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第6章变频器调速系统应用学习目的与要求：1.熟悉和了解变频器在生产中的应用2.能够阅读和分析变频器各种应用电路3.应用所学知识能够设计简单的变频器调速控制电路6.1变频技术应用综述变频技术的应用分为两类，一类用于交流调速系统，一类用于为其它设备提供静止电源。变频器最典型的用途是各种生产机械电力拖动系统的节能和提高产品质量。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制理论的不断发展，电气传动技术日新月异。交流电动机调速系统广泛取代直流电动机调速系统已经成为现实。交流电动机调速技术是节能，改善工艺流程以及提高产品质量，推动技术进步的必要手段之一。表6-1列出了由变频器组成的电气传动系统的特点，据有关资料表明：变频器在工业生产中的节能效果是非常明显的，无论是用于节能还是提高产品质量，其应用潜力也非常巨大。表6-1变频器组成的电气传动系统特点变频器的传动特点用途效果采用标准电动机调速风机、水泵、空调，一般机械也可以使用原有电动机调速连续调速机床、搅伴机、空压机可选择任意转速起动电流小空压机电源设备容量可减小最高转速不受电源影响风机，水泵，空调，一般机械最大工作能力不受电源频率限制电动机高速化，小型化机床、化纤机械、带式输送机可以得到用其它调速方式得不到的最高转速防爆制药、化工、矿山机械容易做到防爆低速时定转矩输出位置控制伺服系统电动机可堵转可调节加减速的大小生产流水线、电梯防止加速度过大6.2变频器在风机控制中的应用风机是工矿企业中应用比较广泛的机械，诸如锅炉的燃烧系统，矿山通风系统以及造纸烘干系统等。传统的风机控制是全速运行，风机提供固定的风压风量。但生产工艺往往需要对风压和风量以及温度等技术指标进行调节控制。若全速运行必然导致电能的大量浪费。因此，采用变频器实施对风机的控制具有重要的节能意义。6.2.1风机负载的机械特性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.风机容量选择风机容量是根据生产工艺要求选择的。如果对现有风机进行技术改造，风机容量就不用再选择了。4.变频器容量选择风机在运行过程中，如果稳定在某一速度工作，其转矩不会发生变化，只要转速不超过额定值，就不会发生过载现象。通常情况下，变频器技术说明书所给出的容量具有一定裕度和安全系数。因此，变频器容量比所要驱动的电动机稍大即可。6.2.2变频器的设置1.变频器控制方式设置（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控制曲线的选择风机的机械特性及有效转矩曲线如图6-1所示。图中曲线0是风机的二次方律负载特性曲线。曲线1是电动机在V/F控制方式下转矩补偿为零时的有效转矩曲线。当转速nX时，对应负载曲线0的转矩为TLX，对应曲线1的电动机的有效转矩TMX。由此可见，在低频运行时，即使转矩补偿为0，电动机的有效转矩与负载转矩相比，也具有相当大的余量。也说明拖动系统仍有较大的节能余量。在选择低减U/f曲线时，要考虑电动机的起动问题。图中曲线0与电动机有效转矩曲线3的交叉点S，是电动机的起动转矩与负载转矩相等的点，也就是系统的工作点。显然，在S点以下是不能起动的，解决起动难的办法是选择低减U/f曲线2，适当加大起动频率。在进行变频器参数设置时，要仔细阅读变频器操作手册中U/f曲线的出厂设定值。通常变频器出厂都把U/f曲线设置为具有一定补偿量的状态，以适应低速时需要较大转矩的负载。但风机低速时转矩很小，即便没有补偿，电动机的输出转矩也足以带动负载。如果用户不作U/f曲线的设置，而直接接上风机使用，则节能效果就不明显了，甚至会出现过流跳闸现象。4.变频器参数设置（1）上限频率如果风机转速超过额定转速，其负载转矩按平方规律增大很多，容易使电动机和变频器处于过载状态。因此，上限频率不能超过电动机的额定频率（2）下限频率风机对下限频率没有要求，因风机转速很低时，风量较小，并无实际意义。一般下限频率可设置大于20Hz。（3）升降速时间因为风机属于大惯性负载，升速时间过短容易产生过电流，而降速时间过短又会产生能量回馈。因此，降速时间可以适当设置长些，具体时间可视风机容量和工艺要求而定。一般情况，风机容量越大其升降速时间越应设置长些。（4）升降速方式风机在低速时转矩很小，随着转速不断升高，转矩也随之越来越大，反之，开始停机后，由于惯性作用，转速下降缓慢。所以选择S型B升速方式较为适宜。（5）回避频率由于风机存在固有频率，在运行中为防止发生机械共振，所以必须考虑设置回避频率，跳跃出发生机械共振频率区域。设置回避频率可采用反复试验的方法，反复地观察产生共振的频率区域，然后进行设置。（6）起动前的直流制动风机在停机时，由于自然风的作用，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。6.2.3风机变频调速系统电路组成例如某学校锅炉房引风机，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。