高压变频器基本知识课件.ppt
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- 高压 变频器 基本知识 课件
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1、 一电机调速的原理一电机调速的原理 根据电机的转速特性n=60f(1-s)/p可以得出,改变电机的转速,基本上有三个方法:改变频率,改变转差率或改变磁极对数。转差率是电动机的定子磁场转速与转子转速的差与定子磁场的转速的比值 对于通用的调速方式,可以分为以下几种:从节能角度通常分为高效调速和低效调速。高效调速是指基本上不增加转差率损耗的调速方式,在调节电机转速时,转差率基本不变,不增加转差损失,或将转差功率以电能的形式回馈到电网或以机械能形式回馈机轴;低效调速则存在附加的转差损失,在相同调速工况下,低效调速的节能效果不如高效调速。常用的有以下几种调速方式:1变极调速:通过改变定子绕组的极对数来改
2、变旋转磁场同步转速进行调速的,是无附加转差损耗的高效调速方式。极对数P为1,2,3.等。如f=50HZ时,P=1则n=3000转/分.改变极对数用改变定子绕组的接线方式来完成。这种改变极对数来调速的鼠笼型电动机常称为多速感应电动机或变极感应电动机。优点:运行可靠,效率高,控制线路简单,容易维护,对电网无干扰,初始投资低。缺点:因为P为整数,调速不连续,抑制了它的适用范围。适用于固定调速变化的场合。一般情况下,为了弥补有极调速的缺陷,与定子调压调速或电磁耦合器调速配合适用。2串级调速:在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势,用以减小转子电流,降低转子的转矩,从而达到调
3、速的目的。这时,转子电路内不再串入外接附加电阻,产生转差损耗,而是将转子的转差功率回馈到电网上或机轴上,是一种高效调速方式。(将转子上移出的电转差功率通过整流,逆变送回到电网,这样相当于改变了转子内阻,从而改变了电动机的滑差。因为转子的电压和电网的电压不同,所以向电网逆变需要一个附加的变压器,如果变压器在电机的外部,属于传统的串级调速,一般采用内馈电机的方式,即在定子上另做一个三相辅助绕组,辅助绕组也参与做功,这样,主绕组从电网上吸收的能量将会降低,从而达到调速节能的目的,这种调速称为内馈调速。)一般内馈调速是通过移相触发控制(移相内馈),有源逆变器通过改变逆变角控制电转差功率,并人为产生无功
4、功率,抗干扰性差,逆变器电流等于转子电流,换向重叠角大。增加换向难度。逆变器易发生颠覆故障。另外一种为斩波内馈方式,可以改变 移相内馈的缺点,因为斩波控制时,逆变角固定在最小值不变。提高了系统功率因数,减小逆变的电压波形畸变和逆变电流的谐波幅值,使系统的谐波电流小于5%。内馈调速和串级调速都属于转子电磁功率控制的调速,就是通过改变转子电磁功率来实现的。优点:调速效率高,可实现无级调速,初始投资不大。缺点:对电网干扰大,调速范围窄,功率因数比较低,必须是绕线转子等,与转子串电阻相比,主要是其效率优势,串级调速系统的总效率一般在80%左右。3电磁离合器调速:电磁转差离合器由主动部分电枢和从动部分感
5、应子组成,其调速功能是通过调节感应子励磁电流的大小改变气隙磁感应强度,从而改变感应子从动轴的电磁转矩来实现调速。因此,在某一恒定转矩下,励磁电流发生变化时,转速发生变化,调速范围小,非线性严重,励磁电流的损失都转化为热能耗,属于低效调速方式,一般用于低压电机,功率不大的场合。电磁滑差离合器:除了内部作用机理与液力耦合器有所区别以外,调速的原理完全相同,同样是损耗功率控制调速。调速所产生的损耗功率以热能形式消耗在滑差离合器内部,效率特性与液力耦合器一致 4液力耦合器调速:液力耦合器是一种利用液体介质传递转速的机械设备,通过连续改变液体的压力来进行调速。压力越大,输出转速越高。这是高压电机领域中最
6、传统的调速方式,但这种方式能耗大,效率低。原因是存在严重的耦合损失和转差损失。耦合损失是由于液压油内摩擦造成的,转差损失是由于调速时输出轴和输入轴存在转差造成的。这种损失随转差的增加而上升,即效率=1-S,其中S为转差率,这两部分都转为热量消失。另外,受执行机构和液压机构限制,调速精度差,同时还存在严重的非线性,只在15%-85%之间调节线性区,但仍存在增速与减速间逆差间隙,造成自动系统很难投入运行。并且需要一整套油系统,维护工作量大。对于风机泵类负载,由于负载转矩按转速平方率变化,原传动输入功率则按转速的平方率降低,损耗功率相对小一些,但输出功率是按转速的立方率减小,调速效率仍然很低。液力耦
