交流变频技术

交流变频技术（精选11篇）

交流变频技术 篇1

摘要：在分析交流变频技术和液压调速技术基本原理的基础上, 指出采用交流变频技术对现有液压调速系统进行改造升级是节省能源、改善传动品质的有效途径;介绍了交流变频液压调速技术的原理, 重点介绍了该技术在电梯及煤矿行业的应用, 并指出了该技术目前存在的问题及未来研究的重点。

关键词：交流变频,液压调速,技术应用,节能

0 引言

交流变频技术及液压传动与控制是广义机械电子工程概念中的重要组成部分。鉴于交流电动机在动力驱动领域的绝对主导地位, 交流变频技术逐步成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的最重要技术手段之一, 并对传统的液压调速技术形成冲击[1];另一方面, 将交流变频技术应用到传统的液压调速控制领域, 也会促进液压传动控制技术水平的提升。

本文在分析交流变频技术、液压调速技术及交流变频液压调速技术的基础上, 重点介绍了交流变频液压调速系统在节能、改善传动控制品质方面的应用, 并对交流变频液压调速技术的发展进行了展望。

1 交流变频技术

20世纪70年代以来, 随着电力电子技术和控制理论的高速发展, 交流电动机变频调速 (简称交流变频) 技术取得了突破性的进展。交流变频技术以其优异的调速性能、启动制动性能、高效率、高功率因数、高节能效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。大功率风机、泵类设备是变频调速节能应用的典范。

1.1 变频调速原理

根据电动机学的基本原理, 异步电动机的输出轴转速公式为

$n=\frac{60f(1-s)}{p}(1)$

式中:f为电动机电源的频率, Hz;s为异步电动机的转差率;p为电动机定子绕组的磁极对数。

从式 (1) 可看出, 在保证转差率s和极对数p不变时, 电动机转速n与电源频率f成正比, 即通过改变异步电动机的供电频率就能改变电动机的转速, 从而实现调速。这种通过改变电源频率实现的交流电动机调速过程, 称为交流变频, 用于改变电源频率的控制单元叫作变频器。

1.2 变频器及其控制方式

根据有无直流储能环节, 变频器可分为交-直-交型和交-交型2种基本型式。前者的缺陷是随着电压等级的提高和容量的增大, 直流环节的电容需要占用额外庞大的体积和成本, 而大功率整流器电网侧的功率因数和谐波污染问题也比较严重。交-交变频器的最大特点就是无直流环节, 能够直接实现不同幅值和频率的交流能量变换, 具有容量大、过载能力高、效率高等优点, 当然也存在频率和功率因数低、谐波旁频等不利因素。

变频器的控制方式指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数之间的配合方式, 常用方式有U/f控制、转差频率控制、矢量控制 (VC控制) 和直接转矩控制4种[2]。

U/f控制是在改变变频器输出频率的同时控制变频器输出电压, 使电动机的主磁通保持一定, 在较宽的调速范围内, 电动机的效率和功率因数保持不变。

在转差频率控制方式下, 变频器的输出频率由电动机速度频率和转差频率之和给定。这种控制方式能够在控制过程中保持磁通恒定, 限制转差率的变化范围。因为采用了闭环控制, 与U/f控制方式相比, 转差频率控制在一定程度上改善了变频调速系统的静态和动态性能。

矢量控制方式的实质是将交流电动机等效为直流电动机, 分别独立控制速度、磁场这2个分量。

直接转矩控制其实质不是间接地控制电流、磁链等量, 而是直接将转矩作为被控制量来实现控制。该技术是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。

2 液压调速技术

液压传动的起步和发展较早, 以其传动平稳、调速方便、性能可靠等优良特性在航空、矿山、船舶、工程机械等领域得到了广泛应用。传统液压调速方式主要有节流调速和容积调速。

节流调速方式通过改变流量控制阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量, 从而达到调速目的。在节流调速回路中, 通过节流阀的流量为

$q={\rm K}A\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{i}}^m(2)$

式中:K为液阻系数;A为节流阀通流面积;ΔPi为节流阀前后的压差;m为取决于节流阀口形状的指数, 其值为0.5～1。

由式 (2) 可知, 改变节流阀阀口的大小可以改变通过节流阀的流量, 进而达到调速的目的。但是节流调速中节流损失较大, 效率低, 因此, 在大功率调速系统中多应用容积调速方式。

容积调速方式指靠改变液压泵或液压马达或同时改变液压泵、液压马达的排量, 从而达到调速的目的。对变量泵而言, 其输出流量为

$q{}_{\text{p}}=n{}_{\text{p}}V{}_{\text{p}}\eta {}_{\text{p}\text{V}}(3)$

式中:np为液压泵的转速;Vp为液压泵的排量;ηpV为液压泵的容积效率。

由式 (3) 可知, 改变变量泵的排量Vp即可调节泵的输出流量。由于液压执行元件的运行速度与输入执行元件的流量成线性关系, 故改变变量泵的排量可以调节执行元件的运行速度。

3 交流变频液压调速技术

3.1 交流变频液压调速原理

容积调速方式具有无节流损失、效率较高等优点, 但也存在调速特性差、节能效果不够最优、系统结构复杂等问题。

由此, 将变频技术和液压传动相结合, 产生了一种全局型的新型节能传动方式——交流变频液压调速方式[3], 用交流变频电动机驱动液压定量泵实现流量按需输出, 液压泵的输入转速即电动机变频后的输出转速, 电动机始终处在高效率的工作状态。

将式 (1) 代入式 (3) , 得

$q{}_{\text{V}}=\frac{60V{}_{\text{p}}\eta {}_{\text{p}\text{V}}f(1-s)}{p}(4)$

由式 (4) 可知, 只要改变电动机电源频率f, 就可按要求调节液压泵的输出流量qV。

3.2 交流变频液压调速技术的应用

液压领域中最早应用交流变频技术的对象是液压电梯。早在1984年, 日本三菱公司就开始着手研究交流变频驱动液压电梯, 并于1986年申请了美国专利[4], 这篇专利文献开创了交流变频驱动技术用于液压电梯的先河, 一直是研究交流变频驱动液压电梯最基础的文献。在该文献中, 提出了通过检测电动机转速, 将实测转速与给定转速进行比较, 利用转差值作为变频器的控制信号, 变频器输出不同频率的电信号来实现对电动机和泵转速的调节, 从而调节液压系统的流量。

国内最早研究交流变频液压调速技术的单位是浙江大学流体传动及控制国家重点实验室。自1992年开展对变频驱动液压电梯研究以来, 该实验室先后开发研制了多种变频液压电梯控制系统, 如变频-阀控相结合、上下行全变频和带蓄能器的变频控制系统等。将变速容积调速、活塞拉缸和蓄能器作液压配重等技术结合在一起的变频驱动闭式回路液压系统, 可将液压电梯系统平均总效率提高至70%[5], 节能效果显著。

