第二章 鼠笼型感应电动机的调速.docx
《第二章 鼠笼型感应电动机的调速.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 鼠笼型感应电动机的调速.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
第二章鼠笼型感应电动机的调速
第二章鼠笼型感应电动机的调速
§2-1概述
§2-2中压电动机的变频调速
§2-3功率单元串联多电平型变频调速
§2-4功率单元串联多电平型变频调速装置在火电厂的应用
§2-1概述
鼠笼型感应电动机的优点是结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，因此在各个工业领域的生产机械上得到了广泛地应用。
而在实际生产中，许多生产机械的负载状况往往是随着生产任务、工艺要求不同而变化，因此，根据生产机械、负载特点合理选择调速方式，实现电动机调速运行，提高电动机使用效率，可收到显著节电效果。
根据鼠笼型感应电动机的转速表达式为
式中：
n——异步电动机转速；
f——电源频率；
p——定子绕组极对数；
s——异步电动机转差率；
由式中可以看出，感应电动机有三种基本的调速方法：
变极调速、变转差率调速和变频调速。
一、变极调速
1、改变电动机的极对数P可以改变同步转速n，从而使转速得到调节，极对数的改变是通过改变定子绕组的接线方式来实现的。
因为改变定子极数时，转子极数也必须同时改变，笼型转子本身没有固定的极数，它的极数随定子磁场的极数而定。
为下避免在转子方面进行变极改接，故变极调速不用于绕线转子异步电动机。
改变定子绕组极对数，一般有三种方法：
1）单一绕组，改变不同的接线组合，得到不同的极对数；
2）在定于槽内安放两种有不同极对数的独立绕组；
3）在定子槽内安放两种有不同极对数的独立绕组，而且每种绕组又有不同的接线组号，得到不同的极对数。
2、变极调速的主要优点：
变速控制简单，操作方便，可靠性高，功率因数高，无附加损耗，效率高，可获得恒转矩和恒功率调速。
3、变极调速的主要缺点：
只能有级调速，而且级差和调速等级有限。
基于上述优缺点，变极调速适用于不要求平滑调速的场合。
二、电磁调速电动机
电磁调速电动机又称滑差调速电动机，它与测速发电机和控制装置—一起组成交流无级调速系统，适用于恒转矩负载，特别是风机．泵类机械的调速。
1、基本原理：
由鼠笼型感应电动机、电磁转差离合器、测速发电机和控制装置组成，电动机本身并不调速，通过改变电磁转差离合器的励磁电流来实现调速，电磁转差离合器是将电动机转轴和生产机械作软性连接以传递功率的一种装置
2、电磁调速的优点：
调速平滑，可以进行无级调速，当负载或电动机受到突然的冲击时，离合器可以起缓冲的作用，结构简单，造价低廉，运行可靠，维护容易。
3、电磁调速的缺点：
因传递效率较低，故最大输出功率达不到电动机的额定功率，并且随着输出转速的降低，传递效率相应降低，故不适宜于长时期处于低速的生产机械上，由于摩擦和剩磁的存在，当负载转矩小于10%额定转矩时可能失控，不适用于恒功率负载。
三、变频调速
1、基本原理：
电动机的转速与电源的频率成正比，通过变频装置将电网50Hz的固定频率转换为可调频率，即可实现交流电动机无极调速。
为使电动机变频时磁通保持一致，则：
式中：
——定子磁通；
——定子绕组系数；
——定子绕组砸数。
必须保证（定子输入）U/f按一定比例变化。
因此，变频调速又有变压变频调速（即VVVF）之称。
变频方式分为交—直—交变频和交—交变频两大类型。
交—直—交变频方式又有电压型、电流型和脉宽调制型三种类型之分，均由整流器、滤波器和逆变器所组成，完成交流（工频）—直流—交流（变频）转换。
四、几种调速方式的比较
调速方法
变频率f
电磁调速电动机
变极对数p调速
电动机类型
交流电动机
电磁调速电动机
多速电动机
功率大小（kW）
数千
0.4~200
0.45~100
调速范围
5:
1~10:
1
5:
1~10:
1
2:
1~4:
1
转速变化率
小
较小
较小
平滑性能
好
好
有级
转矩特性
恒转矩
恒转矩
恒功率或恒转矩
效率
0.8~0.9
1-s
0.7~0.9
功率因数
0.3~0.9
0.65~0.9
0.6~0.9
投资费用
高
较低
低
适用场合
辊道、高速传动及风机、水泵
中、小功率，要求平滑起动机械
机床、化工搅拌、起重机械、风机、水泵
...
