关键词:感应电机软起动交交变频
Abstract:somestartingmannersofmotoraregivenandanalyzedinthispaper,soft
startingisintroducedemphasizly、Buthowtosolveoverloadingstartingispurposed
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Keywords:inducingmotorsoftstartingAC-ACvariablefrequency
1引言
三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而，电动机的起动特性却一直举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接起动，其起动电流约为额定电流的4-7倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网内其它设备的正常运行。同时由于电压降低，电动机本身起动也难以完成，造成电机堵转，严重时，可能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种限流起动方法也就应运而生。
2传统的起动方法
2、1定子串电抗器起动
对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动，绕线式异步电机则采用转子回路串电抗器起动。定子边串电抗器起动，即增加定子边电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少起动电流。此起动方式属降压起动，缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平方关系下降，外串电阻中有较大的功率损耗。又由于是分级起动，起动特性不平滑。
2、2星-三角起动
起动时定子绕组星形连接，起动后三角形连接。在电动机绕组星形连接时，电动机电流仅为三角形连接的1/3，遗憾的是电动机的转矩也同样降低到三角形接线时的1/3，为了使电动机在额定转速时达到它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线，在转换过程中会出现二次冲击电流。
2、3自耦变压器起动
当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到W2/W1倍时，起动电流和起动转矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1为自耦变压器的变比)。这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少。要使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。
、4频敏变阻器起动
对于绕线式异步电机来说，如果仅仅是为了限制起动电流、增大起动转矩，则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式。但此起动方式在频繁起动下，易发生温升，且结构复杂，不常用。
由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难，且上述几种起动方法，在停机时都是瞬间停机，遇到负载较重时会造成剧烈的机械冲击。
3软起动
所谓软起动是指装置输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压由零升到全电压，转速相应的由零平滑加速到额定转速的过程。它是电力电子技术与自动化控制技术的综合，是将强电和弱电结合起来的控制技术。在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶闸管，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的每相，利用晶闸管移相控制原理，控制其内部晶闸管的导通角，电动机起动时，用调节6个晶闸管的不完全导通来控制电动机的供电电源。换言之，起动时只有三相正弦波形的一部分向电动机供电。
软起动的优点是起动特性曲线好，使晶闸管的导通角从零度开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始逐渐上升，直至达到额定电压，起动电流从零线性上升至设定值，从而满足起动转矩的要求，保证起成功。表1为软起动同传统起动对照表。
4重载起动方式(交-交变频起动)
4、1交-交变频工作原理
尽管软起动具有起动平滑，起动时间等参数可调的特性，具有传统起动方法无法比拟的优越性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，在减小电压的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数低，无功功率增加，这决定了其只能应用于轻载场合，对于重载起动就勉为其难了。然而在很多场合下，不能保证负载为轻载起动，如球磨机、破碎机、空气压缩机、风机等，这就使得我们想在降低电压的同时，能够减小供电电压频率，即保持V/F不变，保证恒力矩起动，因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备，但如果把变频器仅作起动，不调速，资金浪费很大，特别是高压大容量的通用变频器价格就更为昂贵，且感应电动机的重载起动只是短时间的过程，故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的。纵上述几种起动方式可得出采用交-交变频器来实现重载起动。因为交-交变频没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器也主要是交-交变频来完成的。
交-交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。
如果让α角不是固定值，在半个周期内让正组变流电路P的α角按正弦规律从900逐渐减小到00，然后在逐渐增大到900。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最大，在逐渐减小到零。在另外半个周期内，对负组变流器N进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控硅整流电路(软起动)一样，交-交变频电路也属于电网换相。
4、2整流与逆变工作状态
假设负载的功率因数角为Φ，即输出电流滞后输出电压Φ角。另外两组交流电路在工作时无环流工作方式，即一组交流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。下图给出了一个周期内负载电压、电流波形。