交流变频液压调速技术在煤矿系统的应用正逐步展开。如煤炭分选用的振动筛分机械多采用电动机驱动偏心块方式激振, 其主要优点是结构简单、价格低且制造维护容易, 但也存在以下问题: (1) 振动参数不易调节; (2) 安装激振器带来的附加质量增大, 总体参振质量大, 轴承载荷大; (3) 受电动机参数限制, 某些物料筛分所需的低频高幅参数难以实现。针对上述问题, 采用变频液压激波器控制差动油缸, 驱动筛机做直线振动, 完成物料的筛分[6]。该过程是通过激波器在全流量供液状态下实现的, 因此, 节流损失极少, 工作效率高。

液压绞车作为目前煤矿井下主要的提升设备, 其调速方式一般采用泵控马达容积调速方式, 需由人工操作手柄来实现, 运行效率和可控性均较差, 启、停过程的冲击易加速系统元件损坏, 影响了人员乘坐的舒适性。针对该问题, 参考文献[7]提出了基于PLC的变频容积调速控制策略, 替换了复杂的变量泵和与其相关的伺服系统, 采用廉价的定量泵, 控制精度高, 运行平稳, 效率也得到一定提升。

除上述领域外, 交流变频液压调速技术还在飞机、注塑机、液压转向系统、液压油冷机等领域得到越来越广泛的应用。

3.3 交流变频液压调速技术存在的问题

交流变频液压调速技术由于发展时间较短, 受变频技术和液压元器件的影响, 还存在诸如动态响应慢、低速性能差、调速精度低等问题, 尤其是变频器的谐波污染问题, 是目前影响其推广的主要原因之一[8,9]。

4 结语

在介绍交流变频技术和液压调速技术基本原理的基础上, 阐述了交流变频液压调速技术的原理、发展和应用情况, 并指出了其存在的问题及制约因素。为了能够进一步推广该技术, 需要从选型匹配、系统设计、控制算法等各方面进行深入研究, 对存在的问题加以克服, 更好地发挥交流变频液压调控技术的节能、改善传动品质的作用, 促进我国节能事业的发展。

参考文献

[1]胡军, 芮丰, 黄新年.液压调速系统与交流变频调速系统的研究[J].流体传动与控制, 2004 (3) :14-15.

[2]王树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[3]彭天好, 徐兵, 杨华勇.变频液压技术的发展及研究综述[J].浙江大学学报:工学版, 2004, 38 (2) :216-221.

[4]YAMAMOTOI Tomoichiro.Appararatus forControlling a Hydraulic Elevator[P].United StatesPatent:US4593792, 1986-10.

[5]胡东明, 徐兵, 杨华勇.变频驱动的闭式回路节能型液压升降系统[J].浙江大学学报:工学版, 2008, 42 (2) :210-213.

[6]王峰山.变频液压直线振动筛的应用研究[J].矿业工程, 2004 (6) :50-51.

[7]陈玲, 石峰, 杨存智.基于PLC控制的变频容积调速在液压绞车系统中的应用[J].液压与气动, 2007 (11) :15-17.

[8]刘国华, 花蓉.交流变频液压调速系统的问题及措施[J].安徽理工大学学报:自然科学版, 2004, 24 (3) :47-49.

[9]曹翾.浅谈变频器与谐波治理的问题[J].煤炭工程, 2009 (1) :93-94.

交流变频技术 篇2

国产大功率交流变频调速装置的研究

随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展,大功率交流变频调速得到长足的发展,并在国民经济各领域广泛应用.例如在国防与交通领域,大功率交流变频调速是大型舰船电力推进、高速机车牵引和磁悬浮列车的`核心设备.在能源工业中,采用交流调速来驱动矿井提升机,西气东输和南

作 者：李崇坚  作者单位：冶金自动化研究设计院 刊 名：电气时代 英文刊名：ELECTRIC AGE 年，卷(期)： “”(5) 分类号： 关键词： 

交流变频技术 篇3

关键词：煤矿运输 窄轨机车 变频调速 节能

中图分类号：F290 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0090-02

1 概述

目前，煤矿窄轨机车应用最广泛的牵引动力源依然是直流电动机，由于直流电动机由恒定的直流电源供电，所以机车为了保证操作平稳，在进行起动、调速和制动等活动时，需使用串接电阻进行控制。这种调速方式存在很大弊端，不仅浪费电能，而且很容易对设备造成损害。而使用交流变频调速技术则效果正好相反，机车不仅能够轻松实现平稳起动、无级调速和再生制动，而且大大降低能耗。此外，与直流电动机相比，同功率的交流电动机制造成本要低得多，且变频器的调速性能很好，调速范围大，静态稳定性很好，通过它对交流电动机主电路实现调速控制，使控制器件的操作得到大大简化，使用寿命长，可靠性高，经济效益显著。

对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。

变频调速在交流调速技术中的优势十分明显，它目前已经受到煤矿运输行业的青睐，随着制造成本的不断下降、调速效果的进一步提升以及性能与可靠性的日益完善，它必然会更加受到世人的推崇。

2 窄轨机车变频器结构及工作原理

该局推广应用的窄轨电机车变频调速器分为司控箱和主体箱两大部分。主体箱内装有直流输入及滤波电路、IGBT三相全桥逆变电路、DTC控制电路三部分。司控箱配有调速和换向操纵机构，操作主令手轮使主轴变换为无级调速；操作方向手柄可实现前进、零位、后退三档转换。调速主令手轮及方向手柄上固定有指针，指针分别指向各自当前所在档位。在控制器底板上安装有互锁装置、磁敏传感器。

前进、后退、牵引和复位等的信号给定通过感应接近开关靠近凸轮并输出开关信号来完成。工作开关打开后，逆变器会获得电源电压，并给滤波电容充电，充电完毕逆变器控制主接触器吸合。经过主接触器的高压进入逆变器后，微机控制器会依据司机操作输出的信号，控制IGBT逆变成变频变压三相交流电，最终输出给三相异步电动机。

3 窄轨机车变频调速器优异特性

交流电动机主要通过三种方式来完成调速：变极调速、变频调速和改变转差率调速。其中，第二种技术较其他两种具有明显优势，交流变频调速窄轨电机车，抛弃了陈旧过时的直流电动机和电阻调速器，代之以性能可靠的三相鼠笼异步交流电机和节电显著的BPT系列变频调速器。DTC变频调速技术具有国际领先地位，能使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩，满足电机车在低速时的最大起动牵引力，而BPT系列直流架线电机车的变频调速技术正是采用了这种技术，因而其性能十分优越。变频调速技术与传统直流电阻调速技术相比，具有以下特点。

（1）调速性能更佳。变频调速机车调速范围为无极调速，最低频率可调至0.1 Hz，最低车轮转速可达到0.5 r/min。可设定机车最高车速，即使是在下坡道行驶，机车不会超过设定车速，从而避免超速事故的发生。

（2）牵引力更大。DTC的控制技术能够使机车起动强劲有力，因为它完全能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），满足电机车在低速时的最大起动牵引力。不但可使机车在60‰的大坡道上上行，而且上行过程中仅用零速制动功能就能将列车制动，即使停止后重新启动也能将重载拉上去。

