Internal usage only矿用变频器基本知识基础培训 2011年10月Internal usage only2目录n背景n技术发展n设计方案n比较Internal usage only31. 背景据世界经济统 计年鉴和中 国统计年鉴， 2005年发达国家 与我国每万美元 国内生产总值（ GDP）的能耗如 图所示。Internal usage only4能源种类实物量等价值 吨标煤百分比/% 煤/t19417613870024.75 电/万kWh101771.341115673.37 柴油/t589985951.53 汽油/t1320.919440.35某矿业集团公司2006年能源消费结构表引自：煤科院南京所，张少波，我国煤矿能耗现 状分析及节能技术发展方向，煤矿支炉，2008年 第四期1.背景Internal usage only5 5煤矿生产主要工序中较大型电力驱动装备耗能情况表引自：煤科院南京所，张少波，我国煤矿能耗现状分析 及节能技术发展方向，煤矿支炉，2008年第四期系统提 升通 风排水 大泵运 输空 压 机热 力洗选采掘 机械总计数量/台套507815290109 19810/ 条线307008 00总装机容量/ 万kWh4.63.910.61.4271.712预计 年节能 空间/万 Tce4.11.10.50.52.30.30.310(约1 亿度电 )1.背景Internal usage only6从上面的分析可知：（1）煤矿耗能以电能为主（2）煤矿主要大型用电设备都可以进行节能改造（3）煤矿大部分大型用电设备都可以采用变频器进 行驱动。1.背景Internal usage only7交流传动系统1885年交流电动机结构简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小， 但是电气调速性能差。1957年晶闸管静止功率变频器应用到交流调速中，变频调速出现 。1971年矢量控制技术1985年直接转矩控制交流电机的调速性能可与直流电机媲美，使交流传 动系统逐渐成为传统系统的主力。2. 技术发展Internal usage only8 8变频调速的优点：（1）输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级 提速（2）功率因数高，利用效率高，节能效果显著。（3）稳压性能好，适应输入电压一定的波动情况。（4）可调范围（输出频率）宽，实现大范围调速， 并能保证输出特性。（5）启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲 击。2. 技术发展Internal usage only9变频器的结构考虑交流调速系统中，电网和电机一般都是交流的 ，因此变频器的主要结构都是交流-交流变换器的结 构，主要包括：（1）传统交交变频电路（2）交直交变换器（3）矩阵变换器。2. 技术发展Internal usage only1010（2）交直交变换器其结构是将交流整流为直流，然后通过逆变器转换为 需要频率和电压的交流，驱动电机。目前这种结构是市场上主流的变频器结构，其可以方 便的采用SVPWM调制策略提高电压利用率，易于实 现电机高性能控制方法矢量控制和直接转矩控制 。交直交变换器拓扑结构2. 技术发展Internal usage only112. 技术发展负载类型要了解电机的控制方法，需要了解负载转矩类型。1、恒转矩负载这类负载由传送带、挤压机 等2、平方转矩负载这类负载的典型代表是泵与 风机。负载转矩与转速的平 方正比。3、恒功率负载卷扬机、机床主轴等属于此 类负载。Internal usage only122. 技术发展矢量控制相对与直流电机，三相异步电机是一个多变量、强 耦合的复杂系统，矢量控制的基本原理正是通过一 系列坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐 标系下变换到两相旋转坐标系下，实现电流的磁通 分量和转矩分量的完全解耦，从而可以像控制直流 电机那样通过分别控制电机的磁通和转矩来实现交 流异步电机的高性能控制。因此要实现矢量控制，主要是进行坐标变换，在常 用的矢量控制方案中，将同步旋转坐标系的磁通轴 定向于转子磁链，也就是转子磁场定向控制，转矩 轴超前磁通轴90。Internal usage only132. 技术发展在同步旋转坐标系M-T中，三相异步电机模型为：磁通和转矩方程：由此可以看出，当控制IM1不变，即可保持转子磁链 2恒定，电动机输出转矩Te与电流分量IT1成正比。Internal usage only14143. 设计方案煤炭是我国能源行业的重心，不仅是产能支柱，同时也是耗能大户。对煤矿中各种大型电气设备进行变频调速控制，可以实现节能降耗，提高自动化水平，降低人力成本，提高产能的目标。现在在中国市场上的通用变频器，无论国内还是国外的品牌，都不能直接用于井下生产，因此矿用变频器的开发迫不及待。Internal usage only153. 设计方案目前我国煤矿普遍采用的电压等级为660V、1140V 。随着煤矿生产能力不断提高，生产设备单机功率不 断增大，防爆变频器的容量也不断提高，越来越多 的设备采用1140V这一电压等级。而1140V这一煤矿用电压等级为我国所独有，所以 通用变频器，无论是国产还是进口，一般电压等级 为220V、380V、660V，国外中压为2300V，然后 到6000V和10kV。因此，1140V矿用变频器是值得开发和推广的。Internal usage only163. 设计方案设计目标：电压等级：1140V功 率：500kW应用范围：皮带机、采煤机、风机、水泵等多种负 载情况。控制方式：v/f=常数控制：适合于风机，水泵这类启动转矩小 ，对调速性能要求不太高的负载。无速度矢量控制：适用于皮带机这类恒转矩负载， 对转矩和转速进行精确控制。Internal usage only173. 