交流变频传动技术

交流变频传动技术（精选9篇）

交流变频传动技术 第1篇

关键词：HXD3,交流传动机车,变频调速,控制策略

1 前言

近年来, 社会不断进步, 经济水平持续提升, 铁路事业获得深化发展, 全球众多国家铁路网建设运行中推广普及应用交流传动电力机车, 其性能十分优越, 逐步占据着十分关键的应用地位, 重要性甚为突显。我国电力机车日后的主流发展趋势为交流传动电力车。基于此, 大连厂跟日本东芝公司联合研发生产的H X D 3型交流传动货运电力机车时速可高达每小时120公里, 轴功率为1200千瓦, 针对我国现今存在的六轴交流货运电力机车型谱空白进行填补。该型号传动机车应用优势十分显著。

2 HXD3型交流传动机车系统特征

第一, 电传动系统选择使用IG B T水冷变流机组, 电动机设施采用1250千瓦大转矩异步牵引电动机, 机车颇具良好黏着性能、较大起动持续牵引能力、恒功率速度范围相对较宽、较高的功率因素等特性。

第二, 辅助电气系统使用两组辅助变流器, 可实现V V V F及C V C F三相辅助电源的分别提供, 针对辅助机组实施分类供电行为。此系统拥有较强冗余性, 一旦其中一组辅助变流器发生故障问题, 则能够通过另一组辅助变流器供电给所有辅助机组。

第三, 基于微机网络控制系统使得系统自诊断功能及逻辑控制功能得以有效实现, 确保机车可完成网络重联, 同时配备有转储功能及信息储存功能。

第四, 就设备维护以及性能指标、体积装置、节能环保等方面而言, 交流传动系统优势充分突显。

3 控制策略及实现

3.1 转差频率控制及恒压频比控制

为使电机转速实现快速响应, 必须针对转矩进行合理控制, 开环恒压频比控制仅就电机气隙磁通实施控制, 却不可完成转矩调节, 相关性能欠佳;从某种程度上来看, 转差频率控制可就电机转矩展开控制, 然而其参考的是稳态模型, 却尚不能切实控制动态进程中转矩, 进而所得动态控制性能相对较差。

3.2 矢量控制

此类控制策略基本原理是, 参考坐标选择转子磁链这项旋转空间矢量, 有效分解定子电流, 使之成为互相正交的两个分量, 其中一个跟磁链方向相同, 其主要代表的是定子电流转矩分量, 另一个是跟磁链方向存在正交关系, 其主要表示的是电流转矩分量, 而后就二者分别实施独立控制行为, 可获取良好动态特性。基于理论角度来看, 矢量控制可优化改善异步电动机传动系统, 却伴随一些问题的产生, 譬如说过于理论化, 在实践过程中需展开复杂程度较高的坐标变换操作, 完成转子磁链的准确观测, 过于依赖电机参数, 导致完全解耦难以有效保证, 转矩控制成效受到消极影响。

3.3 直接转矩控制

对比矢量控制技术来说, 直接转矩控制不需要把交流电动机跟直流电动机进行对比比较及等效转化, 无需针对直流电动机控制进行模仿, 同时无需综合考虑解耦问题而将交流电动机数学模型简化。该控制策略仅需基于定子坐标系就交流电机数学模型展开合理分析, 主要强调直接控制电机转矩, 忽略矢量旋转变化等相对较为复杂的计算变换进程。定子磁链是直接转矩控制磁场定向使用, 仅知道定子电阻则可观测得出定子磁链, 转子磁链为矢量控制磁场定向所用, 若要针对转子磁链进行观测必须了解电感及转子电阻。所以说, 直接转矩控制可实现矢量控制性能容易遭受参数变化直接影响问题的大大减弱, 尽可能克服矢量控制缺陷。直接转矩控制思路新颖, 系统结构简洁明了, 静态及动态性能良好, 颇受关注, 对应涌现出多元化控制方案。其中, 六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量, 这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况 (无零矢量作用时) , 转矩脉动、噪声都比较大, 与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远;近似圆方案则比较接近理想情况, 电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是, 基于另一角度而言, 六边形方案有利于减小功率器件的开关频率, 适用于大功率领域, 而近似圆方案则相反, 一般用于中小功率高性能场合。

3.4 实现

就目前的情况来看, 转速开环恒压频比控制调速系统即为恒V/F控制获得广泛应用, 该手段选择使用转速开环恒压频比带低频电压补偿控制方案, 系统架构十分简单便捷, 实际产生成本较低。电机设备堵转或者是负载加重的时候, 电动机电流值会上升至额定电压的几倍之多, 此刻调节器作用会受到电流直接限制, 造成电机呈现出挖土机特性, 电机及调速装置受到一定保护。闭环控制变频器输出电压能够充分满足V/F控制恒压频比, 实现电压过压保护, 规避因为变频器电压升高造成的电机持续处在过压状态中使电机遭受损坏问题。电流截止负反馈可就电动机最大输出转矩进行合理限制, 相较于设定最大输出转矩而言, 若负载转矩较大, 电动机呈现挖土机特性, 电机重载电流或者是堵转情况被控制, 电机及变频器受到全面保护。

4 结语

综上可知, 微电子技术发展应用推动着交流调速快速进步, 对应的控制策略成效显著, 在H X D 3型交流传动机车变频调速中尽量选用动态性能较高且可抑制各类干扰的、算法简单的控制策略, 展现突显出交流传动系统的优势。

参考文献

[1]邓永红, 潘玉民, 张全柱, 黄成玉.矿用电机车矢量控制系统的研究设计[J].电机与控制应用, 2012.

[2]李强, 吴命利.交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术[J].铁道学报, 2014.

[3]邢军, 史向前, 关大伟.交流传动机车旋轮问题初探[J].铁道机车车辆, 2012.

[4]邓永红, 张全柱, 潘玉民, 黄成玉.矿用电机车改进型转差频率控制系统[J].电气传动, 2013.

变频与传动：高压变频器原理及应用 第2篇

1.引言

电机是工业生产中主要的耗电设备，高压大功率电动机的应用更为突出，而这些设备大部分都存在很大的节能潜力，所以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必要性和迫切性。

目前，随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大 功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用领域和范围也越来越为广范，这为工矿企业高效、合理地利用能源(尤其是电能)提供了技术先决条件。

2.几种常用高压变频器的主电路分析

(1)单元串联多重化电压源型高压变频器

单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联，弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。但其存在以下缺点：

a)使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管，60只IGBT)，装 置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成问题;

b)所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多;

c)一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终 究会导致电动机的损坏;

d)输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出;

d)输出电压波 形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出;

e)由于系统中存在着变压器，系统效率再提高不容易实现;移相变压器中，6kV 三相6绕组×3(10kV时需12绕组×3)延边三角形接法，在三相电压不平衡(实际上三相电压是不可能绝对平衡的)时，产生的内部环流，必将引起内阻的 增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就影响了整个高压变频器的效率。这 种情况在越低于额定负荷运行时，越是显著。10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%，但在轻负荷时，效率低于 90%。

(2)中性点钳位三电平PWM变频器

该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，

中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部 分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才 能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。

多电平多重化高压变频器。多电平 多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。

此类型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。

(3)电流源型高压变频器

功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR(或GTO、 SGCT等)开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。

这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器 件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。

电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。

3.IGBT直接串联的直接高压变频器

3.1 主电路简介

图1.IGBT直接串联高压变频

如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过 逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

功率器件IGBT直接串联的二电平电压型 高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。

对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图2所示：

交流异步电动机的变频调速技术 第3篇

关键词:异步电动机;变频调速;调速方式

中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0023-02

电动机是进行工业、农业生产的一种重要工具,它能够将电能转变成为机械能从而满足生产的需要,也因此被广泛的运用到社会生产的各个领域。一般来讲,电动机可以分为直流电机与交流电机,只是近年来随着技术的发展以及直流电机固有的缺点,人们对交流电机的运用更为广泛。但是交流电机相对直流电机来说在调速方面有着一些困难,所以变频调速技术也就应用而生。随着交流传动电动机调速理论研究逐步突破以及调速装置(主要为变频器)性能的完善,交流电动机调速系统的缺点(性能较差)已经基本得到了克服。目前,交流调速系统的性能已经可以与直流系统相媲美,甚至可以超过直流系统。不仅使交流调速系统控制装置体积小,效率高,而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案,更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。