（3）适合更宽的直流电压波动范围。额定电压直流550 V级的架线变频调速电机车完全适应电压波动范围344～877 V，避免了因直流架线电压升高而损坏电机。

（4）变频调速电机车加速和减速全由调速手柄控制，调速器的零位即是制动位置，减速时，机车的高速惯性还在，但电机会发挥制动减速作用，电机和车轮按照调制的低速运行不需用通过闸瓦制动车轮减速，闸瓦基本不磨损。

（5）交流变频调速窄轨电机车装备三相鼠笼异步交流电机，电机转子无磨损。变频调速器控制通过集成电路实现，无触头、无接点，基本可以达到免维修。

（6）交流变频调速窄轨电机车具有低速超强的转矩性能，当机车脱轨时，可通过垫车轮直接拖拉复轨，避免复轨过程可能产生的次生伤害事故。

总之，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。

通过我局近几年使用该类型电机车运行情况看，故障率明显减少，运输效率显著提高，减少了煤仓压煤，由每天运煤2万吨提升到2.5万吨，节电效果明显。

4 变频调速器关键技术及创新点

（1）直流架线变频调速电机车装备性能可靠的三相鼠笼异步交流电机代替直流电动机。

（2）直流架线变频调速电机车装备节电显著的BPT系列直流架线电机车变频调速器，变频调速器采用国际最先进的DTC变频调速技术，采用进口原装全套控制电路和进口IGBT模块元件。

（3）DTC的控制技术能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），从而满足电机车低速时所需的最大起动牵引力。

5 试验运行情况

经过矿井运输系统实践运行，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。能加快车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，因而具有较大的推广应用价值，可为矿井带来显著的经济效益和社会效益。

（1）经济效益：变频调速器能节省35%的电能消耗，按10吨窄轨电机车每天运行18 h计算，每天可节省277.2 kWh电，如果电费按0.5/kWh计算，日节电费138.6元/kWh，一年节电费50589元；采用交流电机，其转子不损坏，调速器基本不需要维修，闸瓦基本无需更换，一年节约的材料费工时费可达10000元。

（2）社会效益：交流变频调速窄轨电机车，实现了平稳起动、无级调速以及再生制动，能加快矿井运输车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，保证机车运输安全。

6 结语

煤矿窄轨机车运输一直以来采用的直流电动机具有结构复杂、造价过高、耐潮性差、故障多发、维修频繁等不足，而且煤矿大量电机车调速系统还采用电阻降压调速方式，这种触头式电阻调速机车不仅维修量大，而且因带电阻运行电能浪费大。与直流电机相比，使用变频控制效率高、输出转矩大、调速平滑。因此，变频调速技术推广应用对于提高矿井运输效率，降低运输成本具有积极意义。对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。

参考文献

[1]张宏干.电机车司机（技师、高级技师）[M].北京：煤炭工业出版社，2013.

[2]黄福昌.矿井辅助运输技术规范[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[3]孟凡良.煤矿建设安全规范[M].北京：煤炭工业出版社，2012.

交流变频技术 篇4

研发的系列高压大容量交流直接变频器, 其工作原理及电路结构新颖, 解决了当前常规高压变频器的诸多缺点, 是通用高压变频器技术领域的一个重大突破。该产品功能齐全, 技术先进, 可靠性高, 安装维护费用低, 可在诸多领域推广应用。

目前, 新型高压大容量交流直接变频器样机已通过国家电控配电设备质量监督检验中心的检验, 结果表明:该产品满足高压大容量变频器通用技术条件和国家标准要求, 可广泛应用于火力发电、城市供水、采油采矿、化工、冶金、水泥、造纸、制药、煤矿等领域, 通过对各类高压电动机驱动的风机、水泵、空气压缩机等中高压负载设备变频调速, 实现最大化节能。

变频空调技术方案研究（模版） 篇5

一、变频空调发展历史

变频空调是20世纪80年代诞生于日本，其开发的本意就是以节能高效为目的。经过随后十几年的发展和技术升级，变频空调已经在日本得到普及，2000年日本空调变频的占比已经到达95%，欧美市场达到85%。

从变频技术的发展过程来看，变频空调的发展经历了两个阶段：交流变频和直流变频。

二、交流变频与直流变频

1）交流变频

交流变频技术是将市用220V交流电经过整流成为直流电，然后再逆变成频率可变的三相交流电，通入交流变频压缩机的定子线圈，在压缩机内形成旋转磁场，转子感应出感应电动势，进而产生感应电流，转子金属导体中的感应电流又会产生感应磁场，这个磁场与定子线圈产生的旋转磁场相互作用，从而使电动机的转子随着定子的旋转磁场转动起来。转子旋转转速与定子旋转磁场转速要小，属于异步控制。

交流变频使用的压缩机是三相交流压缩机，与普通定频空调压缩机相比只是增加了频率可调的设计，原理上没有太大变化。三相定频压缩机跟交流变频压缩机电机上无任何差别，区别只在控制的方式，交流变频较定频的优点在于启动、噪音、效率、温度控制精度、效率等方面。

2）直流变频

直流变频技术是将市用220V交流电经过整流成为直流电，然后将直流分为三相输入直流变频压缩机定子线圈，形成随着转子位置变化而变化的定子磁场，与转子永磁体的磁场相互作用，同步控制转子运行。

直流变频压缩机与交流变频压缩机主要区别在于转子由线圈变成了永磁体，效率比交流变频压缩机高10%-30%，噪音低5-10分贝。直流变频技术的发展根据对直流压缩机电机驱动方式的不同分为两个阶段：120度方波驱动和180度正弦波驱动。两种直流变频压缩机驱动技术，使用的压缩机是一样的，只不过给压缩机提供的工作电压的波形不同。前者，压缩机电机绕组只有2/3的时间得到了利用，另外1/3的时间是不做功的；而后者，压缩机电机绕组利用率明显提高，因此这种驱动方式下电机效率得到很明显的提升，且压缩机运行也更加平稳，噪音和震动都会有不同程度的降低，但控制算法比120方波驱动方式复杂很多。

三、结论

交流变频技术 篇6

摘要：基于单片机控制的交流异步电动机变频调速系统，实际上通过利用单片机的控制，来实现电动机的变频调速，是一种廉价的控制方式。重点介绍了该设计给出的系统的总体规划，控制策略和硬件，软件，数据计算，该产品类型选择的原则和程序代码实现。并简要介绍了一些相关理论基础，同时指出了调速系统有待于进一步完善发展的方向。

关键词：单片机；电动机；变频调速；C8051

1引言：

电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。

2 C8051单片机对电动机控制的支持

为了使用单片机对电动机进行控制，对现代单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器，用来对电动机的输出转速，输出电压和电流的模拟量进行A/D转换；有各种同步串行接口，足够的内部ROM和RAM，以减少控制系统物理尺寸；有看门狗和电源管理功能等。

