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1、变频调速技术及其在纺织厂空调系统中的应用（可编辑） (文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑推荐下载） 高校教师申请硕士学位论文 （2021届） 变频调速技术及其在纺织厂空调系统中的应用 The Technique of Variable Speed with Changeable Frequency and its applications in air-condition system of textile mill 研究生姓名 王治功 指导教师姓名 冯 岑 专业名称 纺 织 工 程 研究方向 纺织设备自动控制 论
2、文提交日期 2021年10月 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名__________日 期：__________ 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献
3、信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：___________日 期：__________ 导师签名：___________日 期：__________ 中文提要 变频调速具有卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点，随着应用领域的不断扩大而得到充
4、分的体现。是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。 近年来随着纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，交流变频调速已成为一种趋势。在大多数新开发的纺织机械产品中几乎无一例外地应用了交流异步电动机变频调速装置。 变频调速技术用于纺织厂空调系统能够很好的满足纺织车间内温度、湿度、生产工艺和人体舒适的要求，比传统方式具有更大的优越性。 本文通过介绍相关交流变频技术、变频调速原理、以及变频器的选用和参数设置，阐述了纺织厂空气调节的基本原理、设备及其现状，论证了变频技术在纺织厂空调系统中应用的可行性和显著的节能效果。通过对纺织车间变频调速技术改造的实证分析，一改普通空调系统的电动机只能以定速方式运
5、行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电动机功率消耗，达到系统高效运行的目的。论证了当前大多数纺织企业空调系统进行技术改造的必要性。 随着社会经济发展，生产力的逐步提高和完善，纺织空调也在不断提高和完善，如何以较小的成本不断满足生产工艺的要求，进一步节约能源成为一个紧迫的研究课题。 关键词：变频技术、纺织设备、空调 作 者： 王治功 指导教师： 冯 岑 The Technique of Variable Speed with Changeable Frequency and its
6、 applications in air-condition system of textile mill Abstract Recent years, with the unceasing development of textile electromechanical integration techniques, alternating current variable frequency speed adjustment has become a tendency. Possessing characteristics of high efficiency,wide
7、 extent and high precision, variable frequency speed adjustment,which is most widely used is a way of speed adjustment with broad possibilities.In most newly-developed textile mechanical products, it is almost no exception to apply alternating current asynchronous electromotor changeable frequency
8、speed adjustmental devices.Changeable frequency speed adjustmental devices are superior to the ones in traditional forms.They can make the mechanical equipment fit the requirements well in temperature and humidity in textile mills, production technology and human comfort. In the passage, the intr
9、oductions to the relative alternating current variable frequency techniques and their applications in air-conditioners of textile mills, which change the old modes that the electromotors in ordinary air-condition systems could be only circulated in constant speed and make the electromotors and their
10、 draganddrop loads be output in a circulated rotational speed according to requirements of production technology under the circumstances of no any alteration.thereby,the consumption of electromotors’power can be reduced in order to achieve a high efficient circulation of the system.Through the empir