从图3中可以看出，那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的。
4、3输出正弦波电压的调制方法
使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里介绍广泛采用的余弦交点法。
晶闸管变流电路的输出电压为
(1)
式中，Ud0为α=0时的理想空载整流电压。对交-交变频电路来说，每次控制时α角是不同的，式(1)中的U0表示每次控制间隔内输出电压的平均值。
设要得到的正弦波输出电压为
(2)
则比较式(1)和式(2)可得(3)
(3)
式中γ称为输出电压比，
因此(4)
上式就是用余弦交点法求变流电路α角的基本公式。
式(4)可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制，所以采用微机来实现上述运算。可把事先计算好的数据存入存储器中，运行时按照所存的数据进行实时控制。为了用计算机实现实时控制，必须具备三相低频信号、同步信号、零电流检测三个基本条件。
4、4三相低频信号的产生原理
用计算机产生三相低频信号，必须首先将要产生的低频信号进行数字化。这不仅在幅值上数字化，在时间上也要数字化。在时间上，以一度为单位(分辨率已经足够)，将低频信号的一个周期分成360等份。根据需要的频率求出低频信号一度的时间，以次作为定时时间，这样每隔一度，便输出一次低频信号的对应值，每360循环一次，构成低频的周期。其它两相输出和上面一样，只是输出的对应数值不一样，正好相差120、240度。这样就构成了互差1200的低频信号。由于准梯形波具有较高的基波幅值，因此这里采用它作为低频参考信号，它是限幅的正弦波，当等于600时就已经到达了最大值。其目的是提高直流电压的利用率。
下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法。
a、建立一个准梯形波波形的表格，表格的大小为360个数据，这些数据分别以1度为间隔的准梯形波波形数据。表格存放在表首地址为TABLE的内存中，第一个数据为1度时对应的波形数据，最后一个为360度对应的波形数据。表格的数据是按比例得到的。
b、设一计数指针COUN，初始化时，使COUN=0，并起动定时器。在定时时间到达之后，计数指针COUN增1，同时取出表中的数据(对应内存地址为TABLE+COUN)输出。当计数指针COUN=360时，使COUN复位为0，便完成了本周期的数据输出，为下一周期做准备。这样周而复始不断的取数输出，就产生了低频数字信号。
c、其它两相低频信号分别滞后120、240度的同样波形，可以完全使用同样的表格。
d、为了得到复值可变的低频信号，在低频数字信号输出之前，应乘以调制系数，调制系数的范围是0~1。
e、1度对应的时间是由所需输出频率决定的，将其转换为定时时间常数后，存放于TIME的单元中，它就是控制交-交变频器输出频率的变量。
4、5同步信号电路
采用微机定时方式进行交-交变频的移相控制时，需要给微机提供各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号，使移相控制装置向晶闸管发出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现。因此，这一方波信号的频率应与电源频率相同。所以，一般将此方波信号称为同步信号。此外，同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管，决定是某相的上管或下管工作与否。
取A相电压经同步变压器降压后，进入RC移相电路形成滞后30度的正弦电压，由三级管将正弦波形成方波，再经光电隔离、反相及输出电路，在输出端得到同步脉冲信号。
4、6零电流检测电路
不论是电压型还是电流型控制的无环流交-交变频器，正反组变流器的换向都必须处于零电流状态，此时两组变流器的触发脉冲都被封锁。因此，实际的零电流一定要准确可靠的检测出来，这关系到换相的死区长短，以及换相的可靠性。
检测方法检测负载电流的方法常用的有两种：LEM电流传感器和检测和晶闸管端电压法。用LEM电流传感器检测负载电流，可将主电路与控制电路完全隔离，且检测电路结构简单。但由于换相等原因，负载电流含有丰富的电流谐波，给电流检测、尤其是过零点检测带来了一定困难。LEM传感器输出信号经滤波、整形后，会产生伪过零点，使控制系统出现误动作。由于晶闸管导通时其端电压为管压降，近似等于零，而阻断时端电压等于其所接交流电压(电网线电压或相电压)。同时检测变频器主电路中每一相上的六个晶闸管，如有一管导通说明此相有电流。如六管全关断则说明此相无电流，也就是电流过零点。这种方法直接检测零电流，不需要对电流波形进行整形，其输出信号完全对应着电流波形中的零电流，使检测电路更加准确、可靠。图4为零电流检测电路。
5出现的问题及解决方法
交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1/3-1/2。但由于我们主要用于起动，一旦速度达到了1/3全速，可以控制相应的晶闸管，使它们切换到软起动，软起动方式仍由本装置实现。在软起动的作用下完成起动结束。因为此时电压相对较小，切换的过程中，不会有很大的冲击电流。
由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可以采用快速的，比较好的零电流检测方法来减小死区时间。
6结束语
传统起动方式将逐渐被可控硅软起动所取代，然而软起动却不能很好解决感应电机的重载起动，因而给出了一种实用的交-交变频起动方式来解决这个问题。由于目前采用交-交变频技术成本相对过高，同时由于国内的研究开发相对滞后，致使该技术还主要限于大型矿井的关键设备。但随着这一技术相对成本的不断降低，人们节能意识的不断深入，该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期，同时在应用范围上也将扩大，并有待开发和完善。
参考文献
[1]电动机降压起动器的选择与分析凌浩2000、12vol、20P66
[2]交流异步电动机的软起动与保护探讨何友全矿山机械2000、5
[3]陈伯时，陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，1997
关键词:电力电子 变频器 变频技术 调速
1、概 述
电力电子技术是伴随着1957年美国通用电气公司第一个晶闸管的研制而诞生的,其发展经历了从整流器时代到逆变器时代,到现在的变频器时代,交流变直流称为整流,直流变交流称为逆变,而通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期起,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件的更新促使电力变换技术不断发展。20世纪70年代,脉宽调制变压变频(PwM―VVVF)调速研究开始引起人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引了人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。到现在经历了这么长时间的发展,变频技术的理论日趋成熟,但是,其应用仍存在各种问题。
