1、 . 河 南 工 業 職 業 技 術 學 院Henan Polytechnic Institute畢業設計（論文）題 目: 變頻器在節能領域的應用班 級:機電1003班 姓 名:王江龍 指導教師:國同摘要隨著生產技術的不斷發展，直流拖動的薄弱環節逐步顯露出來。由于換向器的存在，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉速以與使用環境都受到限制。人們開始轉向結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的異步電動機。但異步電動機的調速性能難以滿足生產的需要。于是，從20世紀30年代開始，人們致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。在相當長的時期，直流調速一直以其優異的性能統治著電氣傳動領域。20世紀60年代

2、以后，特別是70年代以來，電力電子技術、控制技術和微電子技術的飛速發展，使得交流調速性能可以與直流調速相媲美。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。關鍵字： 節能，變頻器 目錄摘要1第1章緒論11.1變頻器的應用11.2變頻器與節能11.3 國變頻技術的現狀和發展前景2第2章變頻器的現狀與其未來的技術發展32.1變頻器的發展歷程32.2 變頻器的現狀42.3變頻器的變頻技術的現狀52.4變頻器的節能市場分析62.4.1 節能是變頻器的重要領域和潛力市場之一62.4.2節能與能量反饋72.4.3變頻器的工藝調速市場分析92.4.4變頻工藝控制系統的優點10第3章變頻器簡介133.1 變頻器

3、基礎133.2 變頻器基本原理143.3 變頻器的分類143.4 變頻器控制方式15第4章常用變頻器介紹與應用領域174.1 常用變頻器簡述174.2 變頻器的應用的領域18第5章變頻器在恒壓供水領域上的應用225.1 供水系統的基本模型22第6章恒壓供水系統設計246.1恒定供水變頻調速控制系統設計要點246.1.1變頻器的容量246.1.2電動機的熱保護246.1.3主要的功能預制246.1.4系統主要特點256.1.5系統硬件配置256.2電氣控制系統原理圖276.2.1 主電路圖276.2.2 控制電路圖286.2.3變頻器外圍接線圖296.3 系統功能簡介296.4 系統的PID設定

4、336.5所用PLC元器件3335 / 39第1章 緒論1.1變頻器的應用變頻器主要用于交流電動機（異步電機或同步電機）轉速的調節，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著的節能作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發展和廣泛的應用。1.2變頻器與節能變頻器產生的最初用途是速度控制，但目前在國應用較多的是節能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，6070為動力電，而在總容量為58億千瓦的電動機總

5、容量中，只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據分析，在中國，帶變動負載、具有節能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻調速技術。應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。以風機水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非?？捎^。與此類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產電動機的容量，故設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的節能潛力巨大

6、。 作為節能目的，變頻器廣泛應用于各行業。以電力行業為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求，降低部電耗成為電廠關注焦點，因此變頻器在電力行業有著巨大的發展潛力，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。1.3 國變頻技術的現狀和發展前景國已經有較多的變頻器生產廠，但大部分的產品都是V/F控制和電壓空間矢量控制變頻器，使用在調速精度和動態性能要求不高的負載上應該沒有問題。工業應用中絕大部分都是這種負載，變頻器在這種場合應用最重要的要可靠性，國產變頻器占國市場份額不高的主要原因是產品品質不過硬。V/F控制和電壓空間矢量控制變頻器比矢量控制變頻器從技術上來看

7、要簡單得多，由于國廠家大部分都是手工作坊式的生產，工藝欠佳，檢測手段有限，品質的一致性和穩定性難以保證。同樣是V/F控制的變頻器，國外的產品比國的產品品質要好，這可能是生產工藝方面的差距。變頻器技術的另外一個層面是應用技術。多年來，國家經貿委一直會同國家有關部門致力于變頻器技術的開發與推廣應用，在技術開發與技術改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調速技術的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調速技術作為風機、水泵節能技改專項的重點投資方向，19951997年，3年間我國風機、水泵變頻調速技術改造投入資金35億元，改造總容量達100萬千瓦，可年節電7億度，平均投資回收期約2年。據有關資料表明，我國變頻調

8、速技術應用已經取得了相當大的成績，每年有數十億元的銷售額，說明我國的變頻器應用已非常廣泛。從簡單的手動控制到基于RS一485網絡的多機控制，與計算機和PLC聯網組成復雜的控制系統。在大型綜合自動化系統，先進控制與優化技術，大型成套專用系統，如連鑄連軋生產線、高速造紙生產線、電纜光纖生產線、化纖生產線、建材生產線等，變頻器的作用是電氣傳動控制，其控制的復雜性、控制精度和動態響應都有很高的要求，已經完全取代了直流調速技術。近年來，變頻器在功能上，利用先進的控制理論，開發出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應用系統的構成更加方便和容易，使變頻器的應用技術提高到一個新的水平。 第2章 變頻器的現狀與