7、合器的调速效平均效率在50%左右。5变频调速:通过改变电动机的定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的。是无附加转差损耗的高效调速方式。通常我们所说的60f/p,变频调速系统的关键装置是频率变换器即变频器。优点:调速效率高,启动能耗低,调速范围宽,可实现无级调速,动态响应速度快,调速精度高,操作简便,易于实现生产工艺控制自动化。由于对异步电动机进行调速控制时希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱,铁心利用不充分,同样的转速电流下,电磁转矩小,电机负载能力下降;磁通太强,则处于过励磁状态,励磁电流过大,使电动机过热,负载能力下降。为了保持电动机的负载能力,应保持气隙主磁通不变,就要求降低
8、供电频率的同时降低感应电动势,保持电动势与频率之比为常数进行控制,我们所用的即为V/F控制方式。二二.高压变频器概述高压变频器概述 常见的高压变频类型根据结构可分为高-高型和高-低-高型,根据功率单元结构分可分为单元串联多电平型和三电平型,根据滤波方式,可以分为电流型和电压型,。按照电压等级可以分为6KV和10KV系列。2.1 高-低-高型变频器:就是通过输入降压变压器将输入电压降低,然后通过变频器实现调速功能,再通过升压变压器使输出提高到较高的电压等级,以满足电动机的电压要求。实质为低压变频,从电网和电机两侧来看为高压。因为存在低压环节,电流大,结构复杂,效率低,可靠性差,其谐波较大,随着真
9、正的高压变频器的技术发展,这种方式逐渐被淘汰。2.2三电平型 三电平型是一种直接采用高压IGBT或IGCT功率器件的高压变频器,它采用传统的交-直-交变频器结构,整流部分采用12脉冲或24脉冲三相整流器,逆变部分采用三电平PWM逆变器,三电平方式运行功率因数高,响应速度快,由于采用了耐压较高的开关器件,数量少,使造价成本降低,柜体尺寸小,可靠性好。与普通的二电平PWM变频器相比,由于输出线路电平数由2个增加到3个,每个电平幅值相对较低,由整个直流母线电压降低为一半的直流母线电压,输出的dv/dt也相应的下降;在同等开关频率的前提下,采用三电平结构还可使输出波形质量有较大的改善。但是,从元件不串
10、联原则出发,目前三电平方式不能直接输出6000V电压,以高压IGBT或IGCT为例,目前使用的电压等级最高的为6500V,输出交流电压为4.16KV。初期使用时,由于输出电压与电机工作电压不直接匹配,对6KV来讲,须将高压电机星形接法该为三角形接法,当变频出故障时,得改回去工频运行。目前方法是在输出端加一个自耦升压变压器,才可直接用于6KV,10KV系列。2.3高-高型变频器 我们所用的变频器结构即为高-高型变频器,下面介绍一下基本原理 三风光高压变频器的原理及结构三风光高压变频器的原理及结构 我们公司高压变频器分为6KV系列和10KV系列,3KV系列的也有。高压变频器的拖动对象鼠笼式三相异步
11、电机,负载多为风机,水泵类,节能效果比较明显。我们高压变频器采用高-高型模式,每相采用低压功率单元串接组成,由一个多绕组的移相隔离变压器供电,通过高速微处理器来实现对变频器控制。从结构来看,变频器的柜体可以分为控制柜,功率单元柜,变压器柜和旁路柜。1.控制柜 控制柜作用主要是实现变频器的各种控制功能,提供给功率单元柜的电源及控制信号,在变频器发生故障时,停机保护。控制柜的主要器件为主控板,PLC,UPS纯在线式电源及人机界面。1.1主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,采用正弦波载波移相方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS485通讯口与人机界面进行交换数据,提供变频器的状态参数,
12、并接受人机界面的参数设置。1.2UPS(不间断电源):主要是在当外部控制电掉电时,UPS给控制电路提供电源,使变压器的自带的一组220V控制电源能够在允许的时间内切换过来,使变频器正常运行。相当于一个后备电源。如果没有UPS,控制电掉电后,功率单元中IGBT模块开关状态紊乱,瞬时电压过大,使变频器损坏。如IGBT模块上下桥臂直通,击穿模块。1.3PLC(可编程逻辑控制器):PLC体积小,功能强大,用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。PLC有处理4路模拟量输入和1路模拟量输出的能力,模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时
