时间：2023-12-10 15:09:02
关键词：交流电机、变频调速、通用变频器
Abstract: With China has strongly advocated for power saving, energy-saving AC motor technology has become essential. AC motor energy, the key is for frequency control motor, AC Motor typical application is the general-purpose inverters. Therefore, this article inverter AC motor drive applications and general-depth study and discussion.Keywords: AC motor, frequency control, general-purpose inverters
中图分类号：TN77文献标识码：A
概论
1.交流电机调速的发展和趋势
近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着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，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、快的动态响应以及在四象限并可逆运行等良好的技术性能。交流电动机调速系统的性能越来越好，特别是鼠笼式交流异步电动机的变频调速系统，其性能己与直流电动机调速系统相媲美。由于鼠笼式交流异步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、坚固耐用、工作可靠、维护方便、适应性强等一系列优点，而且功率、转速、电压的允许值高于直流电动机，所以交流变频调速技术得到了迅速的发展，并有取代直流电动机调速的趋势。
2.交流电机变频调速的应用
在拖动系统中，交流电机变频调速的典型应用就是通用变频器，用变频器驱动电动机的目的就是实现调速，让电动机按照希望的方式运转。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。
以下就以通用变频器为例，论述交流电机变频调速的应用
2.1变频器的发展前景
中国是能源大国，能源利用率很低，而能源储备不足。然而2011年中国发电总量约为46037亿千瓦时，电力拖动系统消耗的发电量约为23018.5亿千瓦时，风机水泵类负载消耗6113亿千瓦时。因此国家大力提倡节能，并着重推荐了变频调速技术。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在节能的转速下运行。许多电机一般按最大需求来选择电机的容量，故设计裕量偏大，而实际运行中轻载运行所占比例较高。如果采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此，电机的节能潜力巨大，变频器应用于各行业。
2.2变频器应用的行业
变频器主要用于交流电动机转速的调节，是交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在水利、电力、市政、化工、钢铁行业、矿井提升、水泥行业风机、恒压供水等领域中，变频器都在发挥着重要作用，产生了巨大的经济效益。
2.3变频器的选型
通用变频器的选型主要依据变频器的使用类型和容量两方面。
变频器的类型要根据负载要求来选择。一般来说，生产机械的特性分为恒转矩负载、恒功率负载和二次方律负载。
变频器容量的选择由很多因素决定，如电动机容量、电动机额定电流、电动机加减速时间等，其中最主要的是电动机额定电流，电动机的额定功率作为参考。变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。
2.4变频器的工作原理以及应用
2.4.1工作原理
交流电机变频调速系统包括主电路和控制电路两部分，主电路主要完成功率的转换，控制电路主要完成对变频主电路提供各种控制信号。
（a）在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响着系统的运转，因此，必须选择合适的主电路。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载。中间环节采用在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源的大电容滤波；在主电源方面，由于电动机是不需要频繁制动和反转的，所以选择不可控二极管整流桥方式。滤波电路采用阻容方式，逆变电路为三相全桥形式。在功率器件方面，由于变频调速系统，一方面要求开关频率足够高，另一方面要求有足够的输出容量，所以采用驱动功率小而饱和压降低的IGBT。在变频调速系统中，电动机的减速和停机，是通过逐渐降低频率来实现的。这时，从电动机的角度来看，电动机处于再生制动的工作状态；从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频主电路的直流环节中被消耗掉了。
主电路原理图
（b）控制电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，影响着整个系统的性能，而控制系统的性能又取决于其运算速度和控制精度，这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。
在控制逆变部分，根据PWM波形的生成原理，用IGBT控制PWM波形，从而产生完美的正弦波。根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，从而提高了系统的精度和稳定度。保护电路主要包括电机过压、过流、以及调速系统的保护等。控制电路和保护电路作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，它主要是向变频主电路提供各种控制信号，使主电路安全、可靠的工作。
2.4.2变频调速的控制策略
变频调速经过了两代控制方式的转变，实现了由恒压频比控制到矢量控制的转变。
第1代变频器采用的是恒压频比控制方式，它根据异步电动机等效电路确定的线性进行变频调速。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制。
第2代变频器的主要特征是采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。首先是要控制励磁，所以又把矢量控制称为磁场定向控制。矢量控制的主要缺点是需要复杂的坐标变换运算，以及需检测转速信号。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制的方法，它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流，以及定转子绕组参数推算出转速观测值，以实现磁场定向的矢量控制。