9、其未來的技術發展現在，變頻技術在發達國家己經成熟，隨著新的電力電子器件的不斷出現，新的變頻技術層出不窮，使其得到了更廣泛的推廣應用。變頻技術的迅速發展是建立在電力電子技術的創新、電力電子器件與材料的開發與器件制造工藝水平提高基礎之上的，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管工IGCT器件的成功開發，使大功率變頻技術得以迅速發展，性能日益完善。目前市場上新型變頻器品牌繁多，各有千秋。通過分析發現，這類變頻器有許多共同點。下面對變頻器的發展史與現狀和其未來的技術發展方向進行分析介紹。2.1變頻器的發展歷程變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀50年代末，美國通用

10、電氣公司推出了電力半導體組件晶閘管（可控硅SCR），給變頻技術提供了劃時代意義的基礎硬件。進入70年代，由于直流電機的調速局限性，交流電機越來越受到人們的青睞。隨著市場需求的增長，技術也日益發展和完善。1971年，美國、德國提出了矢量控制技術，使得變頻器的交流調速性能可以和直流調速相媲美。1973年，美國提出了電力電子技術這一新的技術學科，其最大應用領域就是調速傳動。1979年，日本采用矢量控制的變頻調速系統開始實用化，技術又上了一個新臺階。到了20世紀80年代，由于電力半導體開關器件和微電子技術的進步，變頻器性能與可靠性提高，生產成本下降，其應用開始普與。幾十年間，電力電子器件也從最初的SC

11、R（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管），經過BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管），發展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使變頻器的應用領域更為廣泛，市場規模隨之迅速擴大。步入20世紀80年代，全球變頻器技術變革速度加快，走向成熟的變頻產品被廣泛應用在國民經濟的各個行業領域。隨著中國變成世界工廠，制造業的快速發展為變頻器產品提供了越來越大的市場空間，然而時至今日，國變頻器市場還可以說是外國人的天下，日

12、系和歐美瓜分了80%的市場份額，但近年來變頻品牌也有一些強勢表現，國產品牌總體仍處于弱勢。國產變頻曾經落后國外“1015年”，近幾年的奮起直追下，不僅在技術上有了很大突破，多家國產變頻的發展也同國際接軌，具備了相當的企業競爭力。英威騰,易能,安邦信,智光電氣等國產變頻廠家，憑借價格優勢，開始占據越來越多的市場份額，但不可否認真正決定國產變頻是否具有競爭力的核心因素還是技術水平。2.2 變頻器的現狀我國50%一60%的發電量用于交流電動機，而容量在3kw以上，額定電壓一般為3一10kV動機占電動機總裝機容量的40%一50%。由于我國中壓變頻技術仍沒有形成產業化，落后于國外發達國家，因此這部分電動

13、機在負載工況變化時，缺少經濟可靠的調速手段，每天都在浪費著大量的電能，因此國潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場。世界上各大知名的電氣公司，如西門子、ABB、AB、AEG、東芝等，都在這一領域展開激烈的競爭，投入大量的人力、物力和財力，開發研制高性能的產品，以搶占我國中壓大功率變頻器的市場。國家計委預計在今后十五年，使我國變頻器總需求的投資額在500億元以上，而其中60%一70%是中壓大功率變頻器。我國的高壓變頻器市場具有其特殊性，包括：(1)行業性很強，主要集中在冶金、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業。在工業用電中石油、煤炭等能源行業耗電占22.34%；化工占14.73%；冶金占14.18%；

14、機械建材占10.96%；供水占10.53%(2)目前全國各行業中，只有少數企業的高壓電機使用了調速方式，市場空白點多。(3)高壓變頻器屬投資類設備，主要用于節能和改善生產工藝。用戶是否購買此類設備與政府的政策導向關系很大。如政府推廣力度較大，市場啟動會快一些，反之則慢。另一方面市場還受國際、國經濟大環境的影響以與國某些行業的整體經濟效益好壞的影響。因此在未來市場發展過程中仍存在著一些不確定的因素(4)海外公司的知名品牌產品大舉進入我國市場的可能性較大，各方應有所準備。2.3變頻器的變頻技術的現狀交一交變頻是早期變頻的主要形式，適應于低轉速大容量的電動機負載。其主電路開關器件處于自然關斷狀態，不

