1、變頻調速技術第1頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二一、電氣傳動系統概述定義 以交流（直流）電動機為動力拖動各種生產機械的系統我們稱之為交流（直流） 電氣傳動系統，也稱交流（直流）電氣拖動系統構成中間傳動機構交流電源輸入終端機械交流電機直流調速裝置直流輸出減速箱等提升機、風機等直流電機交流調速裝置交流輸出執行機構變頻器第2頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二交（直）流電氣傳動系統的特點直流電氣傳動系統特點：控制對象：直流電動機控制原理簡單，一種調速方式性能優良，對硬件要求不高 電機有換向電刷（換向火化）電機設計功率受限電機易損壞，不適應惡劣現場需定期

2、維護交流電氣傳動系統特點：控制對象：交流電動機控制原理復雜，有多種調速方式性能較差，對硬件要求較高電機無電刷，無換向火化問題電機功率設計不受限電機不易損壞，適應惡劣現場基本免維護第3頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二1、三相感應電動機的結構（1）定子部分 定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成導磁部分。 定子繞組：放在定子鐵心內圓槽內導電部分。 機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。（2）轉子部分 轉子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。 轉子繞組： 1）鼠籠式轉子：轉子鐵心的每個槽內插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉子：轉子繞組為三相

3、對稱繞組，嵌放在轉子鐵心槽內。 包括端蓋、風扇等。（3）其它部分二、 三相感應電動機的工作原理及結構第4頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二按轉子結構分：繞線型感應電動機籠型感應電動機第5頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二下面是它主要部件的拆分圖。 右圖是一臺三相籠型感應電動機的外形圖。第6頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二籠型轉子鐵心和繞組結構示意圖三相繞線型轉子結構圖第7頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二第8頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二2、三相感應電動機的工作原理U2

4、U1W2V1W1V2n（1）轉動原理 電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產生圓形旋轉磁場。 磁生電：旋轉磁場切割轉子導體感應電動勢和電流。 電磁力：轉子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，將電能轉化為機械能。第9頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二三、交流異步電機的變頻調速調速方式主要有：1、變極調速2、變頻調速3、變轉差率調速4、轉子串電阻調速（繞線式）當定子繞組中通入三相電流后，它們共同產生的合成磁場是隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉著，這就是旋轉磁場。第10頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二表面看來

5、，只要改變定子電壓的頻率f就可以調節轉速大小了，但是事實上只改變，并不能正常調速為什么呢? 假設現在只改變f調速設f上升，則將下降，于是拖動轉矩T下降，這樣電動機的拖動能力會降低，對恒轉矩負載會因拖不動而堵轉；倘若調節f下降，則上升會引起主磁通飽和，這樣勵磁電流急劇升高會使定子鐵芯損耗I2R急劇增加。這兩種情況都是實際運行中所不允許的。 由上可知，只改變頻率f實際上并不能正常凋速。在許多場合，要求在調節定子供電頻率的同時，調節定子供電電壓U的大小，通過u和f的配臺實現不同類型的調頻凋速。 所以，變頻的同時也必須變壓，這也就是變頻器常被簡稱為VVVF(Variable Voltage Varia

6、ble Frequency) 的原因。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二變頻器的分類與特點根據變頻器的變流環節的不同進行分類 ：（1）交直交變頻器交直交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率任意可調的三相交流電，又稱間接式變頻器。目前應用廣泛的通用型變頻器都是交直交變頻器。（2）交交變頻器交交變頻器就是把頻率固定的交流電直接轉換成頻率任意可調的交流電，而且轉換前后的相數相同，又稱直接式變頻器。 第12頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二變頻器的電路結構通用變頻器的構造 主回路包括整流部分、直流環節、逆變部分、制動或回饋

7、環節等部分。 第13頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二整流部分儲能環節逆變部分M控制系統交流交流低壓交直交通用變頻器系統框圖直流直流交流整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。第14頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二單相逆變電路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通S1,S3導通S2,S4導通f1f2EdU1逆變器的功能：通過改變開關管導通時間改變輸出電壓的頻率通過改變開關管導通順序改變輸出電壓的相序第15頁，共58頁，2022年，5

8、月20日，19點15分，星期二S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612123234345456561612Ed缺點：輸出電壓的諧波分量太大電機諧波損耗增加，發熱嚴重甚至燒壞電機轉矩脈動較大，低速運行時影響轉速的平穩直到從通信技術中采用PWM調制才大大的緩解了以上問題電機第16頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二PWM調制載波PWM（Pulse Width Moduration）調制PWM控制是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變為一系列等幅(幅值等于輸入直流電壓)電壓脈沖序列，控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻的目的。改變開關通斷

