变频技术论文范文第1篇
[关键词]变频技术谐波功率因数
随着电力电子、计算机技术的迅速发展,交流调速取代直流调速已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术是交流调速的核心技术,电力电子和计算机技术又是变频技术的核心,而电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术,广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域,现已成为各国竞相发展的一种高新技术。
一、变频技术的发展过程
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而生。
二、变频技术与家用电器
现代社会,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。
首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。
三、电力电子装置带来的危害及对策
(一)谐波与电磁干扰的对策
1.谐波抑制。为了抑制电力电子装置产生的谐波,一种方法是进行谐波补偿,即设置谐波补偿装置,使输入电流成为正弦波。传统的谐波补偿装置是采用IC调谐滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功率。其缺点是,补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,效果也不够理想。电力电子器件普及应用之后,运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是,从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术:将多个方波叠加以消除次数较低的谐波,从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦,但电路结构越复杂。小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数,一般采用二极管整流加PWM斩波,常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。
2.电磁干扰抑制。解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt,目前比较引入注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。方法是:(1)开关器件上串联电感,这样可抑制开关器件导通时的di/dt,使器件上不存在电压、电流重叠区,减少了正关损耗;(2)开关器件上并联电容,当器件关断后抑制du/dt上升,器件上不存在电压、电流重叠区,减少了开关损耗;(3)器件上反并联二极管,在二极管导通期间,开关器件呈零电压、零电流状态,此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。
目前较常用的软件开关技术有部分谐振PWM和无损耗缓冲电路。
(二)功率因数补偿
早期的方法是采用同步调相机,它是专门用来产生无功功率的同步电机,利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而,由于它是旋转电机,噪声和损耗都较大,运行维护也复杂,响应速度慢。因此,在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。随着电力电子技术的不断发展,使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展,其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点,而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后,可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是,静止无功发生器使用的抗器和电容元件小,大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。
