变频调速的应用研究

华北电力大学（保定）
硕士学位论文
变频调速的应用研究
姓名：于娣
申请学位级别：硕士
专业：控制科学与工程；控制理论与控制工程
指导教师：梁伟平
2011-03
摘要
本文以大力推广变频调速技术为目的，主要对泵与风机类负载的调速技术进行了分析研究。

泵和风机类电动机在实际运行过程中耗电量较大且运行效率低下，蕴藏着巨大的节能空间。

采用变频调速后，不仅获得了相当可观的经济效益，而且提高了运行设备的安全性和可靠性。

面对世界能源短缺的现状，变频调速技术的研究应用有着重大的现实意义和巨大的社会、经济效益。

论文回顾了变频调速技术的发展和现状，详细介绍了变频调速的基本理论，并针对泵与风机类负载的机械特性进行了节能分析。

对内反馈调速、水电阻调速、永磁调速和液力耦合器调速的原理和性能进行了简单介绍。

根据使用各种调速方法的相应单位进行了实地调研，主要包括对应用不同调速方法的电机的运行工况的记录和对相应单位实施不同调速方法的改造或筹建资料的搜集。

通过对实验数据的筛选、分析，总结了各种调速方式的优缺点、适用范围以及实际应用效果，最终得出变频调速技术在安全性、可靠性和经济性的综合性指标中占据相当大的优势。

变频调速在安全性和经济效益方面效果最为突出。

变频技术发展比较成熟，应用过程中出现的问题容易解决，直接节电率可达10%-50%，投资回收周期短，一般两年就能收回投资成本，日常维护费用低，技术发展较快，为降低高昂的初始投资提供了可能。

其可靠性相对来说也是非常高的。

另外，变频调速适用范围最广，笼型和绕线型电机均能使用，而且对电机容量大小、电压高低没有限制，这也非常有利于变频调速的推广。

本文最后对变频调速技术产生的谐波问题进行了简单介绍。

主要包括谐波产生机理分析、谐波带来的多方面的危害以及谐波抑制的方法。

关键词：变频调速；水泵；风机；节能；谐波
Abstract
The purpose of this thesis is to popularize frequency control technology.The thesis mainly researched speed control technology on the pump and fan.In practice, the motors of pump and fan had greater power consumption and lower operating efficiency, holding a vast space of energy conservation.It not only gained considerable economic benefits, but also improved safety and reliability of the operational equipment.In the face of the shortage situation of world's energy,research and application on frequency conversion technology was full of great practical significance and great social and economic benefits.
The thesis reviewed the development and current status of frequency control technology,detailed the basic theory of frequency conversion and energy-saving on mechanical property of the pump and fan.In connection with speed technology about internal feedback, water-resistance, permanent magnet and hydraulic coupling,the thesis presented their principles and performance. According to surveying and researching the speed control methods which the firm used,the work included collection as for operating condition of different speed control methods of motor and gathering the data about transformation of speed technology. By selecting experimental data, generalized the advantages and disadvantages ,scope of application and practical effect. Ultimately,we obtained the results that frequency control technology hold a considerable advantage in comprehensive indicators on safety,reliability and economy.
Frequency control technology is the most prominent in terms of security and economic effects.Frequency technology was relatively mature, the problems in the application process been easy to solve,the rate of saving energy been 10%-50%,recovery period of investment been short, it usually recovered the investment cost in two years,the costs of maintenance been low, it been possible that reduced the high initial investment with rapid technological development.The reliability of frequency control was credible relatively.In addition, the frequency control had the widest range,the motor of squirrel cage and wound being available, and the size of the motor capacity, the voltage level being no limit, which is very conducive to the promotion of frequency control.
Finally, the harmonic generated by frequency conversion technology were introduced briefly,including analysis on the mechanism,the wide range of harms and the method of suppression.
Keywords: Frequency Conversion；Pump；Fan；Energy saving；Harmonic
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第1章 绪论
1.1 选题背景及其意义
随着电力电子技术的迅猛发展，交流调速技术成为我国电力传动的主要发展方向，其带来的技术经济效益日益显著。

