中 高压变频调速系统与节能

近年来，随着中、高压大功率电力电子技术的快速发展，变频器的性价比越来越高，体积也越来越小。中、高压变频调速系统，以其优异的调速、起（制）动性能和高效节电效果，被很多行业的使用者认为是*有发展前途的调速方式。
风机和泵类在许多行业被称为流体机械，传统的操作方式是利用挡板或阀门开度的大小或放空的方法来调节风量或流量，其耗能大、经济效益差。目前，根据企业的工艺要求，通过调节频率降低电动机转速以减少风量或流量，由于风机和泵类在一定的条件下，功率与转速的三次方成正比，故低速时耗能大大降低，只要选择符合GB/T 21056—2007《风机、泵类负载变频调速节电传动系统及其应用技术条件》中规定的风机和泵类，合理地安装变频调速设备后，就能得到显著的节能效果。
胶带输送机因其运量大、运输效率高，广泛用于工业、农业、港口的煤炭、焦炭、铁矿石、石灰石、散化肥、粮食、散装水泥等的输送。虽然胶带输送机属于恒转矩负载，其变频节能效果不如二次方转矩负载的风机、泵类好，但由于上述散料运输生产的特殊性，胶带输送机满载的时间较短，采用大功率变频调速系统，在轻载或空载时，根据运量的变化动态地调频控制带速，其节能效果也是非常明显的。
随着节能减排的需要，我国早期使用的风机、泵类设备及胶带输送机都面临着设备变频调速节能的升级改造，市场潜力很大，应大力推广；对能调速和需要调速的风机泵类及胶带输送机的新建项目，建议直接采用变频调速系统，早投入，早回报。
以变频器、PLC、现场总线和现代控制技术为核心的中、高压大功率变频调速系统涉及的理论和技术，不但新且深而广。一些电气技术人员、管理人员对二次侧有延边三角形多绕组移相变压器的图样看不懂；对本身消耗电能的中、高压变频器用于调速并且还能节能不理解……因此，为他们在设计或选用电气线路提供必要的基础知识，为他们在节能改造时选择方法、参数和节能分析计算提供依据，也为普通电气施工人员、维修人员学习新技术，编写了本书。书中没有过多的数学公式推导、理论综述，而是结合实际的图表，讲述工作原理，给出选择方法和注意事项。在本书的写作中，总结并写出了我们积累多年的工作经验，查阅了许多文献资料，引用了大量的工程实例，在此对原作者表示敬意和感谢！
参加本书编写的还有陈丙祥、刘曾敏、王存龄、曾永捷、常青，在本书的编写中还得到机械工业出版社林春泉老师的大力支持和帮助，在此对她表示诚挚的感谢！
虽然愿望良好，但由于水平有限，书中难免有错误和不足，希望读者给与批评指正。

常瑞增
2020年8月中

本书介绍了中、高压交-直-交变频器的工作原理，对异步电动机的控制方式和选择；PLC按照工艺要求，操控系统中多台设备的起动、制动顺序，调节频率控制电动机的转速，对“工频运行”与“变频运行”的切换；现场总线和光纤网络实现双向、串行、多节点的数字通信，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统；变频调速系统在中、高压风机、水泵和平运、上运、下运、长距离以及港口胶带输送机系统的应用。本书图文并茂，辅以大量的工程应用实例，反映了目前国内中、高压变频调速系统与节能的*新应用水平。
本书可供从事中、高压风机、水泵和各种胶带输送机的变频调速系统设计人员、节能改造的技术人员、施工维修人员和能源管理岗位人员以及大专院校相关专业师生阅读。

多年从事供电设备设计、建筑电气设计，积累了丰富的实践经验。发表15篇文章，分别在“低压电器”“港工技术”“港口装卸” 刊登，在机械工业出版社、电力出版社出版两本图书。

前言
第1章中、高压变频调速系统中的变频器1
11中、高压变频器技术的发展1
111新型电力电子器件促进了变频器的发展1
112变频器随着控制理论技术的创新而发展2
113变频器应用微机新技术的发展3
114变频器应用现场总线和光纤通信技术的发展3
12中、高压变频器的工作原理和电路组成4
121中、高压变频器的工作原理4
122中、高压变频器的电路组成4
13直接变换方式（交-交变频）6
131交-交变频器的基本电路6
132交-交变频器的控制方式6
133三相交-交变频器7
134矩阵式交-交变频器8
14间接变换方式（交-直-交变频）8
141交-直-交变频器的基本结构8
142多脉冲二极管/晶闸管整流电路9
143(电流源型、电压源型)直流电路及再生制动10
144电流源型与电压源型变频器的性能比较及应用13
145多电平、多重化的逆变电路13
146控制电路13
147操作显示电路和保护电路14
15单元串联型变频器采用的移相变压器14
151采用隔离移相变压器输入的原因14
152移相变压器二次侧的延边三角形绕组15
153移相变压器的移相原理17
154多脉冲整流器用移相变压器示例17
16多脉冲变压二极管桥式整流器18
1616脉冲二极管桥式整流器18
16212脉冲二极管桥式整流器19
16318脉冲二极管桥式整流器21
16424脉冲二极管桥式整流器23
