1、辽宁科技大学本科生毕业设计第 1页16SE70 变频器的应用摘 要最近几年，随着新型电力电子器件的不断涌现和计算机技术的飞速发展，高性能的交流电动机变频调速系统得到了广泛的应用，他的显著的节能效果和灵活的运行方式，给人们留下了深刻的印象。6SE70变频器是全数字电压型采用IGBT功率器件模块化结构的通用系列标准产品，其主要特点有整流单元带能量回馈制动、可以实现转矩限定、磁场定向控制、电机四象限运行、瞬间电源故障后的平衡回复以及自动加减速控制。错误自诊断等功能。并且具有低噪声、高可靠保护等特点。本论文首先简述了变频器在我国的发展和应用,讲述了变频调速的基础技术； 其次论述了西门子6se70变频器
2、在高炉卷扬机的原理及设计，以及在使用调试过程中所出现的问题及解决方案；并对系统的主电路以及实现控制的软、硬件进行了系统地设计。关键词：6SE70 变频器；变频调速；电动机； 高炉卷扬机辽宁科技大学本科生毕业设计第 2页26SE70 Inverter applicationsAbstractIn recent years, along with the rapid development of the new power electronic devicesand the computer technology, high performance ac motor frequency contr
3、ol of motor speedsystem has been widely used, and its remarkable energy-saving effect and flexible operationmode left a deep impression to people.6SE70 inverter is the digital voltage power generalseries of standard products which made use of device IGBT module structure , its maincharacteristic is
4、rectifier unit with feedback braking energy, it can realize the torque limit,magnetic directional control, motor four quadrant operation ,balance reversion after instantpower failure and automatic acceleration and deceleration. Error self-diagnose etc. Function.And it is low noisy and high protectab
5、le, etc. This paper firstly describes the development andapplication of inverter based technique in China, Then relates the transducer Siemens 6se70winch in principle and design of blast furnace and use the debugging process in the problemsand solutions; and systems to achieve control of the main ci
6、rcuit and the hardware andsoftware for the system design.Keywords6SE70 inverter; Frequency control of motor speed; Electromotor; Blast hoist辽宁科技大学本科生毕业设计第 3页3目录摘 要.1Abstract.21 绪论.51.1 课题研究背景. 51.1.1 变频器技术的发展动向.51.1.2 交流调速系统的发展.71.2 课题研究意义. 81.2.1 变频调速系统的应用范围.82 变频调速基本原理.102.1 变频器基本结构及工作原理. 102.2 变频
7、调速基本原理. 122.36SE70 变频器的应用特点.133 高炉卷扬机系统简介.153.1 高炉卷扬机工艺. 153.1.1 高炉卷扬机基本结构.153.1.2 高炉卷扬机工作特点.163.2 高炉卷扬机拖动系统要求. 163.2.1 料车的运动分析.163.2.2 卷扬机电动机运行状态分析.183.3 变频调速系统主电路设计. 193.3.1 输入输出电路主体功能设计.193.3.2 主电路抗干扰措施.213.3.3 对电动机及调速装置的要求.234 基于 6SE70 的交流调速系统设计.314.1 硬件系统. 314.1.1 主卷扬变频调速装置.314.1.2 电动机的选用.314.1
8、.3 变频器的选用.324.2 变频调速系统的运行. 334.2.1 系统配置.33辽宁科技大学本科生毕业设计第 4页44.2.2 外接控制端的配置及工作特点.344.2.3 参数设置.35结 论.37致谢.错误！未定义书签。错误！未定义书签。参考文献.38附录 A.39附录 B.47辽宁科技大学本科生毕业设计第 5页51 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 变频器技术的发展动向1）变频技术的发展过程从 20 世纪 60 年代后半期开始，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)、
