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山东大学本科生毕业设计（论文）第一章 概 述随着机械技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，机械技术、微电子技术和信息技术的相互渗透也越来越快。要实现系统或产品的短、小、轻、薄和智能化，达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性的目的，机械与电子结合就成为了现代科技发展的趋势。对于风机的自动测控系统就是一个机械电子结合的范例。1.1风机1.11风机简述风机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械,它是用来提高气体压力,并输送气体的机械, 它是一种从动的流体机械。风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，压缩机以及罗茨鼓风机，离心式风机,回转式风机,水环式风机,但是不包括活塞压缩机等容积式鼓风机和压缩机。气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械转换为气体压力能和动能，并将气体输送出去的机械。风机按工作压力提高的程度来分,可以分为四种：1） 风扇(250kPa或压比3.5)压缩机的压比又称压缩比，是压缩机出口与进口处气体压力之比。风机使用面广，种类繁多，被广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 1.12 风机历史风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风机，结构已比较完善了。1892年法国研制成横流风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100300帕，效率仅为1525，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风；1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了发展。1.13 风机分类1.风机按使用材质分类可以分好几种，如铁壳风机（普通风机）、玻璃钢风机、塑料风机、铝风机、不锈钢风机等等2.风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。 3.风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。 4.风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。 5.风机按照加压的形式也可以分单级、双级或者多级加压风机。6.风机按照用途划分可以分为：轴流风机、混流风机、罗茨风机、屋顶风机、空调风机等。7.风机按压力可分为低压风机、中压风机、高压风机。1.2风机测试系统的发展由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程。目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风饥时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求如压力，流量，转速，功率噪声，可靠性等。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。并且在电气拖动设备的运行过程中, 经常遇到这样的问题, 即拖动设备的负荷变化较大, 而动力源电机的转速却不变, 也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍, 浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行, 不仅可以满足生产的需要, 而且还能降低电能消耗, 延长设备的使用寿命。鼓风机系统采用变频调速, 并应用PLC或者单片机构成风压闭环自动控系统, 实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量, 即满足了生产需要, 又达到了节能降耗的目的。由此可见，风机性能测控系统对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。虚拟仪器(VI)技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用IO接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果，在此基础上，构成一个具有完整测试功能的计算机仪器系统，即虚拟仪器。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据用户的要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，目前，虚拟仪器技术在许多领域都得到广泛应用。1.3基于虚拟仪器的风机测试系统现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。