一、交流异步电动机的变频调速技术概述

(一)交流异步电动机特点概述。交流异步电动机是在现今社会经济条件下运用最为广泛的一种动力机械,其承载着工业生产以及农业生产等重要的任务。但是作为一种机械设备,由于其特定的结构以及性能也有着属于自身的使用特点,具体来讲如下:

1.交流异步电动机使用优点。在电动机中主要有直流电动机与交流电动机,而交流异步电动机作为交流电动机的一种,具有自己明显的运用优势。首先,它具有简单的结构,并且功能齐全,可靠性高;其次,在其内部,控制器可以自成系统,也就使得软件功能完善灵活;再次,其控制功能全面精确,使用寿命长;最后,它在工作的过程中拥有着较高的工作效率,并且机器本身的重量也轻,通用性强,具有较低的运行成本。

2.交流异步电动机使用缺陷。虽然说,通过上面的分析我们可以看出交流异步电动机有着很多的运行优势,但是不可避免的它还是有着自身的一些缺点。其中调速性能差是其主要的缺点。它不能够像直流电动机一样进行灵活简单的调速,而是由于其工艺要求,需要一定的电动机调速上场合。所以,很多时候人们也往往因为交流异步电动机这样的一个缺点,会选用直流电动机来进行作业,或者是运用新的技术,来让交流异步电动机的运行能够进行符合其工艺要求的调速。当然这时候,交流异步电动机变频调速技术也就应用而生。

(二)交流异步电动机变频调速技术概述。变频调速技术是一种有效的交流异步电动机的调速技术,其是随着变频装置的出现而慢慢的发展起来的。并且随着电力电子技术以及微电子技术的不断深入发展,其技术也得到了很大的几进步,几乎可以跟直流电机的调速技术相媲美。具体来讲,变频调速技术有着下面的一个特点。

1.变频调速技术使用优点。在交流异步电动机中,使用变频调速技术主要有下面的一些优势:首先,变频调速相对于普通调速具有平滑性好、效率高的优点,并且在电动机处于低速运动的时候,其稳定性也好;其次,在调速的过程中范围比较大,并且使用时候的精确度也相对来说比较高;再次,在变频调速中由于其在电机启动的过程中所需要的电流比较低,所以具有比较明显的节电效果;最后,整个变频调速技术自动化程度高。

2.变频调速技术使用缺陷。跟所有的调速技术一样,虽然变频调速技术有着很多的优点,但是不可避免的也会出现一些缺陷。首先,由于变频调速技术的电流中含有很多的高次谐波,一方面会对电网造成污染,另一方面还能够对电机造成损耗,使得电机发热;其次,变频调速技术需要专用的变频电源,所以在造价方面就比较高,而且投资的回收期也相对来说比较长,技术复杂。

二、交流异步电动机变频调速技术发展方向

在现今的社会中,随着技术的不断发展以及科技的进步,变频调速技术也得到了长足的发展。作为变频调速技术的承载者变频器应该适应技术发展的趋势,不断的进行自身的完善,从而让整个变频调速技术更加现代化,更加灵活化。下面是变频调速技术的发展方向:

(一)向网络智能化发展。智能化是现金社会发展的一个主流方向,不管是小到手机等通讯工具还是大到电动机等机械设备,都在向网络智能化的道路上行走。而变频技术也应该适应这样的一个发展,能够免去那么多的设定,从而实现故障自我诊断以及部件的自动更换等等,并且在此基础上不断的延长变频器的寿命。

(二)向专门化一体化发展。专门化的研究与制造能够使得设备的性能更强,也能够使得技术更加先进。所以对于交流异步电动机来说也应该走专门化的发展道路。专门就某个领域进行变频器的研究,强化其性能,提高其技术。当然除此之外,还应该让变频器与电动机逐渐的一体化,让变频器成为电动机的一部分,从而更好的进行控制。

(三)向环保无公害的方向发展。近些年来,随着人们对环境的越来越重视,各种机械设备也慢慢的在呼吁环保无公害。而交流异步电动机作为一种设备在其进行调速的过程中也应该考虑绿色环保,将噪声以及电源谐波的污染将到最低。

三、交流异步电动机的变频调速技术的应用

交流异步电动机被广泛的应用到了电气传动之中,而在其的运用中对调速原理的理解就显得十分重要,下面是交流异步电动机变频调速的技术原理以及控制方法。

(一)交流异步电动机变频调速原理。在了解交流异步电动机变频调速技术原理之前,我们需要对交流异步电动机的转速先做个大体的了解。因为交流异步电动机变频调速技术的原理是从交流异步电动机的转速方程中得出的。

1.交流异步电动机转速方程。在交流异步电动机中,往往交流的调速是通过定子与转子之间的产生的旋转磁场而实现的,在定子与转子进行旋转的时候会产生感应电流,这个电流跟磁场相互发生作用,也就产生了电磁转矩,使得电动机转动起来,产生一定的转速,也就是同步转速。一般用n0来表示。其具体的转速公式如下:

nlc202309011129

其中,f是交流电源的频率,一般设定为50Hz,p则是磁极的对数,一般来讲当p=1的时候,n0就为每分钟3000转;而当p=2的时候,则n0为每分钟1500转。通过公式我们可以看出,当磁极对数越多的时候,转速也相应越慢,而转子的实际转速n一般都会比同步转速n0慢一点,也就是所谓的异步电机,由此产生的差别会用s来表述,其公式如下:

由上面的两个公式我们就可以得出交流异步电动机的转速方程,也就是如下面所示:

2.交流异步电动机变频调速技术原理。交流异步电动机变频调速技术原理是通过交流异步电动机的转速而实现的,也就是说在交流异步电动机中,电机的转速n与电源的频率f成正比,所以在进行电机异步频率的改变中,可以通过调节输入电源的频率以及改变电机的同步转速而实现,这也就是所谓的交流异步电动机变频调速的原理。

(二)交流异步电动机变频调速技术控制方法。在交流异步电动机变频调速中最基本的控制方法则为 恒定控制。这种控制方法通过改变变频器输出电压频率与电压幅值而实现调速,让整个电机的频率保持在稳定的状态内,使得电机的效率以及功率保持恒定。并且在控制的方式上也会随着运行频率基频的不同而控制状况不同。具体来讲,主要有下面的两种控制调速状况:

1.基频以下的变频调速。基频以下的变频调速又可以成为恒磁通变频调速,这种调速是 比恒定调速在基频以下的调速,所以当频率较低的时候,定子的抗压都不能够被忽视,所以这种变频后的机械的性能应该如下图所示:

如图所示,我们可以看出,当电机向低于额定转速n0方向调速的时候,电机会保持原来的机械特征,并且转矩也会随着电机转速的下降而减小,这就会让电机的负载能力下降。这也是变频调速的缺陷的一个反应。所以往往为了提高电机的负载能力,则使用 转矩补偿法,来增强交流电动机变频调速的使用性能。

补偿法是在电机频率降低的时候,采用提高电压的方法来使得磁通量保持恒定,从而让电机的转矩能够得到回升,以此来提高电机的变频调速使用性能。一般而言,进行补偿后的电动机机械性能曲线图如下所示:

2.基频以上的变频调速。交流异步电动机基频以上的调速方式,属于恒功率的调速方式,在进行变频调速之后的机械的性能曲线图如下所示:

我们可以看出,电动机在基频以上进行调速的时候机械特性曲线工作段的斜率逐渐的增大,使得机械的特性变软。使得机械在一个比较恒定的状态下进行工作。

四、总结

通过以上对于交流异步电动机变频调速技术的分析,我们可以看出这样的一种变频调速的控制方式虽然说给电动机的调速带来了很大的方便,使得操作也变得简单,但是在其控制的过程中还是存在着低速性能差的缺陷。所以,在进行交流异步电动机变频调速中一定要加大对技术的研究,弥补这些缺憾,从而让变频调速技术变得更加完善。

参考文献:

[1]刘玲.交流变频调速技术的优势与应用[J].电气开关,2010,48(1)