9、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS 控制晶体管)、MCT(MOS 控制晶闸管)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的高速发展，为变频技术在交流电机调速的应用创造了有利条件。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，并创造出诸多优化模式，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 变频器开始投入市场，并得到广泛应用。
10、VVVF 变频器控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各种领域得到广泛应用。但是，在低频时，这种控制方式输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，易造成输出最大转矩减小问题。另外，其机械特性没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能还不尽如人意，因此，人们研究设计出矢量控制变频调速系统。矢量控制变频调速:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流 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 i、i，再通过转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下相当于直流电动机的励磁电流的直流电流 IM、 相当于与转矩成正比的电枢电流 IT。然后，仿照直
11、流电动机的控制方法，根据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。 矢量控制方法有划时代的意义。 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情况。辽宁科技大学本科生毕业设计第 6页61985 年，德国鲁尔大学的 Dcpenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术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。日前，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
12、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。直接转矩控制不需要将交流电动机化成等效直流电动机，省去了矢量控制中旋转变换等许多复杂计算；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，再生能量不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。因此，矩阵式交-交变频应运而生。矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，省去了体积大、价格贵的电解电容，能实现功率因数为 1，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
13、尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。2）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，出现了电磁烹饪器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭煲、变频洗衣机等。20 世纪 90年代后半期，家用电器依托变频技术，瞄准高性能和省电等。追求高速、高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等。电冰箱由于处于全天工作，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起的噪声，节能效果更加明显。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
14、耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速， 其节能效果较交流异步电动机变频又提高约 1015。 为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的 PWM 控制改为 PWM+PAM混合控制方式。即较低速时采用 PWM 控制，保持 U/f 为一定;当转速大于一定值时，将调制固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为 PAM 区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独 PWM 控制时有较大辽宁科技大学本科生毕业设计第 7页7幅