传统变频就是以直流电机拖动发电变频,现在已经不存在了。现在变频技术是电力电子技术的一种应用,以变频器为核心,变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节,把50Hz的固定电网频率改为30-130Hz的变化频率。同时,还使电源电压适应范围达到142-270V,将任意电源变换成三相电压、频率平滑可调的交流电源,解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。
2、变频方式分类
2、1 交-直-交变频
交一直一交变频(又称VVVF变频)是最常用的变频方式,先将交流电整流为直流,再将直流逆变为预期频率的交流电。由于其原理简单,性能稳定,在工业、交通运输,家用电器等各个领域得到应用,成为应用最为广泛的变频方式,但因其需要整流、逆变两套设备,价格较昂贵。
恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。它们共同缺点是输入功率因数低,在整流逆变的过程中消耗大量无功,直流回路需要大的储能电容来补偿无功。再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行,且谐波电流大,在交流段和直流段需装设滤波回路,直流段还需装设平波电抗器,费用较大。
恒压变频控制是对变频器的电压和频率的比率进行控制,使之保持恒定,即u/f为一给定控制值,以维持气隙磁通的恒定,这样电动机就不会因频率变化而导致磁饱和而使励磁电流增大,引起功率因数和效率都降低。恒压频比控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求。这种变频方式被广泛用于转速开环的交流调速系统,适用于生产机械对调速系统静动态性能要求不高的场合,如对风机、泵类调速,也用于空调等家用电器以达到节能的目的,恒压变频控制系统框图如图1所示。
但是,这是一种开环控制方式,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。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,因此人们又研究出其他的变频调速。
转差频率控制是一种闭环的控制方式。当稳态气隙磁通保持恒定时,近似有电磁通转矩与转差角频率人ωs成正比,当保持稳态转子全磁链恒定时,有ωs正比于转矩。当采用闭环的转差频率控制时,定子频率ω1=ωr+ωs,式中ωr为实际转子角频率,则定子角频率可随转子变化而变化,得到平滑稳定的调速系统,但此调速是在静态模型下得到,不具有动态特性。
矢量控制变频调速是一种转子磁链定向的动态模型,主要原理是坐标的变换,将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相一二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ial、Ibl,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电动机励磁电流Iml。和与转矩成正比的电枢电流Itl,参照直流调速系统控制方法,求得其控制量,经过相应的坐标反变换,完成对异步电动机的控制。矢量控制方法性能好但控制复杂,实际应用中,转子磁链难以准确的观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
德国鲁尔大学的DePenbrock教授在1985年首次提出直接转矩控制变频技术。该技术同样基于动态模型直接采用转矩反馈,在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。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,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。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
2、2 交一交变频
交一交变频是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电,使用电力半导体功率管直接控制通过的交流电流,由于其直接变换的特点,交一交变频器效率较高,可方便地进行可逆运行。但是它存在很多缺点,如功率因数低,主电路使用晶闸管元件数目多,控制电路复杂且变频器输出频率受到其电网频率的限制,最大变频范围在电网二分之一以下。变频类似于载波调制,效果、精度都较差。为此,矩阵式交一交变频应运而生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。但是该技术目前尚未成熟,有待更多研究。
交一交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统,三相输出电压相位各差120°的单项交一交变频组 成三相交一交变频电路,它有两种接线方式,公共交流木先进线方式和输出星星连接方式。前者电源进线端公用,所以电路出线端必须隔离,如图2所示,这种接线方式主要用于中等容量交流调速系统。后者输出端终点不与负载中点相连,构成电路的六组桥式电路至少需要不同输出相的两组桥中四个晶闸管同时导通才能构成回路并产生电流如图3所示。
目前,交一交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。
2、3 直流变频
直流变频是相对于交流变频而言的,直流并没有频率,它是通过改变直流电压来调节压缩机转速的。直流变频用于无刷直流电机,因为其具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,故称为直流变频。直流变频输出电压是可变的直流电,没有逆变环节,比较交流变频更加省电。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。
3、变频技术的应用与发展
变频技术广泛应用于各个领域,从工业到交通运输大到家用电器,变频器产生的最初用途是速度控制,是理想的调速方法,但目前我们应用得较多的是它的节能特性,因为中国是能耗大国能源储备不足且利用率不高,电动力在电力消耗中占很大比例。应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行,可大大提高轻载运行时的工作效率。功率大电压高的变频器在电力行业有很大的发展潜力。在家用电器中,带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等,在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。