9、時間比就可以改變輸出電壓的大小。逆變器的輸出 脈沖的幅度取決于逆變器直流電壓，脈沖的寬度取決于控制電壓uc，而脈沖寬度的變化周期就是控制信號的周期1f?？刂齐妷狠d波控制電壓第17頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二交流調速的控制核心是： 只有保持電機磁通恒定才能保證電機出力，才能獲得理想的調速效果V/F控制簡單實用，性能一般，使用最為廣泛只要保證輸出電壓和輸出頻率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例: 對于380V 50Hz電機，當運行頻率為40HZ時，要保持V/F 恒定，則 40HZ時電機的供電電壓:380（40/50)304V低頻時，定子阻抗壓降會導致磁通下降，需將輸出電

10、壓適當提高矢量控制性能優良，可以與直流調速媲美，技術成熟較晚模仿直流電機的控制方法，采用矢量坐標變換來實現對異步電機定子勵磁電 流分量和轉矩電流分量的解耦控制，保持電機磁通的恒定，進而達到良好的 轉矩控制性能，實現高性能控制。性能優良，控制相同復雜，直到90代計算 機技術迅速發展才真正大范圍使用第18頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二1、朱莊礦井下提升機1140V500KW隔爆兼本安型四象限變頻調速電控裝置四、變頻調速技術在集團公司的應用 朱莊礦井下副暗立井提升機型號為2JK-3/11.5，雙滾筒，滾筒直徑3m，電動機為500KW、6KV、490轉分，提升最大速度Vm=

11、6.71m/s。第19頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二關鍵技術：A、500KW、1140V大功率四象限防爆變頻器的主回路結構，采用3300V/400A高電壓、大功率IGBT模塊，結構緊湊，體積小，安裝方便。B、采用無速度傳感器矢量控制技術；C、采用AFE的自換向控制技術實現能量回饋制動；D、采用雙PLC完成井下提升機的各種保護及控制；E、采用真空熱管散熱技術解決大功率防爆變頻裝置的散熱問題。目標：實現提升全過程變頻調速控制，滿足提升機各種運行方式，電氣防爆，滿足煤礦安全規程要求，安全可靠，技術先進，維修方便，節能降耗等。第20頁，共58頁，2022年，5月20日，19

12、點15分，星期二系統組成 1140V500KW隔爆兼本安型四象限變頻調速電控裝置劃分為：變頻調速系統(由輸入電抗器箱+VFD1、變頻器箱+VFD2、輸出電抗器箱+VFD3組成)；PLC控制系統(由PLC控制箱+DS、司機臺+PA組成)；信號系統(+LM)。系統組成圖所示。 第21頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二無速度傳感器矢量控制技術。采用全數字無速度傳感器矢量控制，變頻器在低頻運行時，也保證有100%額定力矩輸出。最大轉矩為額定轉矩的2倍，0.5HZ即可達到1.7倍以上的起動轉矩。第22頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二電氣制動方式為AFE回

13、饋制動（1）能耗制動的變頻絞車電控二象限變頻器配上制動單元和制動電阻后，可以進行四象限運行。由于電動機的再生能量完全消耗在電阻上，浪費了大量的電能，因而這類變頻器適用在小功率的電機上，并且也適用在非防爆的礦井提升機上。第23頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二(2)采用回饋單元此系統雖然也是回饋制動，但其整流側為六脈動整流橋，為不可控整流。因此當再生能量產生時，通過回饋單元經自耦變壓器回饋電網，此時回饋電網的波形接近于方波，故在回饋時對電網造成非常大的污染。第24頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二（3）采用AFE技術的四象限變頻絞車電控整流器與逆變

14、器具有相同的主回路結構，是由IGBT模塊組成。其顯著特點是電源側電流波形為正弦波；功率因數可調；可工作在電動或發電狀態；有電壓提升功能可補償電網電壓降低的影響；在發電狀態時，當電網電壓消失時不會造成逆變失敗。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二采用AFE自換向變頻新技術，使絞車在減速段或重物下放操作時系統能自動轉入發電反饋狀態，使制動更平穩，結構更簡單，大大提高了安全可靠性能。網側變頻器采用PWM斬波調制，使輸入電流波形為正弦波，大大減小對電網的諧波污染，總諧波電流含量4%。第26頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二系統特點：（1）結構緊湊、體