2.1 C8051单片机用于控制电动机时的输入/输出端口设置

C8051的I/O引脚有2种用途：作为标准的I/O引脚和作为第二功能引脚。与其他单片机不同，C8051并不指定固定的引脚作为第二功能引脚，而是通过交叉开关由用户设定。

1 交叉开关的使用

在I/O口P0，P1，P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。当需要将某些内部资源与I/O引脚相连接时，必须通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2进行设置。设置交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2的作用是：确定被选择的资源。

2 I/O口初始化

首先，通过交叉开关控制寄存器XBR0，XBR1，XBR2将所需的资源分配给端口引脚，并在XBR2中将交叉开关设置为允许。

所有的I/O端口都耐5V电压输入。

I/O引脚的输出驱动器特性是用端口配置寄存器PRT0CF，PRT1CF，PRT2CF和PRT3CF定义的。它们分别相应的控制P0口，P1口，P2口和P3口的输出方式设置。每个端口输出器都可以通过端口配置寄存器被设置为漏极开路方式或推挽方式，即使对于已在交叉开关XBRn寄存器中分配了的引脚也需要定义，而不是自动定义的。当PRTnCF寄存器中相应的引脚位设置为0时，这些引脚的输出驱动为漏极开路方式；设置为1时，则为推挽方式。只有SMBus的SDA和SCL以及UART在方式0时的RX所分配的引脚与PRTnCF的设置无关。

为了将一个通用I/O引脚配置为输入，与这一引脚相关的PRTnCF端口配置寄存器位必须被清0.另外，与该引脚相关的端口位必须置1，这样使该引脚处于高组态；获将XBR2中的WEAKUPD位清0，若上拉为高电平，这是端口引脚的复位配置。

当XBR2中的WEAKUPD位设置为0时，被设置为漏极开路输出方式的所有端口I/O都被允许为弱上拉。WEAKUPD位不影响推挽输出方式的端口I/O。另外，输出经常为0的漏极开路引脚的弱上拉应该关闭，以免造成不必要的功耗。

2.2电动机控制中A/D转换在C8051中的实现

在电动机的控制过程中，常需要将一些过程信号送回单片机进行处理，如输出转速信号，输出电压信号，输出电流信号等。因为单片机只能处理数字信号，如果电动机的这些过程信号是模拟量，必须先进过A/D转换，再将转换所得到的数字信号送入单片机处理。所以A/D转换在电动机控制中常常是不可缺少的。

3 单片机控制交流异步电动机变频调速应用

由SA4828构成的变频调速系统如下图3.1所示。首先由键盘输入给定的转速nO（rpm），单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RTBB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM电压，以驱动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IPM得以保护。

图3.1 7单元

3.1智能功率模块——IPM

目前已有许多厂商把该电路与整流电路、控制电路、驱动电路、保护电路及传感电路等集成为一个模块，称为智能功率模块——IPM（Intelligent Power Module）这样使主电路结构紧凑，避免了分布参数的影响。

（1）IPM的特点

① 内含驱动电路，设定最佳IGBT驱动条件；

② 内含过流、过热、欠压、短路保护电路，出现异常时给出报警信号，以控制逆变器停止工作；

③ 内含制动电路，可直接外接制动电阻RB；

（2）IPM的选用

IPM的参数由电动机的额定功率PO及峰值电流I P来确定。例如，当电动机的线电压为U = 220V，输出功率PO=2.2kW，功率因数Cosφ=0.75，效率η=0.8时，峰值电压UP=√2 U =310V，峰值电流I P=√2PO /（√3 UCosφη）= 13.8A，可选用东芝、三菱、富士的产品，规格为600V/30A，7单元IPM。

3.2 驱动电路

SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它们不能直接驱动IPM中的6个IGBT。原因有两个：①IGBT需要的开关信号幅值约为±10V，TTL电平不能胜任；②逆变桥中三个下桥臂是共地的，而三個上桥臂是悬浮的，SA4828输出的6路信号均是共地的，必须加以隔离。因此驱动电路的任务有两个：电平转换和隔离。

IGBT一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各电路在很多书籍中都有介绍，不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品TLP250，电路非常简单。

TLP250采用8脚的DIP封装，引脚如图3.3。输入端光耦的隔离电压达到3000V，输入电流为5～10mA，可以驱动100A/600V的IGBT。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10V的稳压管，把25V的隔离电源变为+15V的导通电压和-10V的关断电压。

图3.3 TLP250驱动

3.3 隔离电源

交流变频技术 篇7

一、交流电机具体分类

电动机根据不同的电流形式分为:直流电动机以及交流电动机。这其中交流电动机占主要部分, 很多工业生产都是使用交流电动机。交流电动机在100多年前就可以出现了, 经过过年的发展, 相关学者研究, 现阶段内有着更多说我形式, 用途也更加多样化。交流电动机也可以分为电动机以及异步感应电动机。电动机转子转速和定子电流的频率之间的关心需要保证不变, 也就是所说的同步电动机。与之相反的是:要是此种形式受到影响, 就称之为异步电动机。根据不完全统计, 电动机中有85%以上都是交流电动机。通过此项数据不难看出交流电动机在国民经济中所占的比重。

二、交流电动机变频调速基本控制形式

(一) 变频调速的基本要求

在进行电机设计过程中, 材料需要使用铁芯, 将额定工作点设定为磁化曲线弯曲开始位置。调速过程中需要保证每极磁通值为一定的数额。铁芯会因为磁通增加出现一定的饱和, 励磁电流也会不断地增加, 这样情况下绕组就会过分发热, 整个的工作组工作功率会因此降低;要是磁通有所减低, 电动机输出输出转矩就会下降。要是负载转矩一直保持不变, 那么转子过电流也会出现一定的热量, 所以说需要保证磁通恒定, 最主要的就是实现磁通变频调速。

(二) 变频调速主要方式

特工频交流电主要工作形式是通过整流器将交流电转变为直流电, 再将直流电通过逆变器转变为可使用的交流电。具体的形式如下:

可控整流量调压、变频器调频所使用的交流-直流-交流变频器。这样变频器调压和调频是通过相互配合的2个控制电路所使用的。

不可控制整流器整流、逆变器调频、斩波器调压的交流-直流-交流变频器。这种形式下变频器整流环节是由二极管所组成的, 不能实现调压作用。

整流器整流、脉宽调制 (PWM) 、逆变器调压调频的交流-直流-交流器不控变频器。此种变频器所用的PWM会出现一定的逆变, 只是较小的输出谐波, 但是输出波形和正弦波是相似的。逆变器调压调频的交流-直流-交流变频器主要应用在不同的电力拖动系统、稳压稳频系电源内。电压源型交流-直流-交流变频器和电流源型交流-直流-交流变频器的主要区别在于中间直流环节所采用的滤波器。

三、电动机使用变频技术之后所具备的功能

(一) 升速功能的提升

运行过程中升速时间较长, 就表示频率增加较慢, 电动机在起动过程中只有较小的转差。此种运行最终会使得起动电流降低。与此相反的是:升速时间较短, 那么频率的增长就会较快。要拖动系统具有交大的惯性, 那么电动机转子转速就不能与同步转速保证一直, 这样会使得转差与动态转矩变大, 使得电流高于标准值。所谓的升速过程就是由一种稳定的运行方式转变为另一种稳定运行方式改变过程, 这个转变的时间越短越好。