由于变频方式不同,其特点就不同,在不同的领域采用不同的变频技术。交一直一交变频技术可用于风机、泵类调速,也可用于家用电器变频;交一交变频技术主要用于大功率交流电机调速;直流变频主要用于无刷直流电机,目前国内已将直流变频用于空调。交流变频空调器采用交一直一交变频控制交流电机的转速。而对变频器的控制是通过传感器将室内温度信息传递给微电脑,输出一定频率变化的波形,控制变频器的频率。当室内急速降温或急速升温时,室内空调负荷加大,压缩机转速加快,制冷量按比例增加。相反,当室内空调负荷减少时,压缩机正常运转或减速。直流变频空调器是把工频交流电转换为直流电,并将其送至功率模块主电路,功率模块与交流调速一样受微电脑控制,不同的是模块所输出的是电压可变的直流电源,压缩机使用的是直流电机,是全直流变速空调器。直流变频空调器没有逆变环节,在这方面比交流变频更加省电。但目前国内用得较多的仍然是V/F控制,工业上负载多数动态特性要求并不高,故可以满足要求,但随着技术发展尤其是半导体制造业的发展,必会使其他变频方式得到更广泛的应用。
4、结束语
变频技术在理论上已有多种方式,但实际应用中仍然存在很多问题,在生产工艺上国内外仍存在差距。由于变频技术在节能控制方面有明显的优势,因而变频技术有广泛的发展前景,但其发展受到半导体功率器件的制造业发展情况的限制,且电力电子装置中的相控整流以及不可控二极管整流电路使输入电压电流波形发生畸变,系统功率因数被大大降低并且引入大量谐波。此外,由于硬件电路中电压和电流的急剧变化,电力电子器件需承受很大的电应力,并且对周围通信设备产生严重电磁干扰,这些都是变频技术发展中必须面对解决的重要问题。
参考文献
[1]向铁元,《电气工程基础》武汉大学出版社。
[2]王兆安,黄俊,《电力电子技术》西安佳通大学。
[3]周杨忠,胡育文,《交流电动机直接转矩控制》机械工业出版社。
【关键词】油机直供核心机房关键交流用电设备 应急供电
核心机房交流负荷均属于保证交流负荷,即在市电停电后油机供电时,必须保证供电的用电负荷。在实际应用中,核心机房保证交流负荷按照重要性可以分为关键交流负荷和一般交流负荷,而关键交流负荷主要包括设备保证负荷(直流电源系统、UPS电源系统等)、建筑保证负荷(机房专用空调系统、照明等)等核心电源和空调设备的用电负荷,其他交流负荷则为一般交流负荷。
1 核心机房关键交流用电设备供电存在的
安全隐患
以某地核心机房160KVA 1+1 UPS电源系统宕机造成部分通信业务中断为例。该UPS电源系统交流输入柜从低压室低压输出馈电柜空开接入一路保证交流电源,由于数据网等设备扩容,导致UPS电源总负荷常载下超过80%额定容量。故障处理时,卸载部分负荷仍然无法合闸,将原有连接电缆改接到旁边的同型号输出空开,仍然无法投合送电。经检查低压空开的整定值仅仅设置为30%额定容量,而负荷容量远远大于该整定值,低压配电空开跳闸无法投合,造成UPS电源系统交流供电中断。由于负荷较重,后备电池在10多分钟后也停止供电,系统完全瘫痪。
该枢纽楼低压配电系统到主机房楼层的交流供电路由只有唯一的一路,没有备份的或旁路的交流路由。当唯一交流供电路由(包括开关元件和供电线路)发生故障时,楼层电源系统无法得电,必然造成电源系统瘫痪。此时,如果UPS电源系统具备油机直供接入路由,则可立即恢复供电,大大缩短交流中断或故障恢复时间。
从目前在网运行的通信供电系统调查得知,核心机房关键交流负荷通常的供配电方式一般采用在配电室设置配电柜(箱)或主机房楼层设置交流二次分配柜(箱)来实现。这种供电方式的优点是系统结构简单,容量和端口具备一定冗余性,在一定程度上可以保证系统的安全性和可维护性。但其显著缺点在于供电系统的设备侧缺少供电路由的冗余性,供电网络存在单节点瓶颈和运行隐患,主要表现在:
(1)高低压配电系统需要停电检修时,如主进线开关、市电/油机ATS、低压输出馈电柜故障或进行维护作业检修等,将导致后级交流负载全部停电。对直流电源系统而言,其后备蓄电池组一般可延续数小时供电时间;但对于UPS电源系统而言,特别是大型枢纽使用的大容量UPS电源,其后备电池在额定功率条件下延续供电时间一般只有0、5～1小时,根本无法满足配电系统维护或故障检修的时间需要。
(2)核心机房交流割接(如UPS电源和机房空调更换配电柜,配电柜扩容开关、更改低压母线、低压交流负荷调整等)时,如果没有油机直供回路,就需被迫采用带电割接,既增加了割接难度,割接安全也无法充分保障。
通信供电网络的具体实际对我们的规划设计提出了新的要求。为此,如何建立核心机房关键交流用电设备的应急供电路由,提供更加符合维护实际需求的供电系统,以确保关键交流用电设备最短的停电时间,就成了一个迫切需要解决的问题。
2 核心机房关键交流用电设备优化供电方式
2、1 基本思路
核心机房关键交流负荷通常的供配电系统必须进行供电网络结构优化,建立应急供电机制。同时,作为解决核心机房供电系统单节点瓶颈的有益补充,有必要建立一个端到端的独立的应急供电路由,即主供路由之外的交流旁路供电路由。其主要包括:为后级交流接入设备特别是关键交流用电设备提供路由和端口的冗余或备份,克服供电网络单节点瓶颈隐患;充分利用现有系统资源,以最小的投入实现系统配置(包括常用和应急供电网络)的冗余。
2、2 应急供电网络电源的容量核定
核心机房应急供电网络应包括机房固定油机和外接油机车电源供给。已经在网运行的供电系统应予改造,以满足两种油机后备电源的接入。固定油机配置容量按照相关规范和集团公司企标配置,油机车配置容量按照需要实际接入的关键交流用电设备负荷量及一定冗余量计算。
应急供电网络交流后备电源来自于上述两种电源,它仅仅考虑配电系统停电或故障检修等非常状况时的应急供电问题,在实际应用中,主要考虑机房直流电源系统、UPS电源系统和部分机房空调的应急接入。
2、3 应急供电网络的应用原则
应急供电网络的配置在配电系统中应具有相对独立性。即采用应急供电网络供电时,应确保正常供电时的配电系统设备(如进线、转换、补偿、输出等设备)不带电,便于维护和检修。
要做到应急供电网络配置的独立性,就需要提出油机直供的概念。
2、4 油机直供的概念
顾名思义,油机直供是指机房关键交流用电设备的后备交流电源直接来自于机房固定的或外接的油机电源,油机电源经由简单配电(油机直供柜)直接送达机房楼层配电设备侧,并采用手动切换、人工职守等原始简单的操作运行维护模式,实现机房关键设备的应急供电。显然,这种供电模式是临时的、相对短暂的。
2、5 油机直供的应用原则
油机直供电源,是在整个配电系统出现故障或需要全面停电检修的紧急情况下才使用,是一种非正常状态下的应急预案,必须正确使用,严防两种不同的电源进入同一大楼,造成电源短路或倒灌事故;其次,油机直供电源的使用,必须是人工职守的,总路控制最好采用手动切换方式;再次,不是所有机房设备电源都需要油机直供保证,油机直供电源只针对部分关键负载,特别是后备供电时间短暂(如UPS电源、开关电源等系统)的交流用电设备。如果要接入部分空调,应该考虑设置启动时延。另外,配电系统越复杂,节点越多,故障概率越高,不要人为地把配电系统网络连接复杂化。
