毕业设计（论文）变频器在风机中的应用

1、 变频器在风机中的应用摘要 在工矿企业中，风机设备应用广泛，诸如锅炉燃烧系统、通风系统、和烘干系统等。传统的风机控制是全速运转，既不论生产工艺的需求大小，风机都是提供固定数值的风量，而生产工艺往往需要对炉膛的压力、风速、风量及温度等指标进行控制和调节，最常用的方法是调节风门或挡板开度的大小来调整受控对象。这样，就是得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了，找成了大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度收到限制，影响产品质量和生产效率。 使用变频器驱动的方案取代了风门、挡板控制方案，降低了电动机功耗，达到了高效节能和高效运行的目的， 关键字：风机、变频调速、节能引言目前风机在运行中存在的问题：(1)

2、设计院或用户在选择风机设备时，通常留有10%15%的设计余量，实际上系统多数工作负荷低于额定负荷运行，设备容量不能充分利用，运行效率低; (2)启动时对电动机的冲击大，降低了电动机使用寿命；(3) 挡板功耗大，浪费能源；(4)工作系统很难投入自动运行，降低了系统自动化水平。随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，并且由于近年电力紧张，变频调速技术已经成为现代电力传动的一个发展方向，卓越的调速性能，使得变频器在工业生产中的节能效果越发显著。因此，将风机改为变频器控制，将传统的电机调速技术、现代电力电子技术以及计算机控制技术结合在一起，当系统工艺需要风量发生变化时，

3、自动调速，使电机在经济的转速下运行，从而达到节电的效果。变频调速节能控制装置的特点：（1）调速效率高；（2）调速范围大；（3）调速精度高；（4）启动电流小，而且容易实现闭环控制。由于可以利用原普通交流异步电动机，所以特别适合对原有旧设备的技术改造，它既保持了原电动机结构简单，可靠耐用，维修方便的优点，又能达到节电的显著效果，是风机交流调速节能的理想方法。目录一、变频器技术概述1、 变频器技术的发展2、 变频器的分类3、 变频器的主要组成元件二、风机变频调速驱动原理 1、风机的机械特性 2、风机的功率特性三、风机调速节能原理 1、风机风量和转速及风压与转速的关系 2、风机节能的计算 3、电机的机

4、械特性四、风机变频调速系统设计1、二次方律负载2、风量调节方法3、风机的容量选择4、变频器的容量选择5、变频器的运行方式选择6、变频器的参数设置7、风机变变频调速系统的电路原理图五、变频改造后的效益计算六、结束语 七、参考文献 一、 变频器技术的发展1、 电力电子器件是变频器发展的基础变频器的主电路不论是交-直-交还是交-交变频的形式。都是采用电力电子器件作为开关器件，因此，电力电子器件是变频器发展的基础。现在，gtr和gto的问世，脉宽调制（pwm）技术也进入到了应用阶段，成为变频的主要技术。现在绝缘栅双极晶体管igbt，其优良的性能很快取代了gtr。智能功率模块ipm也被广泛应用，电力电子

5、器件得到了快速的发展。计算机技术和自动控制是变频器发展的支柱，市场需求是变频器发展的动力，随着科技的发展，变频器技术已成为现代工业控制的主要技术。2、 变频器的分类 变频器的种类很多，下面根据不同分类进行介绍负载2.1根据原理分：交-直-交和交-交两种， u0p组 50hz p组 t n组2.2按相数：单相和三相2.3调压方式分：脉幅调制和脉宽调制2.4输出波形：方波和正弦波 u0 u t t 3、 变频器的主要组成元件3.1功率二极管（d）指能承受高电压、大电流、具有较大耗散功率的二极管。它与普通的二极管结构、工作原理和伏安特性相似，但是它的主要参数和选择原则等不尽相同。（1）伏安特性曲线

