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一变频调速的分析5
二恒压供水的变频应用方式6
第二节恒压供水系统应用变频器的工作原理7
变频控制原理7
二PID控制原理8
第三节恒压供水系统特点及系统应用范围8
一恒压供水系统特点8
二系统应用范围9
第三章变频器恒压供水系统的节能9
第一节变频恒压供水系统9
一变频恒压供水代替传统恒压供水的优点9
二变频恒压供水系统中的设置步骤10
三恒压供水的意义10
第二节变频恒压供水设备的节能11
一节能的定义11
二系统的节能分析11
三节能原理12
四变频恒压供水设备的节能方向13
结束语15
谢词16
参考文献17
第一章变频器的基本内容
第一节变频器的组成
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
它实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向,随着电力电子技术的发展,交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。
变频器不仅调速平滑,范围大,效率高,启动电流小,运行平稳,而且节能效果明显。
因此,交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统,越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。
一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
1.整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。
整流电路一般都是单独的一块整流模块.
2.平波电路
平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动,为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流),一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量,故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。
3.控制电路
现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心,从而实现全数字化控制。
变频器是输出电压和频率可调的调速装置。
提供控制信号的回路称为主控制电路,控制电路由以下电路构成:
频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”。
运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路
变频器采取的控制方式,即速度控制、转拒控制、PID或其它方式
4.逆变电路
逆变电路同整流电路相反,逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压,以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。
从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°
电角度的三相交流电压。
第二节变频器的工作原理
近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速越来越被工业上所采用。
如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是越来越注重的问题。
目前,通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器,通常尤以电压器变频器为通用,其主回路图(见图1.1),它是变频器的核心电路,由整流回路(交—直交换),直流滤波电路(能耗电路)及逆变电路(直—交变换)组成,当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分
(1)整流电路
如图所示,通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。
它的功能是将工频电源进行整流,经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。
三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。
网络的作用,是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压,从而避免由此而损坏变频器。
当电源电压为三相380V时,整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V,最大整流电流为变频器额定电流的两倍。
(2)滤波电路
逆变器的负载属感性负载的异步电动机,无论异步电动机处于电动或发电状态,在直流滤波电路和异步电动机之间,总会有无功功率的交换,这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。
同时,三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。
为了减小直流电压和电流的波动,直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。
通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容,通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组,以得到所需的耐压值和容量。
另外,因为电解电容器容量有较大的离散性,这将使它们随的电压不相等。
因此,电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻,消除离散性的影响,因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。
(3)逆变电路
逆变电路的作用是在控制电路的作用下,将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出,所以逆变电路是变频器的核心电路之一,起着非常重要的作用。
最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件(GTR、IGBT、GTO等)组成的三相桥式逆变电路,有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断,可以得到任意频率的三相交流输出。
通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。
智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。
如三菱公司生产的IPMPM50RSA120,富士公司生产的7MBP50RA060,西门子公司生产的BSM50GD120等,内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。
模块的典型开关频率为20KHz,保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。
逆变电路中都设置有续流电路。
续流电路的功能是当频率下降时,异步电动机的同步转速也随之下降。
为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。
在逆变过程中,寄生电感释放能量提供通道。
另外,当位于同一桥臂上的两个开关,同时处于开通状态时将会出现短路现象,并烧毁换流器件。
所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路,以保证电路的正常工作和在发生意外情况时,对换流器件进行保护
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60f(1-s)/p
(1)
式中n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
由式
(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
图1-1变频器原理图
第三节变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
2.1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。
另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;
通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;
将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。
2.3矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;
It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.4直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;
它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
