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通用變頻器實現(xiàn)中壓電機變頻調(diào)速的設(shè)計

文檔作者：張福生等		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月10日
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器
通用變頻器 變壓[器摘構(gòu)要成]中介壓紹電了機利變用頻調(diào)通速用系變統(tǒng)頻的器具．
●● 主 案鐵蓑曩墨電 青 5 0任0俊4 3嶺) 事體設(shè)項計并方給法出應(yīng)，討用論實了例設(shè)。 計施工中的注意
中 電 機 巒 桶 調(diào) 諫 的 設(shè) 計 力傳關(guān)感鍵器 詞中壓電機通用變頻器壓
隨著變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展， 變
頻器的種類增多， 性能增強， 能更
好的應(yīng)用于各種變頻調(diào)速系統(tǒng)中，
在中壓變頻系統(tǒng)中常用變頻器有
GTO，TGBT和IGCT 3類。因其售
價較高， 一般用戶難以承受， 故利
用通用變頻器來完成中壓電機變
頻調(diào)速就非常重要。本文結(jié)合實
例講述其改造過程。
華北某縣城采用深井泵直接
向城區(qū)管網(wǎng)供水， 深井泵井深500
余m，用多級潛水泵提升， 電機額
定電壓為交流6kV， 額定功率為
3 1 5kW ， 原系統(tǒng)采用電機全速運
轉(zhuǎn)， 人工調(diào)節(jié)供水閥門開度調(diào)節(jié)
供水壓力及流量，大量能源消耗在
閘板上，這不僅造成了巨大的能源
損失、浪費， 且人工控制精度低、
隨意性大。在用水高峰期常出現(xiàn)
供水量不足， 在夜間或用水低峰
期， 由于壓力偏高， 跑、冒、滴、
漏嚴(yán)重， 甚至造成管網(wǎng)損壞。在
啟、停泵的過程中伴隨較大的水
錘，對閘門、管路、水泵等設(shè)備沖
擊較大， 造成設(shè)備損壞； 同時， 巨
大的啟動電流造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)
定。用戶迫切要求對原系統(tǒng)進行
技改， 解決上述問題。
深井泵作為一種多級離心泵，
其工作特性與電機的轉(zhuǎn)速有著直
接的關(guān)系。離心泵電機的功率與
電機轉(zhuǎn)速的立方成正比， 離心泵
出水口的壓力與泵的轉(zhuǎn)速平方成
正比， 且離心泵的輸出流量與泵
的轉(zhuǎn)速成正比。采用變頻調(diào)速方
式構(gòu)成壓力．頻率-轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制
系統(tǒng)即變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可
有效解決上述問題。
采用中壓變頻器構(gòu)成恒壓系
24 四圓2002年7期
統(tǒng)簡單、直接。但中壓變頻器造價
較高，一次投入成本過大， 用戶難
以接受。為此，我們設(shè)計了用通用
變頻器(輸入電壓AC400V)構(gòu)成的
變頻調(diào)速系統(tǒng)，
其主回路系統(tǒng)
框圖如圖1。通
用變頻器的輸
出側(cè)經(jīng)升壓變
壓器， 將變頻
器輸出的電壓
升至電機工作 圖1 系統(tǒng)框圖
電壓， 帶動中壓電機工作。但由于
大功率逆變器的影響， 變頻器輸
出側(cè)含有較豐富的高次諧波成分，
因此采用此方案時應(yīng)使用專門的
寬頻變壓器， 以防止在高次諧波
的影響下使變壓器鐵心磁通飽和
