1.034 102.92 23.2 42 2000 190.6 1699 0.2229 24.624.9 24.2 24.4 0.993 102.90 23.1 41 1858 200.5 988.5 0.2192 23.423.6 24.0 24.2 0.967 102.95 23.1 40 1898 143.8 1000 0.2062 22.422.6 24.1 24.2 0.947 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 2 拖動系統(tǒng)功率的確定 2.1 變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識 異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機電源進(jìn)行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。 n 60 f(1 s)/p （ 2-1） 式中 ： n 異步電動機的轉(zhuǎn)速； f 異步電動機的頻率； s 電動機轉(zhuǎn)差率； p 電動機極對數(shù)。 由式 (1-1)可知，轉(zhuǎn)速 n與頻率 f成正比，只要改變頻率 f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0 50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度 調(diào)節(jié)的。 變頻器主要采用交 直 交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 2.2 電機容量的確定 2.2.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在轉(zhuǎn)速變化時具有基本恒定的轉(zhuǎn)矩。因此其所需要功率可根據(jù)其所需的連續(xù)轉(zhuǎn)矩乘以額定速度得到，即： P=nT/9550 式中 （ 2-2） P 機械輸出功率 (kW)； n 額定轉(zhuǎn)速 (r/min)； T 連續(xù)轉(zhuǎn)矩 (N m)。 此功率是否足夠 ,還必須要對起動過程進(jìn)行驗算。由于電機是由變頻器供電，一般交 -直 -交變頻器的過載能力為 150%、 1 分鐘，因此其最大起動及加速度轉(zhuǎn)矩為 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 Tm=T150% （ 2-3） 如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩或加速度轉(zhuǎn)矩大于此值，就必須要考慮；增加電機和變頻器的功率。 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在選擇 變頻調(diào)速系統(tǒng)時，除了按常規(guī)要求外，應(yīng)對變頻器的控制方式進(jìn) 選擇。 (1)負(fù)荷的調(diào)速范圍。在調(diào)速范圍不大的情況下，選擇較為簡易的 V/F 控制方式的變頻器。當(dāng)調(diào)速范圍很大時，應(yīng)考慮采用有反饋的矢量控制方式。 (2)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載只是在負(fù)荷一定的情況下負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩是不變的，但對于負(fù)荷變化時其轉(zhuǎn)距仍然隨負(fù)荷變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩變動范圍不大時，可選擇較為簡易的 V/F 控制方式的變頻器，但對于轉(zhuǎn)矩變動范圍較大的負(fù)載，應(yīng)考慮采用無反饋的矢量控制方式。 (3)如果負(fù)載對機械特性的要求不高，可考慮選擇較為簡易的 V/F 控制方式的變頻器，而在要求 較高的場合，則必須采用有反饋的矢量控制方式。 2.2.2 平方律負(fù)載 平方律負(fù)載主要是風(fēng)機和泵類負(fù)載，因為在一般情況下 , 風(fēng)機和泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與速度的平方成正比，而功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。此時，最大的輸出功率必然出現(xiàn)在最大速度點。因此，可根據(jù)制造廠提供的風(fēng)機和水泵的參數(shù)選定電機的額定功率。但是不要誤認(rèn)為任何風(fēng)機和泵類負(fù)載都是平方律負(fù)載。實際上，在考慮到起動轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩、流體濃度和粘性的變化幾某些特殊應(yīng)用場合后，實際的負(fù)載公里有可能是線性的，即相當(dāng)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。