[2]程林贵.交流变频调速技术的应用及注意的问题[J].中国科技博览,2010,33

交流变频传动技术 第4篇

关键词：交-交变频,交-直-交三电平PWM变频,轧机主电动机

引言

金属加工领域中大型的热连轧机长期以来主传动部分因其对电气控制系统较高的动态响应和过载能力的要求, 一直使用直流电动机进行控制, 但直流电动机存在换向问题, 又使其在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量及简化维护等方面受到了限制。近年来, 伴随着现代电力电子器件的开发, 交流变频技术的应用, 数字化技术、控制技术的发展, 热连轧机主机的变频传动控制系统正在逐步取代直流调速系统, 使得现代轧机也向着更加大型化、高速化、自动化方向发展。

1 轧机主机电气传动方案

目前热连轧机的交流电气传动控制方案主要有四种, 技术性能优良, 最常用的为两种即采用可控硅的交-交变频方案与采用大功率可关断器件的交-直-交三电平PWM变频方案。

1.1 交-交变频方案

交交变频调速系统如图1所示, 由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成, 它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理。该电路适用于低速 (低频) 大功率电机驱动的低速轧机, 一般配用同步机, 不需要设置强迫换流装置和使用特殊的换流元件, 故可简化设备。

交交变频的输出频率最大可为1/2电源频率, 也存在输出频率低的缺点;同时交-交变频方案的功率因数较低 (0.65) , 故而必须配置庞大的无功补偿装置。交交变频区分为有环流和无环流方式, 可驱动同步电机或异步电机。对于主传动系统, 控制器一般采用矢量控制的方法驱动同步电动机。

交-交变频的不足之处在于不可避免地采用专用的谐波滤波装置与无功补偿装置, 整流变压器结构复杂, 容量配置大, 电缆施工大, 主回路附属设备 (平波电抗器、快速开关) 繁多, 设备占地面积相对较大。

1.2 交-直-交同步电机调速系统

该调速系统主要用于过载能力不大, 速度高的不可逆轧机主传动, 例如高速线材精轧主传动驱动6000～8000kW同步电机。电路如图2所示。也称为无换向器电机调速, 采用晶闸管变流器和逆变器, 运用同步电机转子过激磁的容性无功功率来提供晶闸管换流。它具有结构简单, 输出频率高等优点, 但也存在着方波输出, 低频转矩脉动大, 过载能力低 (一般小于150%) 等缺点。

1.3 交-直-交三电平PWM变频方案

交-直-交变频有电压型和电流型两大类。采用可关断电力电子器件 (GTO、或IGCT、或HVIGBT) 构成, 主回路结构简练;变流器电源侧采用GTO脉宽调制技术, 通过整流器的无功控制可使功率因数为1, 并减少输入电流的谐波。整个系统不必设置庞大的无功补偿与谐波滤波的专用装置。

1.4 IGBT脉宽调制变频调速

场控器件在80年代中后期开始出现, 并取得了飞速发展, 最令人瞩目的是IGBT出现与实用化。IGBT比GTR开关速度快, 达到10～30kHz, 损耗小, 耐压高 (达到3000V) , 驱动功率小, 保护系统简单。近几年世界各国均积极开发应用IGBT变频器, 时至今日, 世界各大电气公司的中小容量PWM变频器已全部实现了IGBT化。随着IGBT元件的电压、电流容量迅速增大, (已达到1000A/3000V) , IGBT变频器已可以驱动3000kW轧机主传动。中功率轧机主传动将逐步被采用IGBT元件的交流电机变频调速所占领。

2 轧机的变频主电机

2.1 常用轧机主电动机特点比较

交流变频传动轧机的变频主电机采用同步电动机或异步笼形电动, 但二者在运行特性、结构及其设计制造、控制、应用等各方面有其不同特点。

同步机功率因数可为1, 效率可达98%;异步机功率因数为0.6, (依靠变频多重结构可达0.85%) , 效率为87.8%。因此变频装置及变压器的容量匹配, 异步机相对要大。同步机定子可作成整体结构;大功率异步机定子一般作成分瓣结构, 刚性有所降低, 还需现场安装的绕组重接和绝缘处理。同步机转子有接触性电刷以供励磁, 电刷的材质寿命有相当要求;异步机为铜条端环的无绝缘的简单笼形结构, 抗热抗冲击性好。同步机的气隙较大, 便于安装维修;异步机的气隙很小, 制造安装的精度要求高。

2.2 变频运行轧机主电机的特殊问题

轧机一般处于频繁起制动、正反转正作状态, 或承受突加负载的冲击, 则要求电机动态响应快, 机械强度高, 刚性好, 故电机追求降低转动惯量, 提高过载能力, 克服机械振动是基本对策问题。

(1) 变频的最高频率的确定:

对于交-交变频, 无环流方式, 一般取1/3～1/2的电源频率, 有环流方式, 可达4/5的电源频率;而对于交-直-交PWM变频, 一般可达50HZ (或60HZ) 。

(2) 谐波问题:

由于交-直-交PWM变频的输出至电动机的谐波主要出现在调制载波的频率上。一般通过特定的输出交流电抗器滤波处理, 因此对电动机的影响甚小。而交-交变频的谐波滤波比较复杂, 不易处理, 电动机的设计与结构必须考虑谐波引起的附加损耗、温升问题及转矩脉动问题要采取相应对策。

变频工作由于器件的导通关断产生的dv/dt浪涌电压, 迫使电动机的绝缘结构与材料应采取特殊设计。但交-交变频的可控硅换向工作的开关频率与开关时间比交-直-交PWM变频的GTO (IGBT或IGCT) 载波开关频率与开关时间大不相同, 后者产生的影响比前者更为剧烈。

3 结束语

轧机主机的交流变频调速是复杂的综合性技术, 它涉及轧钢工艺、电力电子及变流技术、电力拖动、微机数字化控制、控制理论、电机仿真、电机制造等各专业的高深技术课题。国产交交变频调速系统在大功率单机架可逆轧机主传动上已取得了成功, 国家和企业应积极创造条件, 让中国交交变频调速系统尽快应用于连轧机主传动, 使交交变频调速这一项高新技术为我国钢铁工业的发展做出更大贡献

参考文献

[1]马竹梧.交流变频调速在钢铁工业中的进展、问题与发展[J].电气工程应用, 2008.1.

[2]王洪跃, 张体.交流变频技术在攀钢热轧板主传动的应用[J].电气传动, 2002.6.

[3]任子强, 杨静, 李忠华.常规热连轧主传动交流变频调速系统[J].世界仪表与自动化, 2009.4.

交流变频传动技术 第5篇

关键词：变频调速,整流,变压器

0 引言

交流变频调速技术的推广应用,使得与之配套的传动整流变压器的需求量越来越大。传动整流变压器是交流变频调速系统中的重要元件,一旦发生故障造成的损失也非常大,因此对传动整流变压器的可靠性要求非常高。

1 传动整流变压器的特点

相比电力变压器,传动整流变压器(简称整流变压器)的运行条件更加恶劣,这主要由以下两点决定。

(1)由于变频系统的工艺要求,整流变压器要经常承受短时冲击负荷且经常过载。

(2)变频系统的整流和逆变不可避免地会产生谐波,使整流变压器损耗及温高上升。

除了对整流变压器进行必要的电气保护外,还应对整流变压器的设计、制造及结构进行规范,以保证其运行的安全可靠。

2 传动整流变压器设计、制造和使用的注意事项

2.1 整流变压器网侧和阀侧绕组间应设置接地屏蔽

整流变压器网侧和阀侧绕组间应设置接地屏蔽(如图1所示),其作用是在网侧绕组遭遇高频过电压时,可避免在阀侧绕组上感应出过高的电压,防止阀侧整流元件(尤其是“铁心-阀侧绕组-网侧绕组”结构的整流变压器)损坏。此外,接地屏蔽还可降低部分高次谐波对电网的污染。

2.2 网侧和阀侧绕组的布置

对于阀侧绕组分裂式的12脉波及以上整流变压器,应尽可能将网侧绕组放在外侧,阀侧绕组放在内侧。一般情况下,网侧绕组电压高、电流小,所用导线的尺寸较小,机械强度较低,而变压器短路多造成内侧绕组受压损坏,因此,在整流变压器频繁过负荷运行状态下,网侧绕组在内侧时很容易发生机械失稳损坏,进而导致整个生产线故障。一些厂家为了引线连接方便,采用阀侧绕组在外侧、网侧绕组在内侧的结构,这对整流变压器的安全运行是不利的。建议用户在签定整流变压器技术协议时,向厂家提出变压器结构要求,以保证变压器有安全可靠的机械强度。

