变频器在节能领域的应用毕业设计论文

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1、 河南工业职业技术学院（论文） 河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文）题 目: 变频器在节能领域的应用班 级:机电1003班 姓 名:王江龙 指导教师:张国同摘要随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着

2、电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。关键字： 节能，变频器 目录摘要1第1章 绪论11.1变频器的应用11.2变频器与节能11.3 国内变频技术的现状和发展前景2第2章 变频器的现状及其未来的技术发展32.1变频器的发展历程32.2 变频器的现状42.3变频器的变频技术的现状52.4变频器的节能市场分析62.4.1 节能是变频器的重要领域和潜力市场之一62.4.2节能及能量反馈72.4.3变频器的工艺调速市场分析92.4.4变频工艺控制系统的优点1

3、0第3章 变频器简介133.1 变频器基础133.2 变频器基本原理143.3 变频器的分类143.4 变频器控制方式15第4章 常用变频器介绍及应用领域174.1 常用变频器简述174.2 变频器的应用的领域18第5章 变频器在恒压供水领域上的应用225.1 供水系统的基本模型22第6章 恒压供水系统设计246.1恒定供水变频调速控制系统设计要点246.1.1变频器的容量246.1.2电动机的热保护246.1.3主要的功能预制246.1.4系统主要特点256.1.5系统硬件配置256.2电气控制系统原理图276.2.1 主电路图276.2.2 控制电路图286.2.3变频器外围接线图296.

4、3 系统功能简介296.4 系统的PID设定336.5所用PLC元器件3335 河南工业职业技术学院（论文） 第1章 绪论1.1变频器的应用变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。1.2变频器与节能变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2003年

5、的中国电力消耗中，6070为动力电，而在总容量为58亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变

6、频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。 作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。1.3 国内变频技术的现状和发展前景 国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原

7、因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，19951997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金35亿元，改造

8、总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系

9、统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。 第2章 变频器的现状及其未来的技术发展现在，变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。目前市场上新型变频器品牌繁多，各有千秋。通过分析发现，这类变频器有许多共同点。下面对变频器的发展史及现状和其未来的技术发展方向进行分析介绍。2.1变

10、频器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。20世纪50年代末，美国通用电气公司推出了电力半导体组件晶闸管（可控硅SCR），给变频技术提供了划时代意义的基础硬件。进入70年代，由于直流电机的调速局限性，交流电机越来越受到人们的青睐。随着市场需求的增长，技术也日益发展和完善。1971年，美国、德国提出了矢量控制技术，使得变频器的交流调速性能可以和直流调速相媲美。1973年，美国提出了电力电子技术这一新的技术学科，其最大应用领域就是调速传动。1979年，日本采用矢量控制的变频调速系统开始实用化，技术又上了一个新台阶。到了20世纪80年代，由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步，变频

11、器性能及可靠性提高，生产成本下降，其应用开始普及。几十年间，电力电子器件也从最初的SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管），经过BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管），发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使变频器的应用领域更为广泛，市场规模随之迅速扩大。步入20世纪80年代，全球变频器技术变革速度加快，走向成熟的变频产品被广泛应用在国民经济的各个行业领域。随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为变

12、频器产品提供了越来越大的市场空间，然而时至今日，国内变频器市场还可以说是外国人的天下，日系和欧美瓜分了80%的市场份额，但近年来台湾变频品牌也有一些强势表现，国产品牌总体仍处于弱势。国产变频曾经落后国外“1015年”，近几年的奋起直追下，不仅在技术上有了很大突破，多家国产变频的发展也同国际接轨，具备了相当的企业竞争力。英威腾,易能,安邦信,智光电气等国产变频厂家，凭借价格优势，开始占据越来越多的市场份额，但不可否认真正决定国产变频是否具有竞争力的核心因素还是技术水平。2.2 变频器的现状我国50%一60%的发电量用于交流电动机，而容量在3kw以上，额定电压一般为3一10kV动机占电动机总装机容