11、ical analyses of transformations of variable frequency speed adjustmental techniques in textile workshops, a necessity is demonstrated that technical transformations should be carried out in air-condition systems of most textile plants now. With unceasing expanded fields,its advantages will be embo
12、died to the full, such as distinguished speed adjustment Specificatins,remarkable power saving effects,the improvements of present equipment operation,the improvements of safety reliability in systems and equipment utilization rate,the extension of equipment service life expectancy.At present, varia
13、ble frequency speed adjustmental techniques have been a major development direction of modern electric power transmission technology. Along with the society economic development and the gradual improvements and perfections of productivity,textile air-conditioners are in the same pace.It has beco
14、me an urgentresearch subject that how to meet the needs of the gradual-improved production technology in a lower cost and to economize energy resources in a further step. Key words: Variable Frequency Technology, Textile Equipment, Air-conditioner Written by: Wang Z
15、hi-gong Supervised by: Feng Cen 目 录 第一章 绪 论 ......................................................... 1 1.1.2 国外变频调速技术的发展现状 2 变频调速技术的优点 3 1.2课题意义 4 1.3本文的研究思路和主要工作 5 研究思路 5 本文的主要工作 5 第二章 变频技术 .......................................................7 2.1变频技术的来源 7 2
16、2变频调速原理 7 变频调速原理 7 变频器及其工作原理 9 变频器的控制电路 12 2.3变频器的选用 14 变频器的选用原则和要求 14 变频器的安装、使用、维护 15 2.4变频器的主要参数及应用......................................... 17 变频器的主要参数设置 17 变频器的应用 18 第三章 纺织厂空调系统................................................20 3.1空气条件对人体健康的影响 20 温度的影响 20 相对湿度的影响 20 空气流动速度的影响 20
17、 3.2温湿度与纺织生产的关系 21 温湿度与纺织纤维性能的关系 21 温湿度与纺织工艺的关系 22 3.3空气调节的基本原理 24 空调系统冷热负荷 24 空调送风系统 26 3.4纺织空调系统的现状 27 3.5纺织厂空调设备 28 传统空调设备 28 存在的问题 29 空调设备的更新换代 30 第四章 变频技术在纺织工业空调中的应用 .............................. 32 4.1变频技术在纺织空调系统中的应用分析 32 轴流风机的结构、性能与特点 32 轴流风机的选用原则 33 4.2风机的运行调节方法与节能分析 33
18、阀门挡板调节法 33 进出口叶片调节法 33 风机转速调节法 34 4.3风机、泵类变频调速原理 34 风机、泵类的特性和参数 35 风机，泵类传动电动机输出轴功率 35 风机，泵类调速控制节能原理 35 4.4变频调速节能实例 36 丝织实习车间基本情况调查分析 36 丝织实习车间空调系统节能分析 38 空调系统变频改造方案 40 空调系统改造后的优缺点 44 第五章 变频技术的应用与发展趋势 .................................... 47 5.1变频调速技术应用 47 变频技术在节能和环保方面的应用 47 变频技术在自动化
19、系统中的应用 47 变频技术在提高工艺水平和产品质量方面的应用 48 变频调速技术节能分析 48 5.2变频调速技术应用中应注意的问题 49 5.3电力电子装置带来的危害及对策 51 5.4变频技术的发展趋势 52 第六章 总结与展望 .................................................. 55 6.1总结 55 6.2展望 56 本文研究的不足 56 进一步研究的方向 56 附录一 丝织实习车间设备一览表 ........................................ 58 附录二 丝织实习车间