15、存在強迫換流問題，所以第一代電力電子器件晶閘管就能完全滿足它的要求。由于其技術成熟，在國開發研制也最多，目前在國仍有一定的市場。交一交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管，結構復雜，維護工作量較大，并因采用移相控制方式，功率因數較低，一般僅有0.60.7，而且諧波成分大，需要無功補償和濾波裝置，使得總的造價提高。交一直一交變頻采用了多種拓撲結構，如中一低一中方式，其實質上還是低壓變頻，只不過從電網和電動機兩端來看是高壓。由于其存在著中間低壓環節，所以具有電流大、結構復雜、效率低、可靠性差等缺點。由于其發展較早，技術也比較成熟，所以目前仍廣泛應用。隨著中壓變頻技術的發展，特別是新型大功率可關斷器件的

16、研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趨勢。而直接中壓變頻方式，因沒有中間的低壓環節，結構上有著廣闊的發展前景。變頻器的逆變器普遍采用大功率場效應管MOSET、大功率晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO等的自關斷元件，其中GTR應用最為普遍。但是在調制策略發展和要求逆變器輸出諧波分量更小的情況下，必須提高開關頻率，為此，GTR滿足不了這個要求，于是開發出了一種新元件IGBT。IGBT的全稱是絕緣柵雙極晶體管，是一種把MOSET與GTR巧妙結合在一起的電壓型雙極/M05復合器件，IGBT具有輸入阻抗高、開關速度快、元件損耗小、驅動電路簡單、驅動功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量

17、大、抗浪涌能力強、安全區寬、并聯容易、穩定可靠與模塊化等一系列優點，是一種極理想的開關元件。目前，電流2400A、電壓3300V、開關頻率40kHz的IGBT已在小、中、大功率圍使用。IGBT不僅用于500V以下低壓變頻器，還可以用于I000V以上高壓變頻器以驅動高壓電動機。此類中壓、高壓變頻器采用多電平逆變器輸出高壓，也可用變壓器降壓低壓變頻器-變壓器升壓的方式。由于IGBT具有性能特好的優勢，預計近十年不會被新開發的元件所取代。2.4變頻器的節能市場分析 2.4.1 節能是變頻器的重要領域和潛力市場之一    電機系統節能是國家發改委啟動的十大重點節

18、能工程之一，國家發展規劃要求，當前應推廣變頻調速節能技術，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統采用變頻調速節能措施，工業機械采用交流電動機變頻工藝調速技術。在“十一五”期間，我國將實現電機系統運行效率提高2個百分點，形成年節電能力達200億千瓦時的目標。    據估算,我國電動機總裝機容量約5.8億千瓦，占全國總耗電量的60%70%。其中，交流電動機占90%左右。目前各類電機的運行效率加權平均比國外低3%5%，風機和泵的效率要比發達國家低2%3%，整體在用的電機驅動系統運行效率比國外低近20%。如果按電動機總容量的10%進行調速改造，按年平均運行4000時、節電率2

19、0%25%計算，年節電潛力為320億400億千瓦時。加上為改善工藝流程而進行調速改造的電動機可帶來的節電潛力，總節電潛力約為500億千瓦時，相當于10000兆瓦裝機容量的火力發電廠的年發電量。由此可見，電機系統節能是目前中國節能市場上最具商業潛力的領域。眾所周知，風機和水泵是變頻器節能的重要領域和潛力市場領域，其使用量占據變頻器市場份額的半壁江山。2.4.2節能與能量反饋    采用變頻調速技術是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益。我們知道，提高效率主要有兩個重要途徑：  

20、60; 第一個途徑是通過變頻調速技術與其優化控制技術實現“按需供能”，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量；第二個途徑則是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能與時地、高效地“回收”到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，在這個途徑中既可以節能降耗，又可以實現電動機的精確制動，提高電動機的動態性能。通用變頻器大都為電壓型交直交變頻器，三相交流電首先通過二極管可控硅整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。但是

21、通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構力系統與機床主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發電狀態。由于二極管可控硅整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用圍。    （1）將反饋到直流回路的能量以制動電阻的熱能消耗掉的缺點

22、60;   在這種情況下，要實現四象限運行只能通過外接制動單元和制動電阻來實現，也就是說將反饋到直流回路的能量以制動電阻的熱能消耗掉。所以說，這種制動方式又稱為能耗制動。該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點: 浪費能量，降低了系統的效率； 電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作； 簡單的能耗制動有時不能與時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高（制動力矩大，調速圍寬，動態性能好)。正是由于能量反饋在實現上的難度系數大，很多用戶甚至將此不作為節能看待，這是一個危險的信號。    （2）能量回饋系統的特點   