這種情況發(fā)生在諸如處理高濃度液體的泵類、常溫 空氣下運行的鍋爐引風(fēng)機和某些實驗機械。 總之，負(fù)載的特性是千變?nèi)f化的，還必須與用戶的被控機械的制造商研究協(xié)商，仔細(xì)分析各種應(yīng)用情況，才能得到可靠的結(jié)果。 2.3 功率裕量的考慮 在常規(guī)下的功率確定后，還必須考慮增加電機額定功率的要求，使其具有足夠的輸出功率裕量。 2.3.1 電機的冷卻方式 對于主軸安裝內(nèi)部風(fēng)扇的自冷式電機，當(dāng)其拖動平方律負(fù)載時，可以在整個速度范圍內(nèi)滿意的工作，不需要增加輔助冷卻設(shè)備或提高功率額度。但是，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于轉(zhuǎn)速降低時，其冷卻能力隨著降低，就必須考慮增加額定輸出功率，選用大一號電機或附加外部冷卻設(shè)備。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 如果是本身具有附加水冷和風(fēng)冷設(shè)備的電機，這一點就不需要考慮。 2.3.2 變頻器輸出諧波的影響 變頻器輸出電流中的諧波成分將造成電機的發(fā)熱增加，產(chǎn)生噪聲并使實際輸出力矩減小，這個問題可以從兩方面解決，一方面選用無諧波或低諧波的變頻器，也可在變頻器端增加濾波器；另一方面，有時使電機的額定功率有一定的裕量（ 5%）也是必要的。 2.3.3 超額定轉(zhuǎn)速的運行 我國生產(chǎn)的普通異步電動機額定工作頻率為 50Hz 1%。一般不希望在超過其同步轉(zhuǎn)速的情況下運行，當(dāng)負(fù)載要求的最高轉(zhuǎn)速高出其同步轉(zhuǎn)速 不多時，出于技術(shù)經(jīng)濟性的綜合考慮，可增加容量予以選擇。但由于電機軸承等機械強度的限制，最高轉(zhuǎn)速不能大于同步轉(zhuǎn)速的 5% 10%。 2.3.4 特殊應(yīng)用場合 當(dāng)系統(tǒng)使用環(huán)境不滿足電機規(guī)定的環(huán)境要求時，應(yīng)考慮增加選用電機的功率。如電機一般規(guī)定的海拔高度為 1000m，周圍環(huán)境溫度不高于 40o。如使用場合的海拔高度和環(huán)境溫度超過上述數(shù)值，應(yīng)考慮選用更大的電機。相應(yīng)地變頻器的功率也要提高?？筛鶕?jù)制造廠提供的數(shù)據(jù)或圖表做適當(dāng)?shù)挠嬎阒蟠_定提高多少。也可提出要求要制造廠專門設(shè)計。 2.4 變頻器容量的 確定 在電 機的容量確定并選定其型號后，接下來就要確定變頻器的容量。確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為：變頻器的輸出額定電流應(yīng)大于或等于電機的額定電流。但在連續(xù)的變動負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動機允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流大于或等于電動機運行過程中的最大電流。 電動機的型號確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到。或者，也可從電機的輸出功率由下式計算 cos3UIP （ 2-4） 式中 ,P 為額定輸出功率（ KW）； U 為額定電壓（ KV）； I 為額定電流（ A）； 為電機效率； cos 為功率因數(shù)。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 3 諧波的產(chǎn)生、危害和抑制措施 近年來，由于調(diào)速和節(jié)能的需要，越來越多的場合用到了變頻調(diào)速技術(shù)。其中的核心部分變頻器是電力電子器件，有電子元器件，計算機芯片，易受外界的一些電氣干擾，因此，變頻器投入電網(wǎng)運行時，需要考慮電網(wǎng)電壓是否對稱，變壓器容量的大小及配電母線上是否接有非線性設(shè)備等；另一方面，變頻器本身輸入側(cè)是一個非線性整流電路，對電源的 波形將有影響，變頻器輸出側(cè)電壓、電流、非正弦或非完全正弦波含有豐富的諧波。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。在實際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面簡單介紹變頻器諧波產(chǎn)生的機理、危害以及有效防止或抑制干擾的對策。 3.1 高次諧波的產(chǎn)生原因 高次諧波產(chǎn)生的原因主要是由于電力系統(tǒng)中存在非性線元件及負(fù)載產(chǎn)生的。如：電容性負(fù)載、感性負(fù)載及開關(guān)變流設(shè)備，諸如計算機及外設(shè)、電動機、整流裝置等。