同样,需要外接应急油机车的情况是在出现比上述任何应急供电更加紧急的情况时。油机车目前限于功率和机动性,功率不会做得太大(比相应固定油机小很多)。因此,虽然配电系统可提供外接油机车的紧急接口,但一定要事先制定应急预案,确定现网重要负荷分级(比如一级交换、传输,二级网管数据计费等设备用电,相关空调等级可略低一挡,等等)。届时可以按照预先设定的分级限电预案逐级供电,而首先应以确保语音等业务正常为最低目标。
2、6 应急供电网络建设方案
应急供电网络原理如图1所示。
专用油机直供配电柜设置的相关要求:
(1)直供柜安装位置:宜选择油机室或靠近油机室的机房,如低压室等。
(2)直供柜安装方式:落地安装。
(3)直供柜输入:直接从油机输出断路器屏取电。根据油机容量设置一个与之匹配的断路器或闸刀开关,当油机容量较大,输出断路器屏输出母排接入电缆有限,无法直接接入油机直供柜时,可以从油机断路器柜后的转接分配柜接入;当有两台油机时应设置油机手动转换柜。
(4)直供柜输出:输出分路应根据机房关键交流用电设备的容量和数量,并考虑容量(根据规范确定)和端口的适度冗余(1～2个端口余量)。系统容量较小时可以将油机手动转换和输出回路合并在一个机柜配置。
(5)直供柜接地:根据规范采用热镀锌扁钢就近接入机房联合接地网。
2、7 技术可行性分析
对于新建交流供电系统,在规划及设计中应考虑配置油机直供路由。
对于原有供电系统没有设置油机直供系统的,应予改造。在油机室或靠近油机室的机房只要可以提供安装新建油机直供柜的空间,以及电缆连接布放通道,就该按照图1所示建设方案实施简单改造。
注意:对于机房关键交流设备侧交流二次分配屏不具备双电源接口的,应予改造。该双电源转换设备一般选用手动切换为好,确保回路有明显断开点,也便于检修维护。
2、8 投资及效益分析
以某通信枢纽2000KVA固定柴油发电机组建设油机直供系统为例,相关费用见表1:
表1某2000KVA固定柴油发电机组建设油机直供系统的费用
通信电源设备整治改造投入少、效果好、收益长,不过配套设备对于企业的效益是间接的,一般不会直接体现其经济效益和社会效益。通信电源整治改造提高了网络安全可靠性,而安全就是企业最大的效益;企业为用户提供高品质的通信网络的同时,也提高了服务质量和企业形象。
关键词：交流电动机；变频调速；技术；原理；控制
中图分类号：G642、0文献标识码：B文章编号：1672-1578（2013）11-0017-01
近年来，随着能源日益减少，新型节电设备的不断更新和科学技术的飞跃发展，合理化的设计和节电设备的日益广泛应用，给人们工作和生活带来了更多的方便。
1、交流电动机调速系统的发展过程
1、1交流电动机励磁调速。早期用原动机来驱动一台发电机，而通过控制发电机的励磁来调节发电机的输出电压，借此来调节被驱动电机的转速和电机有功功率输出，还可以关闭和起动电机。
1、2电流电动机可控整流调速。随着科学技术不断发展，发明了通过晶闸管的导通时间来控制电压（可控整流技术）。首先是调速系统响应速度得到了很大提高，并且很好地解决了低速情况下的电流断续问题。可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机端电压的有效值，达到调速的。
2、交流电动机的调速原理
转速公式：
式中各项因子如下：f：电源频率；p：电动机磁极对数；s：转差率。
通过式（1）可以看出，在理想状态下（即以不考虑各项因子之间的相互影响为前提条件），想要调节交流电动机的速度，可以由以下三种方式来实现：
1）变极调速方式，即通过改变电机定子绕组的极数来控制电动机速度。但此方式有一定的局限性，因为它无法实现平滑调速，故而在很多要求高控制精度的工业生产场合并不适用。
2）变转差率调速方式，采用此方式有一个前提条件，即电机中旋转磁场的同步转速恒定，此时通过调节转差率s也可实现对电动机的调速，此方式的缺点是能耗较大，且效率较低，是一种得不偿失的调速方式，因而较少使用。
3）变频调速，即本设计所采用的调速方式，此方式是通过调节供电电源频率来实现对电动机的调速，其效率和能耗明显优于上述两种调速方式。
3、系统硬件设计
该系统的硬件部分大体上可以分成以下几个模块所组成：主电路、系统保护电路、控制电路和扩展电路。下图给出了硬件设计的主体结构，可以看出，主电路由整流滤波电路和SPWM逆变电路两个部分组成。其工作原理是把输入的单相交流电压通过整流滤波电路变为平滑的直流电压，然后再通过逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电供电机使用。（如图1）
3、1SPWM逆变电路模块。逆变电路采用SPWM的优势在于可以降低输出电压的谐波，使其输出电流更加符合正弦波，其功率开关器件拟采用智能功率模块（IPM），此模块是以绝缘栅双极晶体管为核心的。SPWM逆变电路模块的工作原理是：通过通用定时器发生单元、比较单元以及输出逻辑来生成三相六路SPWM波，在通过六个复用的I/O引脚输出给逆变电路驱动交流电动机的运行。
3、2控制电路模块。控制电路模块包括的部件有：频率输入电路、DSP最小系统电路等。该设计采用TMS320LF2407A型号DSP。它的优点在于可以将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，这就大大简化了电路设计方案，以及提高了控制系统的运算速度，为整个系统的效率提升提供了有力的支撑。DSP最小系统是DSP硬件设计中的最为核心的一个环节，它的好坏直接决定了整个系统适用性的高低。它主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、接口JTAG电路、扩展SRAM等。
4、交流电动机调速系统方案论证
4、1单片机调速。随着全球范围的数字化控制系统的发展，人们对数字化信息的依赖程度也越来越高。实现调速系统全数字化控制不仅能使交流调速系统与信息系统紧密结合，而且可以提高交流调速系统自身的功能。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡、滤波器、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。
4、2PWM调速。PWM控制是交流调速系统的控制核心，它可以完成任何控制算法的最终实现。
关于PWM控制方案已经在各领域有了多个版本的应用，尤其是微处理器技术应用在
PWM技术之后，总是不断有新的技术更新，从开始追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从最初效率最大化、转矩脉动少到后来的以消除噪音为主攻课题，这些都是PWM控制技术的不断升级和完善。目前，越来越多的新方案不断地被提出和应用，说明这项技术的应用空间十分广泛。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