电力电子技术将成为21世纪重要的支柱技术之一,变频技术在电力电子技术领域中占有重要的地位,近年来在中压变频调速和电力牵引领域中的发展引人注目。随着全球经济一体化及我国加人世界贸易组织,我国电力电子技术及变频技术产业将出现前所未有的发展机遇。
参考文献:
[1]刘志、朱文坚,光机电一体化技术,现代制造工程,2001(12).
[2]梁进秋,微光机电系统国内外研究进展,光机电信息,2000(8).
[3]宋云夺编译,光机电一体化业的未来,光机电信息,2003(12).
作者简介:
黄世祥,男,贵州大学07级微电子学与固体电子学在读研究生,研究方向:电子技术。
变频技术论文范文第2篇
摘要：变频调速技术作为一种通过调节电机频率来达到节能目的的技术越来越多地被企业所青睐，通过变频调速来降低设备使用的功率，从而降低设备的耗能，具有效率高、精度高、易操作的特点。本文通过介绍变频调速技术在风机、泵类设备中的应用来分析该技术的节能效果，以期进一步推广该技术。
关键词：变频调速;节能;风机;泵
传统的风机、泵类设备，电能消耗很大，而且只能以定速方式运行，不仅功耗较大，效率也较低。如今，随着我国社会的发展，科技的进步，我国自80年代初发展了变频调速技术，制造了一个又一个全新的智能电机，这种智能电机具有先进的调速性能，节约电力，使用寿命长等优点，不仅解决了电能消耗大的问题，而且可使系统高效无压力的运行。目前，这种智能电机在很多领域得到了有效的使用，变频调速技术也成为了现代电力传动技术的主要发展方向之一。
1风机、泵类控制设备现状
风机、泵类设备运行控制设计简单，应用领域广泛，例如铁路的动力设备大多采用的就是风机、泵类。然而，风机、泵类控制设备面临的巨大挑战之一是电能的浪费。大多数情况下，风机的流量设计是以对最大风量的需求进行设计的，水泵的流量设计也是按对最大流量的需求进行设计的，对于风机的调整方式常常采用风门、回流等方式进行控制，不能形成一个闭环;对于水泵的调控主要通过调整阀门的大小，以及对电机的开关等方式。一些生产厂家为了保证产品的可靠性，在对风机、泵类设备配载动力驱动时，还留有裕量，例鼓风机，排风机，流风机，离心泵等。所以，很多顾客所使用的电机虽大部分时间是在额定功率下运行的，但其不能在任何情况下进行满负荷的运行。如此一来，这些电机设备除达到对动力驱动的需求外，还会消耗多余的力矩，这些力矩也是有功功率的消耗，从而浪费了大量的电能。与此同时，有些生产工艺在产品的生产过程中，需要不断的改变设备的风量或流量，工作原理其实就是给机器施加阻力，以达到调节风速与流量的目的，而这种调节的方式及其消耗电能。在对于电气的控制方面，传统的方式是设置启动装置，直接启动。这种直接启动的方式，目的是为了降低对电网的冲击，而不能调控风机、泵类的转速，因此这种方式对于节能并没有太大作用，相反，还会加大对设备的机械冲击，减少设备的使用寿命。然而目前，电动机的使用还是主流，电动机在铁路动力的提供上占60%-70%，甚至更高，因此，研究风机、泵类设备的节能问题任重而道远，意义重大。
2变频器的结构和基本工作原理
变频调速器是一种通过改变电机频率和电压的自动化装置，简称变频器，具有耐用性、高精度、多功能的特点，传统的风门、阀门、挡板逐渐被变频调速器所取代。变频器的组成部分主要包括IGB7r模块、集成电路板、开关、电容、电阻、CPU等零件。变频器采用电源变换技术将电力电子和计算机技术融合在一起形成综合性的电气设备。变频调速器通过调节电机的转速和电源输入的频率来控制电机的功率，通过电机电源频率的改变来实现电机转速的改变。变频调速器就是通过改变输入频率、电机磁极对数、电机转差率等变量来达到控制电机转速的目的。
2.1电动机调速与节能的关系
作为非固定型的设备，风机和水泵等流体机械的性质决定了其转速变化与流量、压力和功率之间存在一定的运算和逻辑关系，其中流量与转速成一次方正比关系，压力与转速成二次方正比关系，功率与转速成三次方正比关系，也就是说，转速的降低可以减少流量，从而节约能量，而最终所消耗的功率也会降低。转速与流量之间的相互关系，可以决定其功率的大小，例如转速下降20%时，则流量也相应减少20%，最终的轴功率将会下降到额定功率的（1-20%）?;若流量下降60%，则转速也会相应地下降60%，此时轴功率就会降低到额定功率的（1-60%）?。