2.5矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。
为此,矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是:
——控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;
——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<
2ms),很高的速度精度(±
2%,无PG反馈),高转矩精度(<
+3%);
同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
第二章变频器在恒压供水系统中的应用
第一节变频调速及应用方式
一变频调速的分析
用户用水量一般是动态的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,则压力低;
用水少而供水多,则压力大。
保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。
在生产生活供水时,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响生活质量,严重时会影响生存安全,如发生火灾时,若供水压力不足或或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以,用水区域采用恒压供水系统,能产生较大的经济效益和社会效益。
随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,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;
由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;
可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
二恒压供水的变频应用方式
用变频器生产的恒压供水设备,对于企业提高经济效益、节能降耗、提高设备技术含量、安全、稳定运行具有很好的促进作用。
通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台。
在采用变频调速进行恒压供水时,就用两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;
其二是每台水泵配用一台变频器。
后种方法根据压力反馈信号,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就一个闭环回路,较简单,但成本高。
前种方法成本低,性能不比后种差,但控制程序较复杂,是未来的发展方向。
一般供水系统三台泵组成,每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵为一台小泵两台大泵组成,小泵为15KW大泵为30KW,三台泵的协调工作以满足供水需要。
系统组成如图所示
图2-1
该系统由一台PLC两个变频器。
两个变频器。
两个压力传感器,控制柜及相关设备组成。
利用一台变频器可以控制两台30KW水泵的运转,改造后,1#泵15KW始终处于工频运转,两台30KW水泵由变频器的控制实现变工况运转。
1#泵工频运转一般不能满足白天的最小用水量,因此白天供水时首先投入1#泵和2#泵,2#泵工作在变频启动状态,随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定,在用水量不大时,2#泵和1号泵同时工作可以满足要求,如果用水量增大,2#泵会自动切换到工频状态,并给PLC发出信号,继而变频启动3#泵30KW,此时1#,2#泵工作在工频状态,3#泵工作在变频状态。
由于3#泵的自动调节功能,从而保证系统的恒压。
一般而言,三台泵同时投入是绝对能满足要求的。
第二节恒压供水系统应用变频器的工作原理
一变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水,与用调节阀门来实现恒压供水相比,节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。
其优点是:
1、
起动平衡,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;
2、
由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;
3、
可以消除起动和停机时的水锤效应;
图2-2恒压供水系统工作原理图
一般地说,当由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容量。
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、降速状态,而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流,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、降速而积累起来的温升,变频器内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。
在主要功能预置方面,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。
升、降速时间在采用PID调节器的情况下,升、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调节功能时,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失效。
二PID控制原理
根据反馈原理:
要想维持一个物理量不变或基本不变,就应该引这个物理量与恒值比较,形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统。
但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统,现在控制和PID相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;
在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。
这通过PLC加智能仪表可时现该算法,同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。
实践证明,使用这种方法是可行的,而且造价也不高。
第三节恒压供水系统特点及系统应用范围
一恒压供水系统特点
1、高度智能自动化:
系统能实现全自动控制,具有手动/自动切换、主辅泵定时轮换、压力调整、恒压、高度电压保护、欠相保护、漏电保护、过载保护、过热保护、缺水保护、不用水停车休眠、瞬间跳闸保护等功能。
另可根据用户要求配置人机界面,可视化远程调整、检测和维护。
2、变频恒压供水设备具有超压、欠压、过载、短路、断相、低液位等功能。
3、调节精度高,一般可达到0.01MPa,系统压力始终维持在设定值不变。
4、变频恒压供水设备操作简单方便,具有故障自动存储、故障显示。
压力可从键盘直接设定。
5、具有高效节能的优点,如与气压罐配套使用,效果更佳,节能率为20%~50%。
6、变频恒压供水设备,双泵定时切换功能。
一用一备控制。
7、结构紧凑,占地面积小,维护方便。
二系统应用范围
1、自来水厂、加压泵房。
2、居民生活区、宾馆及其它建筑。
3、企业生产用水。
4、锅炉循环水系统。
5、农田灌溉系统。
6、在消防中的应用。
图2-3消防专用变频调速供电系统
第三章变频器恒压供水系统的节能
第一节变频恒压供水系统
一变频恒压供水代替传统恒压供水的优点
1.变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力,并根据压力信号自动启动备用泵,无级调整压力,供水质量好,与传统供水比较,不会造成管网破裂及开水笼头时的共振现象。
2.避免了泵的频繁启动及停止,而且启动平滑,减少了电机水泵的启动冲击,增加了电机水泵的使用寿命,也避免了传统供水中的水锤现象
3.传统供水中设计有水箱,不但浪费了资金,占用了较大的空间,而且水压不稳定,水质有污染,不符合卫生标准,而采用变频恒压供水,此类问题也就迎刃而解了。
4.采用变频恒压供水,系统可以根据用户实际用量,自动进行检测,控制马达转速,达到节能效果。
避免了水塔供水无人值班时,总要开启一个泵运行的现象,节省了人力及物力
5.变频恒压供水可以自动实现多泵循环运动功能,延长了电机水泵的使用寿命。
6.变频恒压供水系统保护功能齐全,运行可靠,具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能。
二变频恒压供水系统中的设置步骤
(1)假设反馈通道选择VI(0~10V),远传压力表的量程范围0~1Mpa
(2)接线
图3-1
FWD与DCM闭合时变频器启动MI1与DCM闭合是PID有效F040设定为40,输出频率由PID输出决定
(3)设定的参数如下:
·
F039以实际需要,一般设定为外部端子控制,即F039=2;
F040=40输出频率由PID输出决定;
F041=50PID启动,即MI1功能选择为PID启动功能;
F073=0.1PID输入选择0表示PID的设定值来源,由F027设定;
1表示PID的反馈值来源,模拟输入VI为来源;
三恒压供水的意义
1、提高供水的质量
用户用水的多少是经常变化的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水压力上,即用水多而
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- 供水