2.4.3交流变频调速的优越性：
(1) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。
(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。
2.4.4变频器与负载电机的通讯协议
变频器的节能效果与普通调速的对比优势在于所用的通讯协议。通用变频器一般都带有RS232/422/485通讯接口，可以实现上位工控机对变频器的1对1或1对多的通讯功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。在需要高精度控制时，可选用编码器，将转速反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。完善的软件功能和规范的通讯协议，使它可实现灵活的系统组态，组成现场总线系统，变频器在其中作为通讯的从站和传动执行装置。
2.5变频器调速与传统调速方法的比较
上世纪八十年代到九十年代初，高压电机要实现调速，主要采用三种方式：（1）液力耦合器方式。（2）串级调速。（3）高低方式。
上述三种方式，发展到目前都是比较成熟的技术。液力耦合器和串级调速的调速精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点：效率低，谐波大，对电机的要求比较严格，功率较大时（500KW以上），可靠性较低。
与传统的调速方法相比变频器可以实现软启动和软关闭，任意调整发动机的加/减速时间，平稳的启动电机。
3.结束语
在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，成为现代调速传动的主流。
变频器不仅具有卓越的节能作用、显著的调速性能和保护功能，还具有优越的控制方式。应用变频调速，不仅可以使电动机在节能的转速下运行，而且还可以大大提高电动机转速的控制精度，提升工艺质量和生产效率，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。
参考文献
（1）王建峰、秦庆国、李永军、任建业 浅谈交流电机的变频调速--《科技创新与应用》2012年13期
(2)倚鹏 高压变频器的产品和市场状况--《电器工业》2006年06期
(3)鲁元祥 浅谈交流电动机变频调速技术及应用--《机电信息》2011年第12期
[关键词]PLC变频调速器多电机控制网络通讯协议
一、引言
以变频调速器为调速控制器的同步控制系统、比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。
工作时操作人员通过控制机（可为PLC或工业PC）设定比例运行参数，然后控制机通过D/A转换模件发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模生产自动线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界的干扰，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低；同时大量D/A转换模件使系统成本增加。为此我们提出了PLC与变频调速器构成多分支通讯控制网络。该系统成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制。
二、系统硬件构成
系统硬件结构如图2所示，主要由下列组件构成；
1、FX0N—24MR为PLC基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。
2、FX0N—485ADP为FX0N系统PLC的通讯适配器，该模块的主要作用是在计算机—PLC通讯系统中作为子站接受计算机发给PLC的信息或在多PLC构成n:n网络时作为网络适配器，一般只作为规定协议的收信单元使用。本文作者在分析其结构的基础上，将其作为通讯主站使用，完成变频调速器控制信号的发送。
3、FR—CU03为FR—A044系列比例调速器的计算机连接单元，符合RS—422/RS—485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。
4、FR—A044变频调查器，实现电机调速。
在1:n（本文中为1:3）多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。工作过程中，PLC通过FX0N—485ADP发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。
三、软件设计
1、通讯协议
FR—CU03规定计算机与变频器的通讯过程如图3所示，
该过程最多分5个阶段。?、计算机发出通讯请求；?、变频器处理等待；?、变频器作出应答；?、计算机处理等待；?、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成?~?三个过程；监视变频器运行频率时完成?~?五个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。图4分别为写变频器控制命令和变频器运行频率的数据格式。
2、PLC编程
要实现对变频器的控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。PLC程序应完成FX0N—485ADP通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。PLC梯形图程序（部分程序）如图5所示。
程序中通讯发送缓冲区为D127~D149；接受缓冲区为D150~D160。电机1启动、停止分别由X0的上升、下降沿控制；电机2启动、停止分别由X1的上升、下降沿控制；电机3启动、停止分别由X2的上升、下降沿控制。程序由系统起始脉冲M8002初始化FX0N—485ADP的通讯协议；然后进行启动、停止信号的处理。以电机1启动为例，X0的上升沿M50吸合，变频器1的站号送入D130，运行命令字送入D135，ENQ、写运行命令的控制字和等待时间等由编程器事先写入D131、D132、D133；接着求校验和并送入D136、D137；最后置M8122允许RS指令发送控制信息到。变频器受到信号后立刻返回应答信息，此信息FX0N—485ADP收到后置M8132，PLC根据情况作出相应处理后结束程序。
四、结语
1、实际使用表明，该方案能够实现PLC通过网络对变频调速器的运行控制、参数设定和运行状态监控。
2、该系统最多可控制变频调速器32台，最大距离500m。
