1、目 錄1.緒 論12.原理及結構設計32.1 變頻器工作原理32.2 變頻器的結構與功能32.2.1 變頻器的結構32.2.2 變頻器的控制方式42.2.3 變頻器的功能52.3 輸油泵變頻調速節能原理62.4 輸油泵變頻調速的主電路83變頻器選擇及參數設置93.1變頻器的控制方式93.2 控制方式的合理選用103.3 選型原則113.4 PLC及壓力傳感器的選擇123.5 MM430變頻器特性133.6 電動機參數設置實例144.PLC程序設計16結 論20參考文獻211.緒 論在進入21世紀的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、

2、耐高溫的優點；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發研制之中。隨著IT技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發展迅速，未來主要朝以下幾個方面發展：1.網絡智能化智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯網可以實現多臺變頻器聯動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統。2.專門化和一體化變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器

3、成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。3.環保無公害保護環境，制造“綠色”產品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節能，變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網的污染等問題減少到最小程度。4.適應新能源現在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來居上之勢。這些發電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現在電力電子技術、微電子技術和現代控制技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。這種進步集中體現在交流調速裝置的大容量化，變頻器的高性能化和多功能化，

4、結構的小型化一些方面。輸油泵機組變頻調速節能技術是實現輸油系統節能的有效技術途徑，它將原閥門節流調節方式改為調節輸油離心泵轉速工況的方式，泵出口閥全開，有效避免了輸油泵出口閥的節流損失，同時，還能減小輸油泵機組的機械沖擊/磨損和噪聲，延長其維護保養周期及使用壽命、減小對電網的沖擊、節約維修費用、增加輸油量等。輸油泵是生產運行中主要能耗設備，由于泵的特性和管路特性不匹配，在實際運行中需要根據運行工況控制輸油泵出口閥的開度來調節流量，這使輸油泵出口閥前后產生較大的泵管壓差，消耗大量的能量。使用變頻器技術，通過改變輸油泵的轉速進行不同的工況調節，消除泵管壓差而產生的節流損失，保證了安全生產，改善了工

5、藝，節約了電能。2.原理及結構設計2.1 變頻器工作原理 變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用GTR或IGBT組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動異步電機，實現無級調速。2.2 變頻器的結構與功能2.2.1 變頻器的結構 變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變為直流電.然后用電子元件對直流電進行開關.變為交流電.一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調頻率的裝置.使頻率在一定范圍內可調.用來控制電機的轉數.使轉數在一定的范圍內可調.變頻器廣

6、泛用于交流電機的調速中.變頻調速技術是現代電力傳動技術重要發展的方向，隨著電力電子技術的發展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果明顯。因此，交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統滑差調速、變極調速、直流調速等調速系統，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產線及樓宇、供水等領域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 1.整流電路整流電路的功能是把交流電源轉換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊.2.平波電路平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電

7、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)，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。3.控制電路現在變頻調速器基本系用16位、32位單片機或DSP為控制核心，從而實現全數字化控制。變頻器是輸出電壓和頻率可調的調速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電路，控制電路由以下電路構成: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”。運算電路的控制信號送至“驅動電路”以及逆變器和電動機的“保護電路”。變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉拒控制、PID或其它方式4.逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆

8、變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關器件導通和關斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120電角度的三相交流電壓。2.2.2 變頻器的控制方式1.轉差頻率控制轉差頻率控制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節器，利用速度反饋構成閉環控制，速度的靜態誤差小。然而要達到自動控制系統穩態控制，還達不到良好的動態性能。2.矢量控制矢量控制，也稱磁場

9、定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電機和交流電機比較的方法闡述了這一原理。由此開創了交流電動機和等效直流電動機的先河。矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流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，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉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相當于直流電動機的電樞電流)，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，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制。矢量控制方法的出現，使異步電動機變頻調速在電

10、動機的調速領域里全方位的處于優勢地位。但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的話題。3.直接轉矩控制轉矩控制的優越性在于 ，轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實現無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。4.恒轉矩負載多數負載具有恒轉矩特性，但在轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，例如擠壓機，攪拌機，傳送帶，廠內運輸電車，吊車的平移機構，吊車的提升機構和提升機等。選型時可選V/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒

11、轉矩控制功能的變頻器。要求控制系統具有良好的動態，靜態性能由于被控對象的千差萬別，性能指標要求的各不相同，變頻器的選擇及配置遠不如上述所列幾種。要做到熟練應用還應在工程實踐中認真探索。變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平，在工程應用中根據不同的負載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達到資源的最佳配置，具有重要的意義。2.2.3 變頻器的功能1.變頻節能變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調速方法

12、是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。2.功率因數補償節能無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。3.軟啟動節能電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用

13、變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。2.3 輸油泵變頻調速節能原理 泵類機械所輸送的是液態物質，水泵裝置中存在一個由吸入側和排出側之間液位差所造成的固定的管路阻抗分量，即實際揚程。根據離心泵的特性，其工況調節主要是調節流量，而離心泵調節流量最常用的2種方法是通過調節泵出口閥的開度進行調節和通過改變離心泵的轉速進行調節，前者雖然調節方便，但能源浪費嚴重；通過變頻改變輸油泵電機轉速，來實現輸油泵的工況調節，是滿足工藝條件下運行的可行的技術途徑。由離心泵特性可知，在

14、管路特性曲線不變的情況下，改變離心泵轉速后，其性能參數為： ， ， 式中，Q、H、P為離心泵轉速為n時的流量、揚程、功率。圖 2.1 流量與量程的關系由以上離心泵轉速改變前后的關系式可知，如果離心泵轉速有很小的降低，則離心泵所需的輸入功率會大幅度降低，從而產生明顯的節能效果。離心泵轉速降低在額定轉速20%以內時，其特性曲線的形狀與原來相似（圖2.1），當離心泵轉速由n降為n1時，其特性曲線為一條與原曲線平行的曲線，設原管路特性曲線為一條與原曲線平行的曲線，設管路特性曲線為R，R與H - Q(n)相交于A點，即為原工況點。在變頻狀態下，離心泵轉速為n1時，其特性曲線為H1 - Q1(n1)，由于

15、此時泵出口閥被全開，管路特性曲線變為較為平坦的R1(n1)，此時R1(n1)與H1 - Q(n1)交于A1點，即為新的工況點，此時Q1=Q，即保持離心泵排量不變，但泵的揚程由H減少為H1，因此在保證滿足輸油量的情況下，通過削減離心泵揚程節約的能量為HAA1H1的面積，這就是離心輸油泵變頻節能的原理。改變電機定子的電壓頻率從而改變電機轉速3。 圖2.2示出了采用不同調節方式時，電動機輸入功率（即電源提供的功率）、軸輸出功率（泵的軸功率）與流量之間的關系曲線。曲線1為排除管路閥門控制時電動機的輸入功率曲線，曲線2為轉差功率調速（采用轉差電動機、液力耦合器）時電動機的出入功率曲線，曲線3為變頻器調速

16、控制時電動機的輸入功率曲線。由圖可見，變頻調速控制時節能效果最好4。圖 2.2 流量與輸入功率及軸功率的關系2.4 輸油泵變頻調速的主電路圖2.3 主電路圖 由主電路圖可見，接觸器1KM2用于變頻器輸出，接到油泵M1，而接觸器1KM3將工頻電源接到該臺油泵。變頻器可以對該臺油泵啟動和恒壓供水控制。空氣開關（QL）是當電動機過載時自動將電動機從電網中斷開熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中用作電動機的過載保護。3變頻器選擇及參數設置3.1變頻器的控制方式 低壓通用變頻器輸出電壓在38O65OV，輸出功率在O75400kW，工作頻率在O400Hz，它的主電路都采用交一直

17、一交電路。其控制方式經歷以下四代。1、 第一代以U/fConst，正弦脈寬調制（SPWM）控制方式。其特點是：控制電路結構簡單、成本較低，但系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。2、 第二代以電壓空間矢量（磁通軌跡法），又稱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磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形。以內切多邊形逼近圓的方式而進行控制的。經實踐使用后又有所改進：引人頻率補償，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