由上可以得出，至少有两种方式可以调节风机和水泵的流量，首先在电机的转速不变的前提下，可以调节风阀等来控制流量，以此来改变风阀的开度，使管道内的特性发生变化来增大管道内的阻力。另一种是保持风阀开度不变，管道内特性不变、阻力不变，调节电机的转速来控制和调节设备的流量来降低轴功率的消耗。因此，调速在风机和水泵等流体机械设备中的运用在节能方面发挥着非常关键的作用。企业生产股衡中风机和水泵等类似的机械比较多，通过控制其中的变量可以将耗能大的设备降低其生产过程中的耗能，降低企业的经营成本，且此类设备内附潜能巨大的节能特点，值得各生产企业的大力推广和应用。
2.2电机在不同频率下运行的节电效果
电机在不同频率下降比下的节电率对比如下：
计算公式为：节电率=1-（1-频率下降比）?，频率下降比为10%、15%、20%、25%、30%时，节电率分别为27.10%、38.60%、48.80%、57.80%、65.70%。由以上計算可以得出，倘若电机的运行频率保持在30%的下降率，从长期的负载来看没有扩张趋势，成本和效益上来说更换电机系统更加合理经济。
3节能计算
一般常用的会有两种计算方式来计算变频调速技术用在风机、泵类设备上的节能效果：
第一种是基于在不同控制方法下，按照风机和泵类设备在流量和负载的关系与实际产生的负荷之间的关系来计算。以离心泵为例，假设离心泵的额定流量是200m?/h，扬程50m;配套使用的电动机额定功率是45kw，则根据实际需要，假设水泵24小时不间断运行，其中11小时产生90%的负荷，其余时间产生50%负荷，按照一年300个工作日来计算每年的节电量如下：节省电量=45×300×（11×（100%-69%）+13×（95%-20%））=177660kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，每年累计可节省约106.6kRMB。
第二种是基于风机和泵类设备在变频调速下产生的负载关系来计算节约的能源，二者的关系为P/P0=（n/n0）?，额定转速n0控制下产生的功率为P0，实际转速n控制下产生的功率为P。以功率为20kW的工业鼓风机为例，假设鼓风机是24小时不间断运行，其中10小时产生90%的负荷（46Hz的频率，挡板调节时造成98%电机功耗），其余14小时产生50%负荷（20Hz的频率，挡板调节时造成70%电机功耗）。
最终可以节省的电量W=Wb-Wd=101092.992-29040=72052.992kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，使用变频调速技术企业每年可节约电费约43kRMB。
4.结束语
综上所述，变频调速技术不仅可以协助企业达到节能效益，还可以带来可观的经济收益。作为一项节能技术，变频调速技术运用在风机和泵类等设备中需要我国政府和企业大力推广及使用，不仅是因为其能够节约能源和资源，更是因为其作为一项先进的技术能够有效地提高企业的生产力，提升设备的效率和良率，在生产工艺得到满足的同时可以降低设备维护维修成本，提高单位产能，从而提高企业的生产经营能力和企业效益，是一种值得广泛用于各个行业的技术。
参考文献：
[1]张选正，张金远.变频器应用经验.中国电力出版社，2007（4）.
[2]李方园.基于变频控制的离心脱水机控制系统.机械工业出版社，2003（5）.
[3]姚潇雨.几种泵类/风机控制方案浅析.变频器世界，2011（6）.
作者简介：张晓东（1991.11—），男，汉族，籍贯：内蒙古自治区呼和浩特市，本科，助理工程师，研究方向：热能与动力工程。
变频技术论文范文第3篇
摘要：节能增效是煤矿生产作业的重要要求，而变频节能控制技术的应用能够显著提高煤矿机电的运行效率，进而达到节能增效的目的。本文在阐释变频节能技术的基础上，分析了其在煤矿机电设备中的应用情况，以期为提高煤矿机电设备运行效率和节约能源提供参考。
关键词：变频节能技术;煤矿;机电设备
煤矿资源是我国经济社会发展的重要能源，随着国有企业改革的深入推进，煤矿企业发展面临前所未有的困境，提质增效成为其摆脱困境的重要途径，但若实现提质增效，就必须利用先进的技术去提高其机电设备运行的效率，以降低能源消耗，进而达到提质增效的目的，这也是实现煤矿企业可持续发展的重要思路。对于煤矿机电设备来说，其运行效率的提高及能耗的降低，必须改进优化机电技术，应用技术手段提高其运行效率和节能效果。本文在阐释变频控制技术的基础上，分析了其在煤矿机电设备中的应用情况，以期为煤矿产业的健康发展提供参考。