23、 能量反饋系統在實際運行中主要有二種方式：單獨的能量反饋裝置和能量回饋技術的新發展雙PWM控制技術。    所謂能量反饋裝置，就是把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中。能量回饋單元的作用，就是取代原有的能耗電阻式制動單元，消除發熱源，改善現場電氣環境，可減少高溫對控制系統等部件的不良影響，延長了生產設備的使用壽命。同時由于能量回饋單元，能有效的將變頻器電容中儲存的電能回饋2040左右。  能量反饋單元具有如下特點：1、降低運行成本，包括減少電能損耗、提高功率因數、改善電網運行質量等

24、；2、 提高制動能力，如果以傳統的標準制動電阻器與變頻器的組合，制動力矩大約為120%額定力矩/10s，10%ED；而VS-656RC5與變頻器的組合，制動轉矩則提高到150%額定轉矩/30s或者100%額定轉矩/1min（25%ED）或者80%額定轉矩/連續再生。送給交流電網，供周邊其他用電設備使用，則可節約生產用電，一般節電率可達20%。（3）雙PWM控制技術    雙PWM控制技術的工作原理:當電機處于拖動狀態時，能量由交流電網經整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機;當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經

25、逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。    雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的最新發展動態。 無論是能量反饋單元和雙PWM控制方式都能將能量反饋會電網，形成節能降耗、清潔生產的良好局面，其在變頻器節能領域的占有率將

26、從目前不到3快速上升到15%。2.4.3變頻器的工藝調速市場分析    目前，中國的設備控制水平與發達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高。但隨著中國加入WTO，產品質量和生產效率都需要面臨國際競爭，因此提高設備控制水平至關重要。由于變頻調速具有調速圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用，其市場容量占到整個變頻器市場容量的1/3左右。    應用變頻器可以提高工藝要求、提升產品質量，同時減輕了人工的勞動強度、提高了生產效率，可以說，變頻器在紡織、食品、飲料

27、、包裝、造紙、機床、電梯等行業的應用前景和發展潛力都不可小覷。    比如應用在傳送帶上的變頻工藝控制系統，它采用一臺變頻器驅動生產線上的多臺傳送帶電機，根據所生產的產品，通過調整傳送帶的速度來提高生產率。在傳送帶上應用變頻工藝控制系統具有以下3個優點：（1）提高生產率，通過設定變頻器的頻率，可控制傳送帶生產線的速度，從而達到了提高生產率達目的；（2）可利用現有設備，可利用現有傳送帶上的齒輪馬達和現有的傳送帶進行改動；    （3）可用一臺變頻器來控制多數電動機的驅動，這些電動機均并接到一臺變頻器上，通過變頻器的頻率設定可以保證多臺電

28、動機的同步運行。2.4.4變頻工藝控制系統的優點變頻工藝控制系統的優點在于它能大提高工藝的高效性，因為其變速不依賴于機械部分，具體表現特征如下：（1） 控制電機的啟動電流    當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生78倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調速則可以在零速零電壓啟動(當然可以適當加轉矩提升)。一旦頻率和電壓的關系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應增加。這個對于

29、輸送帶的起停控制、多段速控制尤其有效，由于電機經常處于開關或繞組切換狀態，使用了變頻器后，就可以保證電動機的運行壽命。（2）可控的加速功能變頻調速能在零速啟動并按照用戶的需要進行光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇(直線加速、S形加速或者自動加速)。而通過工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈的振動。這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命。另外，變頻啟動還能應用在類似灌裝線上，以防止瓶子倒翻或損壞。（3）可調的運行速度運用變頻調速能優化工藝過程，并能根據工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現速度變化。（4）可調的轉矩極限通過變頻調速后，能夠設

30、置相應的轉矩極限來保護機械不致損壞，從而保證工藝過程的連續性和產品的可靠性。目前的變頻技術使得不僅轉矩極限可調，甚至轉矩的控制精度都能達到35左右。在工頻狀態下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設置精確的轉矩值來動作。（5）受控的停止方式如同可控的加速一樣，在變頻調速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇(減速停車、自由停車、減速停車直流制動)，同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統更加可靠，壽命也會相應增加。（6）可逆運行控制在變頻器控制中，要實現可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣就能降低維護成本和節