由于其為儲能元件或 變流裝置，故使電壓、電流波形發(fā)生畸變， 見圖 3.1 圖 3.1 帶有非線性負(fù)載時的電流波形 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 3.2 高次諧波的危害 高次諧波電流通過變壓器，可使變壓器的鐵芯損耗明顯增加，從而變壓器出現(xiàn)過熱，效率降低，縮短變壓器的壽命。高次諧波對電網(wǎng)的影響也是如此，電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命；對電動機影響更大，不僅損耗增加，還會使電動 機轉(zhuǎn)子振動；而高次諧波對電容的影響更為突出，含有高次諧波的電壓加至電容兩端時，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞。高次諧波的干擾，往往還會導(dǎo)致供電空氣開關(guān)誤動作，造成電網(wǎng)停電，嚴(yán)重影響用電設(shè)備的正常工作。同時，高次諧波對通訊設(shè)備也產(chǎn)生干擾信號。對于電容負(fù)載： ZC 1/2fC （ 3-1） 當(dāng) f=n50 （ n=2、 3 ）中 n 很大時，由上式可見 ZC很小。 3.3 高次諧波的抑制 （ 1） 三相整流變壓器 采用 或 ，這樣聯(lián)接可以消除 3 的整數(shù)倍的高次諧波，電網(wǎng)中的諧波電流只有 5、 7、 11、 13 等奇次諧波。 （ 2） 增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)越多，整流波形的脈波數(shù)越多，奇數(shù)低的諧波被消去的也越多。 （ 3） 裝設(shè)分流濾波器，分流濾波器是由 R、 C、 L 等元件組成的。串聯(lián)諧振電路一般采取三相星形聯(lián)接，它往往接在大型整流設(shè)備與電網(wǎng)的聯(lián)接處，見圖 3.2 圖 3.2 分流濾波器接線圖 （ 4）裝靜止無功補償裝置 上述四種抑制方式盡管對電網(wǎng)的凈化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能對諧波全面管理或僅僅局限在很小的范圍之內(nèi)。這些方式都是被動的，不能隨諧波變化而變化。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 3.4 一種新的諧波抑制方案 隨著科技的發(fā)展對諧波的抑制提出了新的設(shè)想 ,它克服了以往濾波器僅固定在某些諧波頻段 ,它采用如圖 3.3的拓?fù)漕愋?。它對非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行采樣、分析、建立頻譜圖，以此頻譜圖為依據(jù)向電網(wǎng)側(cè)送一個與非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波相反的諧波， 從而達(dá)到諧波抑制的效果。 圖 3.3 有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理 據(jù)此原理推出了有源諧波調(diào)節(jié)器（ ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能將 2 25次諧波有效地抑制?？筛鶕?jù)電網(wǎng)的情況調(diào)整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，提高功率因數(shù)，有效地抑制諧波干擾。它的工作原理見圖 3.4。 圖 3.4 有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖 有源諧波調(diào)節(jié)器具有友好的用戶界面，通過對話窗進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)置，真實地將用戶現(xiàn)場實 際狀態(tài)反饋至有源諧波調(diào)節(jié)器中，讓其通過采樣拾取器實時捕捉諧波，全面有效地抑制電網(wǎng)中的諧波。該調(diào)節(jié)器還具有標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口，可方便地將諧波信息與實時計算機通訊。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 （ a）無有源諧波調(diào)節(jié)器 （ b）有有源諧波調(diào)節(jié)器 圖 3.5 帶有非線性負(fù)載（計算機等）的輸入電流波形 圖 3.5為非線性負(fù)載經(jīng)有源諧波調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)前 (a)與調(diào)節(jié)后 (b)的輸入電流波形比較?？梢钥闯?，這種有源諧波調(diào)節(jié)器將大大抑制諧波，提高了功率因數(shù)，同時大大地減小損耗，大大地節(jié)約了能源，保障了電網(wǎng)線路的安全 。利用該諧波調(diào)節(jié)器可全面解決電網(wǎng)造成的損失。