6、id ursm o ud （2）图形符号 a k3.2晶闸管（scr） （1）导通条件：在晶闸管的阳极a和阴极k间加正向电压，门极和阴极间也加正向电压，晶闸管导通。 （2） 图形符号 a g k 3.3 gto和gtr 3.4 绝缘栅双极晶体管（igbt） （1） igbt的主要参数：最大集电极 发射极间电压ucem 最大栅极 发射极电压ugem 最大集电极电流icm 开关频率等。二、变频器调速驱动原理风机的机械特性具有二次方律特征，即转矩和转速的二次方成正比变化。在低速时由于流体的流速低，所以负载的转矩很小，随着电动机转速的增加，流速加快，负载转矩和功率越来越大。负载转矩tl和转速nl之间的

7、关系表示为： tl=t0+ktnl2 根据负载的机械功率pl和转矩tl、转速nl之间的关系，有： pl=tlnl/9550 则功率pl和转速nl之间的关系为： pl=p0+kpnl3 上三式中，pl tl分别为电机轴上的功率和转矩;kt、kp分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。 下图为二次方律负载的机械特性和功率特性曲线，可以看出，当被控对象所需风量减小时，采用变频器降低风机的转速nl，会使电机的功耗大大降低。 n/(r/min) 1500 1000 500 0 9.4 22.7 45 tl /(nm)a 二次方律负载的机械特性 n/(r/min) 1500 1000 500 0 0.49

8、 2.38 7.0 pl/kw三、风机调速节能原理1、风机风量和转速及风压与转速的关系当工作负荷变化时，调节驱动风机的电动机，转速随之变化，可降低功耗，节约电能。由流体力学理论可知，风机风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率p与转速的3次方成正比，即式中 转速时的风量， 转速时的风量， 转速时的风压， 转速时的风压， 转速时的功率， 转速时的功率，因此，当系统工作流程需风量减少时，调节转速下降可使功率降低很多。例如，当风量与转速均下降到90%时，功率将降低到额定功率的73%;当风量与转速均下降到80%时，功率将降低到额定功率的51%;当风量与转速均下降到70%时，功率将降低到

9、额定功率的34%;当风量与转速均下降到60%时，功率将降低到额定功率的21%。可见其节能效果十分显著，有很大的节能发展前途。其节能原理可用图1（风机的风压风量特性曲线）来说明。 r1r2qr1q1q2oabcp3p1p2pn1n2n1风机在额定转速运行时的特性n2风机降速运行在n2转速时的特性r1r1风机管路阻力最小时的阻力特性r2风机管路阻力增大到某一数组时的阻力特性图1风机的风压风量特性曲线风机在管路特性曲线r1工作时，工作点为a，其流量和压力分别为q1和p1，此时风机所需的功率正比于q1与p1的乘积，即正比于ap1oq1的面积。由于生产工艺要求需要风量从q1减小到q2时，若减小调节风门开

10、度，则实际上管网管阻增加，使风机的工作点移到r2上的b点。可以看出，风量下降，风压增加，风压增大到p2，这时风机所需的功率正比q2和p2的乘积，即正比于bp2oq2的面积。显然风机所需的功率变化不多。这种调节方式控制虽然简单，但不利于节能。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，不改变管网阻力，这时工作点由a点移到c点，流量仍是q2，压力由p1降到p3，这时变频调速后风机所需的功率正比于q2与p3的乘积，即正比于cp3oq2的面积，由图1可见功率的减少是明显的。2、风机节能的计算 风机流量变化量，如前所述，采用变频调速是有效的节电措施。根据三相异步电动机经济运行对电机经济运行管理的规定有如下

11、的计算公式。采用挡板调节流量对应电动机输入功率p1v与流量q的关系为 （1）式中 额定流量时电动机输入功率，kw额定流量， （2）3、电机的机械特性异步电机不同电压下的机械特性 变频调速机械特性四、 风机变频调速系统的设计1、二次方律负载风机是具有二次方律负载的机械特性，属于这类机械特性的风机有离心式风机、混流式风机、轴流式风机等。其中以离心式风机最为典型，应用也最为广泛。风机从零开始升速时，风量的流速低，但也要考虑此时的负载转矩t0和功率p0。 随着电动机的升速，风压风量也随之加大，负载转矩和功率也越来越大。因此，即使是在空载情况下也要考虑转矩和功率的损失。2、 风量调节方法（1）由于电动机