由于目前尚未有对变频调速与其他调速技术，如内馈式调速、水电阻调速、液力耦合器调速、永磁调速等进行较全面的研究和具体的比较，所以以此为课题，并于2009年5月份到10月份期间对应用各种调速方式的相应单位进行了实际调研，主要包括浙江浙能北仑发电有限公司引风机系统的变频调速改造、国电怀安热电厂1号机组凝结水泵系统变频调速改造、秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵内馈式调速改造、浙江长兴发电有限责任公司#2炉脱硫增压风机液体电阻调速方式的改造和嘉兴发电有限责任公司锅炉排渣系统高压水泵的永磁调速改造。

经过调查研究与实际应用分析可知变频调速是一种安全性好、技术性能稳定、节能效果显著、自动化程度高的交流电动机调速技术，在国民经济工业生产、交通运输和家用电器中的应用非常广泛。

《中国21世纪议程》指出：“能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和提高人民生活水平都极为重要。

”在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。

面对我国能源利用率低下的状况，我国“十一五”规划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能技术的大力推行则作为重点工作。

目前，我国的火力发电占据电力工业的绝对优势。

据中国电监会统计，截止2008年底，我国电网总装机容量为79273万kW，火电装机容量占74%，发电量占80%。

火力发电厂既是电能的生产者，也是电能的用户和消费者。

电厂中的各类辅机设备是耗能大户且运行效率低下，其中风机水泵类设备占了绝大部分。

因此，在风机和水泵的运行过程中具有很大的节能潜力。

而且风机和水泵在国民经济其他部门中的应用也相当广泛。

据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机的耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右，应用领域涉及发电厂、石油化工厂、钢铁冶金企业，城市供热，城市供水、建材水泥、港口、水利等行业。

因此，对蕴藏巨大节能空间的泵和风机类设备进行节能技术改造势在必行[1]。

国内的锅炉风机、汽机水泵大多采用电动机拖动，95%为交流电动机直接拖动，恒速运行。

由于电网调峰，这些辅机都处于低负荷工况下运行，造成了极大的浪费。

采用电机调速改造后，不仅可以在运行工况频繁变化的情况下减少损耗，而且大容
量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机的使用寿命，减少对电网的冲击，保证机组正常运行是非常必要的。

由于电动机的软起动可提供较高的起动转矩并可做到平滑无冲击，所以采用调速技术实现软起动的效果也是非常突出的。

同时，采用调速驱动，还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损，延长设备使用寿命，降低运行噪声。

还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的，例如锅炉风机和给粉机的调速控制，可以大幅度地改善炉内的燃烧工况，从而节煤、节水，并可节省这些物料的运输，处理能量等。

工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益，已不再简单地局限在节能的范畴。

随着国家对节能要求的提高和电力电子技术的飞速发展，变频调速技术的可靠性和性价比都有了大幅提高。

采用变频调速后不但可以获得显著的直接经济效益，还可以改善调节品质、提高设备安全性。

因此，变频调速技术在各种工业领域具有重要的推广意义。

1.2 调速技术的发展与现状
工业生产过程中，生产机械必须用原动机带动才能工作，最早的原动机为蒸汽机、内燃机、水轮机等，它们是效率低下且较笨重的装置。

随着技术的发展，发明了电动机，由于使用方便、效率较高、装置轻便、占地面积小等一系列的优点，很快取代了之前的原动机。

用电动机作原动机带动工作机叫做电机传动或电气传动，于是工业生产进入了电气传动时代。

不仅在工业生产，而且各种科研、交通运输、日常生活工具等也都使用了电动机进行电气传动。

由于生产的需要，电气传动系统必须具备调节速度的功能，才能达到提高工效、保证质量和节约能源的要求。

而直流电动机首先满足了这一要求。

因为直流电动机可以方便地通过调节电压或调节励磁，来调节速度，而且是平滑连续无级调速。

交流电动机由于结构关系和当时的技术条件还不能达到上述要求。

所以在20世纪70年代之前直流电动机调速系统简称直流调速系统一直在电气传动领域中占据统治地位。

随着单机容量的进一步加大和转速的逐步提高，直流电动机由于存在自身缺陷而越来越难以胜任。

第一，结构复杂导致造价较高；其次，具有换向器和电刷，需要经常清理和置换，增加维护工作量和成本；第三，因为换向器和电刷的存在，环境适应能力较差，如不适宜潮湿和粉尘的工作条件，特别是有瓦斯的场合，电刷产生的火花会引起爆炸。