13、量的40%一50%。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化，落后于国外发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的电能，因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。世界上各大知名的电气公司，如西门子、ABB、AB、AEG、东芝等，都在这一领域展开激烈的竞争，投入大量的人力、物力和财力，开发研制高性能的产品，以抢占我国中压大功率变频器的市场。国家计委预计在今后十五年内，使我国变频器总需求的投资额在500亿元以上，而其中60%一70%是中压大功率变频器。我国的高压变频器市场具有其特殊性，包括：(1)行业性很强，主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行

14、业。在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34%；化工占14.73%；冶金占14.18%；机械建材占10.96%；供水占10.53%(2)目前全国各行业中，只有少数企业的高压电机使用了调速方式，市场空白点多。(3)高压变频器属投资类设备，主要用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。如政府推广力度较大，市场启动会快一些，反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内某些行业的整体经济效益好坏的影响。因此在未来市场发展过程中仍存在着一些不确定的因素(4)海外公司的知名品牌产品大举进入我国市场的可能性较大，各方应有所准备。2.3变频器的变频技术的现状

15、交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.60.7，而且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。交一直一交变频采用了多种拓扑结构，如中一低一中方式，其实质上还是低压变频，只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。

16、由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍广泛应用。随着中压变频技术的发展，特别是新型大功率可关断器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等的自关断元件，其中GTR应用最为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下，必须提高开关频率，为此，GTR满足不了这个要求，于是开发出了一种新元件IGBT。IGBT的全称是绝缘栅双极晶体管，是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极/M05复合器件，IGBT具有输入

17、阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种极理想的开关元件。目前，电流2400A、电压3300V、开关频率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范围内使用。IGBT不仅用于500V以下低压变频器，还可以用于I000V以上高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器采用多电平逆变器输出高压，也可用变压器降压低压变频器-变压器升压的方式。由于IGBT具有性能特好的优势，预计近十年内不会被新开发的元件所取代。2.4变频器的节能市场分析2.4.1 节能是变频器的重

18、要领域和潜力市场之一 电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一，国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。在“十一五”期间，我国将实现电机系统运行效率提高2个百分点，形成年节电能力达200亿千瓦时的目标。 据估算,我国电动机总装机容量约5.8亿千瓦，占全国总耗电量的60%70%。其中，交流电动机占90%左右。目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3%5%，风机和泵的效率要比发达国家低2%3%，整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近20%。如果按电动机总容量的10%进行调速改造，按年平

19、均运行4000时、节电率20%25%计算，年节电潜力为320亿400亿千瓦时。加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机可带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿千瓦时，相当于10000兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。由此可见，电机系统节能是目前中国节能市场上最具商业潜力的领域。众所周知，风机和水泵是变频器节能的重要领域和潜力市场领域，其使用量占据变频器市场份额的半壁江山。2.4.2节能及能量反馈 采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。我们知道，提高效率主要有两个重要途径： 第一个途径是通过变频调速技术及其优化控

20、制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量；第二个途径则是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，在这个途径中既可以节能降耗，又可以实现电动机的精确制动，提高电动机的动态性能。通用变频器大都为电压型交直交变频器，三相交流电首先通过二极管可控硅整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁

21、正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管可控硅整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。 （1）将反馈到直流回路的能量以制动电阻的热能消耗掉的缺点 在这种情况下，要实现四象限运行只能通过外接制动单元和制动电阻来实现，也就是说将反

22、馈到直流回路的能量以制动电阻的热能消耗掉。所以说，这种制动方式又称为能耗制动。该方法虽然简单，但有如下严重缺点: 浪费能量，降低了系统的效率； 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作； 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高（制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。正是由于能量反馈在实现上的难度系数大，很多用户甚至将此不作为节能看待，这是一个危险的信号。 （2）能量回馈系统的特点 能量反馈系统在实际运行中主要有二种方式：单独的能量反馈装置和能量回馈技术的新发展双PWM控制技术。 所谓能量反馈装置，就是把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围