1 变频节能控制技术
煤矿机电设备运行的效率直接关系到其能源消耗，提升煤矿机电设备运行效率能够显著降低其电能消耗，从而实现节能增效的目标。而变频技能控制技术作为智能化的频率控制技术，能够有效地提高机电设备的运行效率。这主要是因为，变频节能控制技术中，交流电首先流经半导体，而后再变为其他频率，经有关设备将此交流电转变为直流电，由逆变器控制和调节电压及电流[1]。从而实现煤矿机电设备运行中的无极调速，利用此调速方法可以有效地提高机电设备的运行效率，同时也降低其生产能耗，进而节约能源。
当然，在应用变频节能控制技术的过程中，可以依据煤矿机电设备的工作量更改和调整其工作速度，若其负荷过大，此变频节能控制系统会自动增加速度，若工作负荷降低，则其机电设备的工作速度也降低，通过这种方式可以实现电流频率有效地控制电机的转速，进而对机电设备的运行进行更好的控制，在提高煤矿作业效率的同时，也为煤矿作业的安全性和稳定性提供重要保障。
在煤矿机电设备中应用变频节能控制技术能够有效地增强机电身边的性能，确保其运行效率的提供，从而降低开采作业中的能耗，在一定程度上推动了煤矿企业发展的提质增效，成为煤矿企业生产作业中的重要技术之一。随着现代信息科学技术的发展，变频控制技术的应用领域不断扩大，编程领域、数字化及通讯领域等都被应用在煤矿作业生产中，为煤矿机电设备中应用变频控制技术提供了重要的技术支撑。
2.变频节能控制技术在煤矿机电设备中的应用分析
2.1 煤矿提升机设备中变频控制技术的应用
煤矿作业开采中，提升机发挥着重要作用，不但负责运输开采材料和作业人员，还负责运输煤炭，在整个作业系统中，提升机处于频繁启、停及调速的状态中。在传统的技术环境中，提升机作业过程中需要不断地切换档位来调速，此档位连接着提升机转子上串的电阻，作业过程中则是利用对电路中电阻的调节来实现调速[2]。虽然该操作方式相对简单，但在实际操作过程中会浪费诸多电能，在使用过程中电阻也会长期发热，进而出现磨损或损坏的状况，此调速方式不够经济节能。同时，这样的调速方式也无法对提升机进行无极调速，从而在启停提升机设备的过程中导致提升机发生较大晃动，给其运行的安全性带来严重影响。
鉴于此，人们对提升机设备进行了优化改进，应用了变频控制技术，技术改造后，能够实现提升机的无极调速，不但能够增强提升机启停、调速过程中的稳定性，也能减少其运行中的电能消耗，使提升机运行更加稳定和安全可靠。当然，最为重要的是应用变频控制技术能够实现“无开关”的自动化调速，这样就最大程度地避免了提升机设备损坏所致的安全事故。
2.2 应用在电控绞车及通风系统中
煤矿作业环节中，斜井绞车的控制系统通常是利用交流绕线电机串电阻的调速系统来实现，通过接触器控制其电阻投切，该系统若应用在高强度工作环境中，如频繁使用等，则会造成交流接触器的触头产生氧化，从而影响机电设备的使用寿命。此外，传统控制技术的控制层面非常低，控制的综合性能及精准性都较差。在应用过程中，时常会发生各种问题，如停车位置不够准确等。将变频控制技术应用在电控绞车上，能够更好地解决传统控制系统中的不足。当然，也能够将将绞车电压波动控制在较小范围内，并能准确控制频率波动范围，高度调控机电设备的输出功率及频率。由此可见，斜井绞车控制胸汤中采用变频节能控制技术，可以有效地提升斜井绞车的过载能力，进而满足煤矿作业运行的要求及需求。
此外，通风系统是煤矿安全作业的重要保障，良好的通风系统能够为井下作业创作安全的作业环境。煤矿作业过程中，通风系统的机械设备通常存在耗能高，通风能力差等问题，也不能为井下作业营造良好的安全作业环境[3]。在机械通风过程中，机电设备应用变频控制技术，能够按照矿井深度调整通风的大小，这不但可以减少能源消耗，还能为井下作业提供安全的工作环境。
众所周知，煤矿井下作业过程中，井深越大，送风压力就越大，通风设备的运行功率也就需要增加，若此过程中应用变频调控技术，则能够更好地提高通风机运行的效率。应用变频控制技术的过程中，要依据煤矿机电设备实际应用情况、矿井深度、巷道变化等实际状况及时调节通风机风速，进而能够合理科学地利用煤矿资源。此外，将变频控制技术应用到通风机械中，可以对通风机运行功率、功能等进行有效保护，增强通风机使用寿命，从而降低其检修及维护成本，最终实现通风机工作效率的提高和耗能的降低，為煤矿作业提供更多便利。