12、的转速是恒定不变的，只能用调节风门或挡板的开度来调节风压和风量。这样的调节，使得风门和挡板损失和消耗了一部分功率。（2）如果风门或挡板的开度不变，调节电动机转速，则风量随转速而改变。（3）在所需风量相同情况下，调节转速的方法所消耗的功率要比调节风门或挡板开度小得多，这就是变频调速节能原因所在。3、风机的容量选择 风机容量的选择，主要依据被控对象对流量或压力的需求，可：查相关的设计手册，选择以下的技术指标。根据要求选择下图中的风机参数。（1）引风机电动机 ： 型号额定电压额定转速额定频率额定功率工作方式:绝缘等级：制造厂ykkl560-6380v993r/min50hz5.5kws1f河南电机厂

13、 （2）引风机：型号风量风压制造厂y4-273no224702m3/h425pa沈阳鼓风机厂4、变频器的容量选择 风机在某一转速下运行时，其阻转矩一般不会发生变化，只要转速不超过额定值，电机也不会过载。一般变频器在出厂标注有一定的安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可，若考虑更大的余量，也可以选择比电机容量大一个级别的变频器，但价格要高出不少。 该项目选择三菱fr-450系列变频器，它是高性能数字处理dsp控制，功能齐全，操作方便。1.1根据负载电流选择变频器（1）标准电机在额定电压、额定电流和额定功率运行时电流为最大，温升也最大，不许超负载转矩使用，额定功率为50hz的电机运

14、转时温度有余量。 （2）根据电机工作电流来选择变频器的容量。 变频器的容量也应该大于电机的工作容量，这样能在超负载工作时不影响电机的实际需要的转矩。1.2考虑低速转矩特性 变频器采用低速运行时，对于u/f的恒转矩控制，各频率下的运转电流大体同电机额定下的运转电流一样。1.3考虑短时最大转矩1.4考虑容许最高频率的范围三菱fr-a450系列型号规格三菱fr-a4500.751.52.245.57.511电机容量/kw7515224553511输出额定容量/kva1602406006480120160额定电流/a537559131824电压/v 0380，对应频率0400hz过载能力150% 1

15、min 输入电源 三相380 v 50/60 hz 综上所述变频器的容量选择为6kw,电流等级选择i=9a，电压380v，对应频率0400hz，5、变频器的运行控制方式选择（1）操作模式设置为了操作方便，可将变频器的操作设置为“面板与外部操作组合模式”或“外部操作模式”。操作人员可以通过安装在工作台上的按钮或电位器控制和调节风机的转速。（2）变频器控制方式设置变频器控制方式可根据风机的负载特性进行设置。如果风机在额定转速以下工作，负载转矩较低，不存在电动机带不动负载问题。因此，采用v/f方式控制方式即可满足工艺要求。而且从性能价格比角度考虑，也可以选择比较廉价的风机水泵专用变频器。（3）u/f

16、控制曲线的选择风机采用变频器调速控制后，操作人员可以通过调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转速，操作方便。 变频器的运行控制方式选择，可依据风机在低速运行时，阻转矩很小，不存在低频时带不动负载的问题，故采用u/控制方式即可。并且，从节能的角度考虑，u/ 线可选择最低的。现在许多生产厂家都生产廉价的风机专用变频器，可以选用。 为什么u/线可以选择最低的？现说明如下： 图中，曲线0是风机二次方律机械特性曲线，曲线1为电机在u/f 控制方式下转矩补偿为0时的有效负载线。当转速为nx时，对应于曲线0的负载转矩为tlx , 对应于曲线1的有效转矩为tmx。因此，在低频运行时，电动机的转矩和负载转