20、设备动力统计表 .................................... 59 附录三 变频器原理图(SAMCO—30kw) ..................................... 60 附录四：山东丝绸纺织职业学院丝织实习车间空调安装说明 .................. 61 参考文献 .............................................................. 62 作者在攻读学位期间发表的论文 .......................................... 65 致
21、 谢 ............................................................... 66 第一章 绪 论 1.1研究背景 近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，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
22、方式 1.1.1 我国变频调速技术的发展概况 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。按照调速方式可分成交流调速和直流调速两种方式。随着电力电子技术的发展原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调速的基础和主干内容。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 我国电气传动产业始建于1954年当时
23、第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开，很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，
24、但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10～15年。在大功率-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距,而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。 国内交流变频调速技术产业状况表现如下： （1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、
25、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 （2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 （3）相关配套产业及行业落后。 （4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1.1.2 国外变频调速技术的发展现状 在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10～2600 kVA和Simovert PGTO PW
26、M变频调速设备单机容量为100～900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700 kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点: （1）市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。 （2）功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用
27、使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （3）控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 （4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。 1.1.3变频调速技术的优点 变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制型
28、等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交流--交流变频调速，交流--直流--交流变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路以及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。它的性能主要有以下优点： （l）节约电能 节约电能是变频调
29、速技术最典型的例子，其中以风机和泵类机械的节电效果为最显著，风机水泵在生产中应用的特点可以用面广量大、耗电多来概括，节能潜力很大。 （2）提高生产率 利用变频调速技术，可以实现提高生产率的多种措施。诸如保证加工工艺中的最佳转速；选择适应负载不同工况的最佳转速；利用低速，实现高精度准确停车，缩短生产过程中间歇时间等。 （3）提高产品质量 我国近年来开发的新型粗纱机，采用工控机、PLC及变频器控制4台电机，去掉了锥轮变速装置、成型装置等，简化了机构，这种设备效率高、可靠性强，低噪音，便于操作及维护保养，工艺适应性好，减少断头，最高速可达标1500rpm，实现了人机对话、停车翼自动定位等新技
30、术，提高了产品的质量。 （4）适应和改善工作环境 变频调速装置能用在有爆炸性的气体和可燃性溶剂的生产设备，用在有腐蚀性和户外潮湿的工作环境，大大减少环境的机械噪声[1]。 1.2课题意义 2021年，中国整体经济环境更加开放，市场竞争程度也更加激烈，面对竞争与市场的变化和挑战，近十多年来我国纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了自动化技术,这项技术的内容包含了先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机，检测传感技术和执行机构等。纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机，这类机器均采用了自动化技术。 中国纺织行业的发展，特