31、省安裝空間。（7）減少機械傳動部件    由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現高效的轉矩輸出, 從而節省齒輪箱等機械傳動部件, 最終構成直接變頻傳動系統。從而就能降低成本和空間, 提高穩定性。當然，使用變頻器進行工藝控制，其優點還有很多，根據不同的工藝控制選擇不同的變頻器運行方式，所產生的效果也不一樣。第3章 變頻器簡介3.1 變頻器基礎（1） VVVF是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。（2） CVCF是 Constant Voltage and Co

32、nstant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95左右。無論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國的規定有一定的標準，如我國大陸規定，直接用戶單相交流電為220V， 三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國家的電源電壓和頻率可能于我國的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz，三相 200V/60Hz等等，標準的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。通常，把電壓和頻率固

33、定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變為一定的固定頻率和一定電壓的逆變電源。對于逆變為頻率可調、電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調速用，又叫變頻調速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的1520倍。由于變

34、頻器設備中產生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中，不僅有電機（例如空調等），還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。3.2 變頻器基本原理簡單地講，變頻器是利用交流電動機的轉速與所供交流電的頻率成正比的原理，改變電動機的供電頻率從而達到改變電動機轉速的目的。變頻器通常采用交直交的方式，即先由交流電整流成直流，通過計算

35、機芯片的運算，控制電力逆變元件，如GTR（大功率晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型功率管）等，將直流電源逆變成新的頻率與電壓的交流電源，從而達到控制電動機轉速的目的。 3.3 變頻器的分類    按照不同的分類標準，變頻器可以分為若干類別。按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM、PWM控制變頻器；按照工作原理分類，主要分為V/F控制變頻器、轉差控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，主要分為通用變頻器、專用變頻器等。 另外，按照變頻器所控制電動機的電壓等級，變頻器可以分為低壓(110V，220V，380V

36、等)、中壓(660V/690V，1140V，2300V)和高壓(3KV，3.3KV，6KV，6.6KV，10KV等)變頻器，高壓變頻器通常采用IGBT多級串聯的技術，而中壓變頻器和低壓變頻器不需要，由于這一技術方面明顯的分界線，使得業人士通常把中低壓變頻器歸為一個大類，和高壓變頻器分開。3.4 變頻器控制方式控制技術的發展完全得益于微處理機技術的發展。自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。如日本三菱電機開發用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性

37、的產品。變頻器的控制方式可以分為非智能和智能控制。其中，非智能控制方式包括V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等；智能控制方式包括模糊控制、人工智能控制、專家系統等，目前還處在理論探索階段，市場上尚沒有相關產品。本節主要簡要介紹目前市場上主流應用的幾種控制方式。 （1）V/F控制方式 早期變頻器一般采用V/F控制方式，如東芝TOSVERT130系列、FUJIFVRG5P5系列，SANKENSVF系列等系列變頻器，大多數為開環恒壓頻比（VF=常數）的控制方式。它是基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電機的磁通量不變的思想提出的。其優點是控制結構簡單，尤其適合應用在風機、水泵上，

38、缺點是低速時因電機定子電阻和逆變器死區效應的存在而調速性能下降、轉矩響應慢，比較適合應用于對低頻調速性能要求不高的場合。（2）轉差頻率控制 它是一種直接控制轉矩的控制方式，是在V/F控制的基礎上，根據已知的異步電機的轉速對應的電源頻率以與希望得到的轉矩來調節變頻器的輸出頻率，以控制電機的輸出轉矩。利用轉差頻率控制方式，需要在控制系統中安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，是一種閉環控制方式，使變頻器具有良好的穩定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。 （3）矢量控制 電流矢量控制方法，也稱轉子磁場定向控制，該方法于70年代提出。矢量控制方法實現了電機轉矩和磁場的獨

39、立控制，使交流電動機的控制性能可以和直流電動機相媲美，開創了交流調速和直流調速相競爭的時代，典型產品如德國西門子的6SE70通用型系列。矢量控制方法發展至今，以其優越的控制性能，在變頻器行業得到了最為廣泛的應用，國外的高性能變頻器普遍采用矢量控制方法。 （4）直接轉矩控制     1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（DirectTorqueControl簡稱DTC）。該方法可以實現很快的轉矩響應速度，其控制性能可以和矢量控制相媲美。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列是該控制方法的典型產品，但目前

40、直接轉矩控制技術在變頻器行業未得到普遍使用，迄今為止仍只有ABB一家推出。第4章 常用變頻器介紹與應用領域4.1 常用變頻器簡述交流變頻器在我國經過了十幾年的發展，在產品種類、性能和應用圍等方面都有了很大的提高。目前，國市場上流行的通用變頻器品牌多大十幾種，(如歐美國家的品牌有西門子、ABB、Vacon（瓦控）、DANFOSS(丹佛斯)、Lenze（倫茨）、KEB(科比)、C.T.（統一）、歐陸、Moeller(金鐘默勒)、Schneider(施耐德)、SIEI（西威）等，日本的品牌有富士、三菱、安川、三墾、日立、松下、東芝、明電、春日、東洋等；國LG、三星、現代；港澳臺地區的品牌有普傳、臺達