17、矩相比，具有较大的余量。为了节能，变频器设置了若干低减u/ f 线，其有效转矩如图中的曲线2和曲线3所示。若选择低减u/f时，有时会发生难以启动的问题，如图中的曲线0和曲线3相交s点，显然，在s点一下电机是难以起动的，为此，采取一下措施（1） 选择另一低减u/f曲线2（2） 适当加大启动频率 在设置变频器参数时，一定要看清变频器说明说上注明的u/f曲线在出厂时默认的补偿量，一般变频器出厂时设置的为转矩补偿u/f曲线，即频率fx=0时，补偿电压ux为一定值，以适应低减速需要较大转矩的负载。但这种设置不适宜风机负载，因为风机低速时阻转矩很小，即使不补偿，电动机输出的电磁转矩都足以带动负载。为了节能

18、，风机应采用负补偿的u/f曲线，这种曲线在低速时减小电压ux,因此，也称为低减u/f曲线。 如果用户对变频器出厂时设置的转矩补偿u/f曲线不加改变，就直接接上风机运行，节能效果就比较差了，甚至在个别情况下，还可能出现低频运行时因励磁电流过大而跳闸的现象。当然，变频器还有“自动节能”的功能设置，直接设置即可。6、变频器的参数预置 （1）上限频率 因为风机的机械特性具有二次方律特性，所以，当转速超过额定转速时，阻转矩将增大很多，容易是电机和变频器处于过载状态，因此，上限频率fh不应超过额定频率fn。取上限频率pr.1=300hz。（2）下限频率 从特性或工况来说，风机对下限频率没有要求，但转速太低

19、时，风量太小，在多数情况下，一般预置为fl20hz。pr.2=0.5hz 上限频率、下限频率为变频器根据负载需要设定的最高和最低频率，在闭环控制电机模式下，变频器输出频率达到上限值，且在该频率下持续运行一定的时间。（3）加、减速时间 风机的惯性很大，加速时间过短，容易产生过电流；减速时间过短，容易过电压。一般风机启动和停止的次数很少，启动时间和停止时间不影响正常生产。所以加减速时间可以设置长些。根据风机的容量大小而定，通常是风机容量越大加、减速时间设置越长。一般设置为pr.7=20s、pr.8=20s。输出频率 50hz t1t2 时间变频器定义4种加、减速时间，加速时间是指频率从零增加到50

20、hz的时间，减速时间是从50hz减少到零的时间，图中t1是加速时间，t2是减速时间。（4）加、减速方式 风机在低速时阻转矩很小，随着转速的增高，阻转矩增大的很快；反之，在停机开始时，由于惯性的原因，转速下降较慢。所以加、减速方式以半s方式较适宜。参数设置pr.29=2，此时为s曲线加减速。（5）回避频率 风机在较高速运行时，由于阻转矩较大，容易在某一转速下发生机械谐振。遇到机械谐振时，极易造成机械事故或设备损坏，因此必须考虑设置回避频率，可采用实验的方法进行设置，即反复缓慢地在设定的频率范围内进行调节，观察产生谐振的频率范围，然后进行回避频率的设置。（6）起动前的直流制动风机在停机时，由于自然

21、风的作用，常常处于反转状态，此时也就是电动机处于再生发电状态，为使风机从零速开始起动，须采用起动前的直流制动。 7、风机变频调速系统电路组成例如某锅炉引风机，电动机容量为37kw，采用变频调速。一般情况下，风机采用正转控制，电路比较简单。风速大小由操作工人调节。控制柜和变频器以及操作台均安装在电控室，进行远距离操作。风机变频调速系统电气原理如图6-2所示。1. 主电路电器选择（1）变频器选型选用三菱fr-a540-37k-ch型变频器，额定容量为54kv.a，额定电流71a。（1.1） 变频器的接线与功能介绍 图中所用变频器为三菱fr-450系列，输入端经断路器qf和接触器km串联后接到变频器

22、的电源r、s、t端，输出端u、v、w直接接到电动机上，ka控制变频器stf端的启动（正转），a、b、c三端为变频器的接触器输出，定义为故障端输出。rp用来调节变频器输入电压的平衡。变频器的功能预置为：pr.3=50hz ,（基准频率）pr.195=20,（a、b、c端子功能选择）pr.180=5, （端子功能）pr.251=1,（输出欠相保护选择）（2）空气开关 又称断路器，具有一定的隔离作用、保护作用。变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值可能超过额定值，一般变频器允许的过载能力为150%，1min。所以，为了避免误动作，空气开关的额定电流iqn应选择： 选用dzx10d-100型自动空气开关。