13、的设置信号;模拟输出量是频率给定信号。对开关量不能满足要求时,可以用开关量扩展模块来实现。1.4人机界面:为用户提供友好的全中文操作界面,负责信息处理和与外部的通讯联系,可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过工控机接口板和PLC采集的数据,计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数,提供记录功能,并实现对电机的过载、过流进行报警和保护。通过RS485通讯口与主控板和PLC连接,实时监控变频器系统的状态.具有故障显示及记录功能,使操作人员随时可以观察到变频器的运行情况。操作简单,灵活。控制方式:远程控制,本地控制 操作方式;远程操作,就地操作,人机界面操作 2.功率单元柜 变频器实现变频的关
14、键的部分。分为三相,每相功率单元的输出相串联。功率单元数根据电压等级和功率大小来决定。6KV系列的高压变频器,对于小功率的(小于800KW),每相6个单元,共18个单元;对于800KW以上的变频器,为了避免功率单元的重量过重,我们采用每相8个单元,共24个单元的结构(用户现场不要求变频器的大小的情况下,对于大功率的变频器,推荐使用24个单元的结构),10KV系列的高压变频器,一般采用每相10个单元,共30个功率单元的结构;对于大功率(超过2000KW),则采用每相13个单元,共39个单元的结构。说明:10KV系列结构改进后,备用功率单元为1个。每个功率单元承受全部的电机电流、1/N的相电压、1
15、/3N的输出功率。N代表每相功率单元的个数。功率单元的主电路结构如下:1、典型的三相输入单相输出电路;2、具有单元旁路功能。单元发生故障时通过旁路闭合来自动旁路输出;3、在电解电容上当进行处理,提高电解电容寿命;电解电容的容量比低压变频器要大,因为单元为单相输出,全靠电解电容来进行无功电流的交换,而低压变频则是三相输出,无功可以相互抵消。设计时一般按1A=90UF计算。3 变压器柜 主要为移相干式变压器。给功率单元的工作提供独立的三相输入电压,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组为多个相互绝缘的绕组,全采用星形绕法,绕组分成三个相位组相位差为10,形成了36脉冲整流电路结构。可以
16、不加任何谐波滤波器就能满足总输入电流谐波小于5%的要求。输出采用载波移相脉宽调制技术,总输出电压谐波小于5%。输入输出谐波均能满足国家标准GB/T1454993的要求,噪音低,温升低,不会引起电机的转矩脉动,对电机没有特殊要求。4 旁路柜 也就是所说的开关柜,主要是实现工/变频转换。目的是当变频器发生故障时,可以将电机切换到工频运行,不影响生产。对于一拖一的旁路柜主回路图如下:所用主要器件(一拖一为例)机械闭锁:1个 JSXN(G)-3 高压隔离开关:3个 GN19-10/400-12.5 真空接触器:2个 JCZ5-7.2(12)/A-中间继电器:若干 MA406A-44 限流电阻:RXHG
17、-60-3KW 1个 四高压变频器的性能及特点四高压变频器的性能及特点 41高压变频器的性能指标 额定输入电压:6kV(-20%+15%)输入频率:50HZ10%输入方式:36脉冲二极管全波整流输入 输出方式:载波移相 正弦波脉宽调制输出 输入功率因数:不小于0.96(额定负载时)效率(含变压器):不小于96%(额定负载时)输出频率:0-50Hz,0-100%连续可调频率分辨率:0.01Hz过载能力:150%立即保护控制电源:220VAC,5kVA冷却方式:强制风冷防护等级:IP20模拟量输入:两路,05V/420mA可选模拟量输出:两路,05V/420mA可选开关量输入输出:24入/16出(
18、可按用户要求扩展)通讯接口:RS485接口运行环境温度:-10到40贮存/运输温度:-40到70环境湿度:90%(20时),不结露安装海拔高度:1000米(超过1000米时,需降额运行)运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能、单元旁路功能等。42高压变频器的优势 1.系统控制电源采用外部220VAC和高压主电源j经移相变压器降压隔离后220VAC双路供电,系统运行更可靠、操作更简便。可以在无高压电的情况下检测变频器的输出及各点波形,便于调试、检修及操作人员陪训;2.功率单元工作电源为外部开关电源,避免了高压瞬时掉电时对单元的控制电源的影响;3
19、.瞬时停电保护及高压掉电检测功能。当主电源失电后,变频器控制电机处于发电状态运行,为单元电容充电,并为单元控制电源供电,直至主电源恢复,变频器回到原运行状态。瞬时停电时间典型值为3秒(具体时间可以根据用户的系统而定),超过3秒变频器则保护,检查停电原因,以免变频继续运行而引起事故;4.限流功能。避免启动或负载突然变化时,使变频器输出电流过大而导致保护动作;5.完善的上位机控制功能。可与DCS系统实现硬连接。直接与DCS通讯还做不到,主要是通讯协议的问题,正在做这方面的工作。6,功率单元模块化设计,可以互换,维护简单;7.具有单元旁路及工频/变频旁路功能。在每个功率单元中,如果发生故障,如过流,
