变频供电（精选5篇）
变频供电 篇1
摘要：针对传统渔船电力系统的现状,重点介绍了渔船变频供电技术,同时对渔船变频供电技术的研究、应用及其节能工作原理进行探讨。通过机电一体化设计,采用液压增速齿轮箱、主机轴带发电机,引入变频技术,对渔船供电系统进行全新的设计,达到节能减排的目的。经实船应用测试,推进和供电系统性能稳定,节油效果明显,各项技术指标均达到了设计要求。
关键词：变频技术,渔业船舶,供电技术,节能降耗
目前我国渔船的燃油消耗量已达到800万吨,相当于1 165万吨标准煤[1]。渔船主机燃油耗能占渔船总营运成本的60%以上[2]。随着燃油价格的上涨,渔船的营运成本将会越来越高,降低燃油消耗已成当务之急,这也是渔船降低生产成本、节能减排的重要途经。变频技术如今在家电等领域应用十分广泛,在船舶行业,变频技术在工程船舶上也已有应用[3],但在渔业船舶上至今仍然是空白。为此,我们根据多年对渔船的设计和渔民对渔船的使用经验,对渔船供电系统进行全新设计,引进已经成熟的变频技术,充分利用主推进柴油机轴带发电机[4,5]向全船供电,实现一机多用,降低燃油消耗,从而达到渔船节能降耗的目的。
1传统渔船供电技术分析
1.1传统渔船基本状况
目前,渔船一般都配制制冷装置,包括75 kW制冷压缩机组2台互为备用,5.5 kW冷却水泵2台互为备用,1.5 kW冷风机6台,是船上最大用电设备。为此渔船普遍都设置3台柴油发电机组(200 kW两台、24 kW一台),其中两台200 kW柴油发电机组为全船供电(包括制冷系统),24 kW柴油发电机组作为应急或停泊发电机。在作业时主推进柴油机和其中一台大的柴油发电机组同时工作。主推进柴油机作为作业推进的动力,柴油发电机组作为全船供电的动力,另一台柴油机发电机组作为备用供电组。
为降低造船成本,我国传统拖网渔船均采用固定螺距螺旋桨推进系统,即由主推进柴油机、单速比减速齿轮箱、推进轴系和固定螺距螺旋桨组成的。渔船在不同的工况下工作,需由轮机人员手动或遥控将主推进柴油机的转速调整到对应的工况,如拖网工况,在拖网工况下又分拖底层鱼、中层鱼、上层鱼之分,它们对主推进柴油机的转速要求是不相同的;此外渔船还有进、出港、航行、寻找渔场等工况,所以主推进柴油机的转速波动是很大的,没有一定的规律。因此,渔船通过主推进柴油机带动轴带发电机发电供全船各种电气设备使用是很困难的。
上世纪90年代,我们研制了渔船轴带发电机和强电压调节器,解决了渔船的照明问题,以及主推进柴油机在一定转速范围内部分小型动力设备的使用问题,但没有完全解决渔船整个供电问题。其主要原因是由于主推进柴油机的转速波动范围大,并且不定时,主推进柴油机所带发电机发出的电频率忽高忽低,不能供动力设备使用。要使主推进柴油机所带发电机发出的电能够供全船各种用电设备使用,必须保证电压、电流在规定数值下,频率也需在47.5～52.5 Hz之间,否则将会损毁电动机或电气元件,导致整个供电系统无法工作。
1.2主柴油机转速分析
从以上说明可以看出,频率不稳定是造成渔船主推进柴油机不能使用轴带发电机进行全船供电的主要原因。只要渔船主推进柴油机带轴带发电机能发出一定频率的电,渔船供电问题就彻底解决了。
以现在渔船使用最多的XCW6200ZC渔船主推进柴油机[6]为例,额定转速为1 000 r/min,根据渔船工况,主推进柴油机转速有几种情况:备车状态一般是在400～500 r/min,进、出港状态一般是在500～600 r/min,起网状态一般是在680～720 r/min,拖网状态一般是在790～820 r/min,航行状态一般是在930～950 r/min。据此,我们把主推进柴油机转速情况归纳为3类:a)备车、进出港状态,400～680 r/min;b)起网、拖网状态,680～820 r/min;c)航行状态,820～1 000 r/min。
根据以上的分类,查主推进柴油机的特牲曲线(图1),主推进柴油机在400～600 r/min工作所发挥的功率不能支持螺旋浆、发电机同时工作,只有在680 r/min以上才能发挥出足够螺旋浆、发电机同时工作的需要的功率。因此在主推进柴油机在< 680 r/min (备车、进出港状态)运转时不考虑轴带发电机向全船供电,由船上柴油发电机组供电,只在> 680 r/min(起网、拖网、航行状态)才由主推进柴油机的轴带发电机供电。
