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变频器在小功率异步电机电气设计中应用

时间:2017-10-08 19:59来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本文提出了抑制和解决这类问题的有效对策。为确保整个系统中变频子系统可以可靠地、平稳地、安全地实现所设计的性能指标,并能实现系统的调速运行、节省
第一章 绪论 
 
1.1 课题研究背景和目的
近年来,随着国家对工业、农业、畜牧业的大力发展,并与国外进行深入的探讨、合作,国内对工农业自动化要求越来越重视,促使相关设备及技术发展极为迅速,国内工业农业畜牧业正在发生一场自动化的革命。生产、养殖、办公自动化正越来越受到从业人员的青睐。在实际生产中,越来越多的场合采用由变频调速驱动电机的拖动系统,而使用该技术是当代改进生产工艺以提高产品品质、促进科学技术进步及保护环境实现可持续发展的重要手段。变频技术也越来越深入到普通百姓的生活中,例如无极变频空调,无级变速电动机正在逐渐普及。变频调速具备运行效率高、功率因数高以及卓越的起动制动性能及其杰出的节能调速等特点,又由于变频器可用的行业领域很多并包含上述特点,成为最具发展潜力的调速方法。因此深入研究变频调速在交流异步电动机中的应用,对这类产品发展,相关事业的发展及社会的发展具有积极意义[1]。 很多自动化工业或农用设备的性能主要由交流异步电机来决定,所以变频器性能对电机的应用极为重要。国内有些公司主要使用施耐德、西门子及台达变频器来控制电机的转速,但在实际应用中出现了诸如高频干扰,接地故障,过载,温升等问题,本文将在后续讨论分析这些问题产生的原因以及相应解决方案,同时深入研究变频器如何更好地应用在采用小功率交流异步电动机的风机类负载.
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1.2 国内外研究现状 
在世界各发达国家,变频理论和变频器研究己从普遍含义的传动领域中独立出来,成为世界各列强在工业自动化和机电一体化这两个重要体现国家实力中,争强占先的又一新的领域,各发达国家为成为这这两个高新技术的领导者,更是在该技术领域注入了庞大的人力、物力和财力,这也促成了这变频技术和变频器制造在整个世界的飞速发展。从变频技术这一领域来看,美国、瑞典、丹麦、德国、日本等国家处于世界领先水平,彼此难分高下。这些国家在研发技术和生产实践中,已处于领先地位,尤其以 220KW 功率以上的变频技术及制造的大容量变频器更是被欧、美国家所垄断,例如德国西门子公司(SIEMEN),丹麦丹佛斯公司( DANFOSS),美国 AB.OE 公司、瑞典 ABB 公司等。而在中小型的变频器研发及制造领域中,85%以上为日本和台湾公司所瓜分,如日本的富士公司(FUJI)、东芝公司(TOSHIBA)、松下公司(PANASONIC)、三菱公司( MITSUBISHI)、安川公司以及台湾的台达公司[5]。因为上述各个国家及地域的基础工业发达、相关的零部件制造业完备、设计研发及生产的综合能力较强,所以这些国家可制造的变频器种类覆盖面广,并已配备规模制造生产,变频器在可应用领域中使用率已在85%以上[5]。在我国,从上世纪 90 年代开始也逐渐涌现出上规模的生产变频器厂家,但生产的变频器还主要通过电压/频率控制和电压空间矢量控制。然而通过这种控制方式实现的变频调速系统只能应用在要求精度不高、动态性能需求宽松的负载。诚然这一类变频器可应用在工业农业中绝大部分的负载,可是在工农业生产中对变频器的稳定性要求却很高,然而受制于国产变频器的品质难以得到保证,各生产厂家自身产品一致性难以提高,所以这也是国产品牌无法更多地占领市场份额的主要原因。虽然从研发难度和生产工艺的角度上来看,国内厂家制造的变频器较矢量控制变频器要容易,但由于国内厂家大部分还未实现工业自动化,很多还是手工作坊式的装配,工艺控制能力尚需完善,检测成品的方式方法也不完备,这就造成在我国制造出来的变频器产品质量难以达到国外厂家水平。例如电压/频率控制的这一类变频器,国外生产的变频器相对于国内来说,质量普遍会好很多,这其中控制生产工艺的手段差距占了一定的因素[11]。此外由于构成变频器的主要元器件是半导体功率器件,而在这一研发制造生产行业中,我国相对于其他发达国家仍然具有很大的差距,这直接也造成了国内变频器厂家所生产的产品品质较国外具有一定的差距[5]。 
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第二章 交流异步电动机及变频调速原理 
 