23、装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。能量回馈单元的作用，就是取代原有的能耗电阻式制动单元，消除发热源，改善现场电气环境，可减少高温对控制系统等部件的不良影响，延长了生产设备的使用寿命。同时由于能量回馈单元，能有效的将变频器电容中储存的电能回馈2040左右。 能量反馈单元具有如下特点：1、降低运行成本，包括减少电能损耗、提高功率因数、改善电网运行质量等；2、 提高制动能力，如果以传统的标准制动电阻器与变频器的组合，制动力矩大约为120%额定力矩/10s，10%ED；而VS-656RC5与变频器的组合，制动转矩则提高到150%额定转矩/30s或者100%额定转矩/1min（25%

24、ED）或者80%额定转矩/连续再生。送给交流电网，供周边其他用电设备使用，则可节约生产用电，一般节电率可达20%。（3）双PWM控制技术 双PWM控制技术的工作原理:当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。 双PWM控制技术

25、打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。 无论是能量反馈单元和双PWM控制方式都能将能量反馈会电网，形成节能降耗、清洁生产的良好局面，其在变频器节能领域的占有率将从目前不到3快速上升到15%。2.4.3变频器的工艺调速市场分析 目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高。但随着中国加入WTO，产品质量和生产效率都需要面临国际竞争，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度

26、控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用，其市场容量占到整个变频器市场容量的1/3左右。 应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量，同时减轻了人工的劳动强度、提高了生产效率，可以说，变频器在纺织、食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业的应用前景和发展潜力都不可小觑。 比如应用在传送带上的变频工艺控制系统，它采用一台变频器驱动生产线上的多台传送带电机，根据所生产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下3个优点：（1）提高生产率，通过设定变频器的频率，可控制传送带生产线的速度，从而达到了提高生产率达目的；（2）可利用现有设备，可利用现

27、有传送带上的齿轮马达和现有的传送带进行改动； （3）可用一台变频器来控制多数电动机的驱动，这些电动机均并接到一台变频器上，通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同步运行。2.4.4变频工艺控制系统的优点变频工艺控制系统的优点在于它能大大地提高工艺的高效性，因为其变速不依赖于机械部分，具体表现特征如下：（1） 控制电机的启动电流 当电机通过工频直接启动时，它将会产生78倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使

28、用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。这个对于输送带的起停控制、多段速控制尤其有效，由于电机经常处于开关或绕组切换状态，使用了变频器后，就可以保证电动机的运行寿命。（2）可控的加速功能变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。（3）可调的运行速度运用变频调速能优化

29、工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。（4）可调的转矩极限通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到35左右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。（5）受控的停止方式如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。（6）

30、可逆运行控制在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。（7）减少机械传动部件 由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间, 提高稳定性。当然，使用变频器进行工艺控制，其优点还有很多，根据不同的工艺控制选择不同的变频器运行方式，所产生的效果也不一样。第3章 变频器简介3.1 变频器基础（1） VVVF是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就

31、是人们所说的变压变频。（2） CVCF是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95左右。无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V， 三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相

32、200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形

33、进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的1520倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。3.2 变频器基本原理简单地讲，变频器是利用交流电动机的转速与所供交流电的频率成正比的原理，改变电动机的供电频率从

34、而达到改变电动机转速的目的。变频器通常采用交直交的方式，即先由交流电整流成直流，通过计算机芯片的运算，控制电力逆变元件，如GTR（大功率晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型功率管）等，将直流电源逆变成新的频率与电压的交流电源，从而达到控制电动机转速的目的。 3.3 变频器的分类 按照不同的分类标准，变频器可以分为若干类别。按照主电路工作方式分类，可以分为电压型和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM、PWM控制变频器；按照工作原理分类，主要分为V/F控制变频器、转差控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，主要分为通用变频器、专用变频器等。 另外，按照变频器所控制电动机的电压等级，变频器