2.3 短路阻抗的选择

整流变压器的短路阻抗尽量不要低于8%。变压器阀侧的整流会在变压器绕组上产生谐波电压,进而产生谐波电流,并在绕组和结构件中产生附加损耗。若变压器阻抗大,则在同样的谐波电压幅值下就能降低谐波电流的幅值,从而减小谐波对变压器损耗和温升的影响。从实际运行来看,变压器短路阻抗大于8%时,谐波电流的影响将显著减小。

2.4 引线的夹持

通常,由于整流变压器阀侧电压低、电流大,因此引线会用铜母排制作。与普通电力变压器不同的是,整流变压器频繁地过负荷工作,引线间会产生很大的机械力,因此设计时需要特别注意引线的机械强度。整流变压器不仅相应的引线夹持要比电力变压器多,而且铜母排间距不能太小,小于20mm时最好在母排间放置纸板,或用绝缘层覆盖母排,以防短路烧毁变压器。

2.5 开关的选择和使用

为了保证电网电压波动时输出电压不变,变压器一般都带分接开关。对用于主传动系统的整流变压器,最好选用笼形开关而不是盘形开关。这是因为主传动整流变压器常遭遇短时冲击过负荷,不仅变压器绕组和引线会受到冲击,分接开关同样会受到冲击。盘形开关在大电流的冲击下,其动静触头很容易出现间隙造成拉弧,并有可能使开关烧毁,进而造成变压器的损坏。而笼形开关动静触头由弹簧压紧,载流量也更大,机械强度比盘形开关大得多,能承受更大的冲击负荷,提高了运行可靠性。

2.6 增加绕组温度计

用于主传动系统的整流变压器会频繁地工作在过负荷状态下,承受的电流可达额定电流的300%。变压器的温度一般是由位于变压器箱盖上的油面温度计来监测的,变压器油的热时间常数较大,为2～3h;绕组的热时间常数较小,一般为几分钟。这样,当变压器遭遇短时冲击负荷时,由于油的热时间常数较大,油温变化缓慢而绕组的温度变化较快,油面温度计的指示不足以反映绕组温度的真实情况。众所周知,变压器的寿命是由绝缘材料的热点温度决定的,当绕组热点温度过高时,变压器的使用寿命会大大降低。在主传动变压器上安装绕组温度计可以监测绕组温度在短时间内的变化情况,避免绕组热点温度过高。

3 结束语

轧钢主机变频调速传动技术探究 第6篇

轧钢技术是指在日常生产活动中, 通过特定的技术对钢锭、钢坯进行加工, 使其形成预期制定的形状。在我国社会主义现代化建设中, 轧钢技术有着极其重要的作用。轧钢主机变频调速传动技术是指在轧钢活动进行的过程中, 结合着钢型, 对整个轧钢活动进行控制, 使其在实施的过程中能够确保产品的生产质量, 为其今后的使用奠定基础。在此, 本文从轧钢的主机分类、轧钢主机的传统方案、变频传统系统的控制技术以及轧机的变频主电机的特点等几个方面出发, 针对轧钢主机变频调速传动技术中存在的相关问题, 做一简要分析。

1 轧钢主机分类

在当前的轧钢施工中, 其轧钢设备在传统的基础上具备了大型化、高速化、连续化及自动化的优势, 再加上近年来网络技术的迅速发展及变流技术的应用, 在推动轧钢技术发展的同时, 还在很大程度上更新了轧钢技术。在其具体实施的过程中, 按照生产工艺的装备要求及运行特点, 轧钢主机一般可分为以下几类: (1) 低速可逆类型, 包括开坯初轧机、板坯初轧机以及中厚板轧机等3个类型。在运行的过程中, 该类型需要结合着钢材的实际状况进行控制, 在确保轧钢运行范围的同时, 还应及时观察轧钢的运行动态。 (2) 中高速不可逆类型, 包括带钢热逆轧机、冷逆轧机以及热冷两轧等3个类型。在运行的过程中, 该类型除了具备广泛的调速范围外, 还能在运行的过程中严格控制轧钢的精度, 且能积极响应主机系统发出的号令。 (3) 中高速可逆型, 主要包括单组架可逆冷轧类型。在运行的过程中, 该类型能够第一时间响应主体系统发生的号令, 同时具备极大的调速范围。

2 轧钢主机传动方案

随着社会经济的迅速发展, 传统的轧机工艺已经无法满足需求。为从根本上适应各类轧机的工艺运行、电机容量配置及控制特性的要求, 轧钢主机的传动方案也在很大程度上发生了改变。在其控制的过程中, 主要包括以下几种方案: (1) 交—交变频方案。交—交变频方案在使用的过程中, 能够满足低速大功率电机驱动的低速轧机, 其在运行时, 一般与同步机配合使用, 在允许的状况下, 也可以配用异步机。针对直接变频的可控硅并联变流结构, 电机可以采用无环流输入方式来推动整个运行活动, 通过设备的内在结构, 对交流电压进行控制, 且在运行的过程中, 配置相应的无功补偿措施, 确保轧钢主机的顺利运行。与上述运行原理不同的是, 无环流方式基于自身功率低, 在运行的过程中不需要配置相应的无功补偿装置。操作人员在有环流方式操作中, 一般将其无功空置率的功率因数设置为接近1。交—交变频方案的优点在于控制范围广, 设备运行快, 且能够按照一定的操作控制设备运行速度。其缺点主要包括以下几个方面:1) 对滤波装置及无功补偿装置等提出了相应要求。2) 在使用多绕组整流变压器结构的过程中, 基于变压器的容量较大, 对电缆工程提出了更高的要求, 这在很大程度上增加了轧机运行的成本。3) 基于主回路附属设备繁多的缘故, 用地面积大。 (2) 交—直—交三电平PWM变频方案。在交—直—交三电平PWM变频方案中, 其运行的整体核心在于可关断电力电子器件, 整流器与逆变器的结构如出一辙, 其主回路结构比较简单。在三电平PWM变频方案使用的过程中, 使用的规格一般按照元件的使用状况进行确定, 在允许的状况下, 操作人员可以适当降低PWM的载波频率, 以降低整个开关的损耗。该方案基于自身的优势, 不存在谐波影响, 其原因在于交—直—交三电平PWM变频方案使用的变压器为高阻抗输入变压器, 这种变压器能够将无功控制的使用功率因素控制为1左右。与此同时, 在该方案的容量配置中, 4 MW以上的电机一般采用超大功率GTO或GCT原件。基于其输入变压器的特殊性, 该方案在国内很少使用。且在其使用的过程中, 由于自身内部结构的复杂性, 设备维护与更换都存在很大难度。

3 变频传动系统的控制技术

在变频调控传动技术运行的过程中, 能否对整个系统进行科学有效的控制, 将直接关系着轧钢主机的实际运行状况。变频传动系统的控制技术主要包括以下几个方面: (1) 矢量控制。在变频调度交流电动机使用的过程中, 操作人员应严格按照《使用说明》对其进行独立控制, 确保将矢量控制的优势充分发挥出来。矢量控制的基本思想在于通过交流电动机的数学模型、求解变量与参数之间的关系, 将整个设备运行中产生的变量作为矢量进行控制, 以此来对整个力矩进行控制。另外, 在矢量控制输出后, 仍须将其电流控制为闭环模式, 确保设备的正常运行;在对整个速度闭环控制中, 需要操作人员通过磁通进行控制。当前, 矢量控制基于操作简单、运行方便等特点, 被广泛运用到主轧机传动中。 (2) 直接力矩控制。作为一种新型的变频调控方式, 它直接在定子的空间坐标系中分析电动机的数字模型, 直接控制定子磁链的辐值及该矢量相对于转子磁链的夹角, 达到控制转矩的目的。传统的操作控制方式已经无法满足轧钢主机的运行需要。二点式控制方式则能通过自身的优势, 能将产生的转矩波动控制在一定范围内。直接力矩控制除了保障运行质量外, 还能带来一定的经济效益, 由此受到人们的欢迎。 (3) 改善系统特性控制技术。对上述2种变频方案系统特性控制技术的改善, 需要操作人员结合各自的特点及运行环境有针对性地进行。交—交变频一般采用环流控制的改善模式, 通过这一途径来提高功率的因素。与交—交变频不同的是, 交—直—交三电平PWM变频控制在改善同时, 除了整流器输入交流电外, 还需整流器中的矢量控制, 将整个无功流量的分量控制为零, 以此来确保整个系统的顺利运行。