3、控制多台变频器，成本明显低于D/A控制方式。
物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备，在各工矿企业中大量使用，如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等，都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下放重物，具有典型的位能负载特性。
由于启动及调速成等方面的需要，通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻，从而降低电机启动电流，并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：
1、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2、电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。
3、再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。
4、接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。
5、绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备事故。
随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等软件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能行到极大提高。
二、位能负载的调速特性
提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点1和工作点2为电动状态，工作点3为能耗制动状态，工作点4为再生发电机状态。
变频调速特性为一组平行的曲线，同于变频器的频率可以连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图二中1区为电动区，2区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。
三、变频器的容量选择
提升机械采用变频器进行控制时，可以迁用鼠笼型电动机，对于原使用绕线式电动机的提升机械，可将绕线式电动机的转子短接，当作笼型电机使用。常用的电动机为YZ系列鼠笼型电动机和YZR系列绕线型电动机，这两个系列的电动机，都是以工作制S3及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。
YZ和YZR系列电动机的过载力矩一般为2.2―2.8倍，为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用变频器进行控制后，必须保证变频器－电动机系统具有2.2―2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟，瞬态过载力矩只能达到180%―200%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器－电动机系统的瞬时过载能力。
由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器―电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0―2.4倍，基本满足要求。因此，应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机，应配置55KW的变频器，且变频器应具有较大的过载能力，过载率在150%一分钟以上。
四、制动组件的合理选用
再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果将使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值（如750V），制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电坟开始下降，当它下降到某一设一值（如630V），则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。由上述可知，选择制动组件的基本原则是：
1、制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。
2、制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。
通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。
五、调速控制方法
采用变频调速控制的提升机械仍可使用传统的速度控制方法，如行吊的速度控制，仍使用传统的凸轮控制器，不同的档位给出了上升或下降方向指令和多级速度指令，输入到变频器的控制端，实现方向控制和调速。现在已有行吊变频专用控制器推出，应用它可以简化控制系统设计，减少故障点。变频调速器还可提供更为先进的闭环控制方法，如配合工艺实现提升和下降的不同速度运行等。某钢铁厂轧机升降台采用变频传动，为了实现电动机与液硬度平衡机构的协调控制，应用先进的控制技术实现了不同平衡力矩下的变速控制，在不增加变频器容量的情况下解决了液硬度平衡系统的冷起动问题。
位能负载条件下的变频调速系统设计必须以实际负载情况为依据，才能达到节省投资的目的。电动机、变频器、制动组件的合理匹配是设计的关键。本设计方法应用于天车、塔吊、轧机升降台等多个变频改造项目中，收到了良好的效果。某集团公司连轧厂20t天车变频改造，由于设计合理，既节省了投资，又保证了天车的基本运行性能，设备投入运行一年多，情况良好，未发生任何故障。
【论文摘要】：对变频调速器在实践应用中容量的正确选择、传动系统的优化设计以及外接制动电阻等方面的问题，总结了一些经验。
随着电力技术的迅速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进步，进入了普及应用阶段。在我国，变频调速器也正越来越广泛地被采用，与此同是地，如何正确地选好、用好已成为广大用户十分突出的问题了。
1.关于容量选择
在变频调速器的说明书中，为了帮助用户选择容量，都有"配用电动机容量"一栏，然而，这一栏的含义却不够确切，常导致变频器的误选。
各种生产机械中，电动机的容量主是根据发热原则来选定的。就是说，在电动机带得动的前提下，只要其温升在允许范围内，短时间的过载是允许的。电动机的过载能力一般定为额定转矩的1.8-2.2倍。电动机的温升，所谓"短时间"至少也在十几分钟以上。而变频调速器的过载能力为：150％，l分钟。这个指标，对电动机来说，只有在起动过程才有意义，在运行过程中，实际上是不允许载。