35、可以分为低压(110V，220V，380V等)、中压(660V/690V，1140V，2300V)和高压(3KV，3.3KV，6KV，6.6KV，10KV等)变频器，高压变频器通常采用IGBT多级串联的技术，而中压变频器和低压变频器不需要，由于这一技术方面明显的分界线，使得业内人士通常把中低压变频器归为一个大类，和高压变频器分开。3.4 变频器控制方式 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展。自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德

36、州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。变频器的控制方式可以分为非智能和智能控制。其中，非智能控制方式包括V/F控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等；智能控制方式包括模糊控制、人工智能控制、专家系统等，目前还处在理论探索阶段，市场上尚没有相关产品。本节主要简要介绍目前市场上主流应用的几种控制方式。 （1）V/F控制方式 早期变频器一般采用V/F控制方式，如东芝TOSVERT130系列、FUJIFVRG5P5系列，SANKENSVF系列等系列变频器，大多数为开环恒压频比（VF=常数）的控制方式。它是基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电机的磁通量不变的思想提出的。

37、其优点是控制结构简单，尤其适合应用在风机、水泵上，缺点是低速时因电机定子电阻和逆变器死区效应的存在而调速性能下降、转矩响应慢，比较适合应用于对低频调速性能要求不高的场合。（2）转差频率控制 它是一种直接控制转矩的控制方式，是在V/F控制的基础上，根据已知的异步电机的转速对应的电源频率以及希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，以控制电机的输出转矩。利用转差频率控制方式，需要在控制系统中安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，是一种闭环控制方式，使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 （3）矢量控制 电流矢量控制方法，也称转子磁场定向控制，该方法于

38、70年代提出。矢量控制方法实现了电机转矩和磁场的独立控制，使交流电动机的控制性能可以和直流电动机相媲美，开创了交流调速和直流调速相竞争的时代，典型产品如德国西门子的6SE70通用型系列。矢量控制方法发展至今，以其优越的控制性能，在变频器行业得到了最为广泛的应用，国外的高性能变频器普遍采用矢量控制方法。 （4）直接转矩控制 1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。该方法可以实现很快的转矩响应速度，其控制性能可以和矢量控制相媲美。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列是该控制方法的典型产品，但目

39、前直接转矩控制技术在变频器行业未得到普遍使用，迄今为止仍只有ABB一家推出。第4章 常用变频器介绍及应用领域4.1 常用变频器简述交流变频器在我国经过了十几年的发展，在产品种类、性能和应用范围等方面都有了很大的提高。目前，国内市场上流行的通用变频器品牌多大十几种，(如欧美国家的品牌有西门子、ABB、Vacon（瓦控）、DANFOSS(丹佛斯)、Lenze（伦茨）、KEB(科比)、C.T.（统一）、欧陆、Moeller(金钟默勒)、Schneider(施耐德)、SIEI（西威）等，日本的品牌有富士、三菱、安川、三垦、日立、松下、东芝、明电、春日、东洋等；韩国LG、三星、现代；港澳台地区的品牌有普

40、传、台达、台安、东元、正频、宁茂、九德松益、爱德利等；国产的品牌有康沃、安邦信、惠丰、森兰、阿尔法、时代、格立特、海利、佳灵、富凌、英威腾等。欧美国家的产品以性能先进、适应环境性强而著称；日本产的产品以外形小巧、功能多而出名；港澳台地区的产品以符合国情、功能简单实用而流行；而国产的产品则以大众化、功能简单、功能专用、价格低廉的优势广泛应用。目前。在工业中使用的变频器可以分为通用变频器和专用变频器两大类，衡量通用变频器性能的主要指标有控制方式、启动转矩、转矩控制精度、速度控制精度、控制信号种类、速度控制方式、多段速度设定、载波频率、频率跳跃功能、通信接口等。新型的通用变频器基本都具备这些功能，其