根据对转速的分析,虽然转速可控制在一定的范围内,但在工况转换时,频率仍在一定范围内变化,用电设备得不到规范要求的47.5～52.5 Hz的电[7],同时由于转速的变化,发电机所发出的电压、功率也是不同的,为此必须要有一套稳定频率、电压、功率的供电系统。
2渔船变频供电技术设计
根据工况选择主推进柴油机所发挥功率,供螺旋浆、发电机同时工作是没有任何问题的,关键在于要解决由于主推进柴油机转速不同而产生的电频率波动的问题。为此在系统设计时,我们采用了机、电合一的设计方案,即用机械的方式将主推进柴油机输出的转速变化到一定的范围内,使轴带发电机发出频率一定、电压稳定、功率足够的电力,然后经过变频装置将频率调整到47.5～52.5 Hz输送给各用电设备使用。因此,渔船变频供电系统包括齿轮箱、发电机和变频装置3个系统单元,具体设计如下。
2.1齿轮箱设计
根据上述对转速的分类,在a)类转速下,主推进柴油机所发挥的功率不能供螺旋浆和发电机同时工作,同时工作时间又短,因此本设计不予考虑,我们只对主推进柴油机在680～1 000 r/min时进行设计。在此转速下,通过单速比增速箱带动发电机是不能发出47.5～52.5 Hz电的,因此,我们根据主推进柴油机的工况特点,将680～1 000 r/min的转速分成两段,即拖网、起网工况(680～820 r/min)和航行(820～1 000 r/min)阶段,并以此为依据,设计了双速比液压增速齿轮箱,其速比确定为1∶2.005和1∶1.71[8]。在拖网、起网(680～820 r/min)用快档,在航行时(820～950 r/min)用慢档(图2)。这样就可以保证主推进柴油机在拖网、起网、航行工况下,发电机可发出45～55Hz范围内的电力。
本齿轮箱除了带动发电机,还带动两个叶片泵,给液压网机提供动力。这样就可以达到一箱多用的目的,不必再增设液压泵站来给网机提供动力,既节约了建造成本,又缩小了设备的布置空间。
2.2发电机设计
上世纪90年代,我公司与发电机生产企业共同研制轴带发电机和强电压稳压器。当主推进柴油机转速为680～1 000 r/min时,发电机发出的电压稳定在400 V左右,但频率在45～57 Hz之间,频率变化比较大,供给照明系统使用没有问题,一直到现在全国群众渔船仍在使用这种供电系统。由于电频率变化比较大,动力设备不能使用。因此,我们为本系统全新设计了轴带发电机[9](图3),有效地解决了渔船主推进柴油机在不同工况下转速不同、发出的电频率忽高忽低、不能供全船动力设备使用的问题。本发电机采用专用的电压调节器和三次谐波励磁方式相结合,在45～57 Hz(转速1 350～1 710 r/min)能正常工作,具有发电机在高、低转速下保持电压稳定,动态特性好,起动异步电动机能力强的特点。
2.3变频装置设计
要使轴带发电机所发出的电力供全船动力系统使用,必须保证频率在规范规定的47.5～52.5 Hz范围。经多方研究和试验,我们应用先进的变频技术,为本系统设计了一套变频装置[10],安装在每台动力设备之前,将发电机发出的45～55 Hz的电转变为47.5～52.5 Hz的电供动力设备使用(图4)。
3变频供电技术工作原理
渔船在航行工况下,主推进柴油机前端输出转速为820～1 000 r/min,齿轮箱用慢档,速比为1∶1.71;渔船在拖网、起网工况下,转速为680～820 r/min,齿轮箱用快档,速比为1∶2.005;当转速在680～1 000 r/min时,齿轮箱输出转速为1 360～1 710 r/min,这时用来驱动轴带发电机,发电机发出来的电频率为45～57 Hz,再经过变频装置将电频率转换为47.5～52.5 Hz,供各种电动设备使用(图5)。
4试验结果
4.1系泊试验
根据试验大纲提出的要求,对轴带发电机进行了负荷试验,结果见表1。测试结论:试验过程中,主柴油机转速稳定,发电机电压稳定,各工况下工作正常,并车转换运行灵活可靠。
4.2航行试验