§2-2中压电动机的变频调速
中压变频调速的技术分类：
从主回路结构上分为交交变频和交直交变频
从储能方式上分为电流源型和电压源型
从电平数上分为二电平、三电平和多电平
从控制方式上分压频比控制、矢量控制和直接转矩控制
比较内容
主回路结构
交-交
交-直-交
结构
每相由两个相互反并联的整流电路组成，正桥提供正向相电流，反桥提供负向相电流。
先将交流电源用整流电路转变成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电。
换能方式
一次换能
二次换能
换流方式
电源电压反向换流
强迫换流或负载换流
元件数量
比较多
比较少
元件利用率
比较低
比较高
调频范围
输出最高频率为电网频率的1/3～1/2
频率调节范围宽
电网功率因数
比较低
用PWM方式调压，则功率因数高
适用场合
低速大功率-轧机等特殊负载
各种拖动装置、稳压稳频电源-通用型
比较内容
储能方式
电流源型
电压源型
结构
电流源型输入采用可控整流，控制电流的大小。
中间采用大电感，对电流进行平滑。
逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电机。
电压源型大多采用二极管进行全波整流。
中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。
逆变桥控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。
直流环节
电抗器
电容器
输出电压波形
近似为正旋波
矩形
输出电流波形
矩形
近似为正旋波
输出动态阻抗
大
小
对电压波动的敏感性
大
小
器件损坏
容易
不易损坏
对晶闸管要求
耐压高，关断时间无要求
耐压较低，关断时间要求短
线路结构
较简单
较复杂
适用范围
单机、多机拖动
单机、多机拖动
比较内容
电平数
两电平
三电平
多电平
结构
采用6只可关断功率器件与箝位二极管构成带中性点的逆变电路
采用12只可关断功率器件与箝位二极管构成带中性点的逆变电路
有若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式实现直接高压输出的方法
输出谐波
大
小
很小
网侧谐波
大
小
很小
比较内容
控制方式
压频比（v/f）控制
矢量控制
直接转矩控制
定义
利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。
把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。
直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型，采用定子磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩。
优点
能明显改善输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，简化了逆变器的结构，加快了调节速度。
调速精度高，动态响应快，可实现四象限运行，在高速和低速都有比较好的控制性能。
不受电机参数影响，动态响应好，可实现四象限运行，控制算法和系统结构简单，开关频率低。
缺点
V/F控制在稳态下没有问题，但在负载突然变化的情况下，磁通和转矩不能优化，动态响应慢。
对转子磁场观测的准确性受电机及参数影响较大，需要输入准确的电机参数。
会产生转矩脉动，低速性能略差，调速范围不宽。
三电平高压变频如图
电流源型高压变频如图
功率单元串联型多电平高压变频主回路如图
目前，虽然有人提出了其他不同的高压变频器解决方案，但大都不具有明显的可行性，或者说不具有将上述三种主流变频器结构取而代之的潜力。
随着高压变频器成本的进一步降低，在中等功率市场，高低型变频器将会退出竞争，而只关注于较小功率的场合。
三电平型变频器由于输出电压不高的问题，主要的应用范围应该是在一些特种领域，如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等等，这些领域的电机都是特殊定制的。