4 轧机的变频主电机的特点

在轧钢主机运行过程中, 轧机变频调速有着极其重要的作用。针对轧钢主机变频过程中主电机的日常运行, 其电机容量中的同步机比异步机要小, 除此之外, 同步机的整个体积及重量都占据着一定的优势。其次, 在轧机变频主电机运行的过程中, 其同步机一般以整体的形式进行运行, 其定子多数呈现出分瓣的结构, 刚性也会在原有的基础上有所降低, 且在运行时, 仍需工作人员在工作现场安装相应的绕组重接与绝缘处理。同步机的转子在运行的过程中, 一旦接触到电磁, 其电刚的材质寿命都会在很大程度上发生变化, 而这些, 都需要操作人员引以重视。最后, 同步机在进行变频工作时, 除了要考虑同步机的实际容量外, 还需要结合着设备的实际机械强度, 以便在运行的过程中保障系统的稳定性。在整个适量控制中, 基于同步机与异步机的工作机理及数学模型不同, 矢量控制的运算和结构也不大相同。由此就需要操作人员在使用适量控制时, 能够结合着同步机与异步机的实际运行状况, 有针对性地对其进行控制。

5 结语

轧钢主机变频调速传动技术的应用, 在提高轧钢主机工作效率的同时, 还提高了轧钢质量。因此, 需要相关人员能够加快轧钢主机变频调速传动技术的研究, 以期发挥其优势, 进一步推动我国社会经济的发展。

参考文献

[1]卫星.我国轧钢技术进步显著竞争力大幅提升[J].上海金属, 2009 (2)

[2]康永林, 陈继平.国外轧钢技术现状及发展动态[J].轧钢, 2009 (1)

动车组交流传动技术及其应用探讨 第7篇

1 动车组交流传动系统的构成

在全世界范围内, 各国高铁及动车组的牵引控制系统都采用交流方式进行动力的传送。其构造部件如下:

1.1 交流牵引电机

铁路列车和动车组系统中多使用三相交流电机。三相交流电机是异步交流电机的一种, 它的构造最为简单, 转速极高, 黏着性好, 牵引力强, 具有较好的制动性, 是同步直流电机所不可比拟的。目前各个国家还在进一步提高交流电动机的性能和技术研发水准, 我国也在不断加大研发力度, 以求开创交流电机在我国应用的新局面。

1.2 变流装置

在工业领域, 三相交流电机的应用十分广泛, 高铁和动车组上就是用三相交流电机作为机车的牵引装置。为了配合三相交流电机的使用, 最大程度的发挥牵引效能, 就需要配备专门的交流装置。这种装置结构较为繁复, 所需功率极大, 是专门应用于铁路运输系统的, 它的作用就是将原有的单向交流电转化为系统需要的三相交流电。其特点具体归纳如下: (1) 与直流电相比, 交流电动势图呈正弦波的趋势, 可有效减轻在变矩过程中电流谐波对转矩的干扰。 (2) 承载力和适应性强。可以应对多种突发状况, 如电压不稳, 车轮侧滑等, 保持电机牵引的稳定和可靠性, 进而实现动车车体运行状态在可控范围。 (3) 操控特点不同于直流装置, 牵引效能的好坏受制于多种因素, 如转矩需要达到一定标准才可启动等等。 (4) 变频幅度大, 可根据实际情况不同进行频率的随时调整, 最低点为0.4Hz, 最高可达200Hz。在此过程中, 变化的稳定性高, 不会产生较大的起伏。 (5) 动车供电系统在供电时, 输出功率要尽可能平稳, 不要产生太大波动, 功率参数保持在1左右最好, 以最大限度缓解对整个控制系统的负面影响。 (6) 变流装置的牵引效能较直流装置好, 对材料的浪费率低, 稳定性高。 (7) 系统在检测, 调试, 安装和故障修理时更容易。 (8) 交流设备体积小巧, 抗震性强, 适用于动车组的运行环境。9) 可进行能量和动力的双向转换。

2 交流传动技术在动车运行过程中的控制策略

2.1 交流传动控制策略

交流机车一般可分为两类, 其中单项工频机车的控制系统多采用交-直-交的方式进行电流的传输和控制。这种方式又包含两种控制方法:网侧变流器控制和电机侧逆变器控制。

(1) 网侧变流器控制。网侧变流器是动车组电机传动系统的主要部件, 它的工作原理为通过调节变流器的输出电压来实现对电流大小的控制, 是将交流电转化为直流电的设备。相对其他变流器, 其优点是在列车运行时可以有效减少电谐波对周边所带来的影响。另外, 由于动车组的顺利运行需要稳定的电压作为前提保障, 网侧变流控制器可以变交流电为直流电的特性正符合了动车运行时对电压的要求。所以电机网侧变流器适用于以单项交流电位主控制系统的动车组, 要根据需要合理配备网侧变流器。 (2) 电机逆变器控制。电机侧逆变器是将直流电转化为交流电的电机设备, 与变流器对电流的控制方向正好相反, 分为正弦波逆变器和方波逆变器。动车电机牵引设备中包含有异步牵引电机, 其要和配套的电机逆变器结合使用。动车的牵引控制具有特殊性, 牵引系统是通过三相交流电的传动得以实现的。

2.2 交流异步电机控制技术

异步电动机较传统的交流电动机而言更具有动态性, 它可以将交流电传动系统转化为直流电传动系统, 易于操控, 扩大交流电系统的使用范围。异步电动机可通过调整电压和电频生成动车组系统中的三相交流电。它通过调控定子电流和定子电压使之发生变化, 进而改变转子磁链和电磁转矩。现阶段异步电机有如下几种操控手段: (1) 矢量控制方法, 是将定子电流分解达到矢量变换的目的。 (2) 自适应控制方法, 能够克服参数的变化自动适应电流的转变。 (3) 直接转矩控制方法。

3 交流电动机的运行原理及实际运用

交流电动机对于日常生活的意义十分重大, 它覆盖了工农业机械设备, 科技国防等各个领域, 尤其在与人们生活息息相关的家用电器领域, 其应用更为广泛。交流电动机包括同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变同步转速。由于中间环节是直流电压, 在电压型逆变器中电力半导体器件始终保持正向偏置, 由于采用了晶闸管器件, 就必须进行某种形式的强迫换流。根据换流方式的不同, 电压型逆变器的种类很多, 其中带有辅助晶闸管单独关断的并联逆变电路, 即著名的麦克墨莱电路在机车传动中有一定的代表意义。麦氏电路是借助辅助晶闸管接通L、C振荡换流电路, 使导通的晶闸管中的负载电流降到零并承受一定时间的反向电压的一种强迫换流电路。交流调速系统主要是针对异步电动机而言, 它是交流传动与控制系统的一个重要组成部分。对于铁路牵引, 要求传动系统按照一定的控制方式 (如恒力矩和恒功率) 运行, 同时又不断地迅速地加速或减速。

动车机车牵引系统多为闭环的传动方式, 这样可以更好的保持动车在运行过程中牵引系统控制的有效性和平稳性。传动装置通过变矩器进行变速变矩, 达到机车动力的传动效果。一般情况下, 传动过程中可以采用以下方法进行变矩:第一种方法是直接控制转矩。通过比对实测的转矩与原有的转矩之间的信号差异, 进而导入新的转矩信号, 实现转矩的目的。还有一种方法是参考其他的系统信号值, 将这些相关值进行检测对比, 生成转矩信号, 间接实现系统的转矩。这两种转矩方式的应用范围都较为广泛, 适用于各种类型的列车。尤其是直接转矩的方式更加受到人们的称赞。科技的进步使得近年来交-直-交变频调速系统不断涌现新的调速方式, 如电压、频率协调控制的变频调速系统, 转差频率控制的变频调速系统, 谐振型变频调速系统, 矢量控制的变频调速系统和直接转矩控制的变频调速系统等。

4 结束语

上文系统阐述了动车组动力传动技术和传动系统的运行原理。迄今为止, 越来越多的国家在发展高铁项目时都采用交流传动技术, 该项技术能够更快的实现电流的变矩, 牵引功率高, 有利于提高电机的牵引效能, 实现运输系统的跨越式发展。

摘要：铁路系统的高速发展是铁路电气化的结果, 列车的运行依赖于电力机车的牵引。随着时代的变化, 人们早已不满足于铁路牵引系统的基本功能, 即能够带动列车的运转。人们将关注的矛头转向了电机牵引功能的好坏, 列车运行的成本和受到电磁影响的强弱等新课题。交流传动系统在铁路系统的应用是文章主要研究的课题。

关键词：动车组,电机牵引,交流传动,技术应用

参考文献

[1]李芾, 安琪, 王华.高速动车组概论[M].西南交大出版社, 2008.