2.3 采煤及皮带运输环节的应用
在煤矿开采作业环节中，应用变频节能控制技术能够及时发现采煤机的运行状态，自动诊断其运行的安全性和稳定性，并根据采煤机运行状态智能化地采取一定的保护措施。同时，还能借助牵引变压器将原有电流模式依据需要转变为可变频运行模式。随着变频技能控制技术的不断进步，变频节能控制技术的应用更加广泛，其同煤矿设备的契合度也日益增强，有效提高了交流电机的性能及安全性。
此外，井下煤炭的运输任务主要是通过皮带运输机来完成，实际运输中，煤炭会受到多个方向的力的作用，如垂直于皮带的弹力、与皮带间的摩擦力等，在这些力的共同作用下，煤炭能够被运输到既定方向。传统的皮带运输机需要通过液力耦合器来实现启动，但这种启动方式会对皮带产生一定的损坏，加速皮带老化，甚至造成皮带断裂，进而给煤炭生产带来严重威胁。然而，在皮带运输系统中若应用变频节能调控技术，则能够有效地降低机电设备的冲击作用，缓解机械设备在运行中出现发热现象。在启动电机的过程中，还能够进一步增强电流稳定性。运输公路也更加平均稳定。也就是说，在皮带运输机系统中应用变频节能控制技术能够增强运输机的性能和提高其运行效率。
3 变频控制技术的应用展望
变频控制技术的高速发展能够推动压频比节能控制技术的发展。煤矿机电设备中应用的变频节能控制技术，主要应用的事情矢量变频控制和转矩变频控制技术，当前，这两项技术在煤矿作业生产中的应用频率非常高，在一定程度上提高了煤礦机电设备的运行效率，有效降低了能耗。但仍需对变频节能控制技术进行深入的研究及探讨，如探讨其人工神经元网络的应用、模糊自动化控制技术等，以提高变频控制的智能化和自动化程度。在应用变频节能控制技术的过程中，煤矿机电设备得到创新发展，这也在一定程度上促进两边跑调速的集成化发展水平，有效地完善了变频节能控制技术，实现了机电设备调速功能的控制，并有效地应用了变频控制技术中的通讯功能，促进了变频技能控制技术功能的发挥。
然而，虽然变频节能控制技术智能化水平的不断提高，且在煤矿机电设备中得到应用，但我国变频控制技术的研究及应用仍比较晚，逆变器控制技术的发展相对缓慢，在应用变频控制技术的同时会存在这样那样的问题，进而影响变频控制技术的应用效果。首先，在具体应用逆变器控制技术的过程中，尚未构建完善规范的体系，因无规范的操作管理机制，在操作过程中存在责任不明确，或责任划分分歧严重，最终影响变频控制技术的应用效果。
其次，在应用变频节能控制技术的过程中，相关管理效果较差，缺乏必要的技术应用监督管理及相应的管理机制，从而造成无人值守机电设备的数量明显不足，对于错位问题也没有相应的工作人员进行检查和监督管理，这给煤矿机电设备的运行带来严重影响。
最后，在煤矿机电设备运行过程中应用的变频控制技术，其自动化程度仍然不高，且管理混乱，甚至在应用中存在一定的遗漏，进而要靠手动完成，给煤矿机电设备稳定运行带来严重影响，降低了其运行效率。
由此可见，变频节能控制技术的应用前景非常广阔，但仍需从煤矿机电作业实际出发，制定完善的应用制度和监督管理制度，不断创新和提高变频控制技术，提高其应用效果，促进其功能发挥，并实现其最大化。同时，要从技术创新、规范管理、监管有效、责任明确、制度完善等方面强化变频节能控制技术的应用管理，为变频节能控制技术的应用营造良好的制度环境、运行环境和技术环境，从管理和技术创新等方面推动变频控制技术作用的发挥，推动变频控制技术的不断发展，以更好地应用在煤矿机电设备中，提升煤矿机电设备运行的效率及智能化水平。
总之，在煤矿作业系统中应用变频节能控制技术能够有效地提高其机电设备的运行效率和稳定性，有效地降低其机械耗能，从而达到节能减耗增效的效果。如在风泵、给水系统，以及机电设备运行维护、检修等方面都发挥着重要作用，不但能够有效地降低机电设备的磨损或损坏，提高其使用寿命，还能增强其性能及运行效率，极大地提高了煤矿作业的效率，降低了其作业能耗及成本。为此，要不断地探讨变频节能控制技术的应用问题，不断推进技术的进步及发展，提升其在煤矿作业中的智能化程度，以更好地推动煤矿作业环节的节能及减耗增效，从而推动煤矿行业的持续发展。
参考文献：
[1]王正.机电设备变频控制技术研究[J].内燃机与配件，2020（01）：205-206.
