四象限高压变频器的大功率负载应用研究

发布时间：2019-02-21 20:37

【摘要】：当今时代，工业的发展日新月异，各种先进技术得到了迅速的发展，随之而产生的高新技术产业也进入高速发展的时期。其中，变频调速技术的发展尤为突出，随着四象限高压变频器的问世以及其在各种大功率负载上的应用，使得变频调速领域有了更进一步的发展。四象限变频器能更好地实现能量的有效利用，中国的节能环保时代已然来临了。近三十年来，变频调速领域一般选用传统的交流变频器来进行交流调速，这种调速方式在很多方便具有显著优势：其性能稳定、结构相对简单，并且启动转矩较大调速范围广泛，在调速的精度、调节的速度以及节约能量等方面都有着很好的效果。由于变频调速技术在当今工业上的广泛应用，变频技术的发展就显得更为迫切了。在变频技术还不够成熟的时期，传统的变频器一般都是选用二极管来构成整流桥，实现交流电流到直流电的转换，最后，又将直流电流通过逆变技术转换成交流电流来带动负载运行，实现交流电到直流电再到交电流的转换过程。但是，由于这种传统变频器的三相不控整流电路是采用二极管做成的，其只能将电能从电网侧输送到电机，将电能转化为机械能，而无法将机械能转化而成的电能转送到电源上，，所以其无法实现能量的双向流动，因此这种变频器只能工作在电动状态，其被称为两象限变频器。在某些电动机能量需要回馈的系统上，例如矿山提升机、电梯、离心机等大功率负载运行场合，传统两象限变频器中的二极管整流桥还将会对电网产生严重的谐波污染。近年来，由于新的绝缘栅双极型晶体管——IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)的产生和脉宽调制技术——PWM（Pulse Width Modulation）的发展，产生了新型的高压变频器—四象限高压变频器。与传统两象限变频器不同的是，四象限变频器采用新的绝缘栅双极型晶体管——IGBT来做整流桥，由于IGBT功率模块能够利用高速运算能力的DSP产生PWM控制脉冲，所以，我们在使用四象限高压变频器的过程中既能够调整输入的功率因数，减小二极管整流桥对电网的谐波污染，又能够将电动机在反动过程中产生的能量回馈至到电网，从而真正实现了能量的双向流动。本次研究围绕四象限高压变频器在大功率负载工业领域中的应用进行展开，主要抓住四象限高压变频器在拓扑结构上的特点进行分析，首先对四象限变频器的结构和工作原理进行了详细的介绍，阐述了电机在四个象限的运行状态以及机械能和电能之间的能量转换和流动方向,其中详细介绍了四象限变频器与传统两象限变频器相比，其在变频技术上的突破以及其在工业应用中的优势。另外，结合电机在四个象限中的运行状态分析变频器在驱动电机进行四象限运行的过程中，整个系统中能量的流动方向。其次，主要阐述四象限变频器在煤矿斜井提升系统中驱动大功率负载电机工作过程中遇到的工程技术问题：在煤矿斜井提升系统中，电机的调速控制一般选用绕线式电机转子串电阻的方法进行，这样，在提升机进行煤矿提升的过程中：提升机下降过程中，势能转化为电动机的动能，电动机工作在第四象限处于反向发电的工作状态，此时转差功率以发热的形式消耗在了电阻上，造成了能源的大量浪费；另外，在变频调速的过程中，交流接触器需要频繁的进行切换，长时间的工作之后，其主触头比较容易熔化，设备经常出现故障。为了解决以上问题，本次试验结合四象限高压变频器在具有位势负载特性场合的应用优势，研究采用新的方法来减小转差功率消耗的能量。所以，本次研究在应用四象限变频器的基础上新增加了一套电力调速控制系统，该系统不需要串电阻进行调试，避免能量的浪费。同时，为了确保当该调速控制系统发生故障的时候能够快速的切换到原有的系统运行，所以本次试验还是保留了原有的电控系统以及串电阻的调试方式。通过本次研究的结果我们可以看到：采用上述方法后，与之前的串电阻调速方式相比，转差功率以发热的形式消耗在电阻上的那部分能量能够反馈至电网，次方式有效地实现了能量的双向流动，有效地节约了电能。但是，本次试验还存在一些缺陷：例如：由于整流器和逆变器没有很好的协调起来，所以整个控制系统不能根据电机的运行特性实现间歇性运行规律，这一问题有待后续研究完善。
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【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM921.51

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