所以，为提高风机性能试验测试系统的性能，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机性能试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、仪器技术的结合(即虚拟仪器)，设计一种具有如下特点的计算机辅助风机性能自动测试与分析系统。(1)自动采集风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准。(2)自动控制风机转速。(3)自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。(4)自动绘制风机性能曲线。(5)系统界面友好，操作方便，便于用户使用。论文的主要任务是以虚拟仪器为设计目标，选用适合的测试手段与测试方法，进行风机性能试验台的软硬件设计，实现试验数据自动采集与数据处理并最终生成风机性能曲线。 第二章 系统总体方案的设计2.1风机性能测试方法本文针对中、小型风机性能测试的研究，充分利用原有的风室型出口式风机性能试验装置，融入现代虚拟仪器技术，通过虚拟仪器的DAQ数据采集模块，建立了一套基于PC机的风机性能自动采集系统。该系统能自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。2.1.1风机主要性能参数风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。(l)流量:单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量Q表示，其单位为“耐/s”或“m3/h”。严格地讲，风机的流量，特指风机进口处容积流量。(2)全压:单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压，以P表示，单位为Pa。(3)轴功率:原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以p表示单位为kw。 (4)有效功率:单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，单位为kw。(5)效率:风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。(6)转速:风机轴每分钟的转数称为转速，以n表示，单位为r/min。风机的各性能参数一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种，包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。(7)有因次性能曲线:将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。(8)无因次性能曲线:为了选择、比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤为广泛。2.1.2风机性能测试装置风机性能试验装置分为风室式和风管式两类。风室式试验装置由流量测试管路、风室、辅助通风机、流量调节器和整流器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置;风管式试验由测试管路、流量调节装置、整流装置及锥形连接管等组成，根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。(l)进气试验:这种布置形式只在风机进口装设管道，如图2-1所示。气体从集流器l进入吸风管道2，再流入叶轮3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管5和静压测管6。(2)排气试验:这种布置形式只在风机出口设置管道，如图2-2所示。气体从集流器1进入叶轮2，由叶轮流出的气体从排风管道3流出，用出口锥形二冷流门4调节流量，并在管道上装设静压测管5和毕托管6。(3)进排气联合试验:这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图2-3所示。气体由集流器1进入吸风管2。经叶轮3流入排风管道4，然后排出，在出口装一锥形节流门5调节风量，并在进出口管道上装设静压测管6和毕托管7。在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。由风机性能试验方法可以看出，风机性能试验应主要完成试验数据的测量、风机试验台的控制、风机性能参数的计算和风机性能曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部分功能自动实现是系统设计的关键。2.2虚拟仪器技术及其应用2.2.1虚拟仪器概述20多年前，美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出“软件即是仪器”的虚拟仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，如表2-4，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。表2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、仪器间相互配合较差关键是软件，系统升级方便关键是硬件，升级成本高，不方便价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护费用高技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。 