因此，"配用电动机容量"一栏的准确含义是"配用电动机的实际最大容量"。实际选择变频器时，可按电动机在工作过程中的最大电流来进行选择，对于鼓风机和泵类负载，因属于长期恒定负载，可直接按"配用电动机容量"来选择。
2.传动系统进行优化设计
交流异步电动机经变频调速后，其有效转矩和有效功率的范围。配用变频调速器时，必须根据生产机械的机械特性以及对调速范围的要求等因素，对传动系统进行优级化设计，优化设计的主要内容和大致方法如下：
2.1 确定电动机的最高运行频率
（1）鼓风机和泵类负载，这类负载的阻转矩TL与转速n的平方成正比TL=KTn2，输出功率PL与转速的在次方成正比PL=KPn3，（KT和KP为常数），由此可知，如转速超过额定转速，负载的转矩和功率将分别按平方律和立方律增加，因此，在一般情况下，不允许在额定频率以上运行。
（2）一般情况下，各种机械的强度、振动以及耐磨性能等，都是以电动机转速不超过3000r／min为前提设计的。因此，在没有对机械重新进行设计的情况下，2级电机的最高运行频率不要超过额定频率太多。
（3）当异步电机在额定频率以上运行时，由于电源电压是恒定的，其在调到fx时电磁转矩Tx近乎和频率调节比Kf的平方成反比，即T≈TN/Kf2（而TN为额定频率fN时的转矩）。因此，最高运行频率不宜超过额定频率
（4）异步电机在低频下运行时，为了获得足够的转矩，常需进行转矩补偿。而转矩补偿将使电机的磁路趋于饱和，从而增加附加损失，降低了效率，因此，只要情况许可，应尺可能地提高运行频率的上限。
2.2 确定传动系统的传动比并校核电动机的容量
（1）鼓风机和泵类负载，一般均为直接驱动，不必考虑传动比的问题。
（2）恒转矩负载，首先，根据有效转矩线以及所要求的频率调节范围，确定电机运行的最高频率和最低频率。
假设已经确定的电动机最高运行频率为fmax最低运行频率为fmin与此对应的转矩相对值为tTL，则电动机的额定转矩Tn=TL/qTL（TL负载转矩）。如果原选电机并未留有余量的话，则配用变频调速器后，电动机的容量应扩大1/tTL倍。传动系统的传动比入等于电动机在最高运行频率下的转速nDmax负载所需求的最高转速nLmax之比。
（3）恒功率负载：和恒转矩负载类似，首先根据有效功率线和频率调节范围，求出电动机运行频率的上、下限。
同样，在求出最高和最低运行频率的同时，得到对应的功率相对值tPL，而电动机的额定功率PN≥PL／tPL（PL为负载要求功率）。
在设计恒功率负载时，应注意两点：（1）尽量多利用额定频率以上的部分；（2）当调整范围较大时，尽量采用两档传动比。因为当传动比分成两栏时，频率范围αf与αn转速范围之间的关系为 。可见，在转速范围相同的情况下，频率范围将大为减小，从而可减小电动机的容量。 转贴于
负载的机械特性，因是恒功率负载，故曲线上任一点的横坐标与纵坐标的乘积均相等，且与负载功率成正比，即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin 。全部转速都在额定频率以下调节时的有效转矩线，在这种情况下，所需电动机的容量PN=KPTNnLmax>KPTLmaxLmax=αnPL。这说明，所需电动机的容量比负载功率的On倍还要大，是很不经济的。
⑴当最高运行频率为额定频率的2倍，传动比只有一档时的情形。在这种情况下，所需电机的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL。可见，所需用容量只要大于负载功率的On/2倍就可以了。
⑵ 当最高运行频率为额定频率的2倍，传动比为两档时的情形。这时，所需电机的容量PN1/2 PL。可见，对于恒功率负载，当αn>4时，这种方案是比较理想的。
3.自配外接制动电阻
各种变频调速器都允许外接制动电阻，加快制动速度，外接电阻。但配套的制动电阻价格昂贵，不易买到，自动配置时，其阻值与功率可如下决定：
直流电路的电压值UP= ×380=53V；制动电流Is一般以不超过电机的额定电流IDN为原则，即Is≤IDN，故制动电阻Rs≥UD/Is。
因Rs内通过电流的时间只有几秒钟，故其功率PR可按工其工作时的（1/10-1/8）选择，即PR=(0.1-0.125)UD2/Rs。
因Rs接入电路时，应注意将变频调速器内部的制动电阻切除，如不能切除，则应适当加大Rs的值，以免出现制动电流过大的情形。
在外接制动电路时，为了避免烧毁变频器内部的放电用大功率晶体管（GTR）有时也可以外接整个制动电器（即包括制动电阻和放电晶体管，这时，GTR应选取其VCEX≥700伏；ICN≥（1.2-1.5）IDN安。
参考文献
[1] 马新民，矿山机械，徐州：中国矿业大学出版社，2002
[2] 李纪等，煤矿机电事故分析与预防，北京：煤炭工业出版社，1997
[3] 柴常等，机电安全技术，北京：化学工业出版社，2006.1
[4] 梁杰，工程机械电器与电子控制装置，北京：人民交通出版社，1998
本文简单介绍了单相电动机及变频器的工作原理,而后根据它们的工作原理,参考市场上已存在的变频器,对比单相电容式电动机独有的特点,找到二者之间的关联点及其中相悖之处,加以适当调动,解决问题,从而实现单相电动机的无级调速。然后,通过精密的计算、比较、实验操作,最后得出最终的调速系统。
关键字:单相电动机,变频,电容,调速
Based on the inverter motor speed regulating device
Abstract:
This paper briefly introduces the working principle of the single-phase motor and inverter, and then according to their working principle, reference to the market already exist on single phase capacitor motor frequency converter, in contrast to the unique characteristics, to find the correlation between the two points and the contrary, properly solve the problem, thus realizing the mobilization, the single phase motor stepless speed regulation. Then, through precise calculation, comparison, experiment operation, finally reached the final of the speed control system.