参考文献
[1]樊新军、 永磁交流电动机的控制系统方案研究[J]、 产业与科技论坛，2013，07：69-70、
[关键词]变频器 柱塞泵 应用技术
中图分类号：TQ174、6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0117-01
随着现代电子电力技术和控制技术的发展，变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一。在各种生产机械和生产线中得到了非常广泛的应用。变频器具有调速范围宽、调速精度高、启动能耗低、占地少、工艺先进、功能丰富、通用性强、运行效率高，功率因数高，操作方便且便于向其他设备接口等一系列优点。变频器是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统包含多学科的技术领域，总的发展趋势是驱动的交化，功率变换器的高频化，控制的数字化和网络化。因此，变频器作为功率变换部件，因提供可控的高性能变频交流电源而得到迅猛发展。交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制。
1、变频器的工作原理
变频器是一种典型的采用了变频技术的电气设备，变频器的功能是将工频50HZ或60HZ的交流电源转换成频率可变的交流电源提供给电动机，通过改变输出电源的频率来对电动机进行调速控制。变频器的种类很多，主要分为两大类：交-直-交型变频器和交-交型变频器。分别叙述它们的工作过程以帮助了解变频原理。
1、1 交-直-交型变频器是先将工频电源转换成直流电源，再将直流电源转换成频率可变的交流电源，然后供给电动机，通过调节输出电源的频率来对电动机转速进行控制。
交-直-交型变频器工作原理：工频交流电源经整流电路转换成脉动的直流电，直流电再经中间电路进行滤波平滑，然后送到逆变电路，在控制电路的控制下，逆变电路将直流电转换成频率可变的交流电送给电动机，驱动电动机运转，改变逆变电路输出的交流电频率，电动机转速就会发生相应的变化。
1、2 交-交型变频器直接将工频电源转换成频率可变的交流电源并提供给电动机，通过调节输出电源的频率来对电动机转速进行控制。
交-交型变频电路一般只能将输入交流电流频率调低输出，而工频电源频率本来就低，所以交-交型变频器的调速范围很窄。另外这种变频器要采用大量的晶闸管等电力器件，导致装置体积大，成本高，故交-交型变频器使用远没有交-直-交型变频器广泛，因此应用的是交-直-交型变频器。
2、变频器应用于柱塞泵的意义
变频调速就是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，其基本原理是通过整流一稳压一逆变，把50 Hz的工频电源转换为频率可调的电源，应用于电机，从而达到调整电机转速的目的。
在柱塞泵上使用变频技术，就可以实现对泵的排量的控制。这样，在一定范围内，实际配注需要多少量，柱塞泵就排出多少量，消除泵的无效回流，改善泵的运行工况，降低对设备的磨损。而且通过使用变频器，可使电机平滑启动，方便的调节转速，在轻载、低频的情况下，还具有很好的节能效果。
3、现场应用情况
为保证设备可靠性，要求变频器在检修或损坏时，可用手动切换到工频运行，加设变频切换转换开关， 操作者可根据运转情况自由切换。考虑设备一用一备的特点，变频箱电柜设计有工频与变频，确保万无一失，保障了生产运行。采用变频器不但能使泵处在最佳状态，而且节约电能。
4、柱塞泵负载使用变频调速后可实现以下功能
4、1 变频器保护功能齐全，可实现过电压、过电流、低电压、缺相、过载荷、短路等故障发生时可以自动转换为工频状态运行，任何时候都保证柱塞泵正常运转。
4、2 实现软启动功能，使电机免受大的启动冲击电流。
4、3 运行可提高功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。
4、4 柱塞泵的转数可根据注水量大小，受频率增减可调，满足生产节能的需要。
4、5 可实现变频与工频的手动切换，保证设备的连续工作。工频与变频在转换时必须先停止运行，待电机完全停止运转后，才能进行转换和启动。
4、6 操作简便，通过控制面板，可查故障原因，显示输出电压，输出电流等。
4、7 变频器具有通讯功能，可实现远端集中，便于检测设备运行情况。
5、结论
5、1柱塞泵应用变频调速技术，可以有效改善系统工况，方便配注量的调节，而且可以节省电能，延长填料的使用周期，减小设备的磨损。
5、2变频器通过减小电机的电源频率实现降低电机转速，调节变频器输出频率，达到控制排量的目的，保证管压恒定，泵的排量降低，电动机的负荷也随之减小，这样电机输出功率减小，电机的效率有很大提高，电机损耗及电机输出功率得到减小，达到节能目的。
论文摘要：交流电动机固有的优点是：结构简单，造价低，坚固耐用，事故率低，容易维护；但它的最大缺点在于调速困难，简单调速方案的性能指标不佳，这只能够依靠交流调速理论的突破和调速装置的完善来解决。本文论述了交流调速传动的现状和发展
交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1 采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术
功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM 控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或 “PWM整流器”）。网侧变流器采用PWM控制的变频器称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。
随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE PWM）、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。 转贴于
2应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论
交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，VVVF控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控制理论中的各种控制方法也得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态性能，滑模（Sliding mode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。
3广泛应用微电子技术