专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21 世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命。2.2.2基于虚拟仪器的测试系统基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与分析系统的实例，本课题采用虚拟仪器技术对风机性能试验中试验数据自动采集、风机工况自动调节、试验数据自动处理等进行研究，研制一套风机性能计算机自动检测与分析系统，以实现试验过程的自动化，解除以往人工试验的繁琐过程，且消除试验过程中测量及计算误差，提高试验结果的可靠性。为适合现代测试系统的要求，需进行风机试验台的改造并设计适合的测试手段与测试方法，即进行系统总体方案的设计。由风机性能试验的过程可知其测试系统主要完成以下工作:风机性能参数的测量，风机运行工况的调节，风机转速的控制，风机性能曲线的绘制。2.3风机测试系统的总体方案主要研究内容有：设计风机整体机械构架，系统硬件部分是整个测试试验的基础。在系统中，硬件部分主要由风机、风管、电动机、传感器、步进电机、流量调节挡板、变频调速器、计算机、数据采集板等组成。硬件设计主要完成了风机工况的调节、风机转速的调节、风机各试验数据的采集等工作。其中风机工况的调节利用了原有系统，风机转速的调节采用变频器实现。设计并选择传感器（检测风机基本运行参数），试验数据的检测所采用的测量仪器多为传感器。系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号。选用数据采集板卡，通过数据采集板获取数据在虚拟仪器中又称为PCDAQ(Data ACquisition数据采集)式仪器。数据采集板作为仪器系统硬件的主要组成部分，是外界电信号与PC机之间的桥梁。它不仅具有信号传输的功能，还具有信号转换和译码的功能。软件控制与处理显示（利用LABVIEW编制程序对传感器检测到的信号进行处理及显示）。系统功能：自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。系统总体结构如图2-1。1）根据拟定工作环境和工况设计风机整体机械结构；2）风机性能测试的方法选择进排气式测试方法；3）风机全压采用电容式压力传感器测量；4）风机流量通过法兰式标准板孔压差测量装置采集压差信号，在通过换算得到风机流量；5）风机的转矩与转速采用在电机与风机之间安装转速与转矩测量传感器装置；6）传感器与计算机之间的通信采用虚拟仪器产品：PCI数据采集板卡（虚拟仪器DAQ数据采集模块）；7）风机的转速的调节采用PCI数据采集卡对变频器进行控制进而实现调速控制；8）信号的处理、分析、显示、控制采用虚拟仪器软件Labview。压差传感器PCI数据采集板卡静压传感器扭矩、转速传感器大气压力、温度、湿度变频器电动机风机计算机图2-4 系统总体示意图第三章 风机硬件系统的设计3.1风机主体硬件结构的设计具体机械硬件结构设计内容：1、根据功率选择电动机 2、连轴器的选型 3、渐开线鼓风箱的设计计算 4、风机叶片的设计与选型 5、风机进风管的设计计算 6、风机轴承的设计计算及选型7、风机变频器的选择与设计8、压力与压差传感器的选型与设计安装位置9、数据采集板卡的选择进风调节柄进风管压力传感器风管支座鼓风室联轴器出风口叶片后支座电动机转速 转矩传感器风机机械结构如图3-1图3-1风机机械结构示意图3.2风机机械结构的设计计算3.2.1风机主要性能参数的确定1、 流量qv根据风机拟定的工作环境选择qv=88.93m3/s。风速选择为：近风口v=715m/s，出风口v=1030m/s。2、 压力Ptf风机全压为 Ptf=49kp。3、 工作介质干燥空气：=1.293kg/m3M=28.967kg/kmolR=0.28713kg/(kg k)Cp=1.005KJ/(kg k)C1=0.716KJ/(kg k)K=Cp/C1=1.404、 转速初选电机型号为：Y100L2-4电机 N=1430r/min。5、 功率初选电机的功率为3kw 风机效率一般为80%90%。3.2.2风机工作轮的设计计算与选型初选叶轮大径D2=0.405m作为设计基准。叶轮如图3-21、 风机叶轮周速：2、 风机全压系数：图3-2风机叶轮示意图3、 风机流量系数：4、 风机的比转数： 5、 风机进口轴向速度：6、 风机进口当量直径：7、 内孔直径：其中Nah =8。8、 风机叶轮轮毂外径：9、 风机工作轮进口直径：10、 风机工作轮密封处外径：11、 风机叶片进口直径：12、 风机叶片进口线速度：13、 风机叶轮叶片数： 14、风机叶片厚度：根据以上计算可以通过风机设计手册选型为 S1064.25 叶轮，并且确定为型轴盘。3.2.3风机进出气机壳的设计计算与选型1、 蜗室横截面积当量直径的计算： （式3-1）2、 风机进风管直径： 长度：L=3500mm。3、 风机近风口的选型：根据风机设计手册选择 ST0701043.2.4风机传动组的设计计算1、 风机主轴的设计计算根据以上已经选择的风机叶轮与轴盘，选择轴的最小直径为d=32mm.轴的强度计算：（1） 叶轮的质量(前盘曲面略看作直面计算)叶轮轴盘因为选用的为4c型 型轴盘 查风机手册可知：因此可以计算叶轮总质量为：（2） 风机叶轮转速N=1430r/min（3） 风机主轴的最大弯矩以及最大转矩的计算 主轴的最大弯矩的计算，主轴受力如图3-3。