由于上述的技术特征，通用型高压变频器将会是功率单元串联多电平型变频器占多数，成为主流产品。
§2-3功率单元串联多电平型变频调速
1、工作原理：
功率单元串联多电平型变频调速装置属于“高－高”电压源型变频器，由移相变压器柜、功率单元柜和控制柜组成。
6000V系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。
10000V系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相，每个功率单元由移相变压器二次线圈供电，功率单元输出PWM波形，输出电压为690V，相间功率单元输出电压波形合成后相电压达到交流额定电压，移相变压器二次线圈相互间存在相位差，实现多重化串联整流供电来消除对电网的谐波干扰。
多电平矢量叠加原理图
各功率单元输出电压波形图
装置输出电压波形图
2、功率单元结构
功率单元是整台变频调速装置实现变压变频输出的基本单元，整台变频调速装置的变压变频功能是通过单个功率单元实现的，每个功率单元结构上完全一样，可以互换，其交－直－交电路结构如下图，输入是二极管三相整流全桥，经过直流电容滤波，输出是IGBT单相逆变桥，控制器通过光纤通讯经过保护和驱动电路控制IGBT逆变桥输出正弦PWM波形，其驱动电源从直流电容两端直接取得进行变换。
3、输入侧结构
输入侧由移相变压器给每上单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，对6000V系列，构成30脉冲整流方式；对10000V系列，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
4、控制系统
功率单元串联型高压变频控制核心器件由DSP+FPGA组成，对输入输出信号进行检测、分析做出处理，对各功率单元进行PWM波形控制、触发、封锁、旁路IGBT，使变频调速装置提供相应的频率和电压输出，PLC接收用户的控制指令（启动、停机、急停、频率给定等），实现各种开关信号逻辑处理。
控制系统还对变频器各部件的状态（如各个功率单元、变压器、风机等）进行监控，提供故障诊断信息，实现故障的报警和保护。
在现场应用中，控制系统可实现与现场的灵活接口，提供阀门联动、自动调度等现场需要的控制功能，方便改变控制方式，满足用户现场的特殊要求。
为了实现控制部分和高压部分完全可靠隔离，控制系统与功率单元之间采用光纤通讯技术，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。
5、旁路装置
旁路装置用于在高压变频调速装置出现重故障而不能正常工作的情况下实现变频到工频运行的切换，有手动旁路装置和自动旁路装置两种方式，可由用户提出具体要求选配，高压变频调速装置标准配置不包括旁路装置。
手动旁路装置由高压隔离开关组成，需变频运行时先分QS3，再合QS1与QS2，需工频运行时先分QS1与QS2，再合QS3，变频运行与工频运行切换时必须等电机完全停止后手动操作隔离开关闭合与断开，禁止带电合分隔离开关。
自动旁路装置由高压接触器组成，变频运行时先分KM3，再合KM1与KM2，工频运行时先分KM1与KM2，再合KM3，变频运行与工频运行切换时系统会自动切换高压接触器的闭合与断开
采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机。
另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失。
系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。
由此可见，单元串联多电平型变频器的市场竞争力是很明显的。
特点：
◆输入谐波少，功率因数高；
◆电机侧谐波和dv/dt少，适用普通电机；
◆功率电路模块化，维护方便；
◆部分电路故障可继续运行；
◆系统故障可旁路到电网运行；
◆不能将能量回馈到电网；
◆功率器件备品备件属于通用产品；
◆可做成10KV产品；
◆交流环节复杂，功率器件数目多，体积略大一些。
§2-4功率单元串联多电平型变频调速装置在火电厂的应用
火力发电厂在生产过程中，当发电负荷发生变化时，需要对锅炉燃烧工况进行调节。