16536脉冲二极管桥式整流器25
17多脉冲变压晶闸管桥式整流器26
1716脉冲晶闸管桥式整流器26
17212脉冲晶闸管桥式整流器28
17318脉冲晶闸管桥式整流器30
17424脉冲晶闸管桥式整流器30
18高压变频器的多电平逆变器31
181采用多电平技术的原因31
182二电平电压源型10kV传动逆变器32
183三电平电压源型二极管钳位式逆变器的优缺点34
184三电平3kV等级逆变器及其拓扑37
185三电平6kV逆变器及其拓扑38
19中、高压变频器的多重化单元串联型逆变器40
191采用多重化单元串联型技术的原因40
192基于IGBT组成的多重化逆变器功率单元41
193多重化单元串联型6kV逆变器及其拓扑42
194多重化单元串联型10kV逆变器及其拓扑44
195多重化单元串联型高压变频器的星点漂移功能45
196多重化单元串联型高压变频器的优缺点49
110多脉冲整流、多重化逆变器高压变频器的结构实例49
111交-直-交变频器对异步电动机的控制方式52
1111变频器的U/f恒定控制52
1112用SPWM方法实现U/f恒定控制53
1113变频器的电压空间矢量控制55
1114变频器的矢量控制55
1115变频器的直接转矩控制56
1116变频器几种控制方法的比较57
112中、高压变频器的选择58
1121根据负载类型选择变频器58
1122变频器防护结构的选择59
1123变频器的输入输出参数60
1124变频器控制参数及过载能力的选择61
1125变频器输出电流的选择61
1126变频器容量的选择62
1127根据不同生产机械选择变频器66
1128根据技术参数对比选择变频器67
113中、高压变频器外围设备的选择70
1131变频器的外围设备70
1132真空断路器的选择71
1133真空接触器的选择73
1134热继电器的选择74
1135电气制动及制动电阻的计算选择75
1136交流和直流电抗器的选择77
1137EMC滤波器的选择79
1138变频调速电动机的选用79
1139调速运行频率变化对电动机的影响 80
11310变频电动机的特点及使用场合 81
11311Y系列电动机改成变频电动机的方法 82
114变频器的安装环境、电缆布线及选择、接地与使用82
1141变频器对工作环境的要求82
1142变频器安装柜的尺寸和通风量84
1143变频器与外围设备的布线原则86
1144变频器常用电力电缆的选择87
1145变频器专用电力电缆的选择90
1146变频器用控制电缆的选择90
1147变频器的接地91
1148变频器使用的注意事项93
115中、高压变频调速系统的节能95
1151变频器的负载类型与节能95
1152变频调速的节能 95
1153四象限变频器的能量回馈节能96
1154变频使电动机软起动（软停止）的节能96
1155变频器使功率因数提高的节能96
第2章中、高压变频调速系统中的PLC97
21PLC简介97
211PLC的硬件结构97
212PLC的硬件功能98
213PLC的软件结构101
214PLC的工作原理101
215PLC的基本特点102
216PLC的几种应用104
217PLC产品简介105
22PLC的梯形图及其绘制106
221梯形图与继电器控制电路的区别106
222梯形图的基本图形符号106
223梯形图的绘制108
224梯形图的绘制规则108
23PLC的基本程序指令和功能指令109
231PLC的助记符指令109
232PLC常用基本程序指令110
233基本程序指令控制电动机的正反转111
234定时器指令的功能113
235计数器指令的功能113
236PLC定时器与计数器的级联使用114
237置位与复位指令的功能115
238PLC的PID功能指令115
239PLC的通信功能指令117
24PLC的选择118
241估算I/O点数选择PLC118
242根据输入技术指标选择PLC119
243根据输出形式和技术指标选择PLC119
244根据用户程序存储容量选择PLC120
245根据现场对控制响应速度的要求选择PLC120
246根据PLC的专用功能指令选择PLC121
247根据通信要求选择PLC121
25PLC的安装及接线要求122
251PLC的安装要求122
252PLC的电源接线要求122
253PLC的输入/输出接线要求123
254PLC输入接口与电气元件的接线要求124
26PLC要求的工作环境及使用要点125
261PLC要求的工作环境125
262PLC的使用要点125
27PLC与变频器的连接126
271利用PLC的继电器输出模块与变频器连接126
272利用PLC的晶体管输出模块与变频器连接127
273利用PLC的模拟输出模块与变频器连接128
274利用PLC的输出寄存器模块与变频器连接128
275利用PLC的输出定位模块与变频器连接129