作用在风机主轴上的主要作用力是叶轮重力与其不平衡力，叶轮经过平衡后，仍有允许的残余不平衡重力。该重力可以造成风机叶轮重心与主轴旋转中心线有一定的偏移距离。此距离一般为：。为安全起见，计算时取：，因此，由于叶轮重心与主轴旋转中心线不一致产生的不平衡力F1 为： （式3-2）图3-3风机主轴受力示意图叶轮重力与其不平衡力之和：轴端与联轴器重力之和：轴承之间轴的重力：主轴与叶轮连接处轴的重力：图3-4风机主轴受力弯矩图主轴支撑座反力计算：主轴弯矩计算：主轴弯矩如图3-4风机主轴的转矩计算风机主轴的复合应力风机主轴的材料选用45钢， 查得其许用扭转切应力-1=155MPa ， 许用弯曲应力-1=275MPa。主轴扭转切应力为：主轴的最大弯曲应力为：按照第三强度理论计算风机主轴的最大复合应力：（4） 风机主轴刚度校核计算 风机主轴的弯曲刚度校核计算图3-5主轴阶梯主轴的当量直径：图3-6主轴挠度示意图弯曲挠度：主轴挠度如图3-6偏转角：风机主轴的扭转刚度的校核计算 （式3-3）其中：T为扭矩 T=20.04N mG为钢的剪切弹性模量 Ip 为主轴的截面的极惯性矩 （5）主轴的临界转速的计算所以风机主轴运转安全。3.2.5风机叶片强度计算因为在此设计的风机叶片与叶轮前后盘的连接为焊接，所以叶片的最大弯矩应产生在梁的两端。叶片受力如图3-7。当叶轮以角速度旋转时单个叶片因本身质量产生的离心力F为： （式3-4）其中=7.85103 kg/m3为叶轮角速度 b为叶片长=141mm L为叶片宽度=82mm 为叶片厚度=3mm R为叶片重心到叶轮中心的距离=296mm C=2 钢的C=86.08n2 。图3-7风机叶片受力示意图如图叶片的重心假定在叶片工作面的O点，将F分解成沿叶片的法向力F1和切向力F2。叶片在F1和F2的作用下，在相应的方向弯曲。由F2产生的弯曲应力，因叶片的抗弯截面模量大，故可忽略。只计算F1产生的弯曲应力。叶片弯矩如图3-8。叶片的抗弯截面模量为：叶片的最大弯矩：图3-8叶片受力及弯矩图叶片的最大弯曲应力：3.2.6风机轮盘的强度计算1、轮盘本身的离心切应力2、叶片离心力在圆盘中心产生的应力 （式3-5）半圆盘重心所在半径半圆盘的离心力 单个叶片的离心力所以后盘共计最大切应力3.2.7轴盘材料的选用计算与轴盘上铆钉强度的校核计算1、轴盘材料的选用计算轴盘最大直径d处的线速度为：所以线速度小于30的轴盘选择一般灰铸铁 HT250。图3-9轴盘2、后盘与轴盘之间的铆钉强度计算（切应力计算）轴盘上的转矩为： （式3-6）在铆钉分布的圆周半径R上，铆钉所受的切应力为： （式3-7）铆钉初选材料为Q215，Z个铆钉所承受的平均切应力为：3.2.8风机联轴器的选型与校核计算由于风机的工作环境为载荷较小、冲击较小，因此可以选择刚性土缘联轴器。风机电机的输出的功率为：3KW 风机输出转矩为：T=20.04N m。1、联轴器的计算转矩 （式3-8） KA为风机的工作工况系数鼓风机工作转矩变化小，即为透平空气压缩机械。并且原动机为电动机，因此可选KA为1.5。2、风机联轴器型号的确定与校核从GB/T4323-84中查得GY5型刚性凸缘联轴器的许用转矩为400Nm。许用最大转速为8000r/min。适合轴径为32mm。故合用。3.2.9键的强度校核计算1、风机主轴轴径为：32mm，根据国家标准轴径在3038mm中，选择的键的规格为：b*h=10*8,从键的长度系列中选择键的长度为L=45mm。2、键的强度计算最脆弱的联接端为轴盘（灰铸铁）其许用强度为5060Mpa。所以键连接部分满足要求。3.2.10滚动轴承的选型与校核计算1、滚动轴承的选型因为风机主轴的轴端为风机叶轮，所以主轴为一悬臂梁径向载荷较大而轴向载荷较小。风机要求的转速不是很高。因为主轴轴端承受悬臂力，所以要求轴承有一定的调节主轴弯曲的能力。综上，可选择调心辊子轴承，根据轴径可选择22209轴承。2、轴承的寿命计算 （式3-9）n为轴承转速n=1430r/min。C为轴承的基本额定动载荷为指数，球轴承为3，对于磙子轴承为10/3。P为轴承载荷，在这里既为径向载荷，在前面计算的轴的载荷时已经计算过为216.18N。风机长期连续工作机械，可选预期寿命为：轴承应具有的基本额定动载荷为：因此，所选轴承满足要求。3、轴承的润滑方式的选择因为dn=32*1430=45760mm/r min-1 。所以选择油脂润滑方式。3.3风机转速调节装置的设计3.3.1总体设计在风机测试过程中，要求风机的转速不变。但是在实际应用当中，风机需要有不同的转速，当然也是为了节能方面的考虑。因此，对风机的交流异步电机的调速就是对风机的调速过程。随着新型电力电子器件的发展，交流变频调速技术已经崛起，它几乎和计算机控制一样，成为了现代交流传动调速技术领域的主要标志之一。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。变频器调节风机转速原理如图3-10。图3-10风机转速调节装置流程图3.3.2风机变频调速控制设计3.3.2.1交流变频调速的优异特性(1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源|稳压器，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。3.3.2.2变频调速原理变速调速也称为变频调速系统，它主要由变频器和控制器两大部分组成。变频调速的基本原理是根据电动机转速与输入频率成比例的关系，通过改变供给电动机三相电源的频率值来达到改变电动机转速的目的。 