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor--DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit--ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。
论文摘要：交流电动机固有的优点是：结构简单，造价低，坚固耐用，事故率低，容易维护；但它的最大缺点在于调速困难，简单调速方案的性能指标不佳，这只能够依靠交流调速理论的突破和调速装置的完善来解决。本文论述了交流调速传动的现状和发展
交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术
功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或“PWM整流器”）。网侧变流器采用PWM控制的变频器称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。
随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM技术。
2应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论
交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，VVVF控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控制理论中的各种控制方法也得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态性能，滑模（Slidingmode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。
3广泛应用微电子技术
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DigitalSignalProcessor--DSP）、专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit--ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。
[关键词] 变频器 泵调速 恒压供水 节能
据我司两条生产线统计资料，我厂现有约257台水(药品)泵（文章中全部简称为水泵）和54台风机在运行，总计年用电量可达约2000万度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，水泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。 近几年变频调速在供水系统发展很快，但在实际应用中仍然存在着较大的盲目性，导致节能效果不尽人意。本文针对变频器变频调速在工业水泵节能方面的一些看法。
1 变频器原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其外形及内部配线如图1、2。我司现在使用的变频器主要采用交―直―交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机，如图3所示。
从图3可以看到变频器主要由主电源进线回路、整流器、直流环节、逆变器、控制回路构成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGB三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率。在此顺便对其两个重要的元器件做些说明：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。在控制回路中装有控制卡，控制卡上有控制逆变器产生脉冲序列的微处理器，通过它可将直流电压转换成电压和频率可变的交流电压。
2 变频器控制方式
通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0、75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式有以下五种。
2、1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，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，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2、2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2、3 电流矢量控制（VC）方式
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电流Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），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。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2、4 直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。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等效为直流电动机，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。
2、5 矩阵式交―交控制方式
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，直流电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。由于矩阵式交―交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。 矩阵式交―交变频具有快速的转矩响应（
3 变频器在我司生产节能中的应用
在供水(药品)系统中，变频调速一般采用以下两种供水方式：变频恒压变流量供水和变频变压变流量供水。其中，前者应用得更广泛，而后者技术上更为合理，虽然实施难度更大，但代表着水泵变频调速节能技术的发展方向。我司生产线是由许许多多相互独立又相互关联的主要生产及辅助系统组成。在此章节中我以变频器在我司不同系统中的应用，按照其系统特性与作用的不同，具体论述一下变频器在一些典型系统中的应用，分以下三节：排污系统、恒压供水、变频变压(交流量)供水系统。
3、1在我司环境部门排污系统中的应用