15、度的提高。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大幅度的快速冷冻;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； 电磁烹饪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频率之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声；IH 电饭煲得到的火力比电加热器更强，而且利用变频可以进行火力微调，只要合理设计加热感应线圈，可得到任意的加热布局，炊饭性能上了一个档次;变频微波炉利用高频电能给磁控管必要的升压驱动，电源结构
16、小，炉内空间更宽敞，新式微波炉能任意调节电力，并根据不同食品选择最佳加热方式，缩短时间，降低电耗;照明方面，荧光灯使用高频照明，可提高发光效率，实现节能，无闪烁，易调光，频率任意可调，镇流器小型轻量。变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。家用太阳能发电系统还将给家电增添新的能源。1.1.2 交流调速系统的发展直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生。在 20 世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能和高性能，可调速传动都采用直流电动机(以下均简称为直流电机)，约占
17、电气传动总容量 80%的不变速传动则采用交流电动机(以卜均简称为交流电机)，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早已有多种方案问世，并已获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到本世纪 70 年代初叶，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流调速系统，经过多年努力，到了 70 年代末，一直被认为是天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用。1一般性能的节能调速在过去大量的不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少
18、场合并非不需要调速，只是因为交流电机本身不可调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能白白被浪费掉了。更换成交流调辽宁科技大学本科生毕业设计第 8页8速系统后，可将消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均约可节能20%，效果相当可观。2高性能交流调速系统许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动。交流电机比直流电机结构简单，成本低廉，工作可靠，维护方便，转动惯量小，效率高，如果将直流调速改成交流调速， 能够带来亮许多效益。 由于交流电机原理上的原因,其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施行灵活的即时控制。 20 世纪 70 年代初发明的矢量控制技术(或称
19、磁场定向控制技术)，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，可以获得和直流电机相仿的高动态性能，使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制等方法，形成了一系列在性能上可以与直流调速系统相媲美的高性能交流调速系统。3特大容量、极高转速的交流调速直流电机换向器的换向能力限制了其容量和转速。其极限容量与转速的乘积约为106kWr/min,超过这一数值时，直流电机的设计与制造就非常困难。交流电机不受这一限制，因此，特大容量的传动，如厚板轧机、矿井卷扬机等，和极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1.2 课题研
20、究意义1.2.1 变频调速系统的应用范围1工矿企业行车设备变频调速系统桥式起重机（俗称行车）是工况企业大量使用的起重设备，从起重钢水包的大型行车到起吊工装模具的小型行车，数量众多。大多数公司都采用吊机专用变频器，设计出桥式起重机变频调速系统已在多家企业的行车上成功应用， 该系统还可配置无线遥控子系统和无线测量子系统，可在地面进行遥控操作，也可遥测起吊货物的重量，便于生产统计。2电厂锅炉风机水泵变频节电系统发电锅炉的风机和水泵一般为高压大容量设备，定速运行存在严重电能浪费问题。采用无电网污染高压大功率高压变频器后，多家电厂已成功改造锅炉风机和水泵设备，辽宁科技大学本科生毕业设计第 9页9如锅炉鼓
21、风机、锅炉引风机、锅炉送水泵、冷凝水泵、冲渣水泵、灰浆泵等。节电效果显著。这引起设备的变频改造还带来另外的好处，如引风机变频调速使炉膛负压更加稳定，灰浆泵变频调速能够保护灰浆泵电机，防止泵堵塞过载烧毁电机等。3自来水厂/污水处理厂变频节电系统自来水厂取水泵受江河水位变化的影响，供水泵受用户用水量变化的影响，均引起流量或压力的波动，影响供水质量。为取水泵和送水泵配置变频调速节电装置，使其根据江河水位或用户用水量的变化自动保持流量或压力稳定，不仅保证了供水质量，而且大量节省能源。自来水厂的取水泵一般为高压大容量水泵，采用高压变频器进行调速，节能尤其显著。污水厂深井水泵，爆气泵采用变频调速技术同样达