23、对于，电动机要求有实现工频和变频的切换电路中，应按下式计算电路中的电流： iqn2.5 imn 上面两式中，imn为电机的额定电流。（3）接触器的选择 3.1）输入侧的接触器的选择：主触点的额定电流只需大于或等于变频器的额定电流即可。 如下式： ikn in = 71a选用cj10系列交流接触器，型号cj10-80。2、主电路 三相工频电源通过低压断路器qf和接触器km串联后接到变频器的电源r、s、t端，qf起到短路、过载保护。km具有失欠压保护。3、控制电路原理按钮开关sb1、sb2用于控制接触器km，km用来控制变频器电源的通断。按下sb2,km线圈得电并自锁，主触头闭合，接通变频器电源。

24、按钮开关sb3、sb4用于控制继电器ka，ka用来控制变频器的运行与停止。按下sb4,ka线圈得电并自锁，接通变频器正转起动端子stf,风机起动运行。km与ka之间具有连锁关系，在km未接通电源之前，ka不能得电。在ka未断电时，km也不能断电。电位器rp用于变频器的频率给定，用来调节风机转速。当变频器发生异常故障时，其异常输出端子b-c分断，切断控制电路电源，使系统迅速停机，同时a-c间接通，接通声光报警电路，对变频器起到了保护作用。五、变频改造后的效益计算：5.1初步定性分析：参考#12炉吸风机改造前的记录，对本吸风机改造前后的电流做一个纵向比较，可以发现在同负荷下电流从原来的80a左右降

25、至现在的30a左右 ,电流降低明显，由此可初步判断出节能效果较为理想； 5.2直接节能效益分析：（1）通过表2可知，吸风机节电率随着锅炉负荷的增加而减小，在测试负荷300t/h、350t/h时，对应节电率(以甲侧为例)55.3%和43.8%，平均节电率为49.6%，节电效果较为显著，在低负荷时节电效果最为明显。此结果达到高压变频器在其他电厂同类型设备的应用效果（节电率50%左右）。表2：电量测算结果如下:锅炉出力甲侧吸风机功率（kw）乙侧吸风机功率（kw）12炉14炉功率差节电率12炉14炉功率差节电率300t/h300.9672.9372.055.3%303.5705.3401.857.0%

26、350t/h396.9705.6308.743.8%366.7716.6349.948.8%（2）吸风机改变频后，其单耗值有明显降低。按锅炉出力350t/h工况计算，甲吸单耗下降0.88kwh/t汽；乙吸单耗下降1.0 kwh/t汽。（3）2005年#12炉平均约90%的时间带350t/h及以上负荷，约10%的时间带300t/h及以下负荷；2005年该炉吸风机年运行小时数均4900小时。以此为依据，变频调节比原挡板调节年节电量约为：甲吸（308.790%37210%）4900=154.36万kw.h乙吸 (349.990%401.810%）4900=173.99万kw.h（4）节约费用的估算及

27、投资回收期：以两台变频的投资金额约147万计算；标煤平均单价231元/吨。a以节电量计算节约资金及投资回收的情况如下：我公司的上网电价是0.277元/kw.h，以此电价计算年节约费用。甲吸为:154.360.277=约42.76万元乙吸为: 173.990.277=约48.20万元两台年合计节约费用：90.96万投资回收期=投资金额/年节约费用=147万元/90.96万元=1.62（年）b以节煤量计算节约资金及投资回收的情况如下：两台吸风机共计年节约标煤量节约电量供电煤耗（154.36万kw.h173.99万kw.h）0.373kg/kwh1224.75吨；年节约煤碳购置费用年节约标煤量标煤单价1224.75吨231元/吨282917.25元投资回收期=投资金额/年节约煤碳购置费用=147万元/28.29=5.2（年）可见，改变频后的经济效益是可观的。5.3间接节能效益分析：吸风机变频运行后，在满足原出力情况下是降速运行，因此可减少风机叶轮的磨损，节约检修维护