276PLC输入变频器触点信号的连接130
277利用PLC的现场总线接口与变频器通信连接130
278PLC与变频器配合使用时应注意的问题130
28PLC控制的工频与变频切换电路131
281工频与变频运行切换的原因132
282继电器控制切换的主电路和控制电路132
283继电器控制的工频和变频运行133
284继电器控制的变频器故障切换及处理134
285PLC控制的工频和变频切换图及参数134
286PLC控制的工频运行过程和梯形图135
287PLC控制的变频运行过程和梯形图136
288PLC控制的变频器故障切换及处理137
29工程实例：PLC控制4台胶带输送机的典型流程和梯形图138
291胶带输送机的构成和控制功能要求138
292PLC的I/O表分配和外围电路139
293胶带输送机的程序流程图及说明140
294胶带输送机起动的梯形图及说明141
295胶带输送机停止的梯形图及说明143
296胶带输送机故障的梯形图及说明144
297胶带输送机检修的梯形图及说明145
298系统调试145
第3章变频调速系统中的现场总线和光纤网络146
31变频调速中常用的现场总线146
32支持常用现场总线通信的变频器和伺服系统148
33RS-232C和RS-485的串行通信基础149
331RS-232C和RS-485串行异步通信数据格式149
332连接握手、确认和中断150
333串行通信的软件设置150
34RS-232C串行通信接口技术150
341RS-232C串行通信接口标准150
342RS-232C接口端子的机械特性151
343RS-232C接口端子的电气特性152
344RS-232C的传输距离152
345RS-232C的传输控制153
346RS-232C电平转换器153
347RS-232标准的不足154
35RS-485串行通信接口技术154
351RS-485串行通信接口标准154
352RS-485接口端子的电气特性154
353消除RS-485共模干扰的方法155
354RS-485的传输速率与传输距离155
355RS-485网络拓扑156
356RS-485上匹配终端电阻的设置158
357RS-485通信距离的延长159
358RS-485采用的通信线和挂接设备数量160
359RS-485和RS-232C主要性能的比较160
3510RS-485和RS-232C之间的转换模块160
36PROFIBUS现场总线161
361PROFIBUS协议结构161
362PROFIBUS的存取协议163
363PROFIBUS的FDL帧结构165
364PROFIBUS设备数据库文件167
365PROFIBUS的总线控制系统168
366PROFIBUS-DP的控制和系统行为169
367PROFIBUS-DP控制的诊断功能和接口配置171
37PROFIBUS的传输技术171
371用于PA的IEC 1158-2传输技术171
372用于DP和FMS的RS-485传输技术173
373PROFIBUS的光纤传输技术173
374PROFIBUS支持的光纤传输距离和光缆敷设174
38变频器和PLC用现场总线进行通信与控制175
381变频器和PLC采用RS-232/485接口的通信控制175
382用PLC的CPU内置的PROFIBUS-DP接口和变频器进行通信联网176
383通过集成在 PLC的CPU内的MPI接口进行数据通信178
384通过PLC的通信模块进行点对点的数据通信179
385通过PLC的通信模块接到PROFIBUS或工业以太网的数据通信179
39通过总线桥与PROFIBUS通信的变频调速系统180
391PROFIBUS总线桥180
392PROFIBUS转RS-232/485设备总线桥181
393PROFIBUS转MODBUS总线桥185
394PROFIBUS转条码扫描器SCANNER总线桥189
395PROFIBUS转CAN总线桥189
396PROFIBUS的B系列总线桥通用部分190
310通过OLM转换为光缆通信的变频调速系统195
3101ROLM工业光纤链路模块的功能196
3102ROLM工业光纤链路模块的拓扑结构 196
3103ROLM产品型号和订货号定义 197
3104PROFIBUS工业光纤链路模块198
3105MODBUS/485/422/232工业光纤链路模块200
3106Device Net/CANopen/CAN工业光纤链路模块201
3107ROLM工业光纤链路模块的有关硬件说明202
3108ROLM的通信接口、电源接口和故障输出204
3109ROLM产品尺寸及安装206
311变频器、PLC和现场总线组成的变频调速系统208
312PROFIBUS-DP和OLM在长距离胶带输送机监控系统中的应用210
3121监控系统概述210
3122监控系统配置的硬件和OLM网络211