根据试验大纲要求,在航行状态中,在满负荷转速下试验主柴油机和轴带发电机的工作状况。由于在航行状态下不能作水阻,只能将全船所有用电设备打开,设备标称功率如表2。测试结论:主柴油机在不同工况下运行,主配电板上的功率表显示为160 kW,发电机运行平稳,变频系统工作正常。同时,测试过程中,船舶航速也达到了设计要求,没有受到任何影响。经系泊试验和航行试验的检验,渔船变频供电系统满足标准和规范[11,12,13],达到设计要求。
5效果分析
5.1减少设备降低船舶造价
应用变频技术的供电系统,主机轴带发电机组替代了200 kW发电机组和16 kW发电机各一套,使主机既可作推进用,也可作为主要发电机组使用,充分利用主机的潜在输出功率,进一步提高了主机的效率。仅一套200 kW发电机组就可以节省7～8万元。
5.2减少燃油消耗提高捕捞效益
减少一套发电机组后,使得全船总耗油量明显减少。一般渔船主机一天工作24 h,一年工作按310 d计算。假定本船总功率为600 kW,其中主机400 kW,发电机组200 kW,那么传统渔船一年的油耗为922.56 t,而应用变频供电技术的渔船一年的油耗为879.41 t,节油53.15 t。一艘600 kW左右的捕捞冷冻冷藏渔船,应用变频技术改进设备配备后,与同规模的渔船耗油相比,年节约燃油40～50 t,相当于一年多约40万元的收益。
5.3提升渔船技术水平
我国渔船目前拥有量超过百万艘,海洋渔船就达50多万艘[14],安装的多是传统的高耗低效的推进设备和发电设备以及落后的供电系统,大多可以通过技术改造,简化设备配置,减少燃油消耗,从改造中获得效益。特别是远洋渔船,作业周期长,工况相对稳定,设备配备余量较大,可以通过技术改造在短期内获得较好的效果。
变频供电 篇2
变频器在运行中均会产生不同程度的谐波电压和电流,会对电机绝缘、电机轴承、磁路工作点、定子、转子参数、功率因数、转矩、损耗和效率造成影响。
1 电机绝缘
变频器输出电压波形为PWM方波,当变频器到电机的电缆较长时,会在电机端产生过冲电压,电压尖峰可达直流母线电压的2倍。频繁的过电压冲击会导致电机绝缘过早失效,少则几小时,多则几星期。
电机绝缘损坏的因素:
(1)变频器输出级电路,决定PWM脉波的上升时间。
(2)电缆长度。电缆越长,越容易产生过冲电压。最大过冲电压=输入电压(有效值)110%×1.4142×2。
在驱动电缆的电机端出现的过冲电压不仅幅度高,且具有很高的电压变化率d U/dt,通常可达7500V/s以上。当电压上升的速率很快时,发生电晕放电的几率增加,产生极不稳定的臭氧,这种活跃的物质与绝缘系统中的有机物反应,破坏其特性,使绝缘过早损坏。
(3)变频器载频越高,输出波形越好,对电机的温升有利。但是,更高的载频意味着更多次数的过冲电压,会缩短电机绝缘的寿命。对于150m长的电缆,载频从3k Hz提高到12k Hz,绝缘寿命从10万h降低到2.5万h。
防止措施:电缆长度小于300m安装一台1.5%~2%的d U/dt滤波器,大于300m采用正弦波滤波器。
2 电机轴承
变频器输出脉冲的能量有90%分布在1/πtr以下(tr指脉冲的上升沿时间),200ns的上升沿时间,频率达到1.5MHz以上。当变频器输出电缆传输这些高频电压时,电流并不限于电缆线上,而是通过空间杂散电容形成回路,产生共模电流。电机共模电流的路径在电机内部,由马达内各种分布电容构成,其中包括电机轴承的电容(由轴承、润滑油或空气、轴承套3个部件构成的电容)。电流流过轴承,马达温度较低时,电流为5~200m A,对轴承无损坏;温度升高后,峰值电流可达5~10A,在轴承套和轴承之间产生电火花,使轴承损坏。
电机的功率越大,驱动电压越高,驱动电压的上升沿越陡峭,轴承电流越大。电动机采用逆变供电运行时,因变频器主电路三相不对称、功率元器件开关过程不一致、连接不平衡、三相回路阻抗不对称、三相电压中点对地出现零序电压,V0=1/3(UA+UB+UC)≠0。由于电源电压含有较高次的谐波分量,在电压脉冲分量的作用下,定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应,使转轴的电位发生变化,从而产生轴电压,形成流过轴、轴承的轴电流。变频器供电时,谐波电压频率高,零序阻抗小,轴电流大,流过轴承破坏油膜稳定生成,形成干摩擦,烧毁轴承。
解决轴电流的方法:
(1)可靠接地:在轴承端安装接地碳刷以降低轴电位,使接地碳刷可靠接地,并且与转轴可靠接触保证轴电位为零电位,以消除轴电流。
(2)切断轴电流形成回路:在轴承座和轴承支架处加强绝缘,破坏轴电流的形成电路。
(3)将屏蔽电缆两端的屏蔽层分别以最低阻抗连接到变频器和电机的外壳上。电缆内导体与屏蔽层之间的电容为共模电流提供了一条返回变频器的通路,可分流一部分共模电流,减少轴承电流。
(4)将电机的外壳接地,用导线阻抗代替电机与大地之间的分布电容的容抗。
(5)安装输出电抗器或输出滤波器。
3 磁路工作点
磁通是电压的积分。电压非正弦波供电,气隙磁密(磁通)含有谐波。新设计电机专门用于非正弦电压供电时,其磁路设计和空载试验须提高电压10%,以避免在六价梯波下运行。
4 定子
电流中的谐波将使槽电流增加(1.1倍),槽磁势增加,漏磁路饱和,导磁率下降,使定子漏抗减小(15%~20%),将会影响到短路特性。
5 转子参数
谐波滑差SK=1,电流集中在导体的表面,使得转子电阻增大,不仅是直流电阻,也是交流电阻。转子电流挤向槽口,槽底部电流小,导致电流分布不均,槽磁场分布不均,部分磁连,致使漏抗减小,转子电流剧增,转子谐波铜耗远大于基波铜耗。转子剧烈发热成为变频调速电机主要问题之一。
6 功率因数
谐波电流的成在,使得总电流增大,电流的有效值增大,提高了磁路饱和程度,体现为所须励磁电流增加。它是无功电流,从而降低了功率因数。
7 谐波转矩
(1)恒定谐波转矩:气隙磁通中存在谐波磁通(激励),转子中感应出同次谐波电流(响应),产生谐波转矩(性质为异步转矩),转矩恒定(大小、方向确定),其值很小(1%TN),影响可以忽略。
(2)脉动转矩:不同次数谐波磁场(主要是幅值最大的5、7次)与基波磁场的相互作用产生出6倍频谐波转矩,其性质为脉动正负跳变,低频(低速)时脉动幅度大,可达到1/3TN,平均值为0,脉动造成噪声和振动。
这些谐波转矩的成在,将在交流电机中引起附加损耗、噪声和振动,对于感应电动机还将产生有害的附加转矩,使其启动性能变坏。为此,必须设法削弱这些谐波磁动势。采用分布和矩形绕组是削弱谐波磁动势的有效方法。
8 损耗与效率
变频非正弦供电时,谐波电流增加了损耗,降低了效率。
(1)电压源型逆变器。谐波电压大小取决于变频器输入电压,谐波含量与电机负载大小无关。故无谐波电流大小及产生的谐波损耗△P不随负载P2变化而恒定。电流运行效率η=P2/(P2+△P)。轻载时P2(轴上功率或输出功率)小,△P大小固定,电流运行效率大幅度下降;满载时P2大,△P大小固定,电流运行效率小幅度下降(2%)。
(2)电流源型逆变器。谐波电流大小确定,各谐波含量比例确定,而其大小随负载变化。轻载时,电机电流谐波量小,损耗较小,运行效率小幅度下降;满载时,电机电流谐波增大,损耗增大,运行效率大幅度下降。
参考文献
[1]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,2002
[2]贺益康,潘再平.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2004
变频器供电抽油机专用电能计量表 篇3
随着我国节能减排计划的实施, 变频器被越来越多地应用于油田生产中。变频器作为一种典型的非线性负载, 存在着较为严重的谐波污染;而抽油机则属于一种位能性负载, 当平衡块调节不当时, 其在上与下两个冲程中电机会分别处于耗电与发电状态。这种情况对现有的电能计量方式是一种严峻的考研。
本文首先对变频器接入电网时出现的谐波逆向流动现象进行了理论推导并叙述了全能量计量算法和傅里叶变换算法的原理, 然后提出了使用二阶通用积分器-锁频环 (SOGI-FLL) 算法取得基波与各次谐波分量并使用瞬时功率理论进行计算的电能计量方式, 可以实现基波、谐波功率的双向分别计量, 并且进行了算法仿真及硬件平台搭建与测试。本设计不但能用于电能计量、电能质量分析, 还为抽油机的平衡块调节提供依据。同时, 本设计具有低成本优势, 也可应用于其他场合的电能计量与分析。
2 实验结果和分析
2.1 测试条件