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 16 4 變頻調(diào)速技術(shù)在水處理工藝不同流程應(yīng)用 4 1 工藝流程 在交流電機調(diào)速傳動中，采用變頻技術(shù)，既可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足凈水工藝過程中各項指標(biāo)對電機速度控制的要求，保證水工藝流程的相對穩(wěn)定，大幅度節(jié)約電能，降低制水成本，又可降低或減少相關(guān)設(shè)備的開停次數(shù)，延長使用壽命，解決由于工程實際運行規(guī)模與設(shè)計規(guī)模偏差帶來的弊端，協(xié)調(diào)各工藝流程間匹配關(guān)系，降低土建及工藝設(shè)備總價，合水廠建設(shè)和運行達(dá)到國家相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)就變頻器在水工藝各流程中的具體 應(yīng)用體會，與同行交流，以促進(jìn)自己的學(xué)習(xí)、提高。 常規(guī)的凈水處理工藝包括取水沉淀過濾送水四個主要流程，配套工藝流程為投加系統(tǒng)、污泥處理及自用水回收等。變頻調(diào)速技術(shù)在水處理工程中的應(yīng)用，應(yīng)強調(diào)與工藝和控制檢測技術(shù)的協(xié)調(diào)考慮。在選用的原則及臺數(shù)上，一定要目的明確，方法得當(dāng)，否則不能取得預(yù)期效果。 (1)在工藝設(shè)備選擇上，為解決壓力或流量動態(tài)變化的問題，采用大小泵搭配方法進(jìn)行匹配，人為增加機泵的組數(shù)和土建面積，同時也達(dá)不到調(diào)節(jié)均勻變化和穩(wěn)定的目的，需靠頻繁調(diào)整配套閥門的開度解決相關(guān)工藝問題。在此 情況下，電氣人員應(yīng)根據(jù)工藝的具體要求，配套進(jìn)行機泵技術(shù)參數(shù)的選擇，并通過技術(shù)計算，取得性價比較高的變頻調(diào)速產(chǎn)品。 (2)取水泵房變頻器的應(yīng)用，主要是穩(wěn)定和調(diào)節(jié)取水流量的大小與后續(xù)工藝處理要求而定，相關(guān)因素為源水水位變化和流量變化引起的水泵出口壓力變化，通過對沉淀工藝處理的效果檢測，確定適宜的源水流量或進(jìn)行人工設(shè)置，反饋給變頻調(diào)速裝置，使水泵在高效工作區(qū)內(nèi)取得相對穩(wěn)定的工作點。 (3)沉淀過程中的加礬工藝，直接影響水廠藥耗指標(biāo)和濾池工況。要使加礬處于最佳運行狀態(tài)，需建立一套數(shù)學(xué)模型，適用于不同 時段、多變和單變參數(shù)控制的要求。加礬泵的控制，除沖程量的階躍性控制外，變頻器的應(yīng)用，使加礬量的控制按級均勻變化，適應(yīng)了數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的閉環(huán)控制，該控制方式需配套相應(yīng)的檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)，通過精確計算，以 4-20mA 模擬信號反饋至加礬泵低壓變頻器的輸入控制端，使加礬系統(tǒng)的運行符合水質(zhì)條件和運行水量的要求，保證沉淀池出水濁度。 (4)氣水反沖或 V 型濾池，是凈水廠常用的過濾工藝。該工藝流程的設(shè)備選型主要通過工藝的詳盡計算得出，設(shè)備的工作特性為短時反復(fù)制。目前變頻器直接應(yīng)用的實例較少。但結(jié)合工藝設(shè)備 選型上的觀念改變，通過反沖水或氣的壓力檢測，采用單邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 17 向液動或氣動止回閥代替常設(shè)的電動閥和手動閘閥。通過變頻器對反沖水泵和鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速的控制，使反沖水和氣的強度按工藝要求準(zhǔn)確進(jìn)行控制，提高過濾工藝的技術(shù)指標(biāo)。這種技術(shù)在廣東沿海地區(qū)的水處理工程中已有具體應(yīng)用，也是今后值得研究和發(fā)展的又一方向。 (5)送水泵房是凈水廠的重要組成部分，它保證整個管網(wǎng)水量和水壓均滿足高質(zhì)量要求，同時它也是在水廠中耗能最大的設(shè)備。由于水泵選型時是按最不利條件下最大時流量及相應(yīng)揚程設(shè)計的，而在實際運行中由于季節(jié)和晝夜的變化，最大和最 小供水量之比約為 0.25-0.6。這就會出現(xiàn)高峰小時供水以外的時間內(nèi)，水泵運行工況點偏離了較佳的工作范圍。以前城鎮(zhèn)凈水廠大多采用調(diào)整并聯(lián)運行水泵臺數(shù)和調(diào)節(jié)出水閥開度大小來調(diào)整水量與水壓。從各大中型水廠運行資料分析，二級泵平均效率在 64左右，能量損耗很大。