设计方案变频器主电路拓扑结构Internal usage only183. 设计方案拓扑结构说明：整流器为二极管不控整流，每个桥臂由4个二极管两 串两并构成，可以降低单个二极管的电压，功率等 级，另外由于二极管属于不控器件，虽然器件较多 ，但是控制难度并没有增加。中间直流环节采用电容串并联，降低单个电容的电 压和容量等级，通过并联电阻进行均压。逆变器是两电平电压型变换器，每一相桥臂采用阻 容吸收电路。变频器结构清晰，方案成熟，便于控制。Internal usage onlyBPJ-500/1140主要技术参数 供电电源n输入电压：1140Vn输入频率：50Hzn允许电压波动：-15%+15% 额定输出n额定输出电压：0Vin的95% n额定输出电流：315A（环境温度最高40）n使用电机功率：500kWn过载能力：1.5倍额定电流，时限1min，每10min允许一次n输出频率：060Hz，并能在任一频率稳定长时间运行n频率分辨率：0.1Hz3. 设计方案19Internal usage only主要特点n防爆型式：隔爆兼本质安全型 Exd【ib】n散热方式：热管方式散热n主电路拓扑结构：两电平方式n整流型式：6脉冲二极管不可控整流n逆变元件：IGBTn触发信号：逆变触发信号采用光纤隔离n直流回路：采用直流母线技术，电容为铝电解电容n门上操作按钮：起动、停止、急停、复位n模块化布置，易于维护n参数设定：操作键盘设置，断电恢复后，设定参数不变3. 设计方案20Internal usage only主要特点n对外通讯接口：RS485，与矿井自动化系统实现联网n控制方式1）VF控制2）无速度传感器矢量控制n起动方式1）远方控制：先导信号、通讯给定2）本地控制：键盘控制、门上按钮控制n加减速时间1）VF控制：0.53000.0（sec）2）矢量控制：0.003000.00（sec）3）提供线性和“S”型运行曲线，并具有低速验带功能3. 设计方案21Internal usage only主要特点n启动转矩1）VF控制：150%200%（0.5Hz）2）矢量控制：150%200%（0Hz）n谐波抑制1）输入侧配置输入电抗器2）输出侧配置输出电抗器，到电机距离满足100m要求n保护功能1）保护功能包括：过欠压、过载、过流、过热、漏电闭锁、漏电 保护、断相、驱动板保护等2）变频器具有开机自检功能，只有在变频器正常的情况下才允许起 动，否则不允许起动并显示相应故障3. 设计方案22Internal usage only主要特点n显示功能1）参数显示：散热回路三相电压、电流、绝缘电阻；主回路电压、 绝缘电阻；电机电压、电流、频率、速度、电网频率等 2）状态显示：散热回路接触器状态、主回路接触器状态、隔离开关 状态、系统状态、通讯状态、试验运行状态、远控本控状态3）故障显示：电机过流、过欠压、短路、过载、缺相、过热、过 载、漏电闭锁、主接触器故障；风扇过欠压、短路、过载、缺相、 漏电闭锁、接触器故障；急停故障；先导故障；通讯故障等 4）显示器：320240点液晶中（英）文显示5）发光二极管指示：主电源、变频器运行、变频器故障、控制电源n多机同步控制：配有多机同步运行卡，提供精确的负载分配控制。n噪声等级：不大于80db3. 设计方案23Internal usage only24243. 设计方案仿真：（1）v/f=常数控制（2）矢量控制（3）输入电压波动抑制采用Matlab中的Simulink构建本方案中的主电路， 分别采用（1）和（2）的控制方案，仿真（3）是 在（2）的基础上进行的Internal usage only253. 设计方案（1）v/f=常数控制Internal usage only263. 设计方案（2）矢量控制Internal usage only2727273. 设计方案（3）输入电压波动抑制仿真中使用可控电压源来模拟输入电压波动。Internal usage only283. 设计方案Internal usage only293. 设计方案节能计算：在此以风机为例，假设功率为500kW，电压1140V 。额定频率为50Hz。风机的转矩与转速平方成正比，而电机功率是转矩 与转矩的乘积，也就是说，P=k*3计算得到k=0.0161假设风机一年运行时间300天，其中20%的时间只需 要运行在25Hz。Internal usage only30303. 设计方案不调速时，运行在额定工况，P1=500kW运行在25Hz时，P2=k*（2*25）3=62.5kW每年节约用电Q=（P1-P2)*300*20%*24=63 (万kWh）以江苏工业用电价格0.58元/kWh每年可以节约36.54万元。Internal usage only313. 设计方案在皮带机中的应用Internal usage only323. 设计方案以1号变频器为主变频器，2号变频器为同轴从变频 器，3号变频器为不同轴变频器。主变频器采用矢量控制，通过给定转速来进行闭环 控制，同时增加电流环以提高系统控制性能。同轴从变频器采用转矩电流闭环控制，通过主变频 器传输的转矩电流指令或者电流给定进行控制。不同轴变频器采用同转速控制，通过比较转矩电流 调整转速，达到功率平衡控制。Internal usage only333. 设计方案同轴主从变频器控制方案Internal usage only34343. 设计方案不同轴主从变频器控制方案Internal usage only353. 设计方案通过Matlab进行仿真Internal usage only36363. 设计方案同轴主从电机的仿真波形Internal usage only3737373. 设计方案不同轴主从电机的仿真波形Internal usage only为了对开发的矿用变频器方案进行论证，在此对660V与1140V 的变频器进行比较。 假定功率为500kW。 整流级均为二极管整流，每相采用两串两并的结构。 逆变级均为电压型两电平逆变器。 整流二极管额定电压， URRMUDCK 其中，