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1、前言 目录 5 10 13 14 28 改6页变频调速技术(variable velocity valiable frequency technology)是一项综合现代电气技术 和计算机控制的先进技术，广泛应用于风机节能领域。变频调速技术应用于风机控制系统， 具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天， 推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高 劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变频调速技术是一项利国利民、有广 泛应用前景的高新技术。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行 效率和可靠性，节
2、省宝贵的资源，是技术发展的必然趋势。交流电动机变频调速技术是一 项已被广泛应用的节能技术。随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，变 频调速已逐渐取代过去的滑差调速、变极调速、定子调速、串极调速、液力偶合调速及直 流电机调速等调速方式，在工业生产中获得广泛的应用。变频调速具有效率高、调速范围 宽、精度高、调速平稳、无级变速等优点。近年来变频器的应用越来越多，尤其在电力紧 张的情况下，变频器的节能效果越发显的重要，因此将高压风机、反吹风机改为变频器控 制，将传统的电机调速理论、现代电力电子技术以及计算机控制技术结合在一起，当用风 量发生变化时，电机转速自动改变，使
3、电机在最经济的转速下运行，从而达到节电的目的。 风机和水泵在国民经济各部门中应用数量众多，分布面极广，是耗电量巨大的设备。据有 关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约35000MW，耗电量约占全国电力消 耗总量的40%左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是 提咼风机和水泵的运行效率。据估计，提咼风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达300 500亿kWh/年。效益最大化是企业永恒的主题，利用新技术来提高企业生产装置的管理水 平和节能降耗已是各企业首选的手段之一。本控制系统采用了变频调速闭环控制，相应的 压力传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，使得系统
4、调试和使用都十分方便， 而且大大简化了在管理和操控等方面的工作量。实践证明，本系统不仅提高了水泥厂的经 济效益，更是在节约能源、降低噪声美化环境表现出很好的效果。由于编者的水平有限，设计中不免会存在一些疏漏和不妥之处，恳请指导老师批评和 指正。原始资料我国水泥厂较多采用立窑配备155215KW罗茨风机，罗茨风机为容积式风机，输送 的风量与转数成比例，三叶型叶轮每转动一次由2个叶轮进行3次吸、排气。与二叶型相 比，气体脉动性小，振动也小，噪声低。风机2根轴上的叶轮与椭圆形壳体内孔面，叶轮 端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风 从风机进风口沿壳体内壁输送到
5、排出的一侧。风机内腔不需要润滑油，结构简单，运转平 稳，性能稳定，适应多种用途，已运用于广泛的领域。又由于采用了三叶转轮及带螺旋线 型的箱体，所以风机的噪声的振动很小。叶轮和轴为整体结构，且叶轮无磨损，风机性能 持久不变，可以长期连续运转。传统的风量控制办法是依靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的供风量较为恒定的，煅 烧时根据窑的情况需要随时调节风量，当窑内需要少风量时，通过放风阀放走多余的风量, 造成严重的能源浪费。怎样才能节省放风所浪费的能源呢？当然最根本的办法是控制罗茨 风机的转速，进行风量调节，保证窑内需多少风量就供多少风，完全免除放风所造成的浪 费。水泥厂生产线为干法悬窑，其窑烧成系统流
6、程简图如图0-1所示。液力耦合器占P电机图0-1高压变频典型应用实例悬窑是一个有一定斜度的圆筒状物，预热机来的料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动 来促进料在旋窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转 动在窑内向前运动。窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对 进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。XXX水泥厂的1#窑，日产为2500t，到现在运行已近多年。1#窑生产线，高温风机电 机配置为6kV1600kW，窑尾EP风机配置为6kV280kW。在高温风机的电机与风机之间， 配有液力耦合器对风机进行
7、调速，整个工艺过程主要是通过DCS的控制来调节液力耦合器 的速度从而调整风机的风量，达到控制窑内负压。窑尾EP风机依靠风门来进行调节。由于使用年限较长，目前液力耦合器漏油严重，运行中每天需加油23次，以补充 漏油，油面调整的控制回路失灵不能自动调节，在运行中只能靠手动调节置于固定转速比。 在运行是时仍靠风机挡板进行风量调节，当窑系统工况变化较大时，现场值班人员根据中 控制室的指令对液力耦合器的勺杆进行手动调节，运行操作非常不便。因此，决定首先对 水泥厂1#窑生产线的高温风机进行了变频调速设计。1 概述1.1 变频调速系统的发展与现状经过大约 30 年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调
8、速传动的主流，在 电气调速传动领域内，有直流电动机占统治地位的局面已经受到猛烈的冲击。纵观变频技 术的发展，其中主要是以电力电子器件的发展为基础的。第一代以晶闸管为代表的电力电子器件出现于 20世纪50年代，它主要使电流控制型 开关器件，以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通而不能自关断。第二代电力电子器件以电力晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管为代表，在20 世纪 60 年代发展起来，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可方便的实现变频逆变 和斩波，其开关频率只有 15KHZ。第三代电力电子器件以双极型绝缘栅晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（MOSET） 为代表。在2
