健雄職業(yè)技術學院畢業(yè)設計-1-1.前言1.1研究的目的及意義當今許多因素正沖擊著全球電力工業(yè)，在國外電力生產(chǎn)商之間有著十分激烈的競爭，而世界范圍內(nèi)電力生產(chǎn)的市場化加速了生產(chǎn)商采用新技術；尤其是近兩三年來，夏季持續(xù)高溫造成許多省市電力供應緊張，供電已經(jīng)不能滿足急速膨脹的電力需求，拉閘限電現(xiàn)象日趨嚴重。由于電力網(wǎng)負擔過重，造成局部電力系統(tǒng)極其不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象已經(jīng)嚴重影響了人民的日常生活和經(jīng)濟的正常運行。我們注意到的全國節(jié)能活動中，宣傳重點是民用電和商業(yè)用電的節(jié)約，而工業(yè)用電的節(jié)約則被淡化了。其實工業(yè)所耗用的電量占總用電量的比重極大，因此我們更應該把更多的目光投入到工業(yè)用電的節(jié)約上來。這樣環(huán)境要求給所有的電力供應商增加了額外的責任，使高壓大功率變頻器的市場開發(fā)空間大大拓展。另外高壓變頻器的最終用戶對變頻器的自動控制、節(jié)能、環(huán)保意識越來越強烈，迫使其上游提供者尤其是系統(tǒng)集成商更加重視顧客變頻調(diào)速技術方面的需要。一般講，在占工業(yè)用電50%60%的風機、泵和壓縮機等通用機械上使用變頻調(diào)速裝置，可以節(jié)電30%左右。這一類通用機械的驅(qū)動電機一般是工頻電機，具有各種可供選擇功能的通用變頻器，其輸出頻率在0400Hz之間，正適合這類機械。變頻器技術具有“工業(yè)維生素”之譽，是工業(yè)企業(yè)和日常生活工作中普遍需要的新技術；是高科技領域的綜合性技術；是替代進口，節(jié)約投資的最大領域之一；是節(jié)約能源的高新技術。目前，低壓變頻器已經(jīng)非常普及和成熟，高壓變頻器也正在被人們關注和逐步應用。變頻器除了有卓越的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)約電能和保護環(huán)境等重大作用，是企業(yè)技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置，變頻器的出現(xiàn)讓工業(yè)領域的節(jié)能閃現(xiàn)了新的亮點。但由于變頻器進入我國的時間還不久，對于變頻器的認識還不夠，誤用了變頻器，使設備損壞，沒有達到預期的效果。所以我們要對變頻器進一步的學習和研究，能夠在今后的使用中達到理想的效果。變頻技術在恒溫供水系統(tǒng)中的應用21.2國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢1.2.1變頻技術應用的國內(nèi)外發(fā)展狀況變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。變頻技術誕生背景是交流電機無級調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術因體積大故障率高而應用受限。20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠遠無法滿足需要。20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM−；VVVF）調(diào)速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處理器技術的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。發(fā)展低碳經(jīng)濟已成全球共識。節(jié)能能源、降低消耗，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會已是當今社會發(fā)展的一個永恒的話題。這場綠色革命的浪潮中，節(jié)能環(huán)節(jié)是極具邊際經(jīng)濟效益和推廣價值的。相較于清潔能源在全球能源供應端較低的占比和較高的邊際成本，節(jié)能仍是綠色革命中最具推廣意義和邊際經(jīng)濟效益的領域。如今，中國正在堅定不移地推動低碳經(jīng)濟，相關政策已密集出臺。電動機做為最重要的電力設備，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，以電機做為驅(qū)動的電力源，其耗用的電能占用全國總發(fā)電量的60以上。為此，國家規(guī)劃2011年7月后禁售非高效中小型電機，但到目前高效電機市場滲透率僅3左右。電機能耗占比高，節(jié)能潛力大。通過對電機變頻調(diào)速可平均節(jié)能30以上，節(jié)能效果顯著，電機節(jié)能空間巨大。伴隨著節(jié)能政策的推廣，變頻器行業(yè)將迎來新一輪發(fā)展。摩根士丹利預測，中國潛在的節(jié)能市場規(guī)模達8000億元。變頻器是電機變頻調(diào)速的核心部件，根據(jù)測算高壓變頻器市場潛在規(guī)模約810億元。目前已經(jīng)配置變頻器的高壓電機不到10，預計未來3年高壓變頻器復合增長率達45以上。中低壓變頻器市場將保持15左右的持續(xù)增長，預計到2012年達190億元。中國變頻器市場正在呈迅速擴大的趨勢，根據(jù)一份中國國內(nèi)的權威統(tǒng)計，在過去的幾年，中國變頻器市場保持著25-35的年增長率，增長速度排在電氣行業(yè)之首位。機械工業(yè)信息健雄職業(yè)技術學院畢業(yè)設計-3-研究院產(chǎn)業(yè)與市場研究所發(fā)布數(shù)據(jù)稱，我國變頻器市場至少在10年以后才能趨于飽和，總體市場潛力為1200億-1800億元。威爾凱中國區(qū)CEO陳建義透露，目前中國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長率實際上在20左右，按照這樣的增長速度計算，中國的變頻器市場至少要到15年后才能發(fā)展成熟并逐漸飽和。