我司环境部门排污系统的设备是全天候运转的，而且潜污泵是污水处理的核心设备，进出水泵房潜污泵扬程不一致，系统运行效率低。这是因为系统单机选型匹配不当、系数裕度过大和不合理的调节方式所造成。参数裕度过大由两方面造成：一是设计规范的裕度系数过大，“宽打窄用”；另一是系统中单机选型过大，向上靠档、宁大勿小。由于水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。经测算，当机泵的流量由100%降到50%时，若分别采用出口和入口闸阀的节流调节方式，则此时电机的输入功率分别为额定功率的84%和60%，而此时机泵的轴功率仅为12、5% ，即损失功率分别为71、5%和47、5%，这说明即使机泵的设计效率为100%，在不采用先进的调节措施时，其实际的运行效率可能只有百分之十几或更低。在节流调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。
解决这个问题方法是通过用变频器对潜污泵进行调速。单台变频器既可用于多台水泵软起动又可用于对某台水泵调速。这样既可以减小设备的投入, 又可以减小电机起动对电网的冲击电流影响。潜污泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动 / 停止时需开启 / 关闭闸阀来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜污泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启 / 软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。变频潜污泵的节电原理就是用调速控制代替闸阀控制流量，这是一个节电的有效途径。水泵的特性曲线如图4所示。在用闸阀控制额定流量 Q1 =100% 输出时，则轴功率 N1 与面积 AH1 OQ1 成正比，若流量减半 Q2 =50% 输出时，则轴功率 N2 与面积 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 减少不多，这是因为需要克服闸阀阻力增大出水压力所致。如果采用调速控制同样流量减半输出时，转数由 n1 降至 n2 ，按水泵参数比例定律画出 n2 时的特性曲线，C点为新的工况点，这时轴功率 N2 与面积 CH3OQ2 成正比，在满足同样流量 Q2 情况轴功能降低很多，节省的功率耗损 N 与面积 BH2H3C 成正比，可见节电效果十分显著。
3、2 在我司生产线恒压供水系统中的应用
（1）在我司生产线供水系统中，采用变频调速、微电脑控制器及逻辑控制元件可以达到管网恒压变量供水。下面以单台泵控制为例说明，如图5所示：压力传感器装于用户端管网上，用于检测用户端水压。压力设定值与所测管网压力在调节器中进行比较，其误差信号作为变频调速的速度给定。变频调速器输出频率可变的电力给水泵电机，使水泵转速相应变化。管网压力保证了恒定。
（2）但在我司生产线供水系统中多采用一用一备水泵运行方式，控制主回路见图6：
①变频器类型的选择要根据负载的要求来进行，泵类负载的转矩与转速成平方比，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型U/f变频器。泵类一般运转方式为连续型，变频器容量的计算式如下：
PCN≥KPM／ηCOSφ
PCN≥k√3 UMIM×10-3
ICN≥kIM
式中 PM――负载所要求的电动机的轴输出功率KW，
η――泵用电动机的效率（通常约0、85）
COSφ――电动机的功率因数（通常约0、75）
UM――电动机电压V
IM――电动机电流A，功频电源时的电流
K――电流波形的修正系数（PWM方式时取1、05-1、0）
PCN――变频器的额定容量KVA
ICN――变频器的额定电流
变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短，但泵类负载除起动外无瞬时过载问题，变频器传动时最大轴功率基本上等于电动机的额定功率。当泵低速运行时，散热能力变差，但温升不会有太大变化，对于最大轴输出功率无影响。对于交直交变频器，功率因数取决于谐波而不是电容含量。
②微电脑选择。恒压供水系统实际上是一个单闭环系统，微电脑控制器实际上是一个外置PID控制器，输出信号4―20mA，给定信号4―20mA，反馈信号同上。利用变频器内部PID，可以省掉调节器，压力传感变送器信号直接输入到变频器内。相应接线端子见变频器操作手册。也可外置PID调节器，如川仪GTZ―2100。
③压力传感器。选用HS950型合金薄膜变送器，二线4～20mA输出，测量范围0、2至0、8Mpa，电源24V。
④直流电源选择。选择KW1-24，输出24V，33A，或S-15-24，输出24V。直流电源供给压力传感器、微电脑控制器。因为压力传感器与微电脑控制器的视在功率很小，也可以选用PLC的24V直流输出端供电，
⑤给定信号的产生。 给定信号采用电位器RX-5，外部电源24V，或者采用变频器提供电源，以上都可输出4～20mA控制电流。根据设定压力产生的电流信号确定给定值。
变频器的输入功率因数比较高，根据电源侧的电抗情况，加入交流电抗器或直流电抗器，可以使变频器的功率因数达到0、92以上，与泵用电动机的功率因数0、85左右相比，节约电能也非常可观。采用恒压供水，水泵起动为软起动，对电路影响小，可以减小变压器的容量，可以减少机械传动的设备损坏，节约电能。特别适合负载周期变化特别大的场合，例如生活小区，白天与深夜的需水量就特别大。对于短时制的工作也非常明显。
3、3 在我司生产线变频变压(交流量)供水的应用
变压供水方式控制原理和恒压供水相同，只是压力设置不同。它使水泵扬程不确定，而是沿管路特性曲线移动(如见图7)。当流量由Q2Q1时，自动将转速调至n2，工况点处于B2点。此时水泵轴功率n2小于恒压供水泵轴功率N1。变压供水理论上避免了流量减少时扬程的浪费，显然优于恒压供水。但变压供水本质上也是一种恒压，不过将水泵出口压力恒定变成了控制点压力恒定，它一般有两种形式：
3、3、1 由流量Q确定水泵扬程
流量计将测得的水泵流量Q反馈给控制器，控制器根据H=H0+S•Q2确定水泵扬程H，通过调速使H沿设计管路特性曲线移动。但在生产实践中情况比较复杂。对于单条管路输水系统，是可以得到与之对应的一条管路特性曲线的。
3、3、2 由最不利点压力Hm确定水泵扬程
即需在管网最不利点设置压力远传设备，并向控制室传回信号，控制器据此使水泵按满足最不利点压力所需要的扬程运行、由于管网最不利点往往距离泵站较远，远传信号显得不太方便。
4 结论
⑴变频调速是一种应用广泛的水泵节能技术，但却具有较为严格的适用条件，不可能简单地应用于任何供水系统，具体采取何种节能措施，应结合实际情况区别对待
⑵变频调速适用于流量不稳定，变化频繁且幅度较大，经常流量明显偏小以及管路损失占总扬程比例较大的供水系统。
⑶变频调速个适用于流量较稳定，工况点单一以及静扬程占总扬程比例较大的供水系统。
⑷变频变压供水优于变频恒压供水。
参考文献
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