20、过压,或温度保护功能等时,旁路部分的可控硅导通,使变频器降额运行,在短时间内不影响电机的正常运行。工/变频转换主要用在变频器损坏时,可以自动或手动(这根据用户要求,建议使用手动方式,手动方式更可靠,因为用变频方式运行时风机风门或是水泵阀门是全开的,若变频出现故障直接转入工频运行,压力突变会影响系统的管道)切换到工频保证电机正常运行。五高压变频器应用场合五高压变频器应用场合 51风光高压变频器的实际应用 高压变频器的负载多为风机,水泵类节能比较明显。负载性质决定不需要在四象限运行,而对于高压提升机,负载则需要在四象限运行,需要进行能量的回馈,这样,可以将能量回馈到电网中去,不使能源白白浪费掉。咱
21、们的高压变频器的实际应用情况:BP37-560KW 宁夏煤业集团有限公司乌兰矿 对旋风机BP37-800KW重庆南桐煤矿业 对旋风机BP37-560KW胜利油田耿井水厂 水泵BP37-1800KW辽河油田 泵类BP37-240KW济南钢铁股份有限公司 一烧厂除尘风机BP37-1000KW武汉712研究所 做短路负载验BP37-315KW吉林通化矿业 集团 井下 皮带机BP37-1000KW杭州巨化硫酸厂(化工业)水泵BP37-1000KW 文登电业总公司文登热电厂 1#热网泵BP38-2800济南平阴齐发药业 风机 52高压变频器的应用场合 火力发电:引风机、送风机、除尘风机、排污泵、锅炉给水
22、泵、热网泵等冶 金:引风机、除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵等石油、化工:主管道泵、注水泵、循环水泵、锅 炉给水泵、引风机、除垢泵等市政供水:水泵等污水处理:污水泵、净化泵、清水泵等水泥制造:窑炉引风机、压力送风机、冷却器吸尘风机、窑炉供气风机、冷却器排风机、分选器风机、主吸尘风机等 造纸:打浆机等制药:清洗泵等采矿行业:矿井的排水泵和排风扇、介质泵等 六高压变频器的尺寸与应用器件六高压变频器的尺寸与应用器件 1变频器的尺寸 以一拖一的为例:(不加槽钢,槽钢的高度为120)6KV系列(1000KW以下的)10KV系列(以2000KW为例,都为前放)(13个功率单元每相)尺寸:800KW以下:2
23、变频器的应用器件变频器的应用器件 为了保证我们变频器的功能可靠,主要器件都是采用进口厂家或国内知名的厂家。注:IGBT的应用:1700V/200A以上的用FF系列,200A以下的仍用BSM系列,1200V/150A以上的用FF系列的,150A以下的仍用BSM系列。可控硅:全部用西门康SKKT系列的 UPS:SURT2000XLICH 人机界面:PWS3261-TFT 按裕量算得话,如果额定电流大于80A,则旁路改为IGBT。800KW 6个单元:8个单元 七节能的计算七节能的计算 71 风机的节能原理 在工业生产和产品加工制造业中,风机设备应用范围广泛;其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流
24、损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%25%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入,市场竞争的不断加剧;节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。目前,变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。它的卓越的调速性能、显著的节电效果,改善现有设备的运行工况,提高系统的安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。通常风机调节风量的方法有调节风门的开度和改变风机转速两种方法。由风机的压力风量特性曲线如下图:在图中R1、R2为管路特性曲线,N1、N2为风机转速。根据现场情况,为了保持风量保持Q2不变,先将风门完全打开,
25、此时管路特性曲线由R1变为R2,即由A点变为B点,这样风量变大,为Q1,同时在转速配合下调整风量,使风量由Q1变回Q2,这样可使在同样的风量消耗最小的功率,但此时风量不变风压减小。根据风机特性可知(理论上):风量与转速成正比,即Q1/Q2=N1/N2 风压与转速的平方成正比,即H1/H2=(N1/N2)2 风机的轴功率与转速的立方成正比,即P1/P2=(N1/N2)3 假设现场情况原风门开度为30,改造后需调为100,即风门完全打开,根据风量与转速的关系有:Q1/Q2=10/3,根据实际和经验我们知道,实际风量并不是原来的三倍,而小于三倍,大约为2.8倍左右,由此N1/N2=1/2.8,如果调
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