9、0世纪70年代开始应用，它是电压场（场控）型自关断的电力电子器件。第四代电力电子器件，有出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路（PIC）和 20世纪90年代的智能功率模块（IPM）、集成门极换流晶闸管（IGCT），它们实现了开 关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规模化。1.2 变频技术的特点电力电子器件的自关断化、模块化、交流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字 化促进了变频电源装置的小型化、高性能化，尤其是控制手段的全数字化利用了微型计算 机的巨大的信息处理能力，其软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。 交流调速装置的大容量化、开关器件的自关断化、
10、PWM技术的应用、全数字控制技术的 应用，使变频技术的应用领域不断扩大，朝着高度集成化、采用表面安装技术、转矩控制 高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可能性、低成本和小型化的方 向发展。2 变频原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为n1=60f1np式中,叫同步转速（r/min）f1定子转速（HZ）np 磁极对数而异步电动机的轴转速为：n1= n1 （ 1s）=60f1 / np （1s）式中，S异步电动机的转差率，S=（ n1 n）/ n1由上式可见，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。 变频技术简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是
11、把交流电变成直流电，再 逆变成不同频率的交流电，或者是把直流电变成交流电，再把交流电变成直流电，总之这 一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化，变频技术的类型主要有以下几种：交-直变频技术（整流技术），直-直变频技术（斩 波技术） ，直-交变频技术（振荡技术） ，交-交变频技术（移相技术） 。2.1 交直交变频的基本电路图 2-1 交-直-交电压型变频交-直-交变频电路根据变频电源的性质可分为电压型变频和电流型变频，2.1.1 交-直-交电压型变频交-直-交电压型变频的构成如图 2-1所示，该电路的核心是三相电压型逆变器的基本 电路如图2-2所示。图中，直流电源并联一大容量的滤波电容Cd,由
12、于Cd的存在，使直流 输出电压具有电压源的特性，内阻很大，这使逆变器的交流输出电压被钳位为矩型波，与 负载的性质无关，交流输出电流的波形和相位由负载功率因数来决定，在异步电动机变频 调速中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的储能元件。直流电路电感Ld起限流作 用，电感量很小。Ld图 2-2 三相电压型逆变器的基本电路2.1.2 交-直-交电流型变频电压型变频，由于再生制动时必须接入附加电路，使电路复杂，电流型变频可以弥补其不足，而且主电路结构简单，安全可靠。交-直-交电流型变频器的构成如图 2-3所示。图 2-3 交-直- 交电流型变频+飢S3、/A7 x/AC1/ 11 11c m图 2-
13、4 三相电流型逆变器的基本电路三相电流型逆变器的基本电路如图2-4 所示。与电压型逆变器不同，直流电源上并联 了大电感滤波。由于大电感的限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、脉动很小， 具有电流源特性。这使逆变器输出的交流电流为矩形波，与负载性质无关，而输出的交流 电压波形及相位随负载的变化而变化。对于变频调速系统而言，这个大电感同时又是缓冲 负载无功能量的储能元件。2.2脉宽调制（PWM ）技术脉宽调制（PWM）就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅 值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，也就是在输出波形 的半个周期内产生多个脉冲，使各脉冲的等
14、值电压为正弦波状，所获得输出平滑且低次谐 波少，按一定规则对脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改 变输出频率。电压型交-直-交型变频电路，为了使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常是 由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路 来改变输出频率。图2-5所示是电压型PWM交-直-交变频电路，这里由不可控整流电路代 替可控整流电路，逆变电路采用自关断器件，这种PWM型变频电路的主要特点：（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压；（2）整流电路采用二极管，可获得接近 1的功率因数；（ 3）电路结构简单；（4）通过对输出脉冲宽度的控制可改变
15、输出电压，加快了变频过程的动态响应。图 2-5 PWM 变频器的主电路图其实， PWM 变频器就是基本逆变变频器。当采用 PWM 方法控制逆变器功率器件通 断时，可获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲，输出电压幅值的改变，可通过控制该脉冲的 宽度，而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。调压原理：利用参考电压 波Up与载频三角波Uc互相比较来决定主开关器件的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度 的改变来得到幅值不同的正弦波电压，这种参考信号为正弦波，输出电压平均值近似为正 弦基波的PWM方式称为正弦SPWM方式。脉冲的调制方法对PWM型变频调速技术的发 展，作为大容量传动的高压变频技术也得到了广泛的应用。高压电动机利用高压变频器可 实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量， 又可大幅度地节约能源，降低生产成本。2.3 高压变频器调速系统近年来，各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频 器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高-低-高型;根据有 无中间直流环节，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。在交-直-交变频器中，根据中 间直流滤波环节的不同，又可分为电压源型（也称电压型）和电流源型（也称电流型）。高-低- 高型变频器采用变压器实行输入降
