电气设备与电气控制实训实习报告.docx

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电气设备与电气控制实训实习报告

实习报告

第一章异步机变频调速系统

1.1变频器工作原理

变频调速系统一般由变频器、电动机、控制器组成，其结构框图如图1.1所示。

通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源。

此电源输出的电压或电流及频率，由控制电路的控制指令进行控制。

而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。

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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

图1.1变频调速系统的原理框图

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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

1.2主电路原理图

施耐德ATV71系列变频器主接线图

1.3控制电路原理图

如下图所示，控制电路由以下电路组成：

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、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。

施耐德ATV71系列变频器控制原理图

1.4施耐德变频器的认识，

（1）变频器终端，如图1.2所示。

图1.2变频器终端图

（2）变频器主菜单，如图1.3所示。

1.5变频器控制算法比较

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：

1、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、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。

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。

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。

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。

1.6变频器的选择

电机与变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。

选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。

人们在实践中常将生产机械分为三种类型:

恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。

1、恒转矩负载

负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。

例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。

变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。

2、恒功率负载

负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。

当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。

负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。

电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。

3、风机、泵类负载

在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。

随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。

这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。

在选择变频器时因注意以下几点注意事项：

1、选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。

另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。

因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。

所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

2、变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。

所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。

3、对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。

4、使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。

而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。

因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。

5、变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，会降低输出容量10％～20％，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。

1.7外部接线图

第二章异步机软启动控制系统

2.1软启动器简介

软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。

它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管交流调压器。

改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。

在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作。

运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，可以使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

2.2软启动器的工作原理

软启动器的工作原理：

控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。

软起动结束，旁路接触器闭合，使软起动器退出运行，直至停车时，再次投入，这样即延长了软起动器的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗。

2.3软启动器原理图

2.4ATS48的主接线及端子图

图3.3软起动器主接线图

图3.4软起动器端子排接线

连接RUN（运行）和STOP（停止）命令，如有必要还应连接

输入/输出端子。

Stop为1（通）且RUN为1（通）:

起动命令。

Stop为0（断）且RUN为1或0:

停机命令。

2.5软启动器的起动方式

（1）斜坡升压软起动。

这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。

其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。

（2）斜坡恒流软起动。

这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。

起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。

电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。

该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

（3）阶跃起动。

开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。

通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果

（4）脉冲冲击起动。

在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。

该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。

2.6软起动器单机简单起动

按下图接线：

图3.5软起动器简单起动接线图

2.7软启动器与变频器区别

变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。

变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。

变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。

因此变频器可以使电机以较小的启动电流，同时使电机启动转矩达到其最大转矩，即变频器可以启动重载负荷。

软启动只改变输出电压，不改变频率，也就是不改变电机运行曲线上的n0，而是加大该曲线的陡度，使电机特性变软。

当n0不变时，电机的各个转矩（额定转矩、最大转矩、堵转转矩）均正比于其端电压的平方，因此用软启动大大降低电机的启动转矩，所以软启动并不适用于重载启动的电机。

2.8软启动器的应用场合

根据软起动器的功能，它适用于以下场合：

（1）要求减小电动机起动电流的场合。

（2）正常运行时电动机不需要具有调速功能，只解决起动过程的工作状态。

（3）在正常运行时负载不允许降压、降速。

（4）电动机功率较大（如大于100KW），起动时会给主变压器运行造成不良影响。

（5）电动机运行对电网电压要求严格，电压降不大于10%的Ue。

（6）设备精密，设备起动不允许有起动冲击。

（7）设备的起动转矩不大，可进行空载或轻载起动。

（8）中大型电动机需要节能起动。

从初投资看，功率在于75KW以下的电动机采用自耦减压起动器比较经济，功率为90～250KW的电动机采用软起动器较合算。

（9）短期重复工作的机械。

这里指长期空载（轻载小于35%）、短时重载、空载率较高的机械，或者负载持续率较低的机械，如起重机、皮带送机、金属材料压延机、车床、冲床、刨床剪床等。

（10）需要具有突跳、平滑加速、平滑减速、快速停止、低速制动、准确定位等功能的工作机械。

（11）长期高速、短时低速的电动机。

当其负载率低于35%时，采用软起动器有较好的节能效果。

（12）有多台电动机且这些电动机不需要同时起动的场合。

（13）不允许电动机瞬间关机的场合。

如高层建筑等水泵系统，若瞬间停车，会产生巨大的“水锤”效应，使管道甚至水泵损坏。

（14）特别适用于各种泵类负载或见机类负载，需要软起动与软停车的场合。

实习小结

通过这次生产实习，使我在生产实际中学习到了电气设备运行的技术管理知识、电气设备的制造过程知识及在学校无法学到的实践知识。

在向学习过程中，培养了我们艰苦朴素的优良作风。

通过生产实习，对我们巩固和加深所学理论知识，培养我们的独立工作能力和加强劳动观点起了重要作用。