交流异步电动机是一种将电能转换为机械能的拖动装置,相对于其他任何种类的电机,交流异步电动机被应用在几乎所有的电力驱动系统中。交流异步电动机具备构造紧凑、运行平稳、性价比高及操作简便等优点,使其在各个行业内得到普遍使用。 而变频技术是目前国内外控制同拖动系统方法中最理想、最有发展的技术,除具有优越的调速功能,变频调速技术还具有其他调速方式不具备的节能功能,是交流异步电动机使用者生产改造、技术更新及产品换代的理想调速装置。自上世纪后半叶,由于电力电子、微电子和控制理论等相关行业得到迅速进步,变频调速技术也得以快速前进,其在性能上已与直流调速技术不想上下,这种调速技术作为系统节能与自动调速控制中的重要环节,得到了迅速发展和使用。 
 
2.1 交流异步电动机工作原理
如图 2-1 所示转子和定子组成交流异步电动机的核心部件,定子为静止的部件,转子为旋转部件,而定子和转子并不是直接接触在一起的,之间存在气隙。铁心、绕组和机座组成定子;铁心和绕组组成转子。 电动机通电后,定子产生的旋转磁场切割转子绕组,进而产生感应电动势,其方向可使用“右手定则”来判断。因为转子绕组自身闭合,感应电动势通过转子绕组形成感应电流,首先假定电流方向与电动势方向一致,那么感应电流在旋转磁场作用下产生电磁力,方向可使用“左手定则”来判断。该力的转矩相对电动机转轴被称为电磁转矩。所以转矩方向与定子旋转磁场一致时,电动机在该转矩的作用下,将沿着旋转磁场的方向旋转。 
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2.2 交流异步电动机的调速 
交流电动机由于其特点不需要直流电动机中的换向器,从而结构简洁、坚固,同时它还具有低维护、快速动态响应等特性。在上世纪中后期,由于缺乏合适的控制方法,难以实现速度的调节,所以交流电动机主要应用在转速恒定的设备或系统中。自本世纪初,由于电力电子行业和微电子行业的迅速发展,行业持续推出新器件及新的控制理论技术,使 AC 拖动系统也具有与 DC 拖动系统同样出色的调速性能,从而使交流变频调速得到了快速发展。交流异步电动机在电气传动领域中是最为普遍的拖动装置。据相关机构统计,我国交流异步电动机的装机量占电气拖动总量 75%。据企业客户的调查报告,尤其在农业领域,交流异步电动机使用的所占容量以致达到了 90%,是以了解交流异步电动机的调速原理是非常重要的。   
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第三章  变频调速系统需求分析 ........ 14
3.1  项目背景 ......... 14
3.2  需求分析 ......... 15 
3.3  问题分析及对策 ..... 17 
3.4  本章小结 ......... 21 
第四章  变频调速系统设计 ........ 22 
4.1  系统整体设计 ......... 22 
4.2  变频调速主系统设计 ..... 22 
4.3  变频器设计选型 ..... 25 
4.4  变频控制原理图设计 ..... 28 
4.5  变频电控柜设计 ..... 31 
4.6  本章小结 ......... 37 
第五章  变频调速系统实现 ........ 38 
5.1  系统安装及调试 ..... 38 
5.2  系统测试 ......... 40 
5.3  实际应用 ......... 43 
5.4  本章小结 ......... 44 
 