1、变频器 变频器的作用是将所接收的三相电源（如380V，50Hz）转换为频率可调节的三相电源。变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。直接变频为交交变频；间接变频为交直交变频。间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。 交直交频器由顺变器、中间滤波器和逆变器三部分组成。顺变器就是整流器，它是一个晶闸管感想一桥式电路，其作用为将定压定频的交流电变换为可调直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相桥式整流电路，但它的作用与顺变器相反，综将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要部分。 2、控制器 控制器是根据变频调速的不同方式产生相应的控制信号，控制逆变器中各功率开关元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。控制器有二种控制方式：一种是以各种集成电路构成的模拟控制方式；另一种是以单片机、微处理器构成的数字控制方式。市场销售的微电脑变频器，就是使用单片微机或微处理器为控制核心的变频器。 决定功率开关器件（如晶闸管）动作顺序和时间分配规律的控制方法称为脉宽调制（PWM）方法。用这种方法通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值；通过改变调制矩形脉冲波形的频率（或周期）可以控制交流基波电压的频率。控制器输出一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲，用此脉冲电压去触发逆变器中的功率开关器件，起到了功率放大作用。由于各个矩形脉冲波下的面积接近于正弦波下的面积，因此，逆变器的输出电压就接近于正弦波，这样就能满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。3.3.2.3变频器控制在此选择交流变频器型号为：RNB3000 电机为Y100L2-4主回路端子接线图、控制回路接线图如图3-11、各端子说明如表3-1。图3-11 变频器接线说明表3-1变频器端子说明3.4风机测试传感器的设计选用本系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号。3.4.1压差测量差压式流量计(以下简称DPF或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。3.4.1.1压差测量工作原理充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图3-12所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。图3-12压差测量工作原理（式3-10） （式3-11）式中 qm-质量流量，kg/s; qv-体积流量，m3/s; C-流出系数； -可膨胀性系数； -直径比，=d/D; d-工作条件下节流件的孔径，m； D-工作条件下上游管道内径，m； P-差压，Pa； 1-上游流体密度，kg/m3。由上式可见，流量为C、d、P、 6个参数的函数，此6个参数可分为实测量d，P，(D)和统计量(C、)两类。3.4.1.2风机压差测量方式此测试系统采用法兰取压的标准板孔如图3-13。图3-13标准板孔的法兰取压3.4.1.3压差测量传感器由以上论述看出，通过孔板的流体的流量与孔板两端的压力差的平方根成正比。本试验装置中，此压差信号由压差式变送器测量。压差式流量传感器是目前工业上技术最成熟、使用最多的一种，其使用量约占全部流量测量仪表的70-80%。他不仅可以用来显示，而且可以经压差变送器转换成统一的标准信号为20mA(或l-5V)以便送到单元组合仪表及计算机进行上业过程控制。差压式节流装置的特点是:结构简单，使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工作状态(包括高温、高压)下。本测试装置采用气压传感器C268、RANGE:+/-1000Pa。3.4.2风机静压测量与传感器压力传感器用来测量管道的静压。压力传感器的种类繁多，本系统采用电容式微压传感器不，其特点如下:(1)测量范围大。金属应变丝的极限一般为l%，而半导体应变片可达20%，电容传感器相对变化量大于100%。(2)灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容值，其相对变化量可达IE-7(3)动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量小，因此其固有频率很高，可月J几动态信号的测量。(4)机械损失小。电容式传感器极间相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自热坟应极微，可保证电齐式传感器具有较高的精度。结构简单，适应性强。电容式传感器一般使用金属材料做电极，以无机材料做绝缘支撑，故能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用，适合在恶劣环境中工作。电容式传感器一般可分为三种形式:变截面型、变介质介电常数型、变极板间距型。