18、壓、電流成閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引人轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。3、 第三代以矢量控制（磁場定向法）又稱VC控制。其實質是將交流電動機等效直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。然而轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，實際效果不如理想的好。4、 第四代以直接轉矩控制，又稱DTC控制。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：（1） 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器

19、方式；（2） 自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；（3） 算出實際值對定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；（4） 實現BandBand控制一一按磁鏈和轉矩的Band一Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制；（5） 具有快速的轉矩響應（2ms，很高的速度精度（2%，無PG反饋），高轉矩精度（土3%）；（6）具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出15O%200%轉矩。3.2 控制方式的合理選用 控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國

20、產的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。表3.1為控制方式的比較 表3.1 控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或PID調節器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I150%200%靜態速度精度/%（0.20.3）（0.20.3）0.20.20.020.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調速，控制一般工業上的調速或控制所有調速或控制伺服拖動、高精傳動、轉矩控制負荷起動、起重負載轉矩控制系統，恒轉矩波動大負載*直接轉矩控制，在帶PG或編碼器后I可擴展至1:1000，靜

21、態速度精度可達0.01%。根據表3.1選用u/f控制。3.3 選型原則 首先要根據機械對轉速(最高、最低)和轉矩(起動、連續及過載)的要求，確定機械要求的最大輸入功率(即電機的額定功率最小值),其大小由下式計算: P=nT/9550(kW) 式中:P機械要求的輸入功率(kW)； n機械轉速(r/min)； T機械的最大轉矩(Nm)。然后，選擇電機的極數和額定功率。電機的極數決定了同步轉速，要求電機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步轉速，但必須小于電機允許的最大轉速。轉矩取設備在起動、連續運行、過載或最高轉速等狀態下的最大轉矩。最后，根據變

22、頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數與型號。需要注意的是，變頻器的額定容量及參數是針對一定的海拔高度和環境溫度而標出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40或25以下。若使用環境超出該規定，則在確定變頻器參數、型號時要考慮到環境造成的降容因素。 經對各種變頻調速系統技術經濟性能論證，選用MM430西門子的變頻調速系統應用于泵機組上。該變頻器為通用型變頻器，其結構圖如圖所示5：圖 3.1 變頻器外部接線圖3.4 PLC及壓力傳感器的選擇 輸油泵M1可變頻運行，也可工頻運行，需要2個輸出點，根據系統設計要求需要1個輸入點，則選擇西門子的S7-200系列PLC。

23、壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現壓力測量的力-電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，作為本系統的反饋信號供給PLC。3.5 MM430變頻器特性MM430變頻器為“通用型”變頻器，主要應用于三相電動機的變速驅動，也可以用于泵類、風機等節能負載。是現行西門子“通用型”主流變頻器。其功能為線性U/f控制，多點

24、設定的U/f控制，磁通電流控制，內置PID控制器，矢量控制。功率范圍為0.12250kW。面板操作如下圖所示：圖 3.2 面板操作圖3.6 電動機參數設置實例P0010=1 (快速調試)P0100=0(功率單位為KW；f的缺省值為50Hz)P0304=380(電動機的額定電壓)P0305=188.2(電動機的額定電流)P0307=100（電動機的額定功率）P0310=50(電動機的額定頻率)P0311=1470（電動機的額定轉速）P0700=2(變頻器命令源選擇為模入端子/數字輸入)P1000=2(模擬設定值)P1080=30(電動機最小頻率)P1082=50(電動機最大頻率)P1120=10（電動機從靜止停車加速到最大電動機頻率所需時間）P1121=10（電動機從最大頻率減速到靜止停車所需的時間）P1300=2（控制方式為拋物線V/f控制）P3900=1(結束快速調試)表3.2 變頻器的參數設置參數號設置值說明P00101快速調試P01000功率單位為KW；f的缺省值為50HzP0304380電動機的額定電壓P0305188.2電動機的額定電流P0307100電動機的額定功率P031050電動機的額定頻率P0