41、功能、操作、维护及应用方面均基本相似，差别仅在于不同品牌的通用变频器有其特定的定义及独特之处，但用户不一定全用到这些性能指标。而是根据需要选择能满足需要的功能及指标，并以此作为衡量选择通用变频器的标准。随着通用变频器的功能增多，通用变频器的应用范围日益广泛，使用者可以通过通用变频器的数字操作面板进行操作，也可以用远程操作板进行操作，还可以通过可选件的操作面板进行扩展功能的设定和调整；另外，可以使智能端子进行数字或模拟设定，用可编程控制器或通过个人计算机进行控制，还可以通过现场总线进行控制等。新型的通用变频器一般具备有标准通信接口，用户可以利用通信接口通过上位机监视、控制现场的通用变频器。通用变

42、频器的性能虽然日臻完善，但从产品和实际应用上看，中小容量通用变频器的主流仍以U/f控制方式为主，目前市场上销售的通用变频器大都将其列为通用型机型。矢量控制方式通用变频器以进入实用化应用阶段并普及应用，早期的矢量控制方式变频器需要与专用电动机配套使用，这是由于其性能依赖于电动机参数的准确性，新型无速度传感器矢量控制方式通用变频器具有参数自适应功能，能自动辨识电动机参数，并进行跟踪控制，因此，可保证系统工作在最佳状态。无速度传感器矢量控制方式通用变频器的技术关键是通过检测的电压和电流修正电动机模型、估算电动机的速度，并作为矢量控制所需的速度，并作为矢量控制所需的速度信息，间接地对磁通进行控制。因此

43、应用时需要正确的将电动机的铭牌数据输入到通用变频器中，以便通用变频器能够正确辨识和计算所需参数。为了改善矢量控制方式通用变频器的速度控制特性，广泛采用了32位数字信号处理器，将采样时间缩短到100um以下，针对转子电阻的影响，采用了新的控制策略和参数自动识别，即具有参数自整定功能。无速度传感器矢量控制方式通用变频器在某些场合以达到可代替直流电动机调速的需要，应用领域包括各行业的输送机、给料机、搅拌机、研磨机、粉碎机、切纸机、压延机、挤压机、阀门、压缩机、冷却塔、塑料机械、电梯、起重机、输油管道、各种纺织机械等。带速度传感器矢量控制方式通用变频器主要应用于大容量电动机的低速控制及一些有特殊要求的

44、应用场合。4.2 变频器的应用的领域（1）变频器在化工行业的应用变频器应用到自动提取液化气系统设备改造上，解决了对电网冲击大，人工操作的繁琐，而最重要的是节能节电以及实现自动化提取液化气系统。据统计，每个月可节电40%左右，照此推算半年就可以回收成本，效果十分显著。（2）变频器在塑胶机械上的应用在塑料产品的生产过程中，由于塑料的特性，产品的规格繁多和生产工艺的要求不同，所以，很多的地方都需要对生产机械进行调速，随着电力电子技术的迅速发展，变频调速的技术已经成熟，变频调速器已广泛应用在国民经济各行业之中，它的平滑的无级调速，高可靠性，高精度，而且节约电能，可以提高自动化水平等优点，在一定的程度上

45、提高了塑胶机械的自动化水平，推动了塑胶行业的发展。 （3）变频器造纸机械上的应用造纸企业是高能耗企业每吨纸所耗电能在500度以上，电能消耗十分严重，从设备和类型看50%以上为风机、泵类负载，而这些设备目前基本上是采用阀门或挡板来调节风量或液体流量的，大量的能量消耗在阀门或挡板上，采用变频器进行调节，可以大量减少损耗，节约电能经济利益十分明显，值得企业大力推广。（4）变频器在注塑机节能中应用注塑机是对各种塑料进行加热、融熔、搅拌、增压后，将塑料流体注入模具控内，完成工件一次注塑成型的设备，它的工序过程基本是相同的，大致可分为7个工序过程：锁模、射胶、保压、熔胶、冷却、开模、顶针每一个工序都需要不