22、到较好的节能效果。4水泥生产线变频节电系统电费是水泥生产企业的主要生产成本之一， 实践证明水泥生产设备采用变频调速节能技术，可以极大地节省电能消耗，降低水泥生产成本。立窑螺茨风机、旋窑助燃风机、冷却风机、窑尾风机等变频调速系统，都具有极好的节能效果。空体转动机构，原料磨、煤磨、除尘风机等都可应用变频调速系统进行节能改造。5风机泵高低压变频节电系统油田、石油、化工、化纤、有色、建材、供水、煤气等国民经济各行业，有大量风机水泵应用。其中，有相当数量的风机水泵存在电能浪费问题。风机，水泵变频节电系统，结合工节，实现压力、流量、温度、液位等自动闭环控制，节能效果显着。在低压变频调速技术的基础上，应用先
23、进无电网污染高压大功率高压变频器，对高压大容量风机、水泵、压缩机的变频改造，节能效果十分显著。6塑料薄膜生产线变频调速系统塑料薄膜生产线上挤出机、 拖引机、 卷绕机等需要调速系统， 配以智能变频器为主，配置相应张力和卷曲控制软件。无需其它外部附件，即可实现塑料薄膜生产线的所有控制功能1。综上所述，变频调速系统的应用非常广泛，因此学习和研究变频调速系统具有非常重要的意义。辽宁科技大学本科生毕业设计第 10页102 变频调速基本原理2.1 变频器基本结构及工作原理变频器是能够分别连续改变频率和电压的电源设备。根据变换环节变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-交变频器是把频率固定的交流电变换
24、成频率连续可调的交流电的电源设备。主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2 以下。交-直-交变频器是先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电的电源设备。把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围内以及改善频率后电动机的特性等方面，交-直-交变频器具有明显优势。交-直-交变频器的基本构成为包括整流电路、中间直流环节、制动电路、逆变电路等的主电路和控制电路。其基本结构如图 2.1 所示。1整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成， 主要作用是对外部交流电源供应的工频电流进行整流，为逆变电路和控制
25、电路提供所需要的直流电源。图 2.1 变频器结构示意图2逆变电路逆变电路主要作用是通过逆变器中主开关器件的有规律地通与断， 输出可改变电压和频率的交流电。辽宁科技大学本科生毕业设计第 11页11常用的开关器件有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力场效应晶体管(MOSFET)、电力晶体管(GTR)、门极关断(GTO)晶闸管以及等。几种开关器件的结构如 2.2 所示。(a)GTR(b)MOSFET(c)IGBT(d)IGBT 等效原理图 2.2 几种电力半导体结构示意图在较早的逆变器中，所采用的电力电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低，调速系统主要采用调压与调频分别控制的方式，即相控整流器控制输出
26、电压的幅值，逆变器开关频率控制决定输出电压的频率。 这种调压和调频分别控制方式结构简单， 易于调整，但存在许多缺点：调速系统功率因数差，转矩脉动大，动态响应慢等。近年来，随着电力电子技术的发展，具有自关断能力的元件，如大功率晶体管 GTR和门极可关断晶间管 GTO，开始得到广泛应用，产生了一种新型的调压-调频综合控制技术脉宽调制技术及相应的 PWM 逆变器2。新型 SPW 逆变器， 均以 IGBT 为开关器件。 IGBT 融合了 GTR 与 MOSFET 的优点，具有容量大开关频率高等特点，IGBT 的平均开关频率能够达到 20 kHz。SPWM 逆变器能够同时完成调压和调频的任务。SPWM
27、逆变器采用的 SPWM(Sinusoidal Pulse widthModulation)方式，其原理如图 2.3 所示。采用参考正弦电压波与载频三角波互相比较，图 2.3 SPWM 调制方式原理图决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，而且还因采用不可控辽宁科技大学本科生毕业设计第 12页12整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率因数，特别是通过采用适当的调制方法，可以使变频器输出电压中谐波分量尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。3中间直
28、流环节逆变器的负载主要是异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1，因此，在中间直流环节与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要依靠中间直流环节的电容器或电抗器等储能元件来缓冲。中间储能元件采用大容量的电容，并联在直流环节上，电容两端的电压不能突变，因此，直流环节的电压比较稳定，相当于恒压源。中间储能元件改为一个大的串联电感，直流部分就相当于一个恒流源。根据中间电路储能元件的不同，变频器可分为电压源型和电流源型。4控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路等组成。主要任务是接受各种信号， 进行基本运算， 输出计算结果