Keyword:Single phase motor, inverter, capacitor, adjustable speed
目录
1 绪论…………………………………………………………………………1
1.1 变频器的由来…………………………………………………………1
1.2 单相电动机(电容式)的定义 ………………………………………1
1.3 现有系统存在问题的分析 …………………………………………2
1.4 系统开发目标…………………………………………………………2
2 系统分析……………………………………………………………………3
2.1 背景分析……………………………………………………………3
2.2 原理分析……………………………………………………………3
2.2.1 变频器……………………………………………………3
2.2.2 单相电动机(电容式)…………………………………5
2.3 系统的推理…………………………………………………………7
2.4 控制原理…………………………………………………………10
2.5 系统的实验结果…………………………………………………11
2.6 系统原理图………………………………………………………12
2.7系统调速的方式方法……………………………………………14
2.8结论…………………………………………………………………15
4 致谢………………………………………………………………………16
目前，国内外许多电力拖动场合已将矢量控制的变频器广泛应用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工等行业中交流电动机的无级调速，已明显取得节能效果并满足工艺和自动调速要求。但在风机、水泵应用领域仍没有得到充分应用。其主要原因是对风机、水泵类负载可大量节能了解不够。故此，我们将风机、水泵的节能原理和应用状况向客户介绍。
全国风机、水泵用电量占工业用电的60%以上，如果能在这个领域充分使用变频器进行变频无级调速，对我们发展加工制造业又严重缺电的国家，是兴国之策。
风机，是传送气体装置。水泵，是传送水或其它液体的装置。就其结构和工作原理而言，两者基本相同。现先以风机为例加以说明。
采用安邦信变频器对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。
由图可以说明其节电原理：
图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压一风量（H―Q）特性，曲线（2） 为管网风阻特性（风门全开）。
假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到 n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2风量（Q―H）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2表示。节省的功率N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率N与转速的三次方成正比。采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果风量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
同理，水泵的节能原理由下图说明：
600)this.width=600" border=0>
许多用泵场合都需在维持恒压的情况下改变给水量（流量Q）从左图可知：当流量Q1降至Q2若不改变水泵转速,扬程将升至B工作点，其功率可用H2*Q2来计算，对应面积BH20Q2。原A工作点功率Q1*HT图上面积AHTOQ1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能Q2*H2－Q2*HT=Q2（H2－HT），图DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至Q3若仍以额定转速运行，所需功率Q3*H1，浪费能量为FCH1HT.
与风机节能原理相同水泵电机输出功率正比于转速三次方关系，用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压HT 若转速下降至额定转速的80%，轴功率下降至额定功率的51.2%,流量下降至Q3,若使扬程恒定,可使转速下降到额定转速的70%,此时 轴功率是额定值的34.3%,节能达65.7%,经济效益十分明显。
下面举例说明安邦信变频器应用在锅炉采暖系统上的节能效果。
10T蒸汽锅炉所用电机容量如下：
引风机：55KW 鼓风机：18.5KW
炉 排：1.5KW 给水泵：11KW (一用一备)
本变频控制柜可保证在供热锅炉正常工作的基础上,同时达到节电、节煤以及环保的目的。
电机总容量=55+18.5+1.5+11=86KW
本锅炉视为即供暖和供空调及24小时 供热水的条件下每天工作24小时、每月30天，本变频控制柜在起炉高额区和恒温运行区的综合节电率约在35%左右，由此： 一、每月节电总量=86KW×35%×24×30=21672度
按每度电以0.75元计算，则：
10T炉的节电资金：0.75×21672度 =16,254 元/每月
二、每月用煤量约为750吨，按5%节能率计算：
1、 每月节煤量：750T×5%=37.5吨
现按每吨煤280元计算
2、 每月节煤资金：280元×37.5吨=10,500元
每月节电节煤总额：16,254 +10,500=26,754元
安装10T锅炉的鼓、引风、给水、炉排变频设备和安装监测仪表所需投入 220,000元，
收回投资时间：220,000元÷26,754=8.22月。
交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有重要意义。但是，过去由于各种原因，如变频器的价格、质量、容量等因素的约束，没有得到广泛应用。近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，可靠性增强，容量增大（已达到400KW），变频器的使用已成倍增长。
目前，国内外许多电力拖动场合已将矢量控制的变频器广泛应用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工等行业中交流电动机的无级调速，已明显取得节能效果并满足工艺和自动调速要求。但在风机、水泵应用领域仍没有得到充分应用。其主要原因是对风机、水泵类负载可大量节能了解不够。故此，我们将风机、水泵的节能原理和应用状况向客户介绍。
全国风机、水泵用电量占工业用电的60%以上，如果能在这个领域充分使用变频器进行变频无级调速，对我们发展加工制造业又严重缺电的国家，是兴国之策。
风机，是传送气体装置。水泵，是传送水或其它液体的装置。就其结构和工作原理而言，两者基本相同。现先以风机为例加以说明。
采用安邦信变频器对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。
由图可以说明其节电原理：
图中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压一风量（H―Q）特性，曲线（2） 为管网风阻特性（风门全开）。
假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到 n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2风量（Q―H）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2表示。节省的功率N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率N与转速的三次方成正比。采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果风量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
同理，水泵的节能原理由下图说明：
600)this.width=600" border=0>
许多用泵场合都需在维持恒压的情况下改变给水量（流量Q）从左图可知：当流量Q1降至Q2若不改变水泵转速,扬程将升至B工作点，其功率可用H2*Q2来计算，对应面积BH20Q2。原A工作点功率Q1*HT图上面积AHTOQ1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能Q2*H2－Q2*HT=Q2（H2－HT），图DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至Q3若仍以额定转速运行，所需功率Q3*H1，浪费能量为FCH1HT.