15、積小、移動方便。（2）以全數字變頻調速為基礎,以矢量控制技術為核心，使異步電機的調速性能可以與直流電機相媲美。表現在低頻轉矩大、調速平滑、調速范圍廣、精度高、節能明顯等。（3）操作簡單、運行穩定、故障率低、基本免維護。（4）功率因數高（0.95以上），諧波含量符合國標。 第27頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二2、礦井主扇風機高壓變頻調速裝置近年來，許多礦井采用對旋式主扇風機，該類型風機采用交流隔爆異步電機雙電機拖動，靠調節葉片角度改變風量。這種調節必須在風機停機時才能進行，調整困難，且范圍??；另一種調節方式是調節風機電機轉速。海孜礦中央風井配置兩臺BD-II-8-26

16、型對旋風機，一用一備，每臺風機配置兩臺450kW、6kV防爆型鼠籠電機。因礦井通風系統變化，風機葉片角度已調到最小，并使用風門調節風量。這樣造成風機系統運行效率低，電能浪費大，運行狀況差。第28頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二風 機型號：BD-II-8-No.26變 頻 器變頻器型號：HIVERT-Y06/120P 靜壓：1200-4200Pa額定輸入電壓：6+15%kV風量：185-95m3/s額定輸入電流：120A廠家：湖南湘潭平安電氣集團輸出電壓：0-6kV電 動 機型號：YBF630SI-8輸出電流：0-120A功率：2450kW輸出頻率：0-50Hz額定電壓

17、：6kV控制方式：空間電壓矢量控制額定電流：256.6A額定轉速：744r/min第29頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二海孜礦中央風井主扇風機第30頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二第31頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二*風機變頻調速節能分析 變頻調速是通過改變電源頻率f來調節電動機轉速的。根據風機、水泵的相似定律，變速前后風量、風壓、軸功率與轉速之間關系為：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3Q1 、H1、P1風機在n1轉速時的風量、風壓、軸功率；Q2、H2、P2風機在n2轉

18、速時相似工況條件下的風量、風壓、軸功率。 假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。第32頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二調節風機轉速與調節風門改變風量，風機運行的工況點和特性如圖所示。調節通風機轉速改變風量的運行方式節電效果顯著。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二本項目首次將單元串聯多電平式高壓變頻調速技術應用于礦井主扇風機上，改變了風機運行工況，提高了風機運行效率及裝備水平，確保了礦井通風安全。由于兩個電機的參數一樣，由一臺1000kW容量的高壓變頻器控制兩臺電機，開環

19、定速運行，風量風壓控制在滿足礦井的需要，大大降低能耗，減少維修工作量。因此，研制高壓變頻調速裝置，降低風機運行速度，同時調整葉片角度在最佳角度，風機在高效區域運行，既滿足礦井風量要求，又提效節能。第34頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二風機供電系統圖第35頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二系統結構高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6KV，而因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，具有很高的可靠性。單元

20、A1單元B1單元C1電動機輸入三相交流電源單元A2單元C2單元B2單元A3單元C3單元B3單元A4單元C4單元B4單元A5單元C5單元B5移相二次線圈隔離變壓器功率單元圖HIVERT高壓變頻器6KV系列主電路圖第36頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二變頻器輸出是將每相5個三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯疊波得到。3相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。圖3.4為6kV 變頻器的電壓疊加示意圖。6kV電壓疊加圖第37頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二隔離變壓器付邊采用延邊三角形接法，繞組間有12的相位差，相當于30脈沖整

21、流輸入，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流。下圖為6kV系列輸入電流實錄波形，電流峰值120A，幾近完美的正弦波。 無需在輸入側安裝濾波器，正常調速范圍內功率因數大于0.95，無需功率因數補償電容；可以減少無功輸入，降低供電容量。輸入電流波形第38頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二 快熔 二極管整流 直流環節 逆變輸出 單元輸出原理功率單元 功率單元通過光纖接收信號，采用空間矢量正弦波脈寬調制（PWM）方式，控制Q1Q4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。 功率單元具有旁路功能。第39頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二系統構

22、成方案：為了充分利用變頻器和保證系統運行的可靠性，系統共設置了三個切換柜。下圖為高壓變頻器改造過程中高壓變頻器柜，變頻器電源柜和三臺切換柜。3#切換柜對應東臺風機，2#切換柜對應西臺風機，1#切換柜的手柄打到上位置時變頻器輸出對應2#切換柜，1#切換柜的手柄打到下位置時變頻器輸出對應3#切換柜。第40頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二第41頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二串聯銅排散熱器Y接中點短接線快熔三相輸入電纜輸出電流檢測通訊光纖單元固定螺釘第42頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二變頻改造實現的效果： （1）可以實現