31、别是进入“十五”以来的高速发展，在极大满足国内消费需求的同时，对推动全球纺织市场的发展产生了极其重要的作用，给全球消费者提供了大量物美价廉的纺织品，提高了他们的生活水平，为国家创造了大量的外汇收入，在国家的经济发展中占有重要地位。 现代纺织空调是随着新中国纺织工业的发展而逐步建立起来的，其主要任务是在生产车间内创造和保持满足一定要求的空气条件，使车间内空气的温度、湿度、流动速度、含尘浓度与新鲜度能满足生产工艺和人体舒适的要求，不因室外空气参数和室内各种因素的变化而变化。纺织空气调节的作用一般有两个：其一、满足纺织生产工艺所适合的温度、湿度条件；其二、改善劳动条件，保护职工健康，提高劳动生产率
32、 空调是纺织生产过程中必不可少的重要设备，空调设备的优劣将直接影响到纺织设备能否正常运行，进而决定了纱线和坯布的质量和产量。因此，对于依靠大功率电机驱动的纺织空调设备的核心部件----送排风机的电气驱动设备的选择就显得非常重要。 温湿度的精确易调与否、能耗的高低是决定空调性能优劣的根本指标。以往的空调风机，大多采用双速电机或采用直流电机调速系统以及交流串极调整系统来驱动，但经实践证明：双速电机的高低速控制无法实现运行中的调整(无级调速)，从而不能直接调节流量和控制温湿度，日能耗较大；直流调速系统造价高且维护费用高，维修也困难；串极调速性能不稳定，故障率高又不易维修。长期以来，在风机应用上
33、控制风量主要靠阀门、挡板来调节。换句话说，不论风量大或小，电动机的耗电量都是相同的，这种“大马拉小车”的现象很普遍，所以，电能利用率很低，造成能源浪费。随着变频技术的发展和逐步成熟，变频器调速逐渐成为工业界首选的电机调速技术，发挥着越来越重要的作用。 变频调速器是一种新型的控制装置，它可以随时调节电动机的转速，以增加或减少出风量，转速较慢时，耗电量会较低，若加上温度传感器监测温度的变化，再根据实际需要而决定电动机的转速，则能达到更佳的节能效果。 1.3本文的研究思路和主要工作 1.3.1研究思路 WTO之后，我国纺织产业面临新的机遇和挑战，降低企业生产成本和提高产品质量是我国纺织产业
34、增强自身生命力的关键。降低纺织空调能耗对于降低纺织企业综合能耗和降低生产成本具有重要意义；同时也符合国家“开发与节约并重”的能源方针，促进经济、生产和社会环境的协调发展。 能源问题逐渐成为制约全球经济和社会发展的“瓶颈”，节能是实现可持续发展战略，缓解能源危机的主要途径。纺织工业“十一五”规划提出的能耗下降20%的约束性指标，给棉纺企业提出了节能降耗的新课题。纺织企业是耗能大户，而空调能耗是纺织厂的主要能耗之一，据了解众多纺织企业正在为生存而战，节能降耗应是今年纺织企业“为生存而战”的主攻方向之一[2]。 纺织工业是最早应用空调系统的行业，纺织厂空气调节的主要任务是使车间空气保持一定的温度
35、湿度、清洁度和流动速度，是保障生产、改善工作环境、提高工作效率的必要条件。而空调用电约占纺织厂的30%左右。近几年来，随着经济快速的发展，电价不断上涨，增加了纺织企业的生产成本。 在空调系统中采用变频技术可以显著的提高控制质量，而且具有显著的节能效果。事实上，变频器除了可以节电以外，还有许多优点。 1.3.2本文的主要工作 本文首先详细阐述了变频调速系统出现的背景，以及国内外关于变频调速系统的发展概况和现状，对变频器的工作原理及其控制方式、选用原则、维护维修、参数设置和应用等方面进行了详细的归纳和总结。在此基础上，对纺织厂空调系统应用的风机、水泵等设备的性能和运行情况进行了深入的分析
36、研究。对纺织厂空调系统中的风机和水泵存在能源浪费大、设备利用率低、车间温湿度控制精度过低等的主要问题以及形成的主要原因进行了理论和实际的分析。 本文提出将变频调速技术应用于纺织厂空调系统论点，并详细分析了空调系统中轴流风机的结构、性能、特点和选用方法，风机的运行调节方法与节能思路，在此研究的基础上，提出了变频调速技术应用与空调系统中风机、泵类的调速控制和节能原理。通过对山东丝绸纺织职业学院丝织实习车间的空调系统的实际进行变频调速技术改造的案例分析，论证了变频调速技术在空调系统中应用的可行性。其中选择合适的变频器是基本的要求，参数的设置和控制系统调试是关键。并对系统改造前后丝织实习车间空
37、调系统运行时的耗电情况和对实验楼机房的影响，进行了调查取证。 在以上研究和实际设备改造的基础之上，总结出变频技术在纺织厂空调系统中应用的经验和节能效益。通过对目前纺织厂中空调系统设备普遍存在的问题进行分析，指出由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能的目的，推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各纺织厂节能工作的重点。因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前企业节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。 最后，阐述了变频调速技术的应用及其应用中需要注意的问题，
38、分析了变频调速技术的发展趋势。分析了将变频技术用于纺织企业空调系统设备改造存在的问题，推广的难度和发展前景，纺织企业对变频技术应用于空调系统的设备改造认识不足、纺织企业自身缺乏变频技术的专业技术人员、目前变频器的价格比较高等问题是制约其发展的主要因素，并提出了下一步的研究方向，希望在大功率变频器件和技术方面得到学习和专家指导的机会。 第二章 变频技术 我们日常生产和生活所使用的电源，是固定频率（50Hz）的交流电。变频技术，就是通过技术手段，来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率、速度和其他运行参数的目的。它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的
39、 2.1变频技术的来源 通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、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控制品闸管)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)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高