与风机节能原理相同水泵电机输出功率正比于转速三次方关系，用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压HT 若转速下降至额定转速的80%，轴功率下降至额定功率的51.2%,流量下降至Q3,若使扬程恒定,可使转速下降到额定转速的70%,此时 轴功率是额定值的34.3%,节能达65.7%,经济效益十分明显。
下面举例说明安邦信变频器应用在锅炉采暖系统上的节能效果。
10T蒸汽锅炉所用电机容量如下：
引风机：55KW 鼓风机：18.5KW
炉 排：1.5KW 给水泵：11KW (一用一备)
本变频控制柜可保证在供热锅炉正常工作的基础上,同时达到节电、节煤以及环保的目的。
电机总容量=55+18.5+1.5+11=86KW
本锅炉视为即供暖和供空调及24小时 供热水的条件下每天工作24小时、每月30天，本变频控制柜在起炉高额区和恒温运行区的综合节电率约在35%左右，由此： 一、每月节电总量=86KW×35%×24×30=21672度
按每度电以0.75元计算，则：
10T炉的节电资金：0.75×21672度 =16,254 元/每月
二、每月用煤量约为750吨，按5%节能率计算：
1、 每月节煤量：750T×5%=37.5吨
现按每吨煤280元计算
2、 每月节煤资金：280元×37.5吨=10,500元
每月节电节煤总额：16,254 +10,500=26,754元
安装10T锅炉的鼓、引风、给水、炉排变频设备和安装监测仪表所需投入 220,000元，
[关键词]变频器 调速 锅炉引风机
1、引言
随着变频技术的日益成熟，在锅炉引风机上采用变频器技术，不仅便于实现低速启动，无级变速调节，更能实现节能降耗，对于安全运行，延长设备寿命都有着重要意义。
2、变频器调速节能原理
异步电动机的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速。根据流体流量与风机的转速关系可知，流量q与风机转速n的一次方成正比；电动机转矩m与转速n的二次方成正比；电动机输出功率p与转速n的三次方成正比。
3、变频器调速技术的应用
海安美亚热电厂锅炉（型号：lg－75/5.30）引风机（型号：y－48 20.2d）采用mot•1la8.355－6pb80型号电机，变频器选用的是上海昱能电气公司生产的，为了使引风机在变频器故障时也能够运行，设计采用降压起动装置作为辅助启动装置，当变频器发生故障时，引风机可以转到工频状态继续运行。
4、变频器调速技术使用的效果
（1）改善了启动性能。由于电动机的转矩m与转速n的二次方成正比，采用变频器启动时频率低，转速也低，启动电流就小，避免工频启动时形成的大电流对电机、电缆、开关等设备的冲击，因此启动性能得到改善。
（2）提高了功率因数。由于变频器内的滤波电容作用，使其具有功率因数补偿功能，使功率因数cosφ≈1，从而减少了无功功率损耗，减小了电流，也减少了线损和设备的发热，提高了设备的有功出率。
（3）提高了控制精度。使用变频技术后，变频器可以直接通过改变频率控制风机转速来控制风量，调整方便。变频器调整的最小幅度为δf＝±1.5hz，炉膛负压变化仅（50－80）pa，远比档板调节精度高。由于提高了控制精度，使锅炉的燃烧调整更加稳定，避免或减轻了档板调节使炉膛负压变化大，燃烧不稳定的现象。
（4）延长了设备使用寿命。使用变频器后，取消了调节档板，使风压波动减少，从而减少了风道振动，减轻轴承磨损。由于使用变频器，风机电动机的运行频率为20－47 hz，转速低，转矩小，这样等于提高了运行设备的安全系数，有利于机组的长期安全运行，也延长了风机、电动机等设备的使用寿命。
5、问题及对策
（1）设备发热问题：变频器在运行过程中产生热量致使设备的温度很高，由于变频器本身选用的元件耐温为105℃，因此设备本身可以耐受，但周围环境温度升高，对同置一室的其他电器设备威胁甚大。配电室的温度夏季最高可达60℃左右，特别是对安装在开关柜上的微机保护装置影响很大，轻者可造成误动，重者可致设备损坏，为此我们在开关室加了空调，安装了排风扇，才勉强可以渡夏。建议制造商和设计单位重视变频器的发热问题。