41、、臺安、東元、正頻、寧茂、九德松益、愛德利等；國產的品牌有康沃、安邦信、惠豐、森蘭、阿爾法、時代、格立特、海利、佳靈、富凌、英威騰等。歐美國家的產品以性能先進、適應環境性強而著稱；日本產的產品以外形小巧、功能多而出名；港澳臺地區的產品以符合國情、功能簡單實用而流行；而國產的產品則以大眾化、功能簡單、功能專用、價格低廉的優勢廣泛應用。目前。在工業中使用的變頻器可以分為通用變頻器和專用變頻器兩大類，衡量通用變頻器性能的主要指標有控制方式、啟動轉矩、轉矩控制精度、速度控制精度、控制信號種類、速度控制方式、多段速度設定、載波頻率、頻率跳躍功能、通信接口等。新型的通用變頻器基本都具備這些功能，其功能、操

42、作、維護與應用方面均基本相似，差別僅在于不同品牌的通用變頻器有其特定的定義與獨特之處，但用戶不一定全用到這些性能指標。而是根據需要選擇能滿足需要的功能與指標，并以此作為衡量選擇通用變頻器的標準。隨著通用變頻器的功能增多，通用變頻器的應用圍日益廣泛，使用者可以通過通用變頻器的數字操作面板進行操作，也可以用遠程操作板進行操作，還可以通過可選件的操作面板進行擴展功能的設定和調整；另外，可以使智能端子進行數字或模擬設定，用可編程控制器或通過個人計算機進行控制，還可以通過現場總線進行控制等。新型的通用變頻器一般具備有標準通信接口，用戶可以利用通信接口通過上位機監視、控制現場的通用變頻器。通用變頻器的性能

43、雖然日臻完善，但從產品和實際應用上看，中小容量通用變頻器的主流仍以U/f控制方式為主，目前市場上銷售的通用變頻器大都將其列為通用型機型。矢量控制方式通用變頻器以進入實用化應用階段并普與應用，早期的矢量控制方式變頻器需要與專用電動機配套使用，這是由于其性能依賴于電動機參數的準確性，新型無速度傳感器矢量控制方式通用變頻器具有參數自適應功能，能自動辨識電動機參數，并進行跟蹤控制，因此，可保證系統工作在最佳狀態。無速度傳感器矢量控制方式通用變頻器的技術關鍵是通過檢測的電壓和電流修正電動機模型、估算電動機的速度，并作為矢量控制所需的速度，并作為矢量控制所需的速度信息，間接地對磁通進行控制。因此應用時需要

44、正確的將電動機的銘牌數據輸入到通用變頻器中，以便通用變頻器能夠正確辨識和計算所需參數。為了改善矢量控制方式通用變頻器的速度控制特性，廣泛采用了32位數字信號處理器，將采樣時間縮短到100um以下，針對轉子電阻的影響，采用了新的控制策略和參數自動識別，即具有參數自整定功能。無速度傳感器矢量控制方式通用變頻器在某些場合以達到可代替直流電動機調速的需要，應用領域包括各行業的輸送機、給料機、攪拌機、研磨機、粉碎機、切紙機、壓延機、擠壓機、閥門、壓縮機、冷卻塔、塑料機械、電梯、起重機、輸油管道、各種紡織機械等。帶速度傳感器矢量控制方式通用變頻器主要應用于大容量電動機的低速控制與一些有特殊要求的應用場合。

45、4.2 變頻器的應用的領域（1）變頻器在化工行業的應用變頻器應用到自動提取液化氣系統設備改造上，解決了對電網沖擊大，人工操作的繁瑣，而最重要的是節能節電以與實現自動化提取液化氣系統。據統計，每個月可節電40%左右，照此推算半年就可以回收成本，效果十分顯著。（2）變頻器在塑膠機械上的應用在塑料產品的生產過程中，由于塑料的特性，產品的規格繁多和生產工藝的要求不同，所以，很多的地方都需要對生產機械進行調速，隨著電力電子技術的迅速發展，變頻調速的技術已經成熟，變頻調速器已廣泛應用在國民經濟各行業之中，它的平滑的無級調速，高可靠性，高精度，而且節約電能，可以提高自動化水平等優點，在一定的程度上提高了塑膠