而交流电动机的结构简单、运行可靠、便于维修和价格低廉等的特点一直吸引人们对它的研究。

之前交流调速实际上也有几种方案，常见的有改变极对数调速和改变绕线转子
电动机转子回路中所串电阻调速，这两种调速均属于有级调速，且后者损耗大、效率低，故应用不多。

改变电源频率实现无级平滑调速，也曾有所尝试。

早期采用变频机组供电作变频调速，由于投资大、效率低，不宜推广。

后来相继用汞弧（水银）整流器和闸流管制造变频器，也由于造价高且性能不好，很少被采用。

所以总的来说，过去相当一段时间，交流调速发展很慢，采用的很少，直流调速得以垄断调速传动的领域。

随着电力电子技术的发展，可控的电力电子器件的研制成功，情况大有改变。

首先是1957年晶闸管的问世，交流电动机的无级调速问题得到了突破。

由于晶闸管具有良好的开关特性与控制特性，大大促进了交流调速的发展，并出现多种调速方案，在调速系统中得到了越来越多的应用。

许多先进国家已经有系列产品，所用电动机容量从几千瓦到几十兆瓦。

机械、冶金、造纸、化纤、食品、纺织、交通运输等工业，均广泛予以采用。

随着新的功率器件如大功率晶体管、GTO晶闸管、IGBT 等的诞生，尤其是20世纪80年代以后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为现代交流调速技术的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流调速系统的飞速发展。

根据交流异步电动机调速的基本原理，可以将常用调速方案归纳为五种，即：定子调压调速、电磁转差离合器调速、串级调速、变频调速、变极对数调速，另外还有一种液力耦合器调速的机械调速装置。

前三种从本质上说属于改变转差率的调速。

定子调压调速是通过晶闸管改变定子绕组端电压进行调速，优点是装置简单、控制方便、投资小、响应快。

但其损耗与转差率成正比，低速时损耗严重，为能耗调速。

再者，调压调速的调速范围不宽，机械特性软，以前常用于电梯系统，现在已很少见。

电磁转差离合器作为电动机和工作机的联轴器，用晶闸管改变离合器的励磁电流就能改变工作机的转速。

通常将电动机和离合器装成一体，使用方便、控制简单，但损耗大，也属于能耗调速，以前，国内在纺织、印染、化工等机械上常见。

串级调速只限于绕线型转子异步电动机，能将转差功率反馈给电网，因此效率较高，造价较低。

但功率因数低，常需要用移向电容补偿，增加投资。

另外，机械特性较软，电动机使用受限，故不属于理想调速方案。

变极调速是通过改变电动机定子磁场产生的磁极对数，从而改变其理想空载转速来实现调速的方法。

磁极对数的改变是通过改变电动机内部定子绕组的接线方式来实现，一般用于笼式异步电动机，而且属于有级调速，限制了它的使用。

液力耦合器是一种转差损耗的低效调速设备。

它结构简单、操作方便、价格低廉，但节能效果低，在低速时，有近3/4的能量被浪费，运行一段时间后，需要对液压油进行更换。

大容量的设备还应添加水冷系统。

因此，这种调速方案也不属于理想的调速方案。

而变频调速采用由各种电
力电子器件制成的变频器，可以实现平滑无级调速，且调速范围宽；安全性和可靠性较高，调速性能优异，节能效果明显；适用于笼型和绕线式异步电动机等。