29、， 完成对逆变电路的开关控制，对整流器的电压控制(可控型)以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。2.2 变频调速基本原理一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电时，将产生一个旋转磁场，其速度由定子供电电源频率所决定。磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流， 感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力。使转子跟随旋转磁场旋转1。交流电动机的定子旋转磁场的转速公式为:6011fnp(2.1)式中：1f
30、电源频率；p极对数。根据异步电动机转差率的定义辽宁科技大学本科生毕业设计第 13页131111nnnsnn (2.2)可知异步电动机转速表达式:601(1)(1)11fnsnsnnp (2.3)由式(2.3)可知，调节异步电动机的供电频率1f，调节转差率 s 改变磁极对数 p，均可以实现对交流电动机速度的调节，分别对应交流电动机的三种调速方式：变频调速、改变转差率调速和变极调速。变频调速调速范围宽，响应快，启动特性好，启动和正反转控制简便，运行经济，效率高，被认为是交流电动机合理且理想的调速方式。2.36SE70 变频器的应用特点6SE70 变频器是全数字电压型采用 IGBT 功率器件模块化结
31、构的通用系列标准产品。其主要功能和特点：整流单元带能量回馈制动，可以实现转矩限定、磁场定向控制、电机四象限运行、瞬间电源故障后平衡回复以及自动加减速控制，具有错误自诊断等功能，低噪声，高保护可靠等。6SE70 变频器的 PWM 调制脉冲形成环节，对于 VVVF 控制和矢量控制是相同的，该环节对于 VVVF 控制需要调制深度和频率两个输人量， 当采用矢量控制只是增加了一个关于转矩电流分量相对于定子总电流矢量夹角的相移调整量， 这就从原理上保证了加到电机上的三相电压的对称性。在矢量控制时，电机不会因矢量运算错误或定向不准确而导致脉振，这一特点也使得 6SE70 变频器能够在成组传动(一台变频器带多
32、台电机)中采用矢量控制，从而使传动系统的动态性能提高，在冶金行业轧机机前机后辊道、矫直机输人输出辊道的成组传动中，这一特点得到了的体现。在四象限运行的变频器中， 由于整流回馈单元的逆变绕组通过自藕变压器的高压侧再接入电网，逆变电路获得了高的交流输人电压，提高了换向能力和换向的可靠性，使得变频器获得了更高的有源逆变能力，保证了变频器制动运行时的快速性，2.4 图给出了按这种形式配置的 6SE70 变频器的电路原理图2。辽宁科技大学本科生毕业设计第 14页14图 2.4 6SE70 变频器的电路原理图辽宁科技大学本科生毕业设计第 15页153 高炉卷扬机系统简介3.1 高炉卷扬机工艺3.1.1 高
33、炉卷扬机基本结构1高炉的上料设备在冶金高炉炼铁生产线上，一般把按照品种、数量称量好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备，它是高炉供料系统的重要设备。主要包括料车坑、料车、斜桥、卷扬机或带式上料机。对于3 000 m以下的高炉或使用热烧结矿的高炉，目前还是以斜拉桥式上料机为主。料车上料机结构如图31所示。料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机三部分组成。图 3.1料车上料机整体布局图2料车式上料机料车式上料机结构紧凑，占地面积小，对于中小高炉，有足够的上料能力，能实现自动控制，并且运转可靠。料车上料机运动示意图见图32所示。辽宁科技大学本科生毕业设计第 16页16图3.2 料车上
34、料机运动示意图料车上料机的结构特点：工作工程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车厢自重。当上行或下行二个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且电机运转时，总有一个重料车上行，没有空行程。从而使得电动机总是处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。3料车机械传动系统在斜桥顶端主轨道的两侧，装有上升的辅助导轨。料车的两对前后轮不同，后轮的边缘两侧设有内外两个端面。当料车行到斜桥顶端时，前轮继续沿主轨下降，后轮则靠外踏面被上升的辅助导轨抬起，这个料车以前轮为中心倾翻，将料倒入受料漏斗中。料车的运动由卷
35、扬机通过钢绳(缆)传动。当卷扬机反转时，空料车依靠自重返回，另一个重料车上行。这套自卸料的动作，完全依靠机械的方式完成。3.1.2 高炉卷扬机工作特点料车卷扬机是料车上料机的拖动设备。 根据料车运动的工作过程，其工作特点是：(1)能够频繁起动、制动、停车、反向，转速平稳，过渡时间短：(2)能按照一定的速度图运行；(3)能够广泛地调速，调速范围一般为O535ms目前料车最大线速度可达38m s。(4)系统可靠工作。在进入曲轨段及离开料坑时不能有冲击，确保终点位置准确停车。3.2 高炉卷扬机拖动系统要求3.2.1 料车的运动分析1料车的运动辽宁科技大学本科生毕业设计第 17页17料车在斜桥上的运动