造成變壓器過熱甚至燒毀。同時，
由于深井泵電纜較長， 考慮到高
頻成分的因素， 為防止行波及其
反射波對變頻器的干擾， 應(yīng)在變
頻器輸出側(cè)裝電抗器。在具體的
設(shè)計施工中， 考慮到系統(tǒng)所使用
的升壓變壓器容量較大(400kVA)，
且變壓器的效率也較高， 從理論
上分析可避免磁飽和發(fā)生， 為節(jié)
約改造成本， 決定使用普通變壓
器進行實驗。同時， 由于變壓器的
存在相當(dāng)于在變頻器輸出側(cè)裝了
電抗器， 可有效防止行波及其反
射波對變頻器的干擾， 因而沒有
安裝電抗器。實際構(gòu)成電路主回
路如圖1， 變頻器采用ABB ACS600
系列，其內(nèi)置式PID設(shè)計及豐富的
宏指令功能有效地保證了閉環(huán)控
制系統(tǒng)的完成， 在出水管網(wǎng)合適
位置安裝遠(yuǎn)傳壓力表， 采用外置
式電位器給定方式， 構(gòu)成變頻調(diào)
速恒壓控制系統(tǒng)， 其具體設(shè)置參
數(shù)同一般恒壓系統(tǒng)。系統(tǒng)投入運
行后， 對變頻器的運行及變壓器
的溫升情況進行了連續(xù)測試， 連
續(xù)1周內(nèi)平均每l~2h測試變壓器
溫升均在正常允許范圍內(nèi)。示波
器觀察變頻器輸出波形也十分穩(wěn)
定。至今， 整個系統(tǒng)已連續(xù)運行1
年多，除正常的保養(yǎng)維修外， 沒出
現(xiàn)任何故障。變壓器溫升情況也
一直正常， 證明這是一種成功的
改造方案。
采用普通變壓器進行改造的
費用比進口寬頻變壓器及專用電
抗器降低25％ 左右；比用中壓變頻
器的改造方案成本降低約40％。但
該方案需注意幾點：首先， 升壓變
壓器的額定容量一定要比所需容
量稍微大一些， 至少應(yīng)保留20％ 左
右的裕度， 這樣可有效避免高次
諧波的影響造成變壓器鐵心磁飽
和過熱， 影響系統(tǒng)的正常運行。其
次， 為防止由于高次諧波的影響
所帶來的集膚效應(yīng)對電纜載流量
的影響， 深井泵所使用的電纜在
條件許可時應(yīng)放長一些。實踐證
明， 實施本方案時， 電抗器可省
略， 但為防止行波及其它干擾對
系統(tǒng)造成的影響， 條件許可時，作
為平方轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的情況變頻器的
額定容量應(yīng)選大一檔。為保證在
變頻器故障時不停止供水， 可加
裝減壓起動裝置與變頻器并聯(lián)，
共用升壓變壓器， 這樣在變頻器
維修或故障時， 可由電源直接驅(qū)
動電機， 保障水泵不停。此時，應(yīng)
在變頻器輸出側(cè)安裝接觸器， 防
止在采用電網(wǎng)直接供電時， 電源
從變頻器輸出側(cè)接入，造成事故。
維普資訊 http://www.cqvip.com
變頓器
／- 、
[摘要] 基于SVPWM與SPWM等效原理，建立了 o lI矗IIIu
逆變器控制用的SVPWM的開關(guān)函欺矩陣， 且用該開
關(guān)結(jié)函果欺。 矩陣實現(xiàn)SVPWM的全欺字控制，并蛤出實驗 變i 控制j
電壓空間矢量控制法
(SVPWM)有許多優(yōu)點， 故在變頻
器設(shè)計中普遍采用。這種控制方
法目的是追求電機的高磁鏈圓度，
SVPWM 的實質(zhì)是SPWM 的變型，
唯一差別是SVPWM 的調(diào)制函數(shù)
為正弦函數(shù)疊加1個特殊的零序
分量。本文基于SVPWM 與SPWM
等效原理， 利用開關(guān)函數(shù)法將這
種SVPWM 控制技術(shù)應(yīng)用到實際
變頻器產(chǎn)品設(shè)計中。
l基于開關(guān)函數(shù)的SVPWM
1．1 SVPWM與SPWM的等效原理【1】