变频技术不单单能够控制升、降的速度, 同时还能控制升速的方式, 对于不断时间段内的速度进行控制。一般会使用下面三种方式:

保证频率和时间之间成线性关系, 将多数负载设定为线性方式。

S形方式。在运行开始以及结束时期内, 升速是比较缓慢的, 但是在这中间运行时间段内, 需要根据线性方式运行。要是电梯突然间的开启或是停止, 速度改变较大, 那么电梯内的人员会感觉到不舒服, 所以说, 都会是使用S形方式操作。

半S形方式。此种方式主要是在是升速过程中使用。就比如说, 鼓风机在降速过程中需要较小的负载转矩, 但是升速过程中需要将其有所提升。但是随着转速提升, 负载转矩也会相应的增加。

(二) 使用过程中保护功能

就运行本质来讲, 电动机操作过程中需要有一定的过载保护。此种保护主要功能为保证电动机不会因为运行过热对于电机有所损坏。所以说, 保护主要是为了保证电机温度不超过标准值所定。

四、结语

节能性、调速性以及保护功能是变频器所具备的主要功能, 除此之外, 还有一定的控制性。在使用变频技术过程中, 需要在保证电动机正常运行的状态下进行工作, 通过此种方式不单单能够将电动机的转速控制精度提升上去, 同时还能保证公益质量以及公益效率, 此项技术可以说是产品更新换代最理想的替代产品。

参考文献

[1]张燕宾编著.变频调速460问[M].机械工业出版社, 2009.

交流变频技术 篇8

关键词：交流,变频调速,原理

随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展, 交流电动机调速系统的性能越来越好, 特别是鼠笼式交流异步电动机的变频调速系统, 其性能已与直流电动机调速系统相媲美。由于鼠笼式交流异步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、坚固耐用、工作可靠、维护方便、适应性强等一系列优点, 而且功率、转速、电压的允许值高于直流电动机, 所以交流变频调速技术得到了迅速的发展, 并有取代直流电动机调速的趋势。

1 变频调速

在拖动系统中, 用变频器驱动电动机的目的就是实现调速, 让电动机按照希望的方式运转。但不论系统是否采用调速, 稳定运行是必须的, 即要求系统在受到扰动时有自动恢复的能力。交流调速传动, 主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案, 例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等, 虽然仍在特定场合有一定的应用, 但由于其性能较差, 终将会被变频调速所取代。

变频调速就是指改变供电电源频率, 同步转速随之变化, 从而改变电动机转速。变频调速范围宽, 平滑性好, 效率最高, 具有优良的静态及动态特性, 是应用最广的一种高性能交流调速。电动机械特性随电动机自身电气参数改变而改变, 但由于系统转动惯量的存在, 转速不能突变, 一旦外部施加的电气参数改变, 必然引起电动机电磁转矩的突变, 从而破坏原来的转矩平衡关系而产生新的系统合转矩。该合转矩将对系统产生一个加速度, 使系统加速或减速。当外部参数稳定之后, 系统转速过渡到新的稳定状态, 这个加速或减速过程就称为调速过程。

2 交流电机的分类

根据采用的电流制式不同, 电动机分为直流电动机和交流电动机2大类, 其中交流电动的拥有量最多, 提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。交流电动机的诞生和发展已有100多年的历史, 至今已经研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品相的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步 (感应) 电动机2大类。电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系, 即是同步电动机;反之, 若不保持这种关系, 即是异步电动机。根据统计, 交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右, 可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。

3 异步电动机变频调速的基本控制方式

3.1 变频调速的基本要求

为了充分利用铁芯材料, 在设计电机时, 一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处。因调速时希望保持每极磁通Фm为额定值, 即Фm=ФmN。因为磁通增加, 将引起铁芯过分饱和, 励磁电流急剧增加, 导致绕组过分发热, 功率因数降低;而磁通减少, 将使电动机输出转矩下降。如果负载转矩仍维持不变, 势必导致定、转子过电流, 也要产生过热, 故而希望保持磁通恒定, 即实现恒磁通变频调速。

3.2 变频调速的基本控制方式

交流异步电动机调速时, 和电流电动机一样, 希望保持电动机中每极的磁能为额定值, 并且保持不变。如果磁通太弱, 电动机的铁心得不到充分利用, 造成浪费, 如果磁通太强, 会使铁心饱和, 导致过大的励磁电流, 严重时会使绕组过热而破坏。异步电动机定子每相绕组感应电动势:

式中, N1为定子绕组每相串联匝数;KN1为基波绕组系数;Фm为每极气隙磁通。

由上式可见, Фm的值是由E1和f1共同决定的, 对E1和f1进行适当的控制, 就可以使气磁通Фm保持额定值不变。

由此表明, 在基频以下调速, 即当频率f1N从额定值f1向下调节时, 保持磁通Фm不变, 必须按比例降低Eg, 据此可采用电动势频率比恒定的控制方式, 即Eg/f=常数, 要直接控制Eg比较困难, 但当Eg较大时, 可认为定子相电压U1=Eg (忽略定子绕组的漏磁阻抗压降) , 于是有:U1/f1=常数。

按上式控制f1和U1时, 交流异步电动机的机械特性是一簇平行曲线, 当f1降低时, 交流异步电动机产生的最大电磁转矩也低, 这是因为当f1降低时, z/l和5d也降低, 这时, 定子绕组的漏磁阻抗压降所占的比例增大, 不能再忽略。因此U1/f1保持为常数已不能保持Фm恒定, Фm会逐渐减少, 从而导致电动机电磁转矩 (包括最大电磁转矩) 降低。当f1很低时, 电动机负载能力太低。可见, 低频调运只适用:F转矩随转速下降而下降的风机类负载及调速范围不大的场合。

在基频以上即f1从额定值f1N往上增高时, 定子电压的增设不能超过其额定值, U1N不变时, Фm将成反比下降, 从而导致电动机最大电磁转矩随转速升高而减小, 这相当于直流电动机弱磁升速的情况。可见, 基频以上调速时, 电动机的输出功率近视保持不变。这种调速方式称为恒功率变频调速。

3.3 变频器的类型

交-直-交变频器的作用是特工频交流电 (频串和电压幅值恒定) 经过整流器整流成为直流电, 直流电再经过逆变器变换成可变压变频的交流电。根据控制方式的不同, 交-直-交变频器可分为3种形式:

(1) 可控整流量调压、变频器调频的交-直-交变频器。这种变频器调压和调频分别由互相协调配合的2个控制电路实现。

(2) 不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-直-交变频器。这种变频器的整流环节由二极管构成, 只整流不调压, 斩波器用于脉宽调压。