36、分为起动、加售速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段，整个过程中包括两次加速和两次减速。料车提升一次所需要的时间与料车的运动速度和加速度有关，其变化曲线如图3.3所示。图 3.3 料机车加速和加速度图t1时间内：料车起动，重料车开始上行，同时空料车开始自炉顶极限位置下行。此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。一般加速度l取0.20.4 ms。t2时间内：重料车上行并继续加速到最大速度，一般加速度2取0.40.8 mst3时间内：料车以最大速度v稳定运行。t4时间内：重料车进入卸料曲轨段之前的(第一次)减速时间，加速度为4取一0.40.8 mst5为重料车在卸料
37、曲轨段等速行走时间，速度为v4=l ms。t6为重料车第二次减速到停车时间，2300 m高炉上料要求钢厂300 m高炉的速度、加速度如图34所示。由图34知，料车提升一次所需时间为：t=tl+t2+t3+t4+t5+t6辽宁科技大学本科生毕业设计第 18页18图 3.4 料车速度和加速度要求式中：t1=0.780.3=2.6 s；t2=(3.5-0.78)0.6=4.17 s；t3=14.55 s；t4=(3.5-1.0)0.6=4.17 s；t5=6.16 s；t6=1.00.6=1.67 s；t=33.69 s。对于300 m高炉其料车卷扬机的技术参数为：料车载重量最大75 t，料车自重2
38、 t，卷简直径1 200 mm，减速机的传动比为2977：l，行程78 m。3.2.2 卷扬机电动机运行状态分析料车卷扬机是典型的摩擦性负载。料车在料坑段起动时，负载最大，l以65计算，2以50计算，当右料车满载从斜桥底部提升时，钢绳的拉力为：7.5sin659.81=66.71 kN这时左料车空载从斜桥顶部下放，钢绳的拉力为：2sin509.81=1501 kN卷筒的静力矩为：TL=Fd2=(6.8-1.53)1.22=31.02 kNm折算到卷扬机电动机轴上的负载转矩：TLTL=29.771TL= TL29.771000= 1.042 MNm当右料车带载上升时，电动机的电磁转矩要克服负载转
39、矩才能提升，起动时还要克服一定的静摩擦力矩。 电动的电磁转矩的方向与旋转方向相同， 故电动机处于电动状态，工作于第一象限。辽宁科技大学本科生毕业设计第 19页19当左料车带载上升时，电动机的电磁转矩仍要克服同样的负载转矩才能提升。电动机的电磁转矩的方向与旋转方向相同，只不过电动机旋转方向反了，所以电动机处于反向电动状态，工作于第三象限3。3.3 变频调速系统主电路设计主电路是指以传递功率为主要任务的电气回路。在变频调速系统中，主电路基本可以分为三个部分：电源输入、输出到电动机电路、制动电路。如图3.5所示主电路图。图3.5 系统主电路图3.3.1 输入输出电路主体功能设计1保护功能设计变频器本
40、身具备比较完善的保护功能，数字式控制的现代变频器尤其如此。在多数情况下,变频器能够对自身及电动机实现有效的各种电气保护。 在外部电路上的保护措施,主要以后备短路保护和防止绝缘检测损坏变频器的隔离措施为主。在主电路设置后备短路保护的目的有两个： 一个是对于逆变器后段短路提供后备保护功能，以免逆变器的瞬间电流保护失效时事故扩大导致严重损失。在直流回路上滤波电容和逆变器之间，装设有快速熔断器，这个熔断器也具有对逆变器及以后部分的保护能力。另外一个目的是对逆变器前段包括直流母线部分以及整流器前段的短路提供保辽宁科技大学本科生毕业设计第 20页20护，这部分电路发生短路时，变频器内没有切断短路电流的措施
41、。可以用自动空气断路器或者快速熔断器实现。自动空气断路器和快速熔断器在作为后段的后备短路保护元件方面作用相差不大，都不能有效保护逆变器，只能够在逆变器自身保护失效时防止故障扩大。两者的主要差别是短路发生在直流中间环节位置时，自动空气断路器不能对整流器实现有效保护，快速熔断器却有可能实现有效保护。变频器结构中，直流中间环节在变频器内部，在这个位置发生短路的概率很低，因此,断路器保护和快速熔断器保护在实际效果上差别不大， 采用自动空气断路器时主电路接线和故障的恢复操作都很简单，因此选择自动空气断路器作为短路保护元件。作为电力电子设备，变频器不能用常规方式进行绝缘检测。当电动机或者输出电缆需要进行绝
42、缘检测时，应断开变频器与输出电缆的连接。在变频器的输出侧设置一个隔离开关会使断开连接的操作比较方便。输入输出侧的隔离开关、 熔断器隔离开关或者负荷开关按照额定电流不小于变频器额定电流的1.2倍选择即可； 自动空气断路器本体按照额定电流不小于变频器额定电流的1.1倍选择，其短路脱扣器(电磁脱扣器或者电子脱扣器)电流按照开关的额定电流的3倍以上整定即可，其过载脱扣器电流按照开关的额定电流；快速熔断器熔体建议按照变频器样本推荐型号规格选择。2电源控制及切换功能设计电源控制指的是系统输入电路的开关控制方式和器件配置。 变频器输入侧接通电源到运行指令发出，应该有一段时间间隔。如果在需要起动时才合上输入电