第五章 变频调速系统实现
 
5.1 系统安装及调试
类似于其他电气系统或装置,变频调速系统作为电力系统的一种,同样需要严格的使用条件和应用场所。工作环境温度在-10℃至 40℃,最大相对湿度不超过 90%,系统使用的海拨高度不要超过 1000 米。为安装好本系统,使其能正常运行,达到企业目标和本课题的意义,需要充分的准备工作。首先攻读变频器的用户手册及安装说明书,根据工艺需求,确定需要设置的参数及变频控制方式;配线工艺和接线方式要严格按照国标规范来选取施工。一般来说,任何系统在设计完成后,为形成规模化生产实践,会对设备打包成模块化的方式便捷地运输到项目现场,现场工程师只需按要求接线即可。但安装本系统需要的电缆线较长,所以供电线路需尽量避免周边设备的干扰;由于项目主要在远离城市的边远地区,要对工频供电的频率和电压进行检测,以便调试时作参考。采用变频调速来控制风机异步电动机,其系统制动曲线非常平滑,对于不同的变频器系统,只需按规范接线后,再设置系统参数即可。 由于变频器需要调试的参数众多,且所有参数自身都具调节范围,在系统调试过程中普遍存在由于少数参数选取数值不当,导致系统无法正常运行的问题。 控制方式:依据前文所述,风机电动机运行在基频以下为恒转矩负载,采用恒电压与频率比的控制方式,并且还要对其进行负载补偿设置和测试,来使电动机的效率达到最高。 
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总结 
 
在我国节能重点通关项目中,我国政府非常重视使用变频调速方式对风机、泵类等设备进行调速,以实现节能减排目的。本文通过设计并实际实施说明变频器可对这类负载的变频运行实现明显节能效果,从目前来看是一种理想的调速控制装置。在设备效率得到提高的同时,也符合相关生产工艺要求,又由于采用变频器设备,在整体系统中减少了其他模块的设计投入,而且降低了设备维护、维修费用,间接降低了企业停产时间减少管理成本,显著提高了直接和间接利润率。 本文以交流异步电动机和变频调速方法为理论基础,以 Farm  Master、变频器为核心部件,在分别讨论了它们的原理和特点后,设计并实践了变频器在小功率异步电动机的应用,取得了以下成果:
1、根据企业风机电动机的特点,选用的变频调速是电压/频率恒定控制方式,从而实现风机电动机在基频以下的恒转矩变频调速。其特点是负载转矩不随电机转速变化而变化,而是保持基本恒定;并且电机的输出功率随着转速的升高而升高,降低而降低,由于大部分时间中,风机并不是满负荷运行而是低速运转,使用这种变频调速方式极大地节约了能耗。 
2、根据大多数实际的需求特点,确定了变频调速整体设计方案,完成了变频调速系统总体功能设计和各个子系统的详细功能设计,并对这种实际应用需求整合了设计方案,并针对变频调速产生的高次谐波如何避免干扰整个系统其它用电设备,分别进行了分析研究和方案设计。这些设计不仅满足了实际的需求,而且实现方法简便易行,可接受程度高。 
3、通过对变频器在电机应用中产生的问题研究,在设计系统时,重点考虑了变频器在工作过程中产生的高频谐波会使得异步交流电动机内部接触点发热严重问题,进行了大量实验测试,分析并给出企业在使用变频调速系统时,变频器和相关配件选型说明,并规范安装流程和注意事项。
4、通过对变频控制原理的研究,并配合变频器选型,进行了配电柜设计、变频器电控柜设计、保护电路和报警电路等子系统设计,非常适合工业农业畜牧行业中使用的小容量交流异步电动机变频调速系统。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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