46、同的压力和流量，也就是说被加工的工件不都是在最大压力或流量下工作的，其压力和流量是靠压力比例阀和流量比例阀来调节的，通过调整压力或流量比例阀的开启度来控制压力和流量大小。然而，油泵电机在恒速运转、各工序中油泵的输入功率并没有多大变化，若用变频器来调节电机(油泵)的转速，来实现对压力和流量的调节，这样既经济又实用。（5）锅炉变频调速技术应用锅炉变频调速的鼓(引)风控制系统：为了提高锅炉风量的控制水平，又能达到节能的效果，采用变频调速方式对风量进行调节，是首选的方案。由于，应用变频调速技术可根据用汽量的变化，随时调整鼓(引)风机的转速，减少了噪音对环境的污染(电机均运行于额定转速以下，风的噪音随之

47、下降)，对提高工业卫生水平起到一定的作用。由于鼓(引)风机长期低于额定转速的状态之下运行，电机及风机的轴承不易损坏，延长了使用寿命，电机的发热量也减少了，维修量下降，停机时间减少，节约了大量的维修费用。（6）变频调速器在油田采油井油机中的应用其一、变频器具有软起动功能，起动时电流较小，对电网冲击小，起动时能耗大为降低。其二、引进变频器控制，可实现设备上、下行程自动识别从而控制抽油机上、下行程的电机运行频率分别可调，以改变抽油机上、下行程的运行速度。亦可对变频器能耗制动进行准确控制，以使变频器更适应该运行工况。加上抽油机冲次的任意调节，可使用抽油机的抽汲参数对不同油进而言更趋合理，当调节适当时，

48、可提高泵的充满系数，减少泵的漏失，从而提高泵效达到增产目的。（7）变频器在中央空调冷却泵上的应用中央空调基本工作原理为采用压缩机强迫制冷循环，将建筑物中的热量通过冷媒(通常为水)转移到制冷剂中，通过冷却塔再将热量转移到大气中，其中循环水的冷却泵和冷冻泵所消耗的能量约占总耗能的60%。空调设备均按设计工况的最大制冷量来考虑的，绝大多数的时间在低负荷情况下工作，因此，使用变频器进行驱动将节约大量的能量。（8）变频器在恒压供水上的应用用变频调速和PLC来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由

49、于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。本系统经多年应用与完善，性能优越，安全方便，深得用户好评。第5章 变频器在恒压供水领域上的应用随着变频调速技术和可编程控制器的飞速发展，以及其应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要装置之一，在工业生产领域得到广泛使用，在其它领域(如民用和家庭自动化)的应用也得到了迅速的发展。由于变频调速技术和可编程程序控制器的应用灵活方便，在恒压供水系统中亦得到广泛的应用。采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID结合

50、，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果以及明显的节能效果。介绍恒压供水之前先要了解供水系统的一些基本特性。5.1 供水系统的基本模型供水系统的基本模型如图5-1所示图5-1 供水系统的基本模型图中：L0水泵中心的位置； h0吸水口的水位； h1水平面的水位； h2管道最高处的水位；h3在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。它可以用来说明水泵的泵水能力，在真实的管道系统中，这个位置并不存在，因而是虚拟的。这是因为，水泵的泵水能力，只有在大于管道的实际最高位置情况下，才能正常供水。 以往的供水利用阀门调节

51、供水量，此种供水方案经过多年的使用存在种种弊端，有如下问题制约生产的安全、稳定运行：(1) 用户的用水量随季节、时间的变化而变化，使供水量难以控制；而整个供水系统为能满足最大供水量的要求，做出了较大的设计余量，这样使得在用水量较低时浪费了大量的电能。(2) 操作人员频繁增减泵的运行台数或者通过调节阀门来保持水量的平衡，这样不但增加了操作人员的劳动强度，而且难以保证供水压力的恒定，影响了供水质量。(3) 频繁开启水泵增加了对点击泵的机械冲击，缩短了它们的检修周期和使用寿命，增加了设备的检修费用，尤其是当大容量水泵启动时引起的电压波动会对其它设备运行带来不良影响。 而采用变频调速控制的恒压供水可以