23、遠程監控，對礦井精確配風，確保礦井通風安全。 （2）節電效果顯著。改造前海孜礦中央風井風機運行效率低，在45以下，采用高壓變頻調速裝置后，風機效率提高到78以上，年節電92萬KWh。 （3）變頻器根據設定頻率調節電動機的轉速，實現風機的轉速自動控制，投入變頻器后風機進風閘門全部打開，增設DCS控制系統后，實現風機的遠程聯網控制，實現無人操作。 （4）減少了對電網的沖擊，延長了電機及風機的使用壽命。 （5）維護量減少。采用變頻調速后，風機的振動、噪音和溫度明顯降低第43頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二3、朔里礦付井提升機高壓變頻調速電控裝置現場技術參數：電機：6kV/6

24、30kW 減速機：11.5 滾筒：直徑3米 井深：234.8米 最大提升速度：7.66米 加速時間：14秒 減速時間：13秒第44頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二朔里礦副井提升高度234.8m，原提升速度為8.1m/s，超速運行，不符合煤礦安全規程規定，屬重大安全隱患。整個系統在運行期間，出現失控區，易造成減速段超速。整個系統調速性能差，機械沖擊大，系統運行不穩定。高壓低頻換向裝置,型號為CC5150N/63， 服務年限長，機構老化，存在嚴重安全隱患； 安全性能差，故障率高，噪音大，能耗高，降低了系統的安全性，給系統的正常運行帶來隱患； 維護量大，維護點多，維護費用高

25、。第45頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二 一個提升周期為180秒，分為加速、高速運行、減速、低速爬行、停機五個過程。為了提高日采煤量，必須壓縮提升周期，要求提升機在10秒內從OHz上升到50Hz運行。又在10秒內提升機從額定轉速降到2Hz運行，提升機轉筒,斗車慣量很大，減速過程中將產生80%額定功率的能量回饋。 礦井提升機運行特點如下：恒轉矩起動，轉動慣量大；頻繁啟停，正反轉交替運行。3分鐘一個周期，急起急停，需要變頻器具備四象限運行能力，提升急?；蛑匚锵路艜r變頻器將再生電能送向電網；恒轉矩低速爬行時需求速度平穩第46頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分

26、，星期二要求：（1）原有電控系統和電動機等保留，增加高壓變頻調速裝置；（2）利用用現有的操作控制系統控制新變頻裝置，并可使新老系統切換工作。要求變頻器可以用雙電源供電，可以自由切換使用兩臺電機。方案：（1）按著要求，在原來系統上增加一臺高壓開關柜；增加兩臺高壓切換柜，來切換高壓電源和電機；（2）在兩臺電機的主軸上安裝軸編碼器；（3）增加HIVERT-YVF06/077高壓變頻器一臺。第47頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二第48頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二變頻器相關參數型號：HIVERTYVF06/077輸入電壓：6kV輸出電壓：0-6kV

27、輸出電流：0-77A輸出頻率：0-50Hz運行方式：四象限控制方式：帶速度反饋的矢量控制第49頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二高壓變頻調速柜是該系統的調速設備，具有能量回饋特性的四象限高壓變頻調速裝置及其它必要的電器組成，用于向交流電機供電。高壓變頻調速裝置將50Hz工頻變成050Hz連續可調的變頻電源，電動狀態時從電網吸取能量，使電動機產生電動力；制動狀態時工作于逆變狀態，將能量返回電網，使電動機產生制動力，完成對電機啟動、調速、驗繩、低于額定速度運行等控制過程。 第50頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二帶速度反饋的矢量控制：采用轉子帶速度反

28、饋的矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號。第51頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二主功率系統1、隔離變壓器：隔離變壓器為輸入6000V，輸出580V的移相變壓器，為每個單元單獨提供動力電源；2、功率單元：每個功率單元是一個獨立的變頻器，即可以為電機提供變頻后的電源，有可以通過控制，實現有源逆變

29、，能量在單元內實現雙向流動。第52頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二功率單元功率單元由功率單元本身和濾波環節組成：1、濾波環節：由Y型接法的電容和三相電抗器組成；2、功率單元本身：由快熔、緩沖環節、同步整流和有源逆變環節、直流環節、單元逆變輸出環節組成。第53頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二功率單元單元正面圖單元側面圖第54頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二現場運行對比圖用變頻器的運行圖用老系統的運行圖第55頁，共58頁，2022年，5月20日，19點15分，星期二特點和創新點主要特點和創新點：（1）采用單元串聯多電平式結構，實現提升全過程變頻調速閉環控制、無級調速和多速度等級運行，滿足副井提升機各種運行工況及