3123系统PROFIBUS-DP和WinCC软件的设计212
3124控制流程简介212
第4章风机泵类变频调速系统与节能213
41风机的基本参数和特性曲线213
411风机的基本参数213
412风机的Q-H特性曲线214
413风机的工频运行特性曲线215
414改变风机转速调节风量的特性曲线215
415风机变频运行的特性曲线216
42水泵的基本参数和特性曲线216
421水泵的基本参数216
422水泵的扬程、管阻和工作点的特性曲线218
423相同离心泵并联的特性曲线219
424水泵的变频恒流量控制特性曲线220
43风机泵类电动机变频调速的节能运行 221
431变频调速是风机泵类节能降耗的*选择221
432风机泵类电动机变频调速节能效果的分析221
433风机泵类负载变频调速传动系统控制的分析223
434风机泵类负载应用变频调速节能的条件223
435风机变频调速时节电率计算的方法223
436多泵联合高压变频恒压供水的节电特点225
44离心风机及泵类对变频器选择的要求226
441对离心风机及泵类变频器选择的基本要求226
442选择6kV离心风机泵类变频器的基本要求227
443选择10kV离心风机泵类变频器的基本要求228
444风机泵类变频器和通用变频器的主要区别228
45风机泵类变频器的PID运行228
451PID 控制器的结构及基本原理228
452数字PID控制算法229
453变频器内置PID功能230
46风机泵类专用变频器介绍231
47工程实例1：峨胜水泥循环风机、排风机采用高压变频软起动和变频调速节能233
471循环风机、排风机改变频调速的必要性233
472风机所选高压变频调速系统的优点234
473风机所选高压变频调速系统的运行方式234
474采用高压变频调速的节能效果和附加经济效益235
48工程实例2：某电厂高压鼔风机组的变频调速节能升级改造236
481变频改造的3#机组系统简介236
482电厂高压鼔风机组节能升级的改造方案237
483电厂高压鼔风机组日平均电力负载计算237
484电厂高压鼔风机组节能效益分析238
49工程实例3：阿舍勒铜矿主通风机的高压变频调速改造239
491铜矿主通风机采用高压变频调速方案的原因239
492一拖一与一拖二方式的比较选择239
493一拖二方式的变频起动和运行节能效果240
410工程实例4：太钢电炉除尘风机的变频调速节能改造241
4101电炉除尘风机采用变频调速的必要性241
4102除尘风机采用的10kV变频调速系统介绍242
4103除尘风机采用高压变频调速后的特点243
4104除尘风机变频调速的节能分析243
411工程实例5：金隅水泥熟料生产线风机的变频调速改造243
4111变频调速改造前风机性能和运行工况243
4112风机变频调速改造的必要性244
4113风机变频调速改造的具体措施245
4114风机变频调速改造后的经济效益和节能效果247
412工程实例6：遂宁市自来水二厂变频恒压供水系统247
4121工程简介247
4122变频恒压供水系统的计算机监控248
4123变频恒压供水的循环投切方案及节能效果248
413工程实例7：高压变频器在电厂循环水泵上的节能应用250
4131电厂循环水泵变频调速改造的必要性250
4132循环水泵变频调速的原理251
4133循环水泵变频调速改造控制方案251
4134变频器一拖二的控制主电路252
4135循环水泵变频运行故障时的控制过程253
4136循环水泵变频调速改造的节能效果253
414工程实例8：引滦入津工程水泵高压变频调速的改造254
4141引滦入津工程254
4142高压变频调速改造方案255
4143一号泵变频调速的节能原理255
4144一号泵高压变频调速的节能效果256
4145一号泵高压变频调速的经济效益评价257
第5章平运胶带输送机的变频调速系统与节能258
51胶带输送机及其特性258
511胶带输送机258
512胶带输送机的负载特性与机械特性259
513胶带输送机张力特性与软起动特性 259
52胶带输送机对驱动的要求和典型布置261
521胶带输送机对电力拖动的一般要求261
522钢绳芯胶带输送机电力拖动的典型布置262
53胶带输送机配变频器驱动是发展趋势263
531直接驱（起）动263
532绕线转子异步电动机转子回路串电阻驱（起）动 263
533笼型异步电动机配液力耦合器驱动264
534笼型异步电动机配CST驱动266
535笼型异步电动机配变频器驱动267
54胶带输送机的综合保护269
55运送物料重量变化时胶带输送机的节能控制271
551胶带输送不同负载情况下运行物料的重量变化271
552驱动电动机轴功率的计算271
553平运型和上运型胶带输送机的节能计算275
554跟随运量（重量）变化自动调速节能的依据276
555按运送物料重量动态变频调速节能的控制流程27