1.2.2變頻技術的發(fā)展趨勢變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當今的運動控制系統(tǒng)包含多種學科的技術領域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性，實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗（即效率）如何。這里僅以量大面廣的交直交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢：主電路功率開關元件的自關斷化、模塊化、集成化、智能化；開關頻率不斷提高，開關損耗進一步降低。1.3實驗研究的主要內(nèi)容和方法1.3.1問題的提出在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，電機運行狀況直接關系到電量消耗多少的問題。然而，變頻技術畢竟是一項新的技術，進入我國的時間還不久，對于變頻器的認識還不夠，誤用了變頻器，使設備損壞，沒有達到預期的效果。所以我們要對變頻器進一步的學習和研究，能夠在今后的使用中達到理想的效果。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫水泵的自動控制，保障設備和系統(tǒng)運行的可靠性，為降低用電成本、優(yōu)化人員配置、實現(xiàn)無人值守提供了有力保障。變頻技術在恒溫供水系統(tǒng)中的應用41.3.2本課題研究的主要內(nèi)容圖1-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本文對變頻器和恒溫供水系統(tǒng)做了有效的設計和初步研究，利用丹佛司2800變頻器的PID的電壓控制方式，可以實現(xiàn)自動加熱和自動調(diào)節(jié)水速的功能。通過PT100溫度傳感器采集溫度，經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)變成電壓信號，送給溫度表，再由溫度表來控制是否加熱。整個系統(tǒng)是一個熱水循環(huán)系統(tǒng)，設計了一個冷水泵，如果水槽內(nèi)的水低于設定值，自動對水槽加水。本系統(tǒng)簡單可靠，可適用于工業(yè)上許多恒溫供水的領域，有利于降低成本與提高系統(tǒng)的可靠性。通過論證本設計中的恒溫供水系統(tǒng)滿足設計要求，且該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，處理事件速度快，功能易于擴展，節(jié)約了企業(yè)成本，增強了實用性，具有一定的使用價值和推廣前景。變頻器恒溫水池轉(zhuǎn)換模塊溫度采集模塊水泵(冷水)電熱絲浮球開關溫水泵溫度表健雄職業(yè)技術學院畢業(yè)設計-5-2.變頻器2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。高容量電容存儲轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。控制器按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。2.2工作原理變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路通過電容濾波。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路通過電感濾波。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”；吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”；以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器是將工頻電源變換為直流功率。最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。平波回路主要是吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器是將直流功率變換為交流功率。同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關時間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較變頻技術在恒溫供水系統(tǒng)中的應用6運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。（5）保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。2.3控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。（1）U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式：其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。（2）電壓空間矢量(SVPWM)控制方式：它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。矢量控制(VC)方式：矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電健雄職業(yè)技術學院畢業(yè)設計-7-動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式：1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。（4）矩陣式交交控制方式：VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質(zhì)