(3) 整流器整流、脉宽调制 (PWM) 、逆变器调压调频的交-直-交器不控变频器。这种变频器用PWM逆变, 输出谐波较小, 而且输出波形非常接近正弦波。

交-直-交变频器适用于各种电力拖动系统、稳压稳频电源和不停电电源。交-交变频器的作用是将工频交流电 (频率和电压幅值恒定) 经过交-交变频器直接变换成变压变频的交流电。电压源型交-直-交变频器和电流源型交-直-交变频器的主要区别在于中间直流环节所采用的滤波器。

4 变频器的常用功能

4.1 变频器的升速功能

升速时间长, 意味着频率上升慢, 电动机在起动过程中的转差小, 动态转矩小。其结果是减小了起动电流;反之, 升速时间短, 意味着频率上升快, 如拖动系统的惯性大, 则电动机转子的转速将跟不上同步转速的上升, 结果使转差和动态转矩增大, 导致升速电流超过允许值。升速过程属于从一种稳定运行状态转换到另一种稳定运行状态的过渡过程, 在这段时间内, 通常是不进行生产活动的。因此, 升速时间应在不过流的前提下, 越短越好。

变频器除了可以控制升、降速时间外, 还可以通过对升速方式的预置, 对不同时段的加速度进行控制。常见的升速方式有3种:

(1) 频率与时间成线性关系, 多数负载可预置为线性方式。

(2) S形方式, 在开始阶段和结束阶段, 升速的过程比较缓慢;而在中间阶段, 则按线性方式升速。如在电梯的起动和停止过程中, 如果加速度变化过快, 会使乘客感到不舒服, 故以采用S形方式为宜。

(3) 半S形方式, 升速过程呈半S形, 例如, 鼓风机在低速时负载转矩很小, 升速过程可以快一些, 但随着转速的增加, 负载转矩增大较多, 升速过程应减缓一些, 采用半S形升速方式是比较适宜的。

4.2 变频器的过载保护功能

从根本上说, 对电动机进行过载保护的目的, 是使电动机不因过热而烧坏。因此, 进行保护的主要依据便是电动机的温升不应超过其额定值。

5 结语

变频器不仅具有卓越的节能作用、显著的调速性能和保护功能, 还具有优越的控制方式。应用变频调速, 不仅可以使电动机在节能的转速下运行, 而且还可以大大提高电动机转速的控制精度, 提升工艺质量和生产效率, 是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。

参考文献

[1]张燕宾编著.变频调速460问[M].机械工业出版社, 2006

[2]李发海, 王岩编著.电机与拖动基础[M].清华大学出版社, 1994

[3]国家发展和改革委员会节能信息传播中心.工业企业节能技术指南汇编[M].中国环境科学出版社, 2009

交流变频技术 篇9

一、交流变频调速技术的优点

交流变频调速技术近二十年来在一些技术先进的国家得到迅速的普及推广, 并在电子拖动中逐步占据主导地位, 形成了电力电子学理论。

电力电子学就是使用电子半导体元件进行电力变频和控制的技术。1973年美国电气学会在其主办的电力电子学大会上, 将电力电子学定义为:是研究电气电子和控制的边缘领域的技术学科。电力电子学是使本来不适用于调速的交流异步电动机, 具有和直流电动机一样的调速性能。

交流变频调速传动具有以下特点:

1. 可以使普通异步电动机实现无级调速。

2. 启动电流小, 减少电源设备容量。

3. 启动平滑, 消除机械的冲击力, 保护机械设备。

4. 对电机具有保护功能, 降低电机的维修费用。

5. 具有显著的节电效果。

由于交流变频调速传动技术具有上述特点, 已开始取代直流调速装置, 成为现代电气传动的发展方向。变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案, 代表今后电气传动的发展方向。

二、变频技术在设备中推广应用的必要性

工艺流程中要求设备的电气传动稳定, 点动、启动及升降速都应平滑实现, 这样才能使产品质量稳定、均匀。在化纤设备的传动系统中, 都是由皮带、联轴器、链条与齿轮来承担, 由于电动机启动硬度的原因, 在点动与启动过程中, 不可避免地会出现皮带、链条打滑, 齿轮冲击等现象。在机械传动轮系中, 齿轮越多, 造成齿轮损伤的概率就越大, 应用交流变频技术就能够很好地解决平滑启动, 消除机械启动时的冲击力, 实现无级调速, 减少传动中间环节、变速装置数量, 降低维护检修工作量和维修费用, 满足生产工艺要求, 提高粘胶质量。应用此技术在生产条件变化的情况时, 不需改变牙齿、皮带轮或人工凭经验调整无级变速器, 设备工艺转速的改变只需通过变频设定就可完成。近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、化纤、轻工、造纸、橡胶、塑料、电力、水务等行业中得到广泛应用。低压电动机变频调速应用已非常普及和成熟。高压电动机变频调速也正在被人们关注和逐步应用。交流电动机变频调速除了有卓越的调速性能之外, 还有显著的节约电能和保护环境等重大作用, 是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。

三、交流变频技术在化纤设备中的应用

1. 交流变频调速在新型国产棉纺设备中得到广泛的应用。

在2000年第七届中国国际纺织机械展中, FA201B梳棉机、FA326并条机、FA423粗纱机、FA710高速并条机、FA231倍捻机均采用变频调速。新型国产细纱机F1513系列、F0128系列采用PLC, 可编程序控制, 变频调速、纺纱全程可根据设定程序进行调速纺纱。特别是EJM128JL型细纱机1008锭, 锭速可按10段变频调速控制。FA716并纱基础集体变频调速, 还可根据不同品种的需要, 实行单锭, 分组或分段变频调速, 适应棉毛等多品种并纱卷绕的要求。

2. 交流变频调速在压榨机中的应用。

压榨机老式机械在设计方面由于受到当时的技术条件、设备制造成本, 市场需要等因素的限制不可避免地存在着一些缺陷。如R051型压榨机传动系统中的无级变速器由于故障率较高, 经常造成丢转, 甚至导致系统停车, 给生产效率与产品质量造成一定的损失, 要保持与维护需投入大量的人力与物力。为避免这种现象, 用不当的操作办法来弥补设备缺陷, 同样是不可取的。为了使压榨机达到可调速的目的, 在机械传动中设计了无级变速器, 蜗轮箱, 用机械的手段来实现。这一设计虽然能够实现无级调速, 但存在着传动中间环节多, 设备结构复杂, 维护检修工作量大、费用高, 运行稳定性较弱、故障率较高等缺点。采用了交流变频调速加摆线针减速箱减速, 从而实现了升、降速平滑, 转速稳定, 压辊转速的任意调节, 为老式机械改造提供一个好的范例。对R051老式机械进行交流变频调速改造, 不但能够提高设备性能, 运行的稳定性, 降低故障停机, 降低维护检修的工作量及维修费用, 而且减轻了其他零部件因变速不稳定造成的损害, 还能提高生产效率与产品质量, 可靠地保障了工艺生产的连续稳定。