由于实验室没有三相交流谐波源, 所以我们利用三相调压器、三相整流桥、滤波电容和滑线变阻器来模拟实现, 最后在实验室里的变频器控制的抽油机模型上进行测试。用高精度的电能质量分析仪FLUKE435来对电压和电流进行测量, 它的测量精度在±0.2%之内, 所以我们把它的测量结果作为真值, 把本设计
利用三相整流桥、滤波电容和滑线变阻器搭建负载模拟变频器输入侧不控整流, 通过调节滑线变阻器可以很方便的实现负载电流的调节为测试提供便捷的途径, 通过调节三相自耦调压器可以方便地模拟电网波动时电能表的运行情况。
2.3 测量结果及分析
2.3.1 基波和主要次谐波功率测试结果
三相自耦合调压器调节输出电压为额定电压380V时, 通过调节调节滑线变阻器阻值改变输出功率, 采用本项目研制的电能计量装置和“FLUKE435电能质量分析仪”分别计量输出功率, 并对计量结果进行比较, 可以看出, 本文所研制的电能计量装置和“日置HIOKI的3169-20电力测量仪”对基波功率的计量结果相差不大, 相对误差在2%以下, 但对于部分谐波测量结果误差较大, 原因在于测试时模拟变频器的容量很小, 而电网的容量很大, 虽然电流波形有很大的畸变但电压的波形基本没有畸变, 所以各次谐波功率很小, 使得测量误差较大。
2.3.2 电压和电流测试结果
通过调节三相自耦合调压器改变输出的三相电压, 模拟电网电压的波动, 在额定电压380V上下波动±10%时的电压值, 通过调节滑线变阻器来改变输出电流值。本文所研制的电能计量装置和“日置HIOKI的3169-20电力测量仪”对电压和电流的计量结果相差不大, 相对误差在2%以内。
2.3.3 抽油机模型测试结果
利用实验室已有的抽油机模型进行测试, 抽油机由变频器控制, 在变频器输入侧分别使用本文所设计得电能表和FLUKE435电能质量分析仪进行测试。示。本文所研制的电能表和“FLUKE435电能质量分析仪”对抽油机输入电压、电流和基波功率计量结果相差不大, 相对误差在2以内, 但对谐波功率计量结果相差较大。
3 结论
由于传统电能表在对变频器电能计量方面存在一定的问题, 我们提出了研制一种变频器供电抽油机专用电能计量装置的项目方案, 能够对变频器产生的各次谐波进行分别准确地计量, 由于抽油机存在到发电问题所以专用电能计量装置要能够对电能进行双向分别计量, 抽油机在运行过程中消耗功率是不断变化的, 所以我们希望专用电能装置能够测量显示抽油机的实时功率曲线。
DSP可以采集的信号, 一开始我们采用电压互感器和电流互感器对电压、电流进行采样, 但是采用互感器成本较高, 并且系统需要采用双电源供电, 增大了系统的自身功耗, 后来我们比较选择电阻网络查分方式对电压进行采样, 这种方式采样精度较高且成本较低, 采用霍尔电流传感器进行电流采样, 此电流传感器采用单电源供电且所需外围器件较少, 大大降低了系统设计的复杂程度, 最后我们又改进了电压采样的调理电路, 采用单电源供电运放, 实现了电压采样的单电源供电, 经测试电压和电流的采样调理电路的线性度满足测量要求。
其次, 在软件方面采用SOGI-FLL方法和瞬时功率理论对电压、电流基波和各次谐波进行实时提取并计算得到实时功率, 并对SOGI-FLL方法进行了优化改进。最后对算法进行了DSP28335的编程实现, 并编写了液晶显示, 按键和通信程序。
最后, 我们将软硬件结合制作了一台完整的变频器供电抽油机专用电能计量装置, 并对计量装置进行试验测试并进行优化改进, 测试结果显示本文所研制的电能计量装置在电压、电流和基波功率方面的测量精度满足设计要求, 但本装置在测量谐波时存在的误差较大, 还有待进一步改进, 硬件上还在进行新型电流互感器的研究测试, 如果能够实现可以进一步降低系统成本, 另外由于时间原因测试均是在试验室进行没能进行现场测试, 现场的电磁环境更加恶劣, 所以本文装置还需要根据现场测试结果进行相应改进和优化。
摘要：随着变频器等非线性负载被逐渐应用到油田生产中, 现有的电能计量方式在谐波、逆功率等方面存在的问题逐渐凸显。如何合理地在严重谐波污染的情况下进行电能计量成为电能计量中的关键问题。本设计将自适应陷波器与瞬时功率理论结合, 通过仿真进行理论研究, 搭建硬件平台进行论证, 实现了将各次谐波的正向、逆向有功功率进行分别计量, 并且能够绘制出电压、电流、功率曲线, 为电能正确计量、提高生产效率给出依据。