[2]铁路职工岗位培训教材编审委员会.CRH1型动车组机械师[M].北京:中国铁道出版社, 2009.

交流变频技术及其主要功能探讨 第8篇

关键词：交流变频技术,电力电子技术,微电子技术

交流变频调速技术是电力电子技术、微电子技术、电机控制理论及自动控制技术高度发展的产物。经过近二十年的发展, 交流变频调速逐渐成为电气传动的主流, 它主要用于控制感应电机的速度和转矩, 不仅扩大了电机的转速调节范围, 使电机转速能够从零到高于额定转速的范围内变化, 而且具有动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等其它调速方案所无法比拟的特点, 加上交流电动机对环境适应性强、维修简单、价格低、容易实现高速大容量的优势, 使得以前直流电动机占主要地位的调速传动领域, 逐渐被交流电动机变频调速所取代。目前, 交流变频调速系统正在以其体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点, 广泛应用于传送带、挤压机、提升机及风机泵类负载, 其传动产品的高精度控制及高效节能特性在冶金、制浆造纸、石化、空调制冷、供水、建材、印刷及纺织等诸多领域也都获得了广泛应用。

1 变频器的频率给定方法

变频器的频率给定有三种方法:

(1) 面板给定。面板给定是利用键盘上的数字增加和数字减小键配合显示来进行频率的数字量给定和调整。

(2) 预置给定。起动前通过程序预置的方法预置给定频率, 起动时按运行键RUN (或正转FWD或反转REV键) , 变频器将自动升速至预置频率。

(3) 外接给定。从控制接线端上引入外部电压或电流信号进行频率设定, 常用于远程控制。不同变频器对外接给定信号的规定也不尽相同:外接电压信号主要取值范围有0~+10V;0~±10V;0~+5V;0~±5V。±号表示变频器有反转功能, 可以根据给定信号的极性决定电动机的转向。当外接给定信号为电流时, 从电流给定信号端输入, 多数变频器对外接电流给定信号的取值范围是4~20m A。

有的变频器还为用户提供了外接辅助给定信号端, 用来接入反馈信号或其它辅助控制信号。运行中辅助给定信号和主控给定信号相叠加作为实际给定信号。当主控给定信号断开时, 辅助给定信号也可代替主控给定信号控制变频器的工作频率。

采用外接给定时, 还需根据变频器使用说明书的要求, 进行给定频率线 (给定电压与所对应给定频率的关系曲线) 的有关参数设定。

2 与频率有关的变频器功能

(1) 最高频率。根据变频器的工作需要设置的最高工作频率。

(2) 基本频率。变频器调节频率时用作基准的频率。通常取电动机的额定频率。

(3) 上限频率与下限频率。根据具体的拖动系统要求, 可为变频器设入上限工作频率和下限工作频率。当给定对应的频率高于上限频率时, 变频器取上限频率工作, 而当给定对应的频率低于下限频率时, 变频器取下限频率工作。

(4) 回避频率。变频器拖动的生产机械的振动频率与电机转速有关, 即与变频器的工作频率有关, 为了避免在某些转速下机械系统发生共振, 必须使变频器“回避”掉可能引起共振的频率, 称为回避频率。变频器在整个频率范围内, 一般可设入三个回避频率, 对回避频率的设置方法有三种:

第一种:设入回避频率和回避宽度, 变频在运行中, 工作频率将不进入 (跳过) 这个区域。

第二种:只设定回避频率, 回避宽度由变频器内定。

第三种:设入回避区的起始频率和终止频率。

(5) 点动频率。生产机械调试过程中, 经常需要对电动机进行点动, 变频器可根据生产机械的特点和要求, 预先一次性地设入一个“点动频率”, 当每次点动时, 都按照这个较低的预设点动频率来运转, 而不必每次设入。

(6) 载波频率。SPWM型变频器的载波频率决定恒幅调宽输出电压的脉冲频率, 该频率会使电动机的铁心振动而发出噪声, 为了避免该振动频率与铁心的固有振荡频率相等而发生共振, 变频器为用户提供了可以在一定范围内调整载波频率的功能。此外, 当载波频率太高, 影响到同一机柜内其它控制设备 (如可编程控制器等) 的正常工作时, 为了减少干扰, 也需要向下调整载波频率。

3 变频器的升速和起动功能

3.1 升速时间设定

各种变频器都为用户提供了可在一定范围内任意设定升速时间的功能, 短的在几百秒以内, 长的可达几千秒。对拖动系统来讲, 升速时间长一点可以减小起动电流, 减少机械冲击, 但过长又浪费时间, 惯性大的系统难以加速, 起动时间设置应长一些, 准确计算拖动系统的升速时间是比较麻烦的, 实际调试中, 一般把升速时间设置得长一些, 观察起动过程的电流情况, 再逐渐改变升速时间。

3.2 与起动有关的其它功能

(1) 起动频率。

(2) 起动前的直流制动功能。

(3) 起动锁定功能。

(4) 暂停升速功能。

4 变频器的降速与制动功能

(1) 降速时间与降速方式。

(2) 直流制动功能。

(3) 外接制动电阻和制动单元。

5 变频器的控制功能

5.1 单一比的补偿设定线

各种变频器都为用户提供了许多根设定曲线, 由用户根据负载情况进行低频力矩补偿, 如图1所示。

5.2 分段比补偿设定线

交流异步电动机的变频驱动技术 第9篇

在晶闸管面世前,电气驱动领域内直流电动机和交流电动机由于原理、结构的不同,一直格守着各自的固有阵地,井水不犯河水。直流传动调速、交流传动不调速是电气行业公认的规律。1958年美国通用电气公司GE总裁在晶体管的基础上发明了晶闸管SCR,又称可控硅,它是最早开发研制成功的开关器件,并且在当年马上进入商业运用,它的发明对电力电子的开创和发展起到了最关键的技术支撑和开拓作用,第一个实用的可控硅器件,反向电压为400V,平均导通电流16A,但是这种变流容量非常有限的电力电子器件却引起了变流器产业如雨后春笋般的飞速发展,最终推翻了电气传动领域中长达百年的调速之王直流电动机的王座,也使在调速驱动中无人过问长达百年的交流电动机以大海磅礴之势问鼎电子科学及其产业。自晶闸管的发明研究成功后,相继出现功率更大、性能更优越的GTO门极关断晶闸管、大功率晶体管GTR、功率MOS场效应晶体管MOSFET,直到最终集各类电力电子器优越性能之大成的绝缘栅双极性晶体管IGBT的出现,各类电子器件竞相涌现的局面才稍稳定下来,人们把更多的精力集中放在改善新型电力电子器件的性能,使其更加稳定,在工程实践中运用出现的保护措施更加完备起来。由于人们的努力和智慧,IGBT的制造技术已完全成熟,它开关速度快、器件工作时损耗小、驱动功率小、安全可靠及电压利用率高等出色的电气性能,强有力地巩固了它在电气驱动工程中的主体地位。虽然各种新型的电力电子器件为交流异步电动机进行调速传动提供了强大的技术基础,但是由于三相交流电动机的运用范围极其广泛,使用数量极其巨大,因此除了地铁有轨电车、轻轨车等领域对调速运行的舒适性要求很高的行业里普遍运用了变频变压驱动外,其他更多领域内生工艺比较固定、无须频繁连续调速运行的驱动系统仍大量的采用传统的接触器、继电器组成的传统有触点电气传动系统。虽然这个传统系统的技术的先进程度无法和变频变压调速系统相比,但是它低廉的成本(仅前者的1/3)优势非常明显;在变频变压调速系统的电力电子器件开关工作时,因其高速通断时产生电磁干扰等新问题也是必须要考虑的问题;同时有触点系统和无触点系统比较起来减轻了保养维护传动系统的技术难度;因此,总体来看采用变频变压驱动控制系统显然远少于传统的有触点传动系统,掌握三相异步交流电动机传统有触点控制方式仍有非常现实的意义,了解学习三相交流电动机传动的基本技术及熟悉其操作维护的方法对生产装置正常发挥出额定的技术功能仍是非常重要。