但是变频调速方案的初始投资较高。

随着科学技术的发展，控制装置集成化、模块化、数字化，造价问题也将会逐步解决，总的来说，变频调速优点全面，适用面广泛，是调速技术的主要发展方向[2-4]。

1.3 本文的主要工作
本文以大力推广变频调速技术的使用为目的，首次对各种调速方法进行了全方面比较，使得变频调速技术的优势更加突出，也对变频技术产生的主要问题进行了简单探讨。

本文的主要工作为：
（1）论文回顾了变频调速技术的发展历程和国内外的应用现状，详细介绍了变频调速的理论基础，并针对泵与风机类负载的机械特性进行了节能分析。

随着电力电子技术和微电子控制技术的发展，变频器的安全性和可靠性也有了很大提高。

（2）对变频调速、内反馈调速、水电阻调速、永磁调速和液力耦合器调速的性能特点进行了比较。

根据使用各种调速方法的相应单位（变频改造—浙江浙能北仑发电有限公司引风机系统、国电怀安热电厂1号机组凝结水泵系统，内馈式调速—秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵系统，液体电阻调速—浙江长兴发电有限责任公司#2炉脱硫增压风机，永磁调速—嘉兴发电有限责任公司锅炉排渣系统高压水泵）进行了实地调研，主要包括对应用不同调速方法的电机的运行工况的记录和对相应单位实施不同调速方法的改造或筹建资料的搜集。

通过对实验数据的筛选，从安全性、可靠性和经济性进行应用研究，总结出各种调速方法的适用范围和优缺点，对于如何选用调速方式具有指导性意义。

（3）论文介绍了变频调速技术带来的谐波问题的产生机理和危害，并对谐波问题的解决方法进行了简单探讨。

第2章 变频调速技术概述
2.1 变频器概述
变频调速系统由变频器、传动电动机和控制装置组成，有的把控制装置归并于变频器，如图2-1所示，有的还包括负载，如图2-2所示。

变频器将电网固定频率变成可调的频率，输送给电动机，实现变频调速，因此变频器是调速系统的核心部件。

图2-1 变频调速系统
图2-2 变频调速系统（包括了负载）
2.1.1 变频器的基本概念
变频器也叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。

它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，它具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。

变频器由主回路和控制回路两部分组成，如图2-3所示。

主回路由整流器、滤波器和逆变器三个主要部件构成。

逆变器可用不同器件构成，如高频变频器用功率MOS晶体管，大容量变频器用GTO晶闸管，中小型变频器用IGBT晶体管等。

控制回路由单片机、驱动回路和光电隔离电路构成[2]。

图2-3 变频器的电路组成结构
2.1.2 变频器的基本工作原理
2.1.2.1 变频器的基本工作原理
交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规律地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。

变频器基本结构如图2-4所示。

图2-4 变频器基本结构
对于速度、精度和响应快速性要求较高的系统，采用图2-4的开环系统是不够的，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，此时的系统是闭环的。

2.1.2.2 变频器的逆变原理
下面通过对单相逆变桥的逆变过程来阐述变频器逆变的基本原理。

单相逆变桥的构成如图2-5所示。

图中将四个开关器件(V1～V4)接成桥型电路，两端加直流电压Ud，负载Zl接至两桥臂的中点a与b之间。

（1）前半周期
令Vl，V2导通；V3、V4截止。

则负载Zl上所得的电压为a“+”、b“-”，设这时的电压为“+”。

（2）后半个周期
令V1、V2截止；V3、V4导通。

则负载Zl上所得的电压为a“-”、b“+”，电压的方向与前半个周期相反，为“-”。

上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载Zl上所得到的便是交变电压了。

这就是把直流电逆变成交流电的工作原理。

图2-5 单相逆变桥电路
a)逆变电路 b)电压波形
2.1.3 变频器的分类
变频器的种类很多，一般有以下几种分类方法：
2.1.
3.1 按变频方法分类
（1）交—直—交变频器
交—直—交变频器又称间接变频器，它首先将恒定50Hz的交流电经整流变换成直流，再经过滤波，将比较平滑的直流电逆变成频率可调的交流电。