（2）谐波问题：变频器注入电动机以三次谐波为主，有效值为6.21安，百分值为4.3%；注入0.4kv母线的谐波以五次谐波为主，有效值为22.43安，百分值为39.4%，与标准比较，各次谐波电流均不超过规定的允许值。总电压正弦波波形畸变率，注入电动机为20.28%，注入0.4kv母线为6.87%，均超过允许的极限值，但对10kv母线和与系统相连的110kv系统是不超过的。看来变频器在设计制造上还需进一步改进，要尽可能减少谐波，减少对系统对设备的谐波影响。
6、结论
我国加入WTO后，由于纺织品配额壁垒的取消，中国的传统产业“棉纺织品”凭其独特的优势全方位进军国际市场，其出口量几十倍，甚至成百倍地增长。给国际，尤其是欧美市场带来了新一轮的冲击波。随之而来的国际竞争也趋于白热化，其竞争焦点也突出在质量、品种和价格三大焦点。
如何提高和稳定质量？如何降低成本？如何适应多品种小批量？这些问题已成为棉纺厂老总日夜思考的主旋律。
以上三大问题解决的迫切性，给交流变频在棉纺行业的使用带来了前所未有迅速发展的前景。
2 宽范围的调速及软启动能稳定可靠地保证棉纱质量
(1) 目前不少棉纺老厂50%~60%以上的设备都是五十年代以前的，甚至解放前的设备还在使用。棉纱质量竞争档次的不断提高已对这些设备构成了严重的威胁，要么淘汰，要么改造，别无他法。可是原棉纺设备中的A字头梳棉机道夫传动都采用双速电机及摩擦离合器形式，因此，从慢速生头到快速运行时产生的意外牵伸及变速箱齿轮磨损产生的“打顿”使棉条重不匀及cv%严重超标，往往使成纱等级大幅下降甚至成为不合格品。
目前新开发的梳棉机道夫传动已采用交流变频加普通异步电动机，由于变频的升降速范围很宽，可达0.1~3600秒，且取消变速箱，离合器，直接采用同步齿形带传动道夫，升降速非常平稳，传动精度高，且无噪声，它的使用从根本上克服了原A字头梳棉机弊病，从而可确实可靠地保证棉条质量。
(2) 原粗纱机一直采用锥形(铁炮)变速机构，但锥形变速皮带打滑导致变速不准，影响绕纱张力和成形不好的质量问题。现采用交流变频调速，去掉了锥形变速机构，使以上难题迎刃而解，从根本上把好了粗纱的质量关。而对于细纱机来说，由于新型机采用变频调速器去掉了成行机构中的成型凸轮，进而克服了由于成行凸轮所造成的桃底有停顿，桃顶有冲击的难题，使细纱卷绕成形质量大为提高。主电机采用变频调速后，使得细纱在大、中、小纱时的转速在变化，大大减少了细纱的断头率，使成纱质量得到了可靠保证。
3 充分利用变频的“节能”功能，可最大限度的降低产品成本
(1) 由于变频器具有优越的软启动及恒扭矩功能，它可以在100%-150%扭矩下将异步电动机的启动电流限制在额定电流附近。启动冲击对电机容量及电网的限制条件已不存在。采用变频后可彻底消除以前的大马拉小车及电动机功率过剩问题。
以前由于不使用变频器，为保证启动时有足够的扭矩和减少对电网的冲击，送风及大惯量负载装机功率往往高出所需功率的40%~50%，变压器容量也高出实际很多。这样非但设备投资有很大一块浪费，而且电动机、变压器空载损耗(铜耗、铁耗)的一块电费也相当惊人。
(2) 风机、空调变频调速节能相当可观
由流体力学可知，风量Q与转速一次方成正比，压力H与转速的平方成正比;
Q/Qe=n/ne
H/He=(n/ne)2
P/Pe =(n/ne)3
式中:Qe—风机的额定风(流)量;
He—风机的额定压力;
Pe—风机的额定功率;
ne—风机的额定转速;
由式中可知，若风机效率一定，当要求调节风量下降时，转速可成比例下降，此时风机的输出功率是成立方关系下降。
风机在棉纺设备中应用量大、面广，其传动绝大部分为大功率交流电机，耗电量在棉纺设备中是大户。以前风机都采用电机恒速传动，调节风门的办法调节风量。这种调节方式虽然简单，但它是以增加管网损失，耗费大量能源为代价的。如采用“风机专用变频”来自动调速，就可以从根本上防止电能浪费，单从公式p/pe=(n/ne)3来算，其节约的电费就可想而知了。空调是棉纺厂离不开的首选设备，据某大公司提供的数据，今年12台空调使用变频后节电24余万元，空调用电年耗平均下降了7个百分点。