3. 变频调速在空调中的应用使节能显著。

在空调风机控制中应用, 可根据车间环境条件对风机进行无级调速, 扩大了调节范围, 因风机大部分工作在50-80%的效率中, 这样就具有良好的节电效果高达60%左右。在水泵控制应用中, 可根据水量调整供水水泵转速, 实现节能同时也实现了接近恒压供水。

变频调速是风机、水泵节能的最佳方案。根据流体理论, 离心式风机水泵的轴功率是转速的三次方函数关系。当转速降低后, 其消耗功率会大幅下降, 例如50%转速时, 轴机械功率仅为12.5%。当然不同的调速方案的效率相差很大, 滑差后液力调速装置效率不高, η≈ (1—S) , 在50%转速时, η≈50%, 而变频调速器效率, 效率因数高, η≈95%—98%, 而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳, 理应为首选方案。

举例:同一风机水泵, 100%转速流量时, 轴功率为100%;50%转速流量时, 轴功率降为50%。

若采用挡板, 阀门控制到50%流量, 仍需从电网吸入70—80%的功率;若采用滑差低效调速到50%, 则需从电网吸入≈25%的功率;若采用变频高效调速到50%流量, 仅需从电网吸入10%功率。

现如今更应该在大容量高压电动机驱动的风机水泵和压缩机上推广应用高压变频调速节能。理由很简单, 在节电率百分比相同的情况下装机容量愈大, 其绝对节电量也愈大。

四、交流变频调速技术在化纤设备上推广应用的可行性

交流变频调速技术在新型化纤设备中已比较广泛。目前我公司服役的化纤设备中推广应用的较少。棉纺织技术杂志阎磊主编曾在《我国纺织工业技术进步的思考与建议》[2000.1]一文中提到采用高新技术改造传统纺织设备问题, 现我公司所使用的设备大都是七、八十年代设计生产的设备, 这些设备从机械状态来讲仍可使用相当一段时间, 近期全部更新是不可能的, 但对其进行部分电气传动改造是完全可行的。

五、结论

交流变频调速技术在化纤设备上的应用是必要的, 对传统的化纤设备推广应用也是可行的。

现正在服役的化纤设备中交流变频技术应用较小。这里的因素很多:一是目前运行的设备大多是七八十年代设计出产的, 但是这一新技术还未得到应用;二是近年来化纤行业效益不佳, 没有能力应用这一新技术, 在设备选型上, 由于价差因素放弃了采用新技术的设备;三是管理水平与维修力量不佳, 而不敢选用技术含量高的设备。但随着社会的进步, 技术的发展和加入WTO, 就必须提高现有化纤设备的装备水平, 增加技术含量, 提高在国际市场上的竞争力。

摘要：本文论述交流变频调速技术其具有的优点, 在科技飞速发展中得到迅速的普及推广, 介绍其在化纤设备中推广前景、必要性, 应用中表现出的良好性能, 认及在粘胶制造过程中产生的巨大经济效益。

交流变频技术 篇10

随着生产加工型企业的不断发展, 整个行业的竞争也日益激烈。因此, 如何提高生产效率, 降低生产成本, 就成为提高企业竞争力的关键因素。对于大型加工企业, 特别是重型机械加工企业, 其在生产过程中所面临的最大问题就是如何搬运质量很大的物品。门式起重机的应用, 帮助了企业在生产过程中快速地搬运重物, 从而提高了生产效率。对于门式起重机的改进一直在不断进行, 如何使门式起重机在搬运速度和搬运安全2方面找到最完美的平衡点, 已成为摆在科研工作者面前新的研究课题。而交流变频调速技术在门式起重机中的应用, 能够使门式起重机的工作更有效率地进行。

1 门式起重机的运行特点

1.1 工作环境

门式起重机的工作环境一般比较恶劣, 其工作地点基本属于以下几类:重工企业、铁路货场以及码头货场等。这几类工作地点环境通常比较差, 各有不同的问题, 如存在腐蚀气体、存在工业粉尘等。在门式起重机工作时, 由于其搬运的往往是质量很大的物品, 因此整个系统的振动以及受到的载荷冲击都很大。另外, 门式起重机对供电设备要求也非常严格, 通常在其启动时会发生瞬时欠电压的情况。

1.2 工作特征

(1) 在启动时, 门式起重机应具有足够大的启动转矩。一般安全规范中要求门式起重机具有150%以上的额定转矩, 而实际情况是工作区内电压供给经常发生变化, 无法达到额定要求。因此, 在门式起重机启动时, 为了保证足够高的安全系数, 应设定其能够提供超过200%的额定转矩。

(2) 变频器启动信号和机械制动信号的协调控制。由于门式起重机是通过变频器控制物件的搬运, 然后经过机械制动的方式使其停止的, 所以必须保证2种信号不重复发出。最好保证门式起重机单一时间内只能执行一种信号发出的命令。

(3) 能量回馈。门式起重机的工作过程中包括很多上下运行及平移的工作状态, 在发生急减速时, 电机会由于持续惯性转动而进行再生发电, 这部分电能将回馈到电源内部。

(4) 负载加大。在门式起重机抓起重物离开地面或者将重物放在地面的瞬间, 其受到的载荷会突然加大。

2 交流变频调速技术的应用效益分析

(1) 在门式起重机采用交流变频调速技术后, 整个系统的机械特性将由于变频器的驱动进一步加强。因此, 在停止时机械不会由于惯性而继续运动, 这就提高了工作的准确度, 从而提高了生产效率。

(2) 变频门式起重机在工作过程中整体运行平缓, 不会出现骤起骤停的现象。这样, 系统受到的冲击力就较传统起重机小很多, 从而提高了生产的安全性, 延长了起重机构件的使用寿命。

(3) 在门式起重机低速运行过程中, 整个系统的机械制动是通过电气控制完成的, 这可以使机械制动系统中的制动片使用寿命延长, 从而降低机器维修成本。而且, 这样一来, 企业就不会常常因为门式起重机要更换内部构件而停产, 从而提高了生产效率。

(4) 传统的门式起重机采用的是绕线转子异步电动机, 其构件上面的集电环和电刷在使用过程中经常发生故障, 这是门式起重机大部分机械故障的主要原因。而应用交流变频调速技术的门式起重机采用的是鼠笼异步电动机, 它不但能有效避免集电环和电刷容易发生故障的毛病, 而且由于其结构简单、性能好可使整个系统运行更加稳定合理。

(5) 整个交流系统的接触器数量有效减少, 电动机电路实现了控制的无触点化。这样的设计防止了接触器的触点因频繁工作而损坏从而导致的电动机故障的发生。

(6) 交流变频器的众多功能使门式起重机可以根据实际情况来加快或减慢升降速度, 这就令其工作更加灵活方便, 从而提高了生产效率。

(7) 传统的调速系统更容易发热而使电能利用率降低, 而交流变频调速系统由于其自身的高效性可使门式起重机在运行过程中产生的热量较小, 从而更加节省电能。

(8) 变频器本身具有自我保护功能、检测和诊断修复功能, 若能与PLC技术相结合, 交流变频调速系统的性能就会更加可靠。

3 变频器的安装设计

3.1 防振设计

不同型号的起重机所使用的变频器耐振性是不一样的。一般而言, 电控系统的设备加速度在5 m/s2以内才符合安全要求。如果振动过大, 超过规定的安全值, 就会对整个系统造成负面影响, 这是因为振动会使构件连接松动, 导致材料因机械疲劳而发生断裂, 或使电气元件脱落。因此, 为了防止上述情况发生, 一般都在变频器周围加装隔振器, 从而减小振动对变频器的危害。