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[3]刘广权.矿山机电设备变频控制技术原理及应用研究[J].当代化工研究，2020（01）：121-122.
平顶山天安煤业股份有限公司十三矿，河南 平顶山 461700
变频技术论文范文第4篇
摘 要：设计一种轴径较粗、频率可变、转速可调的高精度电机，解决玻璃纤维设备的动力输出问题。从润滑设计、轴承侧隙设计和定子/转子形态设计三方面分析了工艺设计要点，表明油雾式润滑可充分润滑和降温；轴承侧隙的调整有助于降低预应力，从而提高精度；优化定子/转子槽结构，并将槽数量分别设定为30和26，可使磁通量密度更加均匀，承受更大应力。根据工艺设计要点进行结构设计，开展系统性检测，并配套在玻璃纤维设备投入市场，反响较好，产生了良好的社会效益和市场效益。
关键词：电机设计；主轴；变频；调速；气道；Maxwell
引言
电机原理是根据电磁感应定律，将电能转换为动能（主要是旋转动能）的装置，是各种工业设备或家用电器的动力源。在众多电机类型中，异步电动机具有结构简单、制造和维护方便、运行可靠等优点，被广泛应用于冶金、化工、矿山、轻工等机械设备中。
粗轴变频调速电机就是异步电动机中的一种，主要应用于玻璃纤维行业，是当前电机产业的新星[1-5]。顾名思义，这种电机具有转速可调的特点，其输出转速范围为600～4 200 r/min。电机主轴直径公差控制在0.005 mm内，主轴最外端跳动精度控制在0.005 mm以内，主轴上圆锥面配合接触面积在85%以上，是一种极高精度的电机。本文首先分析其工艺设计要点，其次进行结构设计，并给出了性能检测方法。
1 工艺设计要点
1.1 润滑设计
粗轴变频调速电机的输出转速为600～4 200 r/min，在如此高的转速下，电机轴承发热比较严重，如果仍然采用封闭式油脂润滑，轴承内部的润滑脂将很快被消耗掉。经过对多种润滑方式加以比较，确定采用油雾式润滑最为合适。油雾式润滑方式不仅对轴承润滑充分，还能利用压缩空气对轴承进行降温。这也是在电机前盖和后盖的设计过程中设计油雾进出气道的原因，因为这可引导油雾气体进入电机前盖和后盖，并经过前、后导油环对前、后轴承进行润滑。在前、后导油环上设置有导向孔，把油雾气体直接导向轴承滚动体，可使轴承得到更直接、更充分的润滑。
1.2 轴承侧隙设计
在通用电机中，一般采用波形弹垫给轴承施加预应力，减少轴承运转噪音，削减电机轴的轴向串动，以提高轴承的运转精度与平稳性。由于粗轴变频调速电机输出转速时常变化，因此对轴承的预应力要求很高。况且，由于该电机主要应用于玻璃纤维行业的拉丝设备上，故必须对电机整体性能和加工精度要求严格，将轴承侧隙控制在合理范围内，才能制造出合格的产品。
因此，创新设计了一种调整侧隙的装置。将数个弹簧周向均匀分布地安放在电机后盖中，同时严格控制弹簧在电机后盖中的放入深度。弹簧的另一端与后导油环的侧面相接触，通过后轴承座上的镙钉拧紧，使弹簧对后导油环产生推力。推力通过后导油环的另一端作用在后轴承上，从而产生预应力。预应力的大小可以通过后导油环的厚度来调整：当预应力偏大时，可以磨削后导油环的端面，减小后导油环的厚度来降低预应力。
1.3 电机定子/转子设计
粗轴变频调速电机设计功率是5.5 kW，额定电压380 V，工频50 Hz下的额定转速为2 900 r/min。原定借用Y2-132S1-2电机冲片。由于电机主轴的输出端直径要求加大到标准电机的2倍之多，经过轴应力分析测算，分析得知需同时加大电机前、后轴承才能承受相应的应力，故转子冲片内径应相应加大。
转子冲片内径加大后，导致Y2-132S1-2电机冲片的磁通量密度大幅增加，而其毛坯外径只有116 mm，再减去转子槽深度，使得该冲片无法满足粗轴变频调速电机的使用，而若采用Y2-160M1-2冲片，又太浪费材料。
基于上述考虑，重新设计了新电机定、转子冲片槽形结构，使得在电机轴径加大的情况下，可以在10～70 Hz的频率下稳定变速。粗轴变频调速电机定、转子结构及磁通量密度云图如图1所示。其中，定子30槽，转子26槽，在额定转速下第0.005 s时的磁通量密度状态良好。
2 结构设计与检测
结合润滑、轴承侧隙和定转子形态三方面的电机工艺设计要点，进行电机结构设计，并给出检测内容。
2.1 结构设计
粗轴变频调速电机主要由1—电机主轴、2—前迷宫环、3—前轴承、4—电机前盖、5—定子、6—转子、7—平衡环、8—后轴承、9—弹簧、10—进气接口、13—圆螺母、14—止退垫圈、15—后迷宫环、16—后导油环、17—电机后盖、18—机座、11，19，23—内六角螺栓、12，20，24—弹垫、21—前导油环和22—前压盖组成。粗轴变频调速电机结构示意图如图2所示。
粗轴变频调速电机工作过程是：首先，经10—进气接口通入雾化的油体，对轴承进行润滑；其次，通入三相电至5—电机定子，产生感应磁场带动热套在1—电机主轴上的6—转子转动；最后，由1—电机主轴作为动力输出部分，把旋转动能输出。
2.2 电机检测
整机安装完成后，进行了四项检测：
首先，进行耐压和绝缘电阻的检测，以及380 V电压、50 Hz工频的常规检测，其中包括空载电流、空载功率损耗、起动电流、停车时间等。例如，空载功率损耗要控制在300 W左右，如果超过该值太多，说明电机的侧隙调节太紧，要减小后导油环的厚度。