本系统选用变截面接口静压传感器，其型号为:C268、RANGE:0-50Pa，技术指标如下:作温度:-18-+65测量介质:空气或类似的非导电性气体输入电源:9-3V DC输出电流:4-20mA量程:0-5OPa接线方式为两线式，传感器采用24V直流电源供电，数据采集卜的模拟输入通道采集25O精密电阻两端的电压信号，此电压信号进入到计算机中进行处理。3.4.3风机扭矩测量本测试装置采用在电机与风机之间接入扭矩转速测量仪的方法，对于风机的扭矩与转速的测量是进行风机功率与效率计算的必要数据。通常采用的扭矩与转速测量传感器有机械测功机、涡流测功机、磁粉测功机、电机测功机等。但这些测功机都只适用于测量静态和稳态力矩，而现如今多用电阻应变式扭矩传感器和电磁转换扭矩传感器。这里采用电磁式扭矩传感器，其型号为：ZJ50NM、0-5000r/min。ZJ型转矩转速传感器是根据磁电转换和相位差的原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的精密仪器。由于信号的检测与轴之间是通过非接触的方式进行的所以没有接触环和电刷，具有维修保养简单，使用寿命极长等优点。传感器的转矩测量精确度分0.1级和0.2级，其基本参数如下表所列：精确度等级 0.1级 0.2级；静校误差 0.1 0.2；转速变化引起的转距误差 0.2 0.2；同心度误差 套转“同心度”误差 0.1 0.2；轴“同心度”误差 0.1 0.2。3.5风机测试系统数据采集卡DAQ（Data ACQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现“一机多型”和“一机多用”。 在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率已达到1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O，模拟I/O、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的仪器。本测试系统采用PCI-8310数据采集卡。PCI-8310模入接口卡适用于提供了PCI总线插槽的PC系列微机，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系统可选用目前流行的Windows系列、高稳定性的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统LabVIEW等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个PCI总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。PCI-8310模入接口卡允许采用32路单端输入方式或16路双端输入方式。用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由卡前端的37芯D型插头直接接入。本卡还提供了TTL电平的16路输入和16路输出信号通道，这些信号通道由卡后端的40芯扁平电缆转换为37芯D型插头提供给用户。特性：模入部分：（标为出厂标准状态，下同）输入通道数：单端32路；双端16路 输入信号范围：0V10V；5V5V；-10V10V输入阻抗：10MAD转换分辨率：12位AD转换速率：10SAD启动方式：程序启动AD转换非线性误差：1LSBAD转换输出码制：单极性原码双极性偏移码系统综合误差：0.1F.S 开关量部分输入路数：16路TTL电平输出路数：16路TTL电平电源功耗：5V（10）500mA环境要求：工作温度：1040相对湿度：4080存贮温度：-5585外型尺寸（不含档板）：长高164.8mm106.7mm。第四章 系统软件的设计本测试系统采用美国NI公司研发生产的虚拟仪器数据才具系统与数据分析系统。4.1虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。 （1）GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE 488.1和IEEE 488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不适合于对系统速度要求较高的应用。(标准接口总线在20m距离内，若每2m等效的标准负载相当于使用48mA的集电极开路式发送器，则最高工作速率是250kb/s，若采用三态门发送器，一般速率为500kb/s，最高可达1000kb/s。)（2）VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE 488等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI 系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个VXI总线组织。VXI联盟，负责制定VXI的硬件（仪器级）标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容；VXI总线即插即用(VXIPlug&Play，简称VPP)系统联盟，宗旨是通过制订一系列VXI的软件（系统级）标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现VXI总线产品的即插即用。这两套标准组成了VXI标准体系，实现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。