3.2 防潮、防尘设计

一般门式起重机的变频器周围相对湿度保持在20%~90%之间比较合适, 如果湿度过高, 加上设备长时间使用, 会使电气系统外的绝缘层老化而失去作用, 从而导致漏电的情况发生。所以, 安装时变频器电控部分应尽量避开相对湿度高、尘土多的位置。如果安装条件受到限制, 只能在相对湿度高或尘土多的地方安装, 则可采用以下技术来防潮、防尘:

(1) 利用硅胶这类化学产品作为干燥剂, 将其放置在电控装置内部, 利用其化学特性吸收空气中的水分, 使周围环境的相对湿度降低。在放置干燥剂时应该注意:干燥剂用量一定要足, 并应定期更换, 这样才能使整个电控装置处于一个较为干燥合理的环境内。

(2) 可以在变频器的电控系统中加装一个加热器。在变频器处于非工作状态时, 通过加热器加热产生空气对流, 从而使电控系统温度升高、空气流通加速, 这样就达到了降低电控系统周围环境相对湿度的目的。

(3) 在电控柜上方和下方分别设置出气孔和进气孔, 并在出气孔和进气孔上安装金属丝网, 利用金属丝网进行防尘。金属丝网的网格大小能决定防尘效果。另外, 还应在电控柜上方安装排气扇, 帮助空气流通, 从而有效降低周围环境的相对湿度。

3.3 散热设计

在使用时, 变频器周围环境的温度在-10~40℃之间均属正常。但由于门式起重机经常应用在户外货运或重型加工企业中, 生产工作环境的温度变化十分明显, 特别是冬夏2季, 环境温度对于变频器损害巨大。为了减少温度对变频器的损害, 安装时应注意以下2点:

(1) 环境温度较高时:在电控柜内安装风扇;对于易发热部件, 应安装在靠近风扇或空气流通顺畅的位置。

(2) 环境温度较低时:在电控柜内安装加热器, 通过加热使周围环境温度上升。需要注意的是, 为保证生产安全, 加热器和变频器不能同时开启。

4 结语

随着科学技术的进一步发展, 电子技术不断完善, 交流变频调速技术也会越来越成熟, 其应用效果也会越来越明显。为使交流变频调速技术能在门式起重机中得到广泛应用, 在安装变频器时应充分考虑到门式起重机自身及其工作环境的特殊性, 从而使这种应用更加充分与完善, 以取得更好的效果。

参考文献

[1]段苏振.交流变频调速技术在门式起重机中的应用[J].电气传动, 2005, 35 (1) :56～62

[2]刘清, 何禹崇.全变频调速技术在门式起重机中的应用[J].起重运输机械, 2010 (2) :51～53

交流电机变频调速研究 篇11

首先通过下式 (1) 求得三相异步电动机的转速n:

其中, “n”表示“电机转速”;“n1”表示“电机的同步转速”;“p”表示“磁极对数”;“s”表示“转差率”;“f”表示“频率”。根据公式 (1) 得知:改变极对数、转差率和频率后, 就能实现异步电机调速。前两种方法转差效率有一定的损耗, 在一定程度上限制了电机的工作效率。变频调速是基于对子电源频率的调整来改变同步频率, 进而实现电机转速的调整。

2 变频变压的实现———SPWM调制波

如图1所示每个脉冲宽度为t1, 相邻脉冲间隔为t2, t1+t2=T (脉冲周期) , 则等宽脉冲占空比为

调节占空比α, 就能将输出的平均电压调节到符合设计要求, 若要调速, 就必须通过调整PWM波的频率1/T改变电源频率, 进而实现调速。另外, 要改变频率和占空比, 就必须借助专用控制电路进行调节。

虽然上述方法能够满足变频与变压控制要求, 但逆变电路输出的电压波形仍夹杂着高次谐波成分, 需要对其进行优化设计。目前比较有效的优化方法是将等宽的脉冲波转为宽度按照正弦化规律渐变的脉冲波 (详见图2) 。这种SPWM波大大减少了谐波分量, 可以得到基本满意的驱动效果。为了提高基波含量, 还可以三次谐波注入法, 已有集成芯片问世。

产生正弦脉宽调制波SPWM的方法是:用一组等腰三角形波进行比较, 如图3所示, 其相等的时刻 (即交点) 作为开关管“开”或“关”的时刻。

将这组等腰三角形波称为载波, 而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和幅值具有可控性, 要调整电机转速, 首先要按设计要求调整正弦波的频率, 使输出电源随之变动, 进而实现对电动机转速的调整。而对输出电压的调整, 则需要调整正弦波幅值实现对正弦波与载波交点的调整, 通过输出脉冲序列宽度的调整来改变输出电压。

一般来说, 可以通过极性控制来实现对三相逆变开关管生成SPWM的控制。极性控制包括两种控制模式, 一是单极性控制, 另一种是双极性控制。在单极性控制模式下, 每半个周期内逆变桥安装在同一桥臂上的两只逆变管中, 能够反复导通的开关管只有一只, 另一只开关管则始终处于断开状态。而另外半个周期内, 反复导通的那只开关管将会始终是断开的状态, 而原来断开的开关管会反复导通, 两只逆变开关管正好呈现出相反的状态。在双极性控制模式下, 全周期内, 逆变桥同一臂的上下两开交替开通与关断恰好互补。

图4 (a) 是三相调制波与等腰三角形载波的关系。三相调制波由3条正弦波组成, 其频率与幅值一致, 但是存在120度相位差, 同一桥臂 (即同一相) 的逆变开关管的开通与关断时间主要取决于正弦波与等腰三角形的焦点位置。从线电压Ury, 输出波形来看 (见图4 (b) ) , 它是由相电压合成的 (Ury=Ur-Uy, 同理, 也可以得到Uyb和Ubr) 。

3 系统控制结构 (图5)

4 单片机程序流程图简介 (图6)

5 总结

本篇论文阐述了交流电机综合控制装置的设计理论以及发展趋势, 对异步电机的变频调速闭环控制系统做了一定设计。异步电机的调速控制系统的主电路和控制电路的理论设计, 并给出了单片机的部分流程图。系统理论上应该能够完成电机的启动、调速、停止控制, 以及电机运行过程中出现过流、过压、缺相等异常情况时的综合保护功能。

参考文献

[1]林立, 李晓静, 蒋云峰.基于DSP的SVPWM矢量控制数字化变频调速系统[J].中小型电机, 2004 (05) .

[2]叶成平.交流感应电机的参数辨识及数字控制技术研究[D].南京工业大学, 2004.