关键词：电能计量,SOGI-FLL,谐波
参考文献
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变频供电 篇4
在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中, 当电动机减速或者拖动位能负载下放时, 电动机的实际速度将高于旋转磁场的旋转速度。为了使电动机的实际速度与给定速度相符, 就必须采取制动措施。异步电动机的制动方法有再生发电制动、直流能耗制动和机械抱闸制动。为了便于介绍电气制动的原理与方法, 首先回顾一下异步电动机的运行原理。
1 异步电动机运行原理
众所周知, 异步电动机的定子上装有一套在空间上对称分布的三相绕组AX、BY、CZ, 如图1所示。当给这三相绕组通以交流电时, 则在定子和转子气隙中产生磁场, 它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着, 这就是旋转磁场。此磁场在任何瞬间都是三相绕组各磁场的总和。通过右手定则对图1中不同瞬间电流与磁场方向的关系可知, 合成磁场的方向与电流为最大值那一相绕组的轴线方向一致。因此随着电流最大值依次由A相→B相→C相→A相等顺序变化, 合成磁场的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相绕组的轴线方向。这就是说, 这个合成磁场是一个“旋转磁场”。其旋转速度n0 (同步转速) 与交流电源频率成正比, 而与磁场极对数成反比。
由于旋转磁场的作用, 导体切割磁场磁力线产生感应电势, 这个感应电势使闭合的转子导体产生电流, 通电导体在磁场中又受到一个力的作用, 这个作用在导体上的力, 将使异步电动机旋转, 其某一瞬间情况如图2所示。根据右手定则可知转子闭合导体电流的方向, 再根据左手定则可知转子导体受力方向。此作用力产生的转矩MD将克服阻力矩MFZ, 使电机加速到电动力矩等于阻力矩为止。
2 制动的方法与原理
采用通用变频器供电的异步电动机电气制动有直流制动与再生发电制动2种。现就这2种制动方法与制动原理分别叙述如下。
2.1 直流制动
直流制动是使变频器向异步电动机的定子任意两相通以直流电, 异步电动机便处于能耗制动状态。这种情况下变频器的输出频率为0, 异步电动机的定子磁场不再旋转。直流制动主要用于准确停车与防止起动前电动机由于外因引起的不规则自由旋转 (如风机类负载) 。当直流制动用于准确停车时, 一般都应先进行再生发电制动, 在电动机减速到较低时, 进行直流制动。这是因为高速时进行直流制动, 异步电动机转子电流的频率与幅值都很高, 转子铁损很大, 导致电动机发热严重, 但得到的制动转矩却并不太大, 另一方面准确停车也较难保证。而采用先再生发电制动, 等降频到fDB再进行直流制动, 只要合理调整fDB、制动时间tDB、制动直流电压UDB就可确保准确停车。转动着的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩, 如图3所示。旋转系统存储的动能转换成电能消耗于异步电动机转子回路中。图3的 (a) 与 (b) 还说明这种制动与通入直流电的极性无关。
2.2 再生发电制动
当给定频率降低时, 定子旋转磁场的旋转速度降低或位能负载下放倒拉。此时异步电动机转子旋转速度将超过旋转磁场的旋转速度, 因此转子导体中的感应电势反向, 电流反向, 电动转矩反向, 如图4所示, 电动转矩 (与阻力矩同向) 起制动作用, 使电动机减速。此时的异步电动机相当于一台异步发电机, 将旋转系统存储的动能或重物下放的位能转换成电能。这部分电能如果不进行处理, 将引起直流侧过压, 导致故障跳闸或损坏变频器, 因此必须处理好这部分电能。其处理方法一般有如下3种:
2.2.1 动力制动
这种方法就是通过与直流回路滤波电容并联的放电电阻, 将这部分电能消耗掉, 因此也称再生能耗制动, 如图5所示。图5中虚线框内为制动单元 (PW) , 它包括内部制动电阻RB, 制动用的晶体管VB等, VB的通断是通过检测直流电压大小来进行控制。实际上电阻中的电流是间歇的, 所以西门子公司资料称它为“脉冲电阻” (Pulsed Resistor) 。此单元实际上只起消耗电能防止直流侧过电压的作用。它并不起制动作用, 但人们习惯称此单元为制动单元。要提高制动的快速性, 就要快速消耗掉这部分电能, 可以在图5中H、G两点间外接制动电阻REB, REB阻值与功率应符合产品样本要求。