46、機械的自動化水平，推動了塑膠行業的發展。 （3）變頻器造紙機械上的應用造紙企業是高能耗企業每噸紙所耗電能在500度以上，電能消耗十分嚴重，從設備和類型看50%以上為風機、泵類負載，而這些設備目前基本上是采用閥門或擋板來調節風量或液體流量的，大量的能量消耗在閥門或擋板上，采用變頻器進行調節，可以大量減少損耗，節約電能經濟利益十分明顯，值得企業大力推廣。（4）變頻器在注塑機節能中應用注塑機是對各種塑料進行加熱、融熔、攪拌、增壓后，將塑料流體注入模具控，完成工件一次注塑成型的設備，它的工序過程基本是一樣的，大致可分為7個工序過程：鎖模、射膠、保壓、熔膠、冷卻、開模、頂針每一個工序都需要不同的壓力和流

47、量，也就是說被加工的工件不都是在最大壓力或流量下工作的，其壓力和流量是靠壓力比例閥和流量比例閥來調節的，通過調整壓力或流量比例閥的開啟度來控制壓力和流量大小。然而，油泵電機在恒速運轉、各工序中油泵的輸入功率并沒有多大變化，若用變頻器來調節電機(油泵)的轉速，來實現對壓力和流量的調節，這樣既經濟又實用。（5）鍋爐變頻調速技術應用鍋爐變頻調速的鼓(引)風控制系統：為了提高鍋爐風量的控制水平，又能達到節能的效果，采用變頻調速方式對風量進行調節，是首選的方案。由于，應用變頻調速技術可根據用汽量的變化，隨時調整鼓(引)風機的轉速，減少了噪音對環境的污染(電機均運行于額定轉速以下，風的噪音隨之下降)，對提

48、高工業衛生水平起到一定的作用。由于鼓(引)風機長期低于額定轉速的狀態之下運行，電機與風機的軸承不易損壞，延長了使用壽命，電機的發熱量也減少了，維修量下降，停機時間減少，節約了大量的維修費用。（6）變頻調速器在油田采油井油機中的應用其一、變頻器具有軟起動功能，起動時電流較小，對電網沖擊小，起動時能耗大為降低。其二、引進變頻器控制，可實現設備上、下行程自動識別從而控制抽油機上、下行程的電機運行頻率分別可調，以改變抽油機上、下行程的運行速度。亦可對變頻器能耗制動進行準確控制，以使變頻器更適應該運行工況。加上抽油機沖次的任意調節，可使用抽油機的抽汲參數對不同油進而言更趨合理，當調節適當時，可提高泵的充

49、滿系數，減少泵的漏失，從而提高泵效達到增產目的。（7）變頻器在中央空調冷卻泵上的應用中央空調基本工作原理為采用壓縮機強迫制冷循環，將建筑物中的熱量通過冷媒(通常為水)轉移到制冷劑中，通過冷卻塔再將熱量轉移到大氣中，其中循環水的冷卻泵和冷凍泵所消耗的能量約占總耗能的60%。空調設備均按設計工況的最大制冷量來考慮的，絕大多數的時間在低負荷情況下工作，因此，使用變頻器進行驅動將節約大量的能量。（8）變頻器在恒壓供水上的應用用變頻調速和PLC來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比較，節能效果十分顯著。其優點是:起動平穩，起動電流可限制在額定電流以，從而避免了起動時對電網的沖擊;由于泵的平均轉速

50、降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應;在鍋爐和其他燃燒重油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大減輕了對環境的污染。本系統經多年應用與完善，性能優越，安全方便，深得用戶好評。第5章 變頻器在恒壓供水領域上的應用隨著變頻調速技術和可編程控制器的飛速發展，以與其應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要裝置之一，在工業生產領域得到廣泛使用，在其它領域(如民用和家庭自動化)的應用也得到了迅速的發展。由于變頻調速技術和可編程程序控制器的應用靈活方便，在恒壓供水系統中亦得到廣泛的應用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結合，根據系統狀態可快

51、速調整供水系統的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果以與明顯的節能效果。介紹恒壓供水之前先要了解供水系統的一些基本特性。5.1 供水系統的基本模型供水系統的基本模型如圖5-1所示圖5-1 供水系統的基本模型圖中：L0水泵中心的位置；h0吸水口的水位；h1水平面的水位；h2管道最高處的水位；h3在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。它可以用來說明水泵的泵水能力，在真實的管道系統中，這個位置并不存在，因而是虛擬的。這是因為，水泵的泵水能力，只有在大于管道的實際最高位置情況下，才能正常供水。 以往的供水利用閥門調節供水量，此種供水方案經過