1 三相交流异步电动机变频变压驱动方法

严格地说无触点控制的说法是不准确的,完全的无触点仅是对VVVF主电路拓扑结构中的电力电子器件组成核心部件——逆变器,才是真正的无触点控制,而在主电路拓扑结构中的少量局部环节仍由触点控制元件在发挥作用,在辅助电路中仍是由触点元件起主要作用,如逆变器发生故障时,将要把逆变器从电路中切出辅助电路,主要由大功率接触器等有触点元件组成,因此把三相交流异步电动机用VVVF控制的新方式和用接触器-继电器控制的传统方式分别称为无触点控制方式和有触点控制的说法是一种相对的分析,不应绝对地理解。

三相交流电动机调速的理论依据为:

式中,n为电动机转速;f1为电动机频率;P为电动机极数;S为转差率(同步电机S=0)。

由此式可看出,三相交流电动机的调整可以有如下三种方法:

1)改变电动机所用电源的频率f1, 是目前通用的VVVF调速系统方法;

2)改变电动机定子绕组的磁极数P,即变极调速,但调速有限;

3)改变电动机的转差率,即转差率调速,因麻烦耗能,很少用;

上文中所提到的调速方法中,方法1)是最有前途的,因为现在电力电子技术的理论问题及实践中的制造工艺的难题均已圆满解决;同时由于使用这种电力电子器件构成的核心部分逆变器具有无间断的连续频率,因此能对控制的交流异步电动机的转速进行无级调速,因此方法1)的调速效果最好,但是由于方法1)需要增加一个变频器来提供频率可变的电力电子装置,该装置价格不菲,同时由于该装置输出的可变频率电源含有大量的畸变谐波,对普通标准系列交流异步电机的绝缘强度使用寿命均会带来不容忽视的严重问题,所以在变频电气驱动装置里必须配备专用变频电机,而这些能由变频器来驱动的变频电机,由于需要在绕组绝缘结构强度、电机构造、通风冷却等方面都作出了重大的有别于普通的三相交流异步电动机的设计改进,使电机的价格大幅度提升,一台同样功率的变频电机的价格是普通三相交流异步电动机的3倍以上,如此高价格的电动机,外加一台价格不菲的变频器,因此是一味追求生产装置的技术先进性还是要兼顾生产装置的成本,显然是任何一个决策者都非常棘手的难题,这也是为什么变频变压调速技术的先进性如此明显,但使用接触器—继电器有触点控制方式仍占据绝对多数的根本原因。至于方法2)因为改变一次极对数才能得到一个电机转速,因此只有在生产装置按工艺流程所需转速在3种以下才有可能使用方法2)来驱动电机。而方法3)如果采用改变电压来调速一起改变电压而转差率的改变不明显,而且还会使电机的最大转矩下降,因此方法3)几乎不使用。

2 三相交流异步电动机变频变压调速的原则及其常用基本数据

由前述的电机转速公式我们了解到方法1)所述调节f1可以改变电动机的转速,但工程实践中发现,我们不但要调速还须满足电动机在电物理和机械方面的要求,电工学中的感应电动势公式和电磁转矩分别为Eg=4.44f1N1KN1φm 、Te=Cmφm I2’Cosψ,式中N1为电机定子每相绕组串联匝数,KN1为电动机基波绕组系数,φm为电动机气隙中每极合成主磁通;Te为电动机的电磁转矩;CCm为电动机转矩常数;I2’为转子电流折算到定子一侧的电流有效值;Cosψ为转子电路各相的功率因数,因此在改变f1调速时还须顾及电机驱动装置中的其他物理量。为叙述方便,在此再给出异步电动机每相等效电路中每相电压与感应电动势的关系式为:#mathml_id=18# 当电动机按前叙1)方法改变f1对电机进行调速时,当f1很小时,感应电动势会下降,而I1Z1却与f1无关;而当f1比较高时,应电动势Eg较高,则关系式中U1=Eg+I1Z1后一项I1Z1,可略不计,即U1≈Eg现三相交流异步电动机调速实践中依据的是E/f=const 、φ=const 即保证电动机的带负载能力恒定必须使变频器输出的电压与频率之比必须为常数。由于电机定子绕组中产生的感应电动势Eg没有办法直接测量,所以人们想出了用U≈Eg的办法来协调电动机的调速运行,至于当f1很小时,使Eg变小导致因φm变小,使电动机带负载能力下降的问题可适当提高该频率下的输出电压,对补偿电动机定子绕组产生的阻抗电压降,f1越低,补偿的电压值就越大,三相交流异步电动机用U/f=const时的恒转矩机械特性和用E/f=const时的严格控制恒转矩机械特性如图1、图2所示。

由于要保证协调好使电动机能正常调速运行,即对变频器要正确输出补偿电压大小的方法进行探讨,现在工程上有的就是根据已有实际工程经验来进行补偿。如当f1为15Hz时电压增加10%,而f1为10Hz时电压增加20%,这种方法当然也能在实践中行得通,但是比较粗糙,下面为避免繁琐的叙述,我们通过一个具体例子来估算补偿的电压值。

计算示例:

一台三相交流异步鼠笼式电动机拟用VVVF变频变压方式对其进行调速运行控制,电机功率为50k W,f 1额定频率为50Hz,相电压为380V,相电流为100A,额定转速为n=1450r/min,定子绕组每相Z为0.25Ω,根据加工艺,电机在此加工转速下运行时,电动机的工作频率为10Hz即频率系数Kf为0.2,为简略,在这里把阻抗压降替代电阻压降,因为Kf=0.2,所以电压系数也应该为0.2,由此可求电机在f=50Hz下运行时,电机每相满载运行时,每相绕组的阻抗压降I1Z1=100×0.25=25V;每相定子绕阻的感应电动势En=Ue-I1Z1=380V-25V=355V;则依En/f1=355/50=7.1;Eg=7.1×10=71V;而I1Z1不变仍为25V;当工艺需要电动机工作在f=10Hz时,则电机定子绕组电压为Eg+I1Z1=71+25=96V,可以得出的补偿电压值应为96V-76V=20V电压补偿特性示意如图3所示。

图3中所示射线2为没有进行电压补偿运行线,图3中的射线1为例题所估算出补偿20V电压射线,它表示电动机调速运行时依V/f=const协调矩运行时,变频器提供给电动机定子绕组的电压。应在给定电压基础上再加上电机运行在10V频率运行时为了保证转矩不下降而补偿的20V电压即电压在本题给出的参数条件下达到96V方能严格按En/f=const要求恒转矩运行。

3 变频器的类别

变频器是为交流电动机提供电压频率均可调节的一种电气装置,它以国家电网提供的恒压恒频交流电作为母电源,将其转变为人们预定大小的电压和预定高低的频率的电源。目前普遍流行的是交—直—交主电路结构,其技术成熟调频范围大使用元件数量少,而为广大用户认可,它的主电路构成示意如图4所示。

图4中的整流器是三相的,大多数情况却用功率因数比较高的不可控整流电路,整流器作用就是将交流电整流成直流,由于该整流器是由三相六个不可控二极管组成,在整流的直流电压中含有6倍频率的脉动电压,所以整流器后的中间直流环节由图4可知,这台交—直—交变频器是电压型的交—直—交变频器,该直流环节采用大电容滤波,所以经滤波出来的直流电压波型比较平直,在理想情况下可以将此环节看成是一个内阻为零的恒压源波形,呈矩形或阶段波,实质是6倍频率的整流后的脉动电压及后面的逆变器环节产生的脉动电流也使直流电压产生起伏并经过大电容的吸收,在这类变频器中用大电容还能在整流器及逆变器之间起去耦作用,即清除突电压、还起到储能作用,又称支撑电容,不管叫什么名称,希望就是电容量越大越好,当然受到成本的约束;如果图4中的中间直流环节不是大电容,而是大电感,则这类交-直-交变频器就不是电压型变频器了,而是电流型变频器。