（3）PXI（PCI eXtension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是 CompactPCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。PXI兼容CompactPCI机械规范，并增加了主动冷却、环境测试（温度、湿度、振动和冲击试验）等要求。这样，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。（4）DAQ（Data AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现“一机多型”和“一机多用”。 在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率已达到1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O，模拟I/O、计数器/定时器等通道。仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的仪器。4.2虚拟仪器的软件系统虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了软件就是仪器（The software is the instrument）的口号。VPP系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、部件知识库等一系列VPP软件标准，推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。 VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与Visual C+、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder； 用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、 NI公司的LabVIEW 和Labwindows/CVI等。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和细化分析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。 4.3 LabVIEW简介 80年代早期，计算机接口变得越来越精细，界面也越来越友好，NI的工程师们意识到：需要一种强大的软件接口让用户通过他们的计算机获得更简单有效的测试与控制。苹果公司的Macintosh为这种即将诞生的图形化软件语言提供了一个最好的环境：G语言。不久，NI为基于计算机的测量和自动化开发出了一个软件包：LabVIEW。LabVIEW是基于G语言的革命性的图形化开发语言，用来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达。它的目标是简化程序的开发工作，让工程师和科学家能充分利用PC机的功能，快速简便地完成自己的工作。十余年的不断充实，使LabVIEW成为丰富、强大的实用工具软件包。与LabVIEW同步推出的还有LabWindows/CVI，它的特点是可利用ANSI C编程语言建立与实用仪器的交互式开发环境。这两者内部都配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数，以及全球几百家厂商的仪器驱动程序。围绕这些核心软件还陆续开发出多种附件。LabVIEW的诞生标志着NI进入了专门从事VI（虚拟仪器）的时期。4.4测试系统主界面的设计风机测试系统主界面应包括：风机基本信息、风机型号、数据采集设置、滤波设置、函数加窗设置、信号分析、保存、退出等几大模块。如图4-1。数据采集设置滤波处理函数加窗信号分析保存、退出采样频率采样点数采样间隔灵敏度高通滤波低通滤波带通滤波带阻滤波高斯窗对称窗Hanning窗三角窗曲线拟合计算功率、效率曲线风机转速控制显示图4-1软件系统图4.4.1软件功能测试系统的软件界面能够实现信号的采集设置、信号的预处理、时时显示、保存、退出等功能。实现了风机压差信号、静压信号、扭矩信号的自动采集和风机转速与风机流量的自动调节。另外，软件还可实现信号图形、信号数字量的显示、存储、打印等功能。整个操作系统直观方便，界面友好。4.4.2系统主界面在主界面中分为三个大模块：如图4-2一为信号采集处理控制模块；二为风机状态控制模块；三为风机状态显示模块。信号采集处理模块为按钮弹出对话框形式，在信号采集中可选择信号采集基本参数，如采样频率、采样点数、采样间隔等。在滤波中可选择滤波模式，如高通、低通、带通等。在窗函数中可选择函数加窗处理模式，如高斯窗、对称窗、三角窗等。在信号分析中可显示信号分析与处理对话框，可对信号进行分析处理，如时域分析、频域分析、曲线拟合等。风机状态控制模块为旋钮调节风机转速并时时显示风机转速与变频器输出频率。风机状态显示模块为仪表与曲线显示风机运行状态。图4-2测试系统主界面4.4.3测试系统程序图 如图4-3图4-3测试程序图第五章 结束语风机性能测试是一项指挥协调较困难，技术性强又较繁杂的工作。过去，采用分立式仪器仪表分别测量各试验数据
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