43、源，则实际起动动作会延后，系统动作反应速度降低。所以，在系统准备运行前变频器就应该供电，中途短时停车时，电源也不必切断，在较长时间不运行时，是否要切断电源则由使用者习惯决定，若重点考虑防潮因素，则以长期带电方式为好，若想延长风机使用寿命，则较长时间不运行时可切断电源。采用自动空气断路器作为电源控制开关，偶尔需要切断电源时手动操作即可。电源控制器还有一个任务即承担紧急停车操作的任务。 变频器正常工作时停车方式有不同的设置，一般总能满足运行需要。进行紧急停车操作，常常是变频器或者PLC等设备失控的情况，为保证系统一定能够停下来，以切断输入电源最保险。紧急停车操作时，自动空气断路器能够承担切断电源的
44、任务， 在断路器上应该装设有分励脱扣器或者失电压脱辽宁科技大学本科生毕业设计第 21页21扣器来实现远程切断操作。分励脱扣器是正逻辑方式，分励线圈得电时产生脱扣动作，失电压脱扣器是反逻辑，线圈失电时产生脱扣动作。若系列故障断线，则失电压脱扣器动作，因此切除电源动作有保证，一般作为首选，但若电源本身经常有间断现象，则失电压脱扣器会误动作，这时以采用分励脱扣器更合适。恢复合闸需要手动操作。另外，电动机运行中被接触器切断供电时，电动机存储的电磁能量会在接触器的触头上产生电弧。电弧是强电场下空气被电离击穿产生的，因此，必然伴有过电压，这个过电压施加在逆变器的IGBT上可能造成击穿损坏，至少也对其使用寿
45、命有不利影响。因此，变频器运行时在输出侧用接触器切断电路使电动机停止运行的操作也是被禁止的。在需要进行输出电路切换时，切换电路的设计及动作顺序要求很严格，一方面要保证任何一瞬间变频器输出侧不能与工频电源或者其他变频器并联导通， 另一方面还要保证输出侧接触器切断电路时电路中已经没有负载电流流过。输入侧接触器负载特征介于电阻负载ACl和电动机负载AC3之间， 可按照接触器样本提供的AC3下的电流确定接触器电流，输出侧负载特征属于AC3，但由于它不承担切除负载电流功能，只考虑电流通过能力即可，因此，可以按照ACl来确定接触器电流，选择接触器样本提供的在ACl下的额定电流应不小于1.2倍变频器额定电流
46、。3.3.2 主电路抗干扰措施变频调速系统本身既是一个很强的干扰源，同时变频器也是对干扰敏感的电子设备，因此，抗干扰措施的设计对于变频调速系统的设计是一个重要的课题。1干扰的类型及危害变频调速系统的对外干扰主要在三个有足够功率流动的主电路产生， 即变频器的输入电路、连接在直流电路上的制动电路以及变频器到电动机的输出电路。(1)输入电路的干扰。输入电路产生的干扰主要有两方面：冲击干扰和谐波干扰。输入电路冲击干扰：为了提高系统的动态响应，总是希望系统有快速的转矩提升速度，这意味着变频器输出电流也有快速的变化率，高性能调速系统尤其明显。这个电流变化经过直流电路缓冲后也会反映到输入电路中去。输入电路是
47、与电网相连的，冲击电流进入电网后，一方面会引起局部电网电压的瞬时波动，另一方面会在感性负载上产生浪涌电压，形成干扰。输入电路冲击干扰主要危害连接在同一局部电网上有较高输入阻辽宁科技大学本科生毕业设计第 22页22抗的设备，例如，变频调速系统自身的控制电源等。输入电路谐波干扰：按照谐波理论分析，凡是非正弦波形的周期性变化曲线都包含谐波成分，曲线形状与正弦曲线差别越明显，谐波成分越大。用二极管三相桥式整流器为直流电路充电时，由于二极管的反向截止作用，只有当三相交流电的瞬时值高于直流回路电压时，桥臂中才有电流流过，因此，充电电流会成为断续的.在没有采取抗干扰措施时， 输入电路各相电流都是断续的， 与
48、等效正弦波差别很大，因此，其中有比较大的谐波成分。电流断续现象使整流器件中电流的瞬时值明显比有效值大，增加了整流器件的负担。谐波进入电网，对电网造成谐波污染，主要危害同一局部电网上对于谐波干扰敏感的电子设备，同时，电流有谐波而电压却基本没有谐波，谐波频率与基本频率不同，因此谐波电流的相位不总是与基波电压的相位一致，有无功谐波电流存在，使得输入侧等效功率因数大大降低。(2)输出电路干扰。脉宽调制方式在输出电路上产生的锯齿波状电流载波，如图3.6，相当于在正弦交流电流波形上叠加一个载波频率的正弦基波和它的一系列高次谐波。 这是一种频率很高幅值缺比较小的高频波。载波干扰有两个危害：一个是以输出电缆作
49、为发射天线产生的无线干扰，会干扰周围环境中对无线干扰敏感的电子设备，也可能干扰连接在变频器拟量端口上的检测元件，影响闭环调节的精度，严重时使调节控制无法进行。图3.6双极型单相三角载波脉宽调制原理示意图2.抗干扰措施辽宁科技大学本科生毕业设计第 23页23在输入侧加设交流或直流电抗器，利用电抗器压制电流变化率的特性，使输入电流由断续变成连续，抑制输入侧谐波干扰，也抑制外部对变频器的电压畸变干扰，同时，也有抑制外部对变频器的电压畸变干扰，同时也有抑制输入电路冲击干扰的作用。无电抗器时交流侧和直流侧电流都是断续的，有交流电抗器时交流侧电流连续了，直流侧电流则由交流侧三相合成，也是连续的。电流连续后
50、，实际电流与正弦曲线的偏差变小，谐波干扰被抑制了。大电感时电流波形更接近正弦曲线一些，抑制谐波的效果更好。加设交流电抗器，电流的最大瞬时值压低了，各相不平衡的差异也被抑制了，但各相电流有效值仍然会有差异。交流电抗器和直流电抗器都能够有效降低整流器件的电流瞬时值,都能够有效抑制冲击干扰,都能够有效抑制电网电压畸变对于变频器的干扰;都能够有效抑制变频器对于局部电网的谐波干扰， 但交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器;都能够改善电源侧功率因数使其接近于i，但直流电抗器的改善能力优于交流电抗器;都能够抑制电网三相不平衡的危机，但交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器.4-63.3.3 对电动机及调速装置的要