2.2.2 再生制动
这种方法就是通过与整流器反并联的回馈单元, 将这部分电能回馈给电网, 如图6所示。这种情况整流单元也必须采用晶闸管整流元件, 一般采用逻辑无环流工作方式。回馈单元与电网之间应串接一台自耦变压器, 此种制动方法虽然可以把旋转系统存储的能量回馈给电网, 但对供电电网的要求比较高:一是电网电压波动要小, 且必须可靠;二是电网短路容量要大, 否则在回馈期间, 电源电压偏低或电源被切断, 有源逆变器就会迅速直通, 引起换流失败, 烧坏快速熔断器及晶闸管元件。因此, 对电网电压波动较大 (如带有电炉负载的电网) , 或采用接触式供电 (如行车、机车车辆) 的场合以采用动力制动为好, 虽然浪费了一点电能, 但是可靠性大大提高。
2.2.3 直流公共母线
所谓直流公共母线是用一台整流器给多台逆变器供电, 如图7所示。它利用工作在电动状态的电动机吸收工作在发电状态电动机的电能, 但当发电状态多于电动状态时, 吸收能力不足仍将引起直流过电压, 因此还需要有前面2种方法之一 (如图7中虚线框所示) 做后备吸收才较完美。
2.3 电磁机械抱闸制动
针对风机、水泵类及其他通用的传输类负载而言, 上述的制动方法基本上能满足要求;但如果负载惯性大, 起重机械类负载且要求快速制动与准确停车, 还必须加入电磁机械抱闸制动。下面以起重机械类负载实例做个说明:
起重机械以安全为第一考量。因此, 一般都采取把变频器的容量加大一档的方法, 以避免或者减少无谓的跳闸。变频器在起重机械类负载应用中, 一定要采用矢量控制方式, 因为重物在上升和下降过程中, 电动机的机械特性将可能出现在四个象限, 即所谓的四象限运行。而矢量控制可以使电动机不管运行在哪个象限, 都能保持磁通不变, 故适合于四象限运行。V/F控制方式在进行电压补偿的情况下, 电动机状态和发电机状态的磁通是很不一样的, 故不适合在四象限运行。
关于电磁机械抱闸, 和变频器之间的配合动作是关键, 如果配合不好, 在电磁制动器放松和抱紧的过程中, 重物有可能会下滑, 必须解决“溜钩”问题。下面是“溜钩”的处理时序, 如图8所示。在这类控制中, 关键是变频器本身的参数调整, 结合生产实际, 即能完成相关的控制。
3 结语
通用型变频器在异步电动机的调速系统中已得到了越来越广泛的应用。为了满足生产机械快速制动与准确停车等方面的要求, 必须对异步电动机进行制动。机械抱闸闸皮容易磨损, 维护工作量大, 而且浪费电能, 因此一般是先进行电气制动, 最后才进行机械抱闸以达到准确停车的目的。因此, 本文以交流异步电动机的运行原理为基础, 着重介绍了采用变频器供电的异步电动机的几种方法与原理, 指出了各种制动方法的优缺点及适用场合, 可供从事这方面工作的人员参考。
摘要：简要介绍了交流异步电动机的运行原理, 着重阐述了采用变频器供电的异步电动机制动的几种方法与制动原理, 指出了各种制动方法的优缺点及其适用场合。
关键词：变频器,异步电机运行原理,制动方法
参考文献
[1]吴家碚.工程电工技术[M].北京:高等教育出版社, 2000
变频供电 篇5
关键词：隔爆型,变频装置,井下供电
1 问题的提出
目前内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒矿井采用的是BRW315/31.5型乳化液泵站, 配用电动机功率为315k W、电压1140V。当工作面设备需要供液时, 泵排出的高压乳化液进入系统执行元件采面设备动作。当采面不需供液或需要供液流量较小系统压力高于设定压力时, 泵排出的乳化液经卸载阀和回液管返回到泵箱的储液室, 卸载阀内的单向阀关闭, 高压系统与卸载回路隔断, 系统维持在高压状态, 处于空载运转状态。当采面液压系统的液压元件动作, 液压系统压力下降至卸载阀的恢复压力时, 卸载阀切断卸载回路, 打开单向阀向液压系统供液。