52、多年的使用存在種種弊端，有如下問題制約生產的安全、穩定運行：(1) 用戶的用水量隨季節、時間的變化而變化，使供水量難以控制；而整個供水系統為能滿足最大供水量的要求，做出了較大的設計余量，這樣使得在用水量較低時浪費了大量的電能。(2) 操作人員頻繁增減泵的運行臺數或者通過調節閥門來保持水量的平衡，這樣不但增加了操作人員的勞動強度，而且難以保證供水壓力的恒定，影響了供水質量。(3) 頻繁開啟水泵增加了對點擊泵的機械沖擊，縮短了它們的檢修周期和使用壽命，增加了設備的檢修費用，尤其是當大容量水泵啟動時引起的電壓波動會對其它設備運行帶來不良影響。 而采用變頻調速控制的恒壓供水可以解決上述問題圖5-5 自

53、動恒壓供水系統原理圖第6章 恒壓供水系統設計6.1恒定供水變頻調速控制系統設計要點6.1.1變頻器的容量一般地說，當有一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水的供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的裕量。6.1.2電動機的熱保護雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升速、降速狀態，而升速、降速的電流可能略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。

54、因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升速、降速而累積起來的溫升，變頻器部的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以，應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。6.1.3主要的功能預制（1）最高頻率：應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。（2）升速、降速時間：在采用PID調節器的情況下，升速、降速時間應盡量設定得短一些，以免影響由PID調節器決定的動態響應過程。如變頻器本身具有PID調節功能，只要在預置時設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動實效。6.1.4系統主要特點該恒壓供水系統各部分的主要特點與功能：（1）操作臺：實現系統操作控制與參數的設定與顯示，該系統的操作臺為

55、電控柜。（2）可編程序控制器：完成供水網的壓力信號和操作控制信號的輸入，以與PLC的控制輸出，實現對一臺變頻器的調速控制。（3）變頻器：具有手動和自動調速功能。（4）切換裝置：由繼電器、接觸器、開關等組成，實現1臺變頻器控制3臺泵機的切換，以與在變頻器故障時，旁路泵機到工頻運行。該控制系統控制方案既不屬于“所有的水泵僅配一臺變頻器”的方案，又不屬于“每臺水泵配一臺變頻器”的方案，是一種混合型方案。6.1.5系統硬件配置目前市場上銷售的PLC、變頻器、軟啟動器品類繁多、價格迥異，出于經濟原因以與運行維護等方面的原因，經過市場調查特選用西門子S7-200 CPU226型可編程控制器以與一塊8路數字

56、量輸入擴展模塊EM221，臺達VFD075M23A變頻器。控制系統的I/O點與地址分配如下：表6-1輸入點代碼和地址編號表6-2輸出點代碼和地址編號名稱代碼地址編號手動和自動運行SA1I0.1開始SB1I0.2變頻器報警信號I0.3消防按鈕SB3I0.4水壓（上、下限）I0.5I0.6水位自動和手動控制SA2I0.7I1.0水位上、下、下下限I1.1I1.2I1.31#泵變頻、工頻運行LW1I1.4I1.51#泵起停SB4SB5I1.6I1.72#泵變頻、工頻運行LW2I2.0I2.12#泵起停SB6SB7I2.2I2.33#泵變頻、工頻運行LW3I2.4I2.53#泵起停SB8SB9I2.6

57、I2.7消鈴按鈕SB10I3.0壓力傳感器模擬量電壓值UpAIW0名稱代碼地址編號運行指示燈HL0Q0.01#泵變頻運行接觸器KM1KM2Q0.12#泵變頻運行接觸器KM3KM4Q0.23#泵變頻運行接觸器KM5KM6Q0.31#泵工頻運行接觸器KM2KM4FR1Q0.42#泵工頻運行接觸器KM4KM5FR2Q0.53#泵工頻運行接觸器KM6KM7FR3Q0.6消防指示燈HL12Q0.7生活/消防供水轉換電磁閥YV2Q1.1變頻器故障報警指示燈HL19Q1.2報警電鈴HAQ1.3控制變頻器頻率電壓信號VfAQW0進水閥繼電器KA1Q1.06.2電氣控制系統原理圖電氣控制系統原理圖主要包括主電路圖、控制電路圖與變頻器外圍接線圖。6.2.1 主電路圖如圖6-1所示為電控系統主電路。三臺電機為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行，接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行，FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵的電機過載保護用的熱