其次，进行油路检测。检测油路回油口的出油量和前、后轴承的润滑状态。
再次，进行10～70 Hz的变频测试，包括各频率段的转速、电机的振动位移、噪音等，哪怕仅发现有一项不合格，也需马上进行调整。
最后，整机的各个主要尺寸和形位公差的检测。
通过以上对整机的系统性测试，可让用户放心使用。目前投诉率为零，表明产品质量得到了严格的保证。
3 结束语
本文设计的粗轴变频调速电机，经过工艺设计和结构设计，以及基于电机设计软件Maxwell的模拟等论证过程后，进行了样机的试生产工作。经公司电机测试部门测试和质检部门检验，产品质量完全满足了用户的使用要求和安装要求。产品已进行批量生产，并交付用户使用，目前投诉率为零。通过这次设计实践，提升了企业创新能力，将更好地参与市场竞争。期待本文可为电机设计行业人员提供启示和借鉴。
参考文献
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变频技术论文范文第5篇
摘要:介绍了电力电子器件和变频技术的发展过程，以及变频技术在家用电器的应用,分析了变频技术的应用也带来了谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题。提出了相关的谐波抑制方法及提高电源系统功率因数的措施。
关键词:电力电子器件；变频技术；谐波；功率因数
引言
随着电力电子、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术是交流调速的核心技术，电力电子和计算机技术又是变频技术的核心，而电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。专家预言，在21世纪高度发展的自动控制领域内，计算机技术与电力电子技术是两项最重要的技术。
一、电力电子器件的发展过程
上世纪50年代末晶闸管在美国问世，标志着电力电子技术就此诞生。第一代电力电子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我国70年代将其列为节能技术在全国推广。然而，SCR毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制。70年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其关断，是全控型开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之SCR有大幅度下降。当前，IGBT以其优异的特性已成为主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。
许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的IGBT。IEGT(injection enhanced gate thyristor)是一种将IGBT和GTO的优点结合起来的新型器件，已有1000A/4500V的样品问世。IGCT(integrated gate eommutated thyristor)在GTO基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹[2][3]。瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500一 6000V，3000一 3500A。MCT因进展不大而引退而IGCT的发展使其在电力电子器件的新格局中占有重要的地位。与发达国家相比，我国在器件制造方面比在应用方面有更大的差距。高功率沟栅结构IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在国外有了最新发展。可以相信，采用GaAs、SiC等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是21世纪电力电子器件发展的主要趋势。
高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电子技术发展新热点。GTO和IGCT，IGCT和高压IGBT等电力电子新器件之间的激烈竞争，必将为21世纪世界电力电子新技术和变频技术的发展带来更多的机遇和挑战。
二、变频技术的发展过程
变频技术是应交流电机无级调速的需要而誕生的。电力电子器件的更新促使电力变换
技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。
矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。
三、变频技术与家用电器
20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等[4]。
20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。
首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。
