变频器控制风机毕业设计

河南工业职业技术学院毕业设计-1-5/30/20201毕业设计任务书设计题目：（变频器在风机中的应用）学校：河南工院学号：0202080616姓名：弓双霞班级：机电0806指导老师：杨聚庆河南工业职业技术学院毕业设计-2-5/30/20202设计任务书一、设计题目：变频器在风机中的应用二、题目来源：工厂企业生产需要（毕业设计内容要结合实际生产所需而定）三、设计目的1）掌握变频器的工作原理和控制方法。2）学会选用变频器的主要电气元件。3）熟悉变频器的运行方式及外部接口。4）熟练掌握变频器的参数设置。5）掌握变频器在工业生产中的应用。四、设计要求1、符合功能要求2、布线结构合理3、电路图设计完整五、完成的任务毕业设计论文（10000以上）1）论文标题2）目录3）内容摘要4）正文正文包括前言、材料与方法、结果、讨论。主要包括序论、本论文、结论三个主要部分。六、参考文献河南工业职业技术学院毕业设计-3-5/30/20203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、节能河南工业职业技术学院毕业设计-4-5/30/20204引言目前风机在运行中存在的问题：(1)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，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。河南工业职业技术学院毕业设计-5-5/30/20205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、结束语河南工业职业技术学院毕业设计-6-5/30/20206七、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2.1根据原理分：交-直-交和交-交两种，U0p组~50HZP组tN组2.2按相数：单相和三相负载河南工业职业技术学院毕业设计-7-5/30/202072.3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U0UTt3、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IDURSMOUD（2）图形符号AK3.2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AGk3.3GTO和GTR河南工业职业技术学院毕业设计-8-5/30/202083.4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，PLTL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。河南工业职业技术学院毕业设计-9-5/30/20209n/(r/min)1500100050009.422.745TL/(N·m)a二次方律负载的机械特性n/(r/min)1500100050000.492.387.0PL/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Q与转速n的一次方成正比，风压p与转速的平方成正比，轴功率P与转速的3次方成正比，即2121/nnQQ河南工业职业技术学院毕业设计-10-5/30/20201022121)(/nnpp32121)(/nnPP式中1Q——转速1n时的风量，/sm32Q——转速2n时的风量，/sm31p——转速1n时的风压，Pa2p——转速2n时的风压，Pa1P——转速1n时的功率，kW2P——转速2n时的功率，kW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。R1R2QR1Q1Q2OABCp3p1p2pn1n2河南工业职业技术学院毕业设计-11-5/30/202011n1——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R1——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R1河南工业职业技术学院毕业设计-12-5/30/202012eNvPQQP121])(55.045.0[（1）式中eP1——额定流量时电动机输入功率，kWNQ——额定流量，/sm323)(55.045.0)(1NNiQQQQK（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TnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCSmTnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCmnT河南工业职业技术学院毕业设计-13-5/30/202013四、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：河南工业职业技术学院毕业设计-14-5/30/202014（2）引风机：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。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河南电机厂型号风量风压制造厂Y4-273NO224702m3/h425Pa沈阳鼓风机厂河南工业职业技术学院毕业设计-15-5/30/202015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/kv·A1602