52、解决上述问题图5-5 自动恒压供水系统原理图第6章 恒压供水系统设计6.1恒定供水变频调速控制系统设计要点 6.1.1变频器的容量一般地说，当有一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水的供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的裕量。6.1.2电动机的热保护虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，而升速、降速的电流可能略超过电动机的

53、额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升速、降速而累积起来的温升，变频器内部的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以，应采用热继电器来进行电动机的热保护。6.1.3主要的功能预制（1）最高频率：应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。（2）升速、降速时间：在采用PID调节器的情况下，升速、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动实效。6.1.4系统主要特点该恒压供水系统各部分的主要特点与功能：（1）操作台：实现系统操作控制及参数的

54、设定与显示，该系统的操作台为电控柜。（2）可编程序控制器：完成供水网的压力信号和操作控制信号的输入，以及PLC的控制输出，实现对一台变频器的调速控制。（3）变频器：具有手动和自动调速功能。（4）切换装置：由继电器、接触器、开关等组成，实现1台变频器控制3台泵机的切换，以及在变频器故障时，旁路泵机到工频运行。该控制系统控制方案既不属于“所有的水泵仅配一台变频器”的方案，又不属于“每台水泵配一台变频器”的方案，是一种混合型方案。6.1.5系统硬件配置目前市场上销售的PLC、变频器、软启动器品类繁多、价格迥异，出于经济原因以及运行维护等方面的原因，经过市场调查特选用西门子S7-200 CPU226型

55、可编程控制器以及一块8路数字量输入扩展模块EM221，台达VFD075M23A变频器。控制系统的I/O点及地址分配如下：表6-1输入点代码和地址编号 表6-2输出点代码和地址编号名称代码地址编号手动和自动运行SA1I0.1开始SB1I0.2变频器报警信号I0.3消防按钮SB3I0.4水压（上、下限）I0.5I0.6水位自动和手动控制SA2I0.7I1.0水位上、下、下下限I1.1I1.2I1.31#泵变频、工频运行LW1I1.4I1.51#泵起停SB4SB5I1.6I1.72#泵变频、工频运行LW2I2.0I2.12#泵起停SB6SB7I2.2I2.33#泵变频、工频运行LW3I2.4I2.5

56、3#泵起停SB8SB9I2.6I2.7消铃按钮SB10I3.0压力传感器模拟量电压值UpAIW0名称代码地址编号运行指示灯HL0Q0.01#泵变频运行接触器KM1KM2Q0.12#泵变频运行接触器KM3KM4Q0.23#泵变频运行接触器KM5KM6Q0.31#泵工频运行接触器KM2KM4FR1Q0.42#泵工频运行接触器KM4KM5FR2Q0.53#泵工频运行接触器KM6KM7FR3Q0.6消防指示灯HL12Q0.7生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.1变频器故障报警指示灯HL19Q1.2报警电铃HAQ1.3控制变频器频率电压信号VfAQW0进水阀继电器KA1Q1.06.2电气控制系统原理图电

57、气控制系统原理图主要包括主电路图、控制电路图及变频器外围接线图。6.2.1 主电路图如图6-1所示为电控系统主电路。三台电机为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵的电机过载保护用的热继电器， QF1、QF2、QF3为三台电机主电路的断路器（检修电机用），FU为主电路的熔断器，VVVF为台达M系列变频器。 图6-1主回路电气原理图6.2.2 控制电路图如图6-2所示为电控系统控制回路。控制方式分自动和手动两种方式，由SA1进行切换，水位控制也分自动和手