随着综采工作的安装完成, 液压支架的推溜和移架等动作都是间歇性的, 每次的工作时间极短, 动作时间也不固定除在动作时间需要提供高压液体外, 其余多数时间液压系统执行元件都处于静止支撑状态, 不需要向系统供液。但为了保证执行液压元件随时都能动作, 乳化液泵站必须连续不间断运转。传统采用真空磁力启动器控制的乳化液泵站不能根据液压系统的实际需求量自动调整泵站的供液量, 系统长期处于高压大流量工作状态, 在工作面设备不需要高压液体时, 多余的液体只能通过卸载阀回流到乳化液箱, 系统运转磨擦产生的热量使泵体温度升高系统内密封件老化较快造成串液和漏液, 电动机和泵体一直处于全速运行状态加快了机械磨损, 卸载阀频繁开启和关断直接造成寿命较短, 增加维修频次和成本的投入。电动机采用直接启动方式, 启动电流为电动机额定电流的4~7倍, 对电网造成较大的冲击, 对电网容量的要求也较高。启动产生的振动和磨擦对泵体和阀门部件的损害极大。当工作面不需要高压液体时, 电动机仍然以额定转速运转, 泵站长期高负荷运行浪费了大量的电能。
2 改进实施方案
如图1所示, 针对原控制方式存在的问题, 将原矿用隔爆兼本质安全型真空电磁启动器控制乳化液泵站运行改为矿用隔爆兼本质安全型变频调速控制装置控制乳化液泵站运行。
乳化液泵站供电系统分别由四部分组成: (1) 矿用隔爆兼本质安全型变频调速控制装置 (ZJT1-315/1140) ; (2) 自动配油箱 (以下简称“油箱”, 标准尺寸) ; (3) 自动配液箱 (以下简称“液箱”) ; (4) 乳化液泵组构成。
变频装置由2个独立隔爆箱组合而成。右箱即是整个装置的总电源箱, 又是控制系统工频旁路的控制箱, 同时也是整个系统的控制核心部分。箱内装有电源隔离开关, 可编程控制器及相关模块, 工频回路真空接触器, 三相变压器、控制变压器, 电压、电流互感器, 电度表, 彩色显示屏。显示屏中显示当前泵站的所有监控数据及运行状态。
油箱内预先盛放乳化油以便系统完成自动配液功能。内装油位传感器1只, 泵室内安装“配液油泵”1台、“校正油泵”1台, 外挂1台便携式油泵。侧面装有隔爆型接线箱。
液箱内实现自动配液功能。内装液位传感器1只, 浓度传感器1只。外部装有系统压力传感器1只, 系统压力卸载电磁阀1只, 尾部装有进水配液电磁阀1只、进水校正电磁阀1只。头部泵组吸液位置装有“吸液在线定时自动反冲洗过滤器”2只。尾部装有“回液在线定时自动反冲洗过滤器”2只。
乳化液泵组分别加装传感器进行数据监控和保护, 分别有“润滑油温度传感器”1只、“润滑油压力传感器”1只、“润滑油油位传感器”1只、“泵组蓄能器压力传感器”1只。如果定制的乳化泵组还可以监控乳化泵电机绕组温度和电机轴承温度。
3 主要控制方式
泵站电动机启动时变频调速装置从零频率逐步提升到电动机额定频率。当液压系统的实际压力P低于设定压力低限值P1时, 泵站从零速开始启动迅速提升到全速运行状态保证乳化液使用需求。当液压系统乳化液需求减少系统的实际压力P高于设定压力高限值P2时, 经T1时间的延时后若实际压力仍然偏高, 变频器将频率降低到35HZ, 若压力能满足使用要求则维持此变频运行;若实际压力P仍然在高压设定压力上限P2经T2时间的延时后, 实际压力仍然偏高, 变频器将频率降低到25HZ;若压力满足要求, 则维持当前频率运行, 若P仍大于P2经过设定延时时间 (休眠时间) 后, 变频器将速度降为零。任何时候一旦检测到实际压力P低于设定压力下限P2时变频器立即恢复到全速运行状态, 保证在最短时间内获得所需工作压力。卸载阀调整时必须保证其卸载压力略高于系统设定压力上限P2。控制系统增设油温传感器可随时观察到泵体油温, 当检测油温超过设定值时系统报警并停机提示及时检修。控制系统加装了液位传感器可观察泵箱液位, 当乳化液量低于设定下限时系统报警并停机提示及时补充液体。
4 结束语
通过隔爆变频器在巴彦高勒矿井综采面乳化液泵站上的成功应用, 证明了采用隔爆变频器能极大的提高乳化液泵运行的可靠性, 提升了系统的功率因数, 减少了电动机的无功功率损耗, 降低了机械损耗, 提高了乳化液泵使用寿命和可靠性, 节约了后期的维修投入, 值得进一步推广应用。
参考文献
[1]丁太木.变频器在煤矿井下皮带输送机中的应用[J].煤炭技术, 2007, 26 (09) :30-32.