在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。
四、电力电子装置带来的危害及对策
电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变,不但大大降低了系统的功率因数,还引起了严重的谐波污染。
另外,硬件电路中电压和电流的急剧变化,使得电力电子器件承受很大的电应力,并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EM1),而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准,国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也制定了限制谐波的有关规定[5]。
（一）谐波与电磁干扰的对策
1、谐波抑制
为了抑制电力电子装置产生的谐波,一种方法是进行谐波补偿,即设置谐波补偿装置,使输入电流成为正弦波[3]。
传统的谐波补偿装置是采用IC调谐滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功率。其缺点是,补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,效果也不够理想。
电力电子器件普及应用之后,运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是,从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。
大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术:将多个方波叠加以消除次数较低的谐波,从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦,但电路结构越复杂。小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数,一般采用二极管整流加PWM斬波,常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。
2、电磁干扰抑制
解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt,目前比较引入注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。方法是:
(1)开关器件上串联电感,这样可抑制开关器件导通时的di/dt,使器件上不存在电压、电流重叠区,减少了正关损耗;
(2)开关器件上并联电容,当器件关断后抑制du/dt上升,器件上不存在电压、电流重叠区,减少了开关损耗;
(3)器件上反并联二极管,在二极管导通期间,开关器件呈零电压、零电流状态,此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。
目前较常用的软件开关技术有部分谐振PWM和无损耗缓冲电路。
（二）功率因数补偿
早期的方法是采用同步调相机,它是专门用来产生无功功率的同步电机,利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而,由于它是旋转电机,噪声和损耗都较大,运行维护也复杂,响应速度慢。因此,在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。
另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点,但由于其铁心需磁化到饱和状态,损耗和噪声都很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负载的不平衡,所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
随着电力电子技术的不断发展,使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展,其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点,而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后,可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是,静止无功发生器使用的抗器和电容元件小,大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。
五、结束语
我们相信，电力电子技术将成为21世纪重要的支柱技术之一，变频技术在电力电子技术领域中占有重要的地位，近年来在中压变频调速和电力牵引领域中的发展引人注目。随着全球经济一体化及我国加人世界贸易组织，我国电力电子技术及变频技术产业将出现前所未有的发展机遇。
参考文献:
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