40、度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用[3]。 2.2变频调速原理 交流变频调速技术是电力电子技术、微电子技术、控制技术高度发展的产物，其工作原理是：通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电动机定子的工频（50Hz）交流电源经过二极管整流成直流电，再由GTR（大功率晶体管）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等递变成频率可调的交流电源，再由此电源拖动负载。 2.2.1变频调速原理 异步电动机由两个基本
41、的组成部分：固定部分--定子；转动部分--转子。异步电动机的定子是在铸铁或铸钢制成的机座内装有0.5mm厚的硅钢片叠成的筒形铁心，片间绝缘以减少涡流，铁心内表面上分布与轴平行的槽，槽内嵌有三相对称绕组。绕组是根据电动机的磁极对数和槽数按照一定的规则排列与连接的，当三相定子绕组与交流电源相接时，三相绕组中便有三相对称电流流过，产生旋转磁场，旋转磁场的转速称为同步转速，用n1表示，三相交流电源的频率用f1表示。同步转速为： （2-1） 在旋转磁场的作用下转子便转动起来了，异步电动机正常工作时
42、转子的转速（用n表示）略小于旋转磁场的转速，其转速差与同步转速之比称为转差率用S表示即。 (2-2) 其取值范围为（0--1） 由于异步电动机的同步转速n1与电源频率f1、转差率S和电动机定子绕组的磁极对数P成正比，即 （2-3） 因此，可以把电动机的调速分为三大类： （1）改变电动机的磁极对数： 由（2-3）式可知当电源频率f1一定时，电动机转速n近似与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，转速近似地减小一半。可见，改变磁极对数就可调节电动机的转速。
43、由（2-1）可知，改变磁极对数实质上式改变定子绕组旋转磁场的同步转速，故这种调速方法只能是跳变式调速，不能实现平滑调速。 （2）改变转差率： 在线绕型异步电动机回路里可以串联调速电阻，在恒转矩负载下，转子回路电阻增大，转速n下降。其优点是设备简单，平滑调速，但能耗较大，现在也很少应用。 （3）改变电源频率： 借助于变频技术的设备--变频器，可以使交流电源的频率连续调节，从而使交流异步电动机的转速能够从低速到高速都可保持高效宽范围和高精度的调速性能。这种调速方式可得到较大范围的平滑调速，其调速性能好，目前这种技术正越来越广泛地应用于电动机调速[4]。 2.2.2变频器及其工作原理 （
44、1）变频器的工作原理 交流变频器有交流--直流--交流和交流--交流变换方式，目前常用的为交流--直流--交流，其组成见图2-1。 V~ V- V- V~ 整 流 器 滤波器 逆变器 M 3~ 电网交流电经整流器送出脉动直流，经滤波后成为稳定直流供给逆变器，逆变器将直流变为顿率可变的交流电提供给电动机。 图2-1 交流-直流-交流变频器框图 由于滤波元件不同，逆变器可分为电压型和电流型两大类。用电容器作虑波元件，输送给逆变器一恒定电压，称为电压型逆变器；而
45、用电感元件滤波，输出一稳定的电流，称为电流型逆变器。 整流器的作用是利用半导体元件的单向导电性，将交流电变为脉动直流电。应用在变频器中的整流电路有两类，一种是二极管整流，特点是电路结构简单，但输出电压恒定；另一种是晶闸管整流，电路复杂，但输出电压可调。 逆变器是按照一定规律通断的一组开关，开关由电力电子元件组成，通过控制电路，使之改变其通断频率，并相应改变其幅值，达到恒功率或恒转矩控制的目的。 U V W Ed X T Z
46、 U V W O 图2-2 电压型逆变器主回路 控制回路就是要生成使逆变器的电力电子元件导通所需的脉冲，它根据恒功率或恒转矩的控制原则，调整输出频率和输出电压。目前普通采用的是脉冲调宽型(PWM)和正弦波脉冲调宽型(SPWM)。控制电路随元器件的发展由分立元件--集成电路—微机控制，后者又从8位机发展到32位机。 （2）交流--直流--交流电压型逆变器基本电路如图2-2所示。直流电源并
47、有大容量电容器，使输出电压基本恒定，相当于一电压源，输出电压为一矩形波，电流为一近似正弦波，输出阻抗小，如同把电动机接在电网上一样。可根据负载情况自由流过超前或滞后电流，这部分电流通过并联在开关元件上的二极管分流[5]。 1）晶闸管逆变器 V5 V1 D1 V3 D3 V7 L1 C1 负 载 L2 C2 Ed V6 V2 D2 V4
48、D4 V8 通常使用的元件为快速晶闸管，比较典型的是辅助晶闸管换流逆变器。如图2-3，主回路由V1～V4组成。 图2-3辅助晶闸管逆变器 当V1～V4关断后,谐振电流经D1～D4，辅助晶闸管V5～V8与L1C1、L2C2组成谐振电路构成换流电源。 2）电力晶体管GTR和可关断晶闸管GTO逆变器主回路由电力晶体管和可关断晶闸管作开关元件，构成一个比较理想的逆变器。由于晶体管正向损耗和开关损耗都比较小，逆变效率高，可达97%～98%，但是制造高压，大容量元件有一定难度，因此适用于中小容量的逆变器，
49、且关断时间短，适合于高频及PWM型逆变器。 3）电压型逆变器的保护 表2-1为电压型逆变器所用元件的特点，据此分析，电力晶体管不耐高压，过流容量小，有安全工作区限制，不能用快熔进行保护，如果驱动信号不足，晶体管将从饱和区移到放大区，损耗增大，容易击穿 可关断可控硅在关断电流不足时会使关断失败，易被击穿。 关断时dV/dt对关断特性有很大影响，同时di/dt不同时，会使关断增益和可关断电流值发生变化。快速晶闸管为外部电源强迫换流，元件内部损耗小，不会局部发热，保护较简单。 表2-1 逆变器用元件特性 电力晶体管 快速晶闸营 可关断晶闸营
50、 过电压安全系敬 较小 较大 较大 过电流容量 小 大 中 dV/dt 容量 无要求 大 中 di/dt容量 无要求 100～3OOA/μs 100A/μs以上 安全工怍区ASO限制 有 无 无要求 过电流关断 较好 较差 差 采用快速熔断器保护 差 较好 较差 抗干扰性 大 小 中 驱动信号不足 差（导通信号 不足可能损坏） 较差 差（关断信号 不足可能损坏） 表2-2 电压型及电流型变频系绕性能比较 项目 方式 电压型变频器 电流型变频器 再生发
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