（2）空气开关由式5-13可得AIINQN100)4.1~3.1(选用DZX10D-100型自动空气开关。（3）接触器的选择根据式5-15，IN=71AIKN=80A选用CJ10系列交流接触器，型号CJ10-80。2.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。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。6.2.4节能效益分析对于风机设备采用变频调速后的节能效果，可根据风机在不同的控制方式下的风量与负载关系以及现场运行的负荷变化等情况进行计算。例：一台工业锅炉所使用的30kW引风机，一天24小时连续运行。采用变频调器调速，在大风量时，频率按46Hz计算，每天有10小时，在小风量时，频率按20Hz计算，每天有14小时；用挡板调节风量时，在大风量时，电动机功率消耗按额定功率的98%计算，每天同样有10小时。在小风量时电动机功率消耗按额定功率的70%计算，每天也有14小时。全年运行时间以300天计算,则采用变频调速后每年所节约电能是非常可观的。6.3变频器在恒压供水系统中应用城市供水系统是人们生活和工业生产不可缺少的公共设施之一。水压通常保证6层以下楼房用户用水。而其余各层都需要“提升”水压才能满足用水的需求量。传统的提升方式是采用水塔、高水位水箱或气压罐等增压设备。这种设备经济成本高、能量消耗大。如果采用变频器控制的恒压供水系统，无需增压设备，节约电能，降低供水成本。恒压供水系统基本控制思想是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统。系统的控制目标是水泵总管道的出水压力，系统的给定水压力值与反馈的总管道出水压力值相比较，将偏差值送CPU进行运算处理后，发出控制指令。调节水泵电动机的转速和控制水泵电动机投入运行的台数，实现总管道以稳定压力供水。6.3.1供水系统主要参数某供水系统示意图如图6-3所示。水泵将水池中的水抽出，并上扬至一定高度，满足工农业生产和生活所需求供水压力和水流量。1.流量在单位时间内流过管道某一横截面的水量，称为流量，用Q表示。单位：m3/s、m3/min或m3/h。2.压力水在管路中的压强，俗称为压力。用p表示，单位：Mpa。3.全扬程单位质量的水被水泵所上扬的高度，称为扬程。如图6-3所示。扬程是说明水泵泵水能力的物理量，用HT表示，单位：m。将水上扬到一定高度，是水由动能转化成势能的过程，在这个过程中包括克服管道阻力所做功，并且要使水保持一定的流速。那么，全扬程就可定义为在忽略管道阻力，也不计流速的情况下，水泵将水上扬的最大高度。4.损失扬程与实际扬程水在管道中流动克服管道阻力做功，必然有一定的扬程损失,这部分扬程称为损失扬程。因此，水泵将水克服一切阻力后所上扬的实际高度，称为实际扬程。用HA表示。是全扬程与损失扬程相减的差值。5.管阻在管道系统中，管路、截门等管件对水流的阻力，称为管阻。6.3.2供水系统的特性1.水泵的扬程特性在管道阀门完全打开的条件下，全扬程HT与流量Q之间的函数关系HT=f（Q），称为水泵的扬程特性。如图6-4中所示的曲线“3”为水泵在额定转速情况下的扬程特性。曲线“4”为水泵在转速较低的情况下的扬程特性。图中A、B、C、D四点为供水工作点。当用户用水需求量较小时，在曲线“3”A点，所对应的流量QA较小。此时，所对应的全扬程HTA较大。当用户用水需求量较大时，在曲线“3”B点，所对应的流量QB较大。此时，所对应的全扬程HTB较小。可见，流量的变化反映了用户水需求量的大小。因此，扬程特性反映了用户用水需求量对全扬程的影响。2.管道阻力特性在管道阀门开度一定的条件下，全扬程HT与流量Q的函数关系HT=f（Q）,称为管道阻力特性，简称管阻特性。如图6-4所示中的曲线“1”和“2”。管阻特性的意义是，为了提供一定的供水流量（也就是用水需求量）所需全扬程的大小。图中，曲线“2”为阀门全开时的管阻特性，由C点对应的流量QA与B点流量QB可以看出，供水流量较小时，所需的扬程HTC也较小。在供水流量较大时，所需的扬程HTB也较大。6.3.3供水系统流量的调节方法在供水系统中，最根本的控制对象就是流量。因此，了解调节流量的方法，对供水系统的节能有非常重要的意义。常用调节流量的方法有阀门调节和转速调节两种。1.管道阀门调节在保持水泵转速不变（额定转速）的前提下，改变阀门开度调节供水流量的方法，称为阀门控制法。阀门调节水流量的实质是水泵本身供水能力保持不变，用调节阀门开度来调节供水流量，也就是通过改变管路中阻力大小来改变供水能力（流量）。此时，管阻特性将随着阀门的开度变化而改变，而扬程特性则不变。如图6-4中，减小阀门的开度，使供水流量由QB减小到QA，管怚特性将由曲线“2”变化到曲线“1”，而扬程特性则不变，仍为曲线“3”。供水工作点由B移至A。此时，流量减小了。但扬程由HTB增大到HTA。2.水泵转速调节在保持阀门开度不变的前提下，改变水泵转速调节供水流量的方法，称为转速控制法。转速调节水流量的实质是，在阀门开度最大且保持不变，通过改变水泵转速调节供水流量，也就是