疊加的零序分量為三相對稱
正弦調(diào)制函數(shù)中瞬時絕對值最小
相的一半， 見圖1中U。， 圖中U
“(1：每個單位)
一一
定一
圖1 SVPWM零序分■波形
U 與U 為三相對稱正弦調(diào)制函數(shù)。
對初相為零的正弦調(diào)制函數(shù)U。， 疊
加U。即得到SVPWM 的一相調(diào)制函
數(shù)(圖2中的U。。)。將U。。分別相移
120。、240。后可得SVPWM 的另
外兩相調(diào)制函數(shù)U。 與U。 的波形。
由以上可認(rèn)為從調(diào)制函數(shù)角度
SVPWM和SPWM 之間建立了一種
等效變換關(guān)系，SVPWM 控制方法
完全可直接用SPWM 的現(xiàn)有控制
“(1：每個單位)
I
“。
入．
- ．．二
圖2 SVPWM一相目標(biāo)調(diào)制波形
方法，等效后的SVPWM 控制方法
仍有最大電壓利用率為SPWM 控
制方法1．1547倍的特點?。
1．2 SVPWWM的開關(guān)函數(shù)表示法
開關(guān)函數(shù)是指在給定輸入電
壓函數(shù)、期望輸出電壓函數(shù)以及
各種約束條件下用來描述變換器
中一組相關(guān)功率開關(guān)占空比的連
續(xù)函數(shù)或分段連續(xù)函數(shù)， 逆變器
中同一橋臂上下功率開關(guān)的開關(guān)
函數(shù)通用表達形式為
其中q為調(diào)制度， 直流側(cè)電壓
不排除允許一定程度的波動。具
體到SVPWM 控制方法， 逆變器的
開關(guān)函數(shù)矩陣可描述為
去
， ： L J]
其中， 與廠4、廠3與廠6，廠5與廠2分別
表示逆變器第一，二、三橋臂上管
與下管的瞬時占空比函數(shù)。由開
關(guān)函數(shù)所描述的物理意義， 開關(guān)
函數(shù)矩陣中各函數(shù)元素必須滿足：
>0，i=l?6， =1， 1，fs+f2=l。
根據(jù)圖2，SVPWM 的分段調(diào)
制函數(shù)可由以下3個基本正弦函
數(shù)所組成的包絡(luò)線得到 。
IelI sin( ot) ]
le2]： lsin(O)ot+丌，6)I (2)
e3I I sin(o3ot一丌，6)l
具體來說， 區(qū)間【0，2丌】可劃
為7個小區(qū)間，SVPWM 的三相對
稱調(diào)制函數(shù)e 、e 與e 在每個區(qū)間
所用的基本函數(shù)分別見以下3個
表達式：
~／3sin( or) 0‘ ‘ ／6
5 ／6 ‘ ‘ 7 ／6
ll ／6 ‘ gaol‘ 2
sin( + F／6) "rtf6 ‘ ‘"rt／2
7 ／6 ‘ w ‘ 3 ／2
sinf ayot- ／6) ／2‘w ‘5 ／6
3 ／2 ‘ gaol‘ 11 ／6
(3)
于是，SVPWM 控制方法中期
43sin(am-2 13)
綜上所述， 采用通用變頻器
和普通變壓器構(gòu)成的深井泵恒壓
控制系統(tǒng)是一種投入少、見效快
的中壓電機變頻調(diào)速改造方案，
該方案最大的優(yōu)勢是減少了改造
成本。在油田采油泵、大功率壓縮
機等其它中壓電機應(yīng)用場合， 該
方案也完全適用。
參考文獻
1 黃?。雽?dǎo)體交流技術(shù)．西安交通
大學(xué)出版社
2 曾毅，等．交頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)
計與維護．山東科學(xué)技術(shù)出版社
3 ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司ACS60

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