因此，又称有中间直流环节的变频装置。

根据滤波部分使用的元件不同，变频器的型式又分为两种：一种是用电容滤波，其直流回路的电压波形比较平直，输出阻抗很小，电压不易突变，相当于直流恒压源，称之为电压型变频器；另一种是用电感滤波，其直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流不易突变，称之为电流型变频器。

（2）交—交变频器
交—交变频调速系统由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，采用电网自然换相原理，具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低、电网功率因数低、旁频谐波影响等缺点，交一交变频分为有环流方式和无环流方式，可驱动同步电动机或异步电动机。

交—直—交变频器与交—交变频器的性能比较见表2-1所示。

表2-1 交—交变频器与交—直—交变频器主要特性比较
比较内容 交—交变频器 交—直—交变频器
换能方式 一次换能，效率高 二次换能，效率低
换流方式 电网电压换流 强迫换流或负载换流
元件数量 较多 较少
元件利用率 较低 较高
频率调节范围宽
调频范围 最高频率为电网频率的
1/3～1/2
电网功率因数 较低 可控整流调压，低频低压时功率因数低；斩波器
或PWM方式调压，功率因数高
适用场合 低速大功率拖动 可用于各种拖动装置，稳频稳压电源和不停电电
源
2.1.
3.2 按电路工作方式分类
（1）PAM
所谓PAM(Pulse Amplitude Modulation)脉冲幅值调制是一种改变电压源的电压
或电流源的电流的幅值，进行输出控制的方式。

因此，在逆变器部分只控制频率，
在交流器部分控制输出的电压或电流。

这种方式的特点是输出电压或电流平滑，而
且低次谐波较少。

（2）PWM
PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制方式是利用半导体开关器件的导通和关
断使直流电压变成电压脉冲序列，以控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期来完成变
压变频的目的。

因此，在PWM方式中，直流环节可以是固定电压(或电流)的直流，
整流部分通常采用二极管桥式整流[3,6]。

2.1.
3.3 按控制方式分类
（1）U/f控制变频器
U/f控制又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制，是一种比较
简单的控制方式。

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用
而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就会过大，磁回
路饱和，严重时将烧毁电动机。

因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的
同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和饱和现象的产生。

U与f的比例关系是根据电动机的特性而预先确定的，通常在控制器的存储装
置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。

U/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。

U/f控制变频器采用开环控制方式，无需速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

但这种变频器存在以下缺点：不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化：无法准确地控制电动机的实际转速；而且，转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。

（2）SF变频器
SF即转差频率控制，一种直接控制转矩的控制方式，它是在U/f控制的基础上，按照异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。

在采用此控制方式的变频器中，变频器通过电动机和测速发电机PG构成速度反馈闭环系统。

变频器即使输出给定频率，但电动机在带负载运行时，其转速也能在额定转差率的范围内（1%～5%）变动，即可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

（3）VC变频器
VC即矢量控制，也成磁场定向控制。

它是以直流电动机和交流电动机比较的方法阐述了这一原理。

矢量控制原理的特点是认为异步电动机与直流电动机有相同的转矩产生机理。

即回到磁场同与其相垂直的电流的积为转矩这一基本原理进行分析，将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量(磁场电流)和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量(转矩电流)。

在磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流电枢电流相当。

在直流电动机，利用整流子和电刷在机械上使两者保持垂直的关系，并且可以分别供电。

另一方面，异步电动机的定子电流是在电动机内部，利用电磁感应作用在电气上被分解为磁场电流和转矩电流。

矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流分别进行任意控制，同时将二者合成后的定子电流供给电动机[6,10]。

2.2 变频调速技术的发展概况
从20世纪70年代开发和生产变频器到今天，变频调速技术不断创新换代。

变频器的功能越来越全面，调速精度越来越高，应用范围越来越广，逐渐成为调速领域的主要技术。

其发展历程可以从以下几个方面表现出来：。