58、动两种控制方式，由SA2进行切换。每台水泵均有两种运行方式，由LW进行切换。Q1.0接变频器启动输入端子，M0、M3、M4、M5分别为变频器的多段速运行输入端子。图6-2控制回路原理图6.2.3变频器外围接线图图6-3为变频器外围接线图，其中BFB为无熔丝断路器，目的是防止启动电流过大损坏变频器，也可以装设漏电断路器。M0、M3、M4、M5分别接PLC的Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4的输出端子。20mA的电流表作为模拟电流输入的指示，蜂鸣器作为变频器故障指示。图中的E接地的目的是避免高压突破冲击以及噪声干扰。对于供水这样频繁启动的场合必须加装制动电阻。图6-3 变频器外围接线图6.3

59、系统功能简介该恒压供水控制系统采用1台变频器控制3台离心式水泵的方式，即只有一台水泵在变频运行，其它2台做工频运行，其二次供水系统结构如图所示 ：图6-4 二次供水系统在供水系统中水泵运行和蓄水池水位均由电控柜进行控制，该系统采用变频器、可编程序控制器以及水压传感器、水位传感器和智能型数字显示控制仪表等器件，运行状态指示清晰，操作方便，不但供水压力稳定而且可以节约电能，降低运行费用。电控柜外部接线图如图6-5所示。 图6-5 电控柜外部接线图该系统具有“手动”、“自动”、“消防”等三种供水方式，储水池水位也能有效控制，电控系统的工作原理及其操作方法扼要叙述如下：（1）水泵运行控制 水泵运行方式

60、设置通过三只万能转换开关LW1-3（见图5-1）选择水泵工作方式，将其分别设定为“变频”、“备用”、“工频”三个档位之一。就整体而言，变频、工频、备用这三种不同状态只能分别设置一台水泵，如果有两台以上的水泵选择了同一种工作状态，则控制柜上方“系统运行”黄色指示灯HL0闪亮，系统无法投入运行，提示值班人员应调整设置，如设置正确则HL0常亮，表明控制系统可以正常工作。（2）手动控制方式 将“运行方式”选择开关SA1置于“手动”档位，其上方黄色指示灯亮，值班人员操作三台水泵的“起动”（绿色）或者“停止”（红色）按钮，便可直接控制水泵的运行状态，非常方便。水泵由变频电源供电时，相应的蓝色指示灯亮，水泵

61、由工频电源供电，相应的白色指示灯亮，备用泵不参加运行。（3）自动控制方式 将“运行方式”选择开关SA1置于“自动”档位，上方蓝色指示灯亮。控制柜上装有压力数字显示控制仪WP，其压力上限、下限已预先设定，面板上还有一只电压表，用表指示变频器输出频率，这只电压表满刻度时的频率为50Hz。 值班人员按下上面的绿色按钮SB1，首先是变频泵启动运行，由于这台水泵是由变频器供电的，当用水量增加时，供水压力将上升，通过变频器内部的PID调节器的作用，使变频器输出频率上升，水泵转速自动提高以维持水压恒定；反之，当用水量减小时，水泵转速又会自动降低，水压不会下降，水压的给定值通过多圈电位器VR（见图6-3）调节

62、。当用水量增加时变频器已达到其设定的最高输出频率（50Hz）,供水压力降至下限且维持一定的时间，工频泵会自动投入运行；当用水量显著增加时，供水压力再次降至下限时，则备用泵也回投入运行。当用水量逐步减少时，供水压力升高至上限，则备用泵，工频泵便依次退出运行，由变频泵维持正常供水。综上所述，采用自动运行方式时，供水压力将在设定的上限、下限之间波动，变频泵连续运行，工频泵、备用泵则在用水高峰期参加运行，不须值班人员管理。 按下红色按钮SB2（见图6-2），全部水泵均停止运行。（4）水泵退出运行 当某台水泵需要进行检修不能使用时，应将其置于“备用”状态，打开柜门将其供电开关（QF1-3之一）断开，这台水泵的电源就被完全切断。还要补充说明的时，QF1-3开关具有保护功能，当水泵的电动机发生故障时可以自动跳闸，将电路断开。（5）消防供水 按下