應(yīng)用水泵機組變頻調(diào)速技術(shù)，相應(yīng)地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化。多點選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理獲取管網(wǎng)綜合壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)整系統(tǒng)，保證管網(wǎng)未端的壓力和水泵電動機組動態(tài)地工作于高效區(qū)內(nèi)，并可 實現(xiàn)多臺變頻調(diào)速機組動態(tài)綜合調(diào)頻，達(dá)到節(jié)能效果。 如果 n為水泵 Q-H 曲線， A 為管網(wǎng)特性曲線， Ho 為管網(wǎng)未端服務(wù)壓力， H 為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax 時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到滿負(fù)荷運行，水泵特性曲線 no 和用水管路特性曲線 Ao 匯交于 b 點，則其工況點為 b 點。此時水泵的出口壓力為 H，末端服務(wù)壓力剛好為 Ho。當(dāng)用水量從 Qmax 減少到 Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵電動機組的能耗也不同。 （ 1）水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關(guān)水泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵工況 點由 6 點上滑到 c 點。而管路所需的揚程由 b 點下滑到 d 點，這樣，c 點和 d 點的揚程差值即為全速水泵的能量浪費。 （ 2）水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵出口壓力恒定來控制，此時，當(dāng)用水量 Qmax 下降時，控制系統(tǒng)降低水泵的轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方工作。所以其工況點始終在 H 上平移。當(dāng)水量達(dá)到 Q1 時，相應(yīng)的水泵特性曲線為 nx，而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點 e 即為此時工況點。這樣，水量在減少到 Q1 時，將導(dǎo)致管網(wǎng)最不利點水壓長高到 H1， H1 Ho，則 h1 即為水泵的能量浪費。 （ 3）水泵變速運轉(zhuǎn)， 靠管網(wǎng)最不利點恒定來控制，此時，用水量降至 Q1 時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵特性曲線變?yōu)?n1，其工況點為 d，并正好落在管路特性曲線 A0 上，這樣通過電機調(diào)速使水泵工作點始終沿 A0 滑動，并處于水泵轉(zhuǎn)速 效率（ n-）邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 18 特性曲線的高效區(qū)范圍內(nèi)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量浪費。此方案與泵出口恒定供水相比，其能耗將下降 h1。根據(jù)水泵的相似原理： Q1/Q2 n1/n2. (4-1) H1/H2（ n1/n2） 2 （ 4-2） P1/P2（ n1/n2） 3 （ 4-3） 式中 Q、 H、 P、 n分別為水泵的流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)速控制可以減少軸功率。 從工程實施的實際經(jīng)驗，采用變頻調(diào)速和管網(wǎng)未端恒壓力控制技術(shù)，水泵電動機組的綜合效率在水泵的 高效工作區(qū)內(nèi)，可達(dá)到 80以上，節(jié)能效果明顯，并使變頻成套裝置投資回收年限縮短到 2-5 年內(nèi)。 4.2 變頻器選擇中應(yīng)注意的幾個問題 (1)變頻器選擇中，應(yīng)按電動機的額定功率，合理選擇變頻器的輸入和輸出電壓，與用電設(shè)備配套。目前國內(nèi)所應(yīng)用的各類變頻器低壓等級多為 380V、 660V，高壓為 3KV、 6KV，不同電壓等級服務(wù)功率范圍不同，其概況見表一。 表一 不同電壓等級變頻器服務(wù)功率推薦 電壓等級（ V） 產(chǎn)品品牌 產(chǎn)品系列 異步電機容量范圍（ KW） 推薦使用范圍（ KW） 380 三菱 FR- A500 0-375 280 660 西門子 MASTERDRIVES 2.2-2300 280-1500 3000 ABB ACS1000 315-5000 800-2500 6000 AB Balletin1557 1500 不同容量的電機選取適宜的工作電壓，保證變頻裝置的選型和現(xiàn)場安裝配電中易于實施，整套變頻驅(qū)動系統(tǒng)的運行損耗降低，并取得較好的投資效果。 (2)新的整流元件和控制技術(shù)，使現(xiàn)代變頻技術(shù)和成套設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域更廣。目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的通用型 GTR 變頻調(diào)速器（ Variable Voltage Variable Frequency - VVVF）都是交 直 交電壓型變頻器。變頻器中的開關(guān)元件從傳統(tǒng)的 SCR 技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)代的 IGBT（ Insulated - Gate Bipolar Transistor）、 GTO（ Gate Tum - off 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 Thysistor）、 IGCT（ Intergrated Gate Commutaled Thys - istor），其中 IGBT 在低壓變頻技術(shù)及整流技術(shù)中已得到廣泛的應(yīng)用。高壓高用領(lǐng)域中各種元件開通和關(guān)斷技術(shù)性能 及控制調(diào)節(jié)技術(shù)不盡相同，具體比較見 上表二 (3)在 VVVF 變頻調(diào)速系統(tǒng)中，先將電網(wǎng)中的交流電整成直流電，而后通過逆變器再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。 整流電路中，根據(jù)輸入整流橋的組數(shù)不同，可分為 6、 12、 18、 24 脈沖，如 ABB 的ACS600、 ACS1000 均可為 12 脈沖。三菱 FR A500 系列為 6 脈沖。在近期的整流技術(shù)中，根據(jù)逆變器基本原理而產(chǎn)生的 AFE 前端主動技術(shù)，利用 IGBT 的技術(shù)特性，使前端整流技術(shù)由不可控變?yōu)榭煽?，有效保障了逆變功能的更好實現(xiàn)。整流電路功能好壞，直接影響變頻裝置向電網(wǎng)注入諧波量的大小。通過選擇隔離或降壓器的次級繞組開關(guān)元件 GTO 晶閘管開關(guān)損耗高 低壓 IGBT 高壓 IGBT IGCT 開關(guān)技術(shù) 大多數(shù)高壓主等級都有 高壓時只能靠串聯(lián)來實現(xiàn) 高壓時只能靠串聯(lián)來實現(xiàn) 大多數(shù)高壓等級都有 導(dǎo)電損耗小 導(dǎo)電損耗居中 導(dǎo)電損耗高 導(dǎo)電損耗小 開關(guān)損耗高 開關(guān)損耗低 開關(guān)損耗居中 開關(guān)損耗低 開關(guān)損耗低 開關(guān)頻率高 開關(guān)頻率高 開關(guān)頻率高 需緩沖器 緊湊型門驅(qū)動器 緊湊型門驅(qū)動器 集成型門驅(qū)動器 電源電路 對大故障安全 需附加保護(hù) 需附加保護(hù) 對大故障安全 元件數(shù)量居中 元件數(shù)量多 元件數(shù)量居中 元件數(shù)量少 控制技術(shù) CSI PWM V/f矢量控制 V/f矢量控制 DTC 力矩直接控制 代表產(chǎn)品 AB Bulletin 1557 SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES ABB ACS100 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 的組數(shù)，實現(xiàn)了 12、 18、 24 脈波整流電路，脈波數(shù)越高，向電網(wǎng)注入的諧波分量和次數(shù)均會相應(yīng)降低。同時兩組變頻裝置間通過適當(dāng)調(diào)整變壓器的結(jié)線相位角，亦可將某些次數(shù)的諧波分量在系統(tǒng)內(nèi)抵消，不注入電網(wǎng)。另 AFE（ Active Front End）前端主動技術(shù)的采用，使變頻器向電網(wǎng)注入諧波的幾率降低近零。關(guān)于變頻裝置，特別是大型電動機組的變頻裝置應(yīng)用中向電網(wǎng)注入諧波分量應(yīng)按國家電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波管理標(biāo)準(zhǔn) GB/T14549-93 嚴(yán)格執(zhí)行，特殊情況還需另行規(guī)定。變頻器選用中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)短路容量的實際值進(jìn)行相應(yīng)的諧波量核算，以保證電網(wǎng)和周圍電氣控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。根據(jù)從直流變到交流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同，產(chǎn)生電壓源型和電流源型兩種型