(3) 变频器的使用，使原有的传动机构发生了一个质的飞跃，它变得既简单，又可靠。拿梳棉机道夫传动来讲，使用变频取消了减速箱，惯性飞轮，带电刷的电磁离合器及双速电机后，以前维修工最头痛、最繁忙的变速箱漏油问题、齿轮磨损调换问题、离合器失灵损坏问题，工艺变化调换“变产”齿轮问题已全不存在。变频器的使用，使维修工工作量急剧下降;维修备件仓库急剧萎缩;梳棉机的停台率直线下降;而产量、质量却直线上升。反之，产品的成本亦将成倍下降！
4 变频器的通讯方式
变频器强大的通讯及软件功能几乎可与所有品牌的PLC、工业式触摸屏及工控机组成、灵活多变的数控系统(见图1)。
通过触摸屏或键盘对软件中的某些数据稍加改动就可适应新的棉纺工艺。例如在梳棉机上只要改变其“总牵伸比”，“刺棍速度”、“盖板速度”、“棉条重量”等参数，就可进行新产品试制。使用这种模式后，产品更新快，批量形成早，产品在国际市场上的高速反应能力大大提高，形成你有我有，你无我有的大好局面。
5 交流变频调速方案的选择
设备的不同，电动机种类的不同，会出现多种不同的变频调速方案。这里只讨论三相鼠笼异步电动机的调速方案。
(1) 开环控制的通用变频器调速系统控制框图见图2。图2中VVVF—通用变频器;M—异步电动机。
该方案结构简单，调速范围较宽，可靠性高，价格低廉。它基本能满足一般调速精度不十分高的场合。是目前棉纺行业较普遍使用的经济实惠型品种。其缺点是调速精度较低，一般为2%左右，且低速性能不够理想，转速会随负荷力矩而变动。目前广泛应用在风机、水泵、空调等一般要求不高的纺机上。
(2) 无速度传感器的矢量控制变频调速系统控制框图如图3所示，图3中VVVF—矢量变频器。
由于矢量变频器可以分别对电动机的磁通和转距电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽然它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质，转速精度可达5%。转速响应也较快。
在设备要求不是十分高的情况下，采用该方案是非常合适的，它可达到控制结构简单，可靠性又高的实效，该方案目前已在FA系列梳棉机上开始使用并获得比较理想的效果。
(3) 带速度传感器矢量控制变频调速系统控制框图如图4所示。
矢量闭环变频调速是一种最为理想的控制方式，他类同于伺服、直流闭环调速，但性价比又大大优于两者。我厂已在FA218C梳棉机前后比例跟踪上成功使用该方案，效果非常理想。该方案具有以下优点:
(a) 可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，调速范围可达100:1或1000:1。
(b) 动态响应快，转速精度高。
(c) 加速度特性好，抗负载突变能力强。
其缺点是:价格较贵，按装速度传感器必须与电机同轴，且增加了反馈环节，这些都给安装维护增加了一定技术难度。
因此对于转速精度要求不是特别高，负载变化不是十分剧烈的场合，建议选用开环矢量变频调速系统为好。
6 对付变频干扰的对策
变频器内部由于存在IGBT等高速工作开关，故在电路中会出现分布电感和分布电容，他们之间的能量转换产生振荡现象，形成发射电磁波，从而产生高频(1GHZ左右)电磁噪声或电磁干扰，干扰严重时将会导致弱电设备如PLC、电子计数器、工控机等无法正常工作。为此必须采用相应措施:
(1) 布线时，变频器主回路必须与信号回路垂直或离开20-30公分。
(2) 信号线采用屏蔽线或者塑料绞合线，导线绞合后噪声信号的大部分会相互抵消。
(3) 变频必须使用单独接地极，不能与其它动力设备接地相连。且两者相距最小为5米，更不能将变频接地连在零线上。
(4) 频率参数设置应尽量小于5KHZ。
(5) 时在变频器的输入、输出端安装变频专用滤波器。
7 结论
随着变频技术的不断发展和价格的大幅跳水，其性价比和使用的方便性已在各种电机调速方案中独占鳌头。现在它已成为棉纺设备改造和新机设计的首选产品，其广阔前景将与日俱增。
参考文献
[1] 变频器调速手册. 兵器工业出版社
[2] 变频器世界. 京纺国际有限公司
[3] VFD-B台达变频使用手册
[4] 制造业自动化. 《制造业自动化》杂志社