具体调节方法是通过改变锅炉的给煤量、风量、给水量来进行调节。
而目前各电厂水量、风量的调节一般是通过改变阀门或挡板的开度来实现的，但这种调节方式属于节流调节，在运行中这种调节方式存在许多问题。
1、浪费电能
锅炉在设计时,选用风机的额定容量通常大于实际需要量,其配套拖动电机的额定容量则更大。
实际运行时不得不关小风门进行节流调节。
在我厂,在额定工况下,风机风门开度仅为60%。
在节流过程中,风机特性曲线不变,转速不变,仅仅依靠关小风门,人为增加管道阻力来减小流量。
风门开度减小，阻力损失相应增加,但系统输入功率并无减小,而是白白损失在节流过程中。
2、系统稳定性及控制精度差
由于风门的档板开度与流量的非线性关系,加上执行机构机械传动间隙的影响,档板开度调节既不灵敏又不精确,无法实现流量的快速、准确调节。
3、节流调节运行费用大
在节流调节方式中,风机长期处于高速、大负载下运行,消耗电能大,维护工作量大,设备寿命低,并且运行现场噪音大。
某火电厂两台2×100MW燃煤发电机组，每台发电机组配置两台型号为YKK560-6、功率900kW、电压等级6kV并列运行的送风机。
分别在1#机1#送风机、2#机2#送风机安装了功率单元串联型高压变频器，典型工况连续运行，以1小时为单位，考核1小时内各段负荷同工况（出口风压相同、制粉系统运行方式相同）情况下，工频运行和变频运行时的节能效果。
下#1、2送风机总耗电的比较：
1#炉
负荷
制粉系统
送出口风压
氧量
工频电耗
变频电耗
耗电比较
MW
套
kPa
%
kWh
kWh
kWh
70
单套运行
2.7/2.8
5/5
882
720
162
80
单套运行
3.1/3.1
4.8/5
972
756
216
90
单套运行
3.08/3.06
5/5
1026
810
216
100
单套运行
3.5/3.5
4.7/4.3
1098
828
270
2#炉
负荷
制粉系统
送出口风压
氧量
工频电耗
变频电耗
耗电比较
MW
套
kPa
%
kWh
kWh
kWh
70
单套运行
3.0/3.0
5/5
954
725
229
80
单套运行
3.0/3.1
4.3/5
982
746
236
90
单套运行
3.16/3.18
5/5
1026
774
252
100
单套运行
3.2/3.2
5/4.6
1062
810
252
注：
工频电耗是指送电机在电压6kV频率在50Hz状态下负荷稳定运行1小时的实际耗电量。
典型工况连续运行三天送风机节能情况
单位：
万kWh
项目
发电量
1#送
2#送
节能
节能/万kWh
6亿kWh节能
#1机组
535.04
1.998
3.15
1.152
0.002153
129.18
#2机组
518.96
1.908
3.07
1.162
0.002239
134.34
按照单位小时节能情况分析：
概算按各个负荷段的平均数计算，#1炉每小时节约电量216kWh，#2炉每小时节约电量242.25kwh，全天双机运行共节约电量1.0998万kWh；以年发电量完成12亿kWh，日完成电量400万kWh，全年双机运行300天（相当于全年运行7200小时）计算，两台送风机全部技改后，全年可节约电量329.94万kWh，按现电价0.35元/kWh计算，一年可节约115.47万元。
按照送风机连续运行三天节能情况分析：
安装两台送风机变频后，全年可节约电量263.52万kWh，按现电价0.35元/kWh计算，一年可节约92.23万元。
上述两结论从数据上看基本相近，说明数据真实可信．变频效益巨大。
送风机采用变频运行后，除了节能和控制特性改善外，风机系统的运行工况也明显改善，有以下优点：
1、实现风门全开，不再调整风门，运行自动化程度大为提高，运行和维护工作量降低。
2、送风机变频改造后，电机实现了软启动，降低了电机的故障率。
3、功率因数提高。
从电网角度看，工频运行时功率因数为0.85左右,变频运行时功率因数达到0.95。
因此,即使同样是满负荷运行,变频运行时,高压输入电流明显比工频运行时小,这有利于节能和设备安全运行。
4、采用变频和旁路工频双套运行方式，当变频器故障时，电机可投工频旁路，电机定速运行，不影响设备运行，保证了机组的安全运行。
升级会员 