交—直—交变频器是技术最成熟的产品,因图4只是该类变频器主电路的一个示意简图,下面再给出交—直—交变频器具体的主电图如图5所示。

图5所示变频器是典型的用于地铁轻轨车、电车等成熟的驱动技术图,由于地铁轻轨等交通车辆所需动力直流电源都是由直流牵引变电站提供的,所以该图没有整流器部分,所谓PWM变频器说法中的PWM指的是变频器中的逆变器中的逆变电路的开关方式。PWM控制是Pulse Width Modulation即脉冲宽度调制控制的简称,它不同于变频器开关电路控制的PAM控制,是分别对整流电路环节进行控制,在逆变器电路环节对输出频率进行控制的控制方式。PWM控制是整流器环节部分采用不可控方式以提高功率因数,而对逆变器环节的逆变开关同时进行调压和调频进行控制的方式。 PWM控制方式可以减少变频器输出中的高次谐波、输出转矩平稳、控制电路简单及工作可靠,它是变频器中使用最广泛的逆变器开关电路控制方式,图5中的大电容Cd即为图4中的中间直流环节,说明图5所示变频器为电压型变频器大电容在这个变频器中起着滤波和储能的作用,也对逆变器中的VT1~VT6电力电子开关GTR晶体管的工作电压起着支撑作用,以保证电力电子开关器件能可靠工作,所以C大电容也叫支撑电容,它还能使电动机在进行电制动时产生的泵升电压起到缓冲作用以保护GTR电力电子晶体管不被瞬间击穿,VT1~VT6在逆变电路中起续流作用,与其相邻的R、C为VD阻容吸装置,其功能是限制电力电子开关管工作中产生的过高的电压上升率dv/dt对GTR产生的破坏作用。图5中的R7和VT7在电动机发生再生制动时对再生电压进行限制。当再生电压使Ud抬升到设定值时,VT7接受到开通触犯发信号而导通,发电制动产生的泵升能通过制动电阻R7上消耗掉从而避免了电力电子开关管被击穿的可能。理论上说变频器功率越大,支撑电容Cd的容量也越大,并且越大越好,当然也要考虑投资成本及设备是否有充分的安装空间,特别是对地铁轻轨等交通运输车辆这类安装非常紧凑的设备,并且一般还要看散热空间不充分的问题,应周密考虑各种技术方案。

4 轴电压

1)变频器工作时产生轴电压的原因:轴电压是指电动机两端之间或者轴与轴承座之间所产生的电压,它是由于环绕电动机主轴的磁路不平衡所引起的定子磁场不平衡,是由定子铁心因制造时尺寸不对称超差使磁路局部磁阻增大或电子定转子气隙不均匀而造成的,这类不均匀、不对称会因电力电子开关的高速通断从而在电机轴上感应用电动势。变频调速技术发展到今天,至少在中国由变频器供电源的电动机,其轴承必定要配置绝缘轴承,即在轴承内外套圈与钢珠滚道上喷镀一层薄膜层,以切断由轴电压而产生轴电流的流径通道,从而避免因电流腐蚀而导致的轴承过早失效,同时因摩擦及静电积累也是产生轴电压的因素,这时可加装接地电刷消除静电,应该说传统有接点电传动的电动机也产生轴电压,但因含有畸波谐波电源进行电气传动时,比工频电源传动时会产生更大的轴电压,对于中小容量的用工频电源驱动的电动机用滚动轴承支撑电机轴而产生轴电压,一般轴电压值可在300m V,不需处理,而在用变频器提供电源驱动的电机时,一般都要采取防护对策,否则会因当轴承油膜绝缘被破坏,将在轴承表面产生电流痕迹、麻点等电蚀现象,所以我国的VVVF电传动系统中都要采用绝缘轴承,以切断轴电流的通路。

2)由工程实践,当轴电压小于0.3V为正常,轴电压达到0.5~1.0V将产生有害的轴电流,大于2V时,将不能使用。在用PWM逆变器供电的电动机中极严重的情况时产生的轴电压可达20~30V。

5 电力电子器件

1958年美国GE公司发明研制了固态的单向开关,现在60年后回顾电力电子半导体开关的发展历史来看,电力电子学科的创立发展,就是以可控硅的问世为源头使各类电子开关相继问世,促使三相交流异步电动机进入调速革命辉煌顶峰。SCR可控硅、MOSFET功率场效应晶体管、GTO门极可关断晶闸管,直到由集功率场效应晶体管和GTR功率晶体管,集两者长处的绝缘栅双极型晶体管IGBT的出现,几乎霸占了中小型容量的调速系统。只有在大功率高电压变频调速系统中,SCR可控硅及GTO门极可关断晶闸管还占有一席之地,在这些电力电子半导体逐步改进完善的过程中,也伴随着以这些电力电子开关技术支撑的各类变频器从V/f、E/f、矢量型变频器直到直接转矩控制等变频器技术也在从初级到高级,从简单到完善的进化。将变频调速技术不断在地铁、轻轨、高速列车动车及各类工业经济领域各种调速系统中,极大地推动工业技术飞速发展,经济财富的高速积累,集成技术的发展是电力电子和控制技术以一个里程碑式的技术高峰。IGBT绝缘栅双极型晶体管IGBT由于集场控器件和又极型器件低通态压降、电压利用率高的优势使IGBT仍将处在电力电子技术的中心地位。

6 变频电动机绕组绝缘

通常认为电动机运行寿命与电动机绕组的绝缘材料的寿命有极大关系,特别是由变频变压电压驱动的三相交流异步电机,甚至可以将其运行寿命和绝缘材料本身寿命画上等号。绝缘材料多年使用后受电机运行的温升的影响及电晕放电,加上电动机启动及工作中的电磁力振动力的影响,使绝缘材料受到机械应力影响,产生疲劳破坏,导致绝缘劣化。而当三相交流异步电动机用于变频器供电的调整系统中时,电动机的绕组绝缘材料的有效寿命更是缩短,在前文已提到变频器提供的电源和国家电网提供的工频电源不一样,前者提供的电源中含有大量的高次谐波,这种电源将使电机的运行温升比在工频电源下运行的电动机运行温度要高约20%,而从事电工行业的人都了解热量对绝缘材料有效寿命有巨大的杀伤力,即温度每升高10℃,绝缘材料寿命低一半。可见在变频器提供的变频变压电源下,电动机的寿命更是不容忽略,要采取一些对策,如用于变频调速运行下的变频电机的绕组内部埋设温度传感器,以便对运行中变频电动机的运行温升时刻都要处在严格控制之中;再针对变频电动机在f1很低时冷却效果恶化的现象,变频传动调速的电动机使用的绝缘材料比普通电机所用的绝缘材料要贵几十倍,这也是造成变频电机成本远高于一般传统电机的主要原因。

7 结束语

由全文所述,交流电动机进入调速传动领域以来,从三相交流异步电动机的优异性能及工程实际来看是令人满意的,但是一个调速系统是否可行,需要考虑的问题很多,由于三相交流异步电动机所用的电源不是国家市电提供的标准50Hz工频电源,而是由变频提供的非标准性工频电源,这个变频器是一个须多投资的一笔费用,特别是变频电机价格远比交流电动机价格高几倍,因此变频调速系统的高昂价格是用户需要慎重考虑,生产领域中根据生产工艺流程来看,使用普通三相交流电动机还是能胜任的并非一定要最先进的调速系统,才能满足生产需要。用户应周全考虑既便宜又能满足生产工艺要求,无须不计成本地一味追求最先进技术。

摘要：随着20世纪80年代发明的交流变频技术成为一项成熟的电机驱动技术以来,从未进入到工程调速领域的交流电动机进入到调速技术领域,特别是在干线机车传动,地铁交通、动车传动方面更是出现了非VVVF技术不用的现象,但是从经济领域及全社会各部门使用三相交流异步电动机的庞大数量来说,使用变频变压技术来驱动三相交流异步电动机数量可以说是微乎其微,如此完美先进的驱动电机技术为何在生产领域中得到实际运用的电机数量却又如此之少呢?产生这种矛盾的局面和原因又是什么呢?本文将从技术、经济、使用保养方面作准确简洁分析。