1、第 1 页 共 15 页变频调速器的应用电气自动化 071 姬帅【摘要】化工厂的设备负荷是多变的。如果风机、水泵按照固定的转速，不能随化工负荷的变化而变化，必将造成浪费电能或化工负荷突变而烧毁或损坏机械设备。 本设计利用变频调速器，使风机、水泵随时都将随化工负荷的变化而变化，改善设备的起动和运行特性，减少机械磨损，提高经济效益。【关键词】变频器 风机 节能一、指导思想和依据（一）指导思想培养学生创新精神和技术应用的能力，通过毕业设计环节的训练，能使学生灵活、正确地应用所学的理论知识，联系实际独立地完成设计项目工作，以全面检验学生分析问题、解决问题的能力。（二）依据本设计依据南化氮肥厂合成氨车间
2、二台氮气鼓风机，它是合成氨系统中补充氮气的重要设备。正常情况下一台运行一台备用。只有大检修、停车置换时才两台同时运行。年运行时间 8760h，年平均负荷率不足 30，因此大大浪费了能源，本设计利用变频调速器对鼓风机变频调速，可以提高经济效益。二、变频调速器的原理及其构成（一）变频调速器的原理变频器的基本原理就是将工频交流电源通过整流变成直流电源再通过逆变输出生产所要求的频率的交流电。鼓风机的节电原理就是用调速控制代替挡风板控制风流量，这是一个节电的有效途径。因此，通过对变频器输出频率的控制，实现交流电动机的调速，最终达到对传动负载的精确定量控制。变频调速控制系统主要由电控设备、变频器、交流电动
3、机、传动机械及传感器等部分组成。变频控制系统可进行开环控制，也可进行闭环控制。三相工频交流一一整流部分一一平滑回路一一逆变部分一一电动机第 2 页 共 15 页（二）主回路1.整流部分将工频电源变换成为直流电压。2.平滑回路部分把整流部分中整流后的直流电压中含有电源 6 倍频率的脉动电压，为了抑制电压波动采用直流电抗和电容吸收脉动电压。3.逆变部分把直流电功率变换成生产所需频率的交流电功率。（三）控制回路1.运算回路将外部速度、转矩等指令同检测回路的电流电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压频率。2.电压/电流检测回路与主回路隔离检测电压、电流等。3.驱动回路驱动主回路元件的导通和关断。4
4、.保护回路检测主回路的电压、电流等。当发生过载或过电压等异常时为防止逆变器和异步电动机损坏使逆变器仃止工作或抑制电压、电流值。保护回路分为变频器保护和电动机保护。5.变频器保护（1）瞬时过电流保护（2）过载保护（3）再生过电压保护（4）瞬时仃电保护（5）接地过电流保护（6）冷却风机保护。6.异步电动机保护（1）过载保护（2）超频（超速）保护。7.其它保护（1）防止失速过电流（2）防止失速再生过电流三、变频器的应用设计：（一）工艺系统图第 3 页 共 15 页阀 1：出口档板；阀 2：旁路阀阀 1、阀 2 均由计算机控制，开路大小取决于系统需要。系统需氮量由阀1 进行调节，余气由阀 2 返回鼓风
5、机入口。为了防止煤气返回氮气系统，在不需要氮气时也不能仃车，气体全部通过阀 2 进行循环，鼓风机效率在 40，而电机则满负荷运行。（二）风机的 H 一一 Q 特性图一A 为 100风量曲线B 为 50风量曲线图一为风机的风压一一风量曲线（H 一 Q） 。图中曲线 1 为恒速时图中曲线 1 为恒速时的 H 一一 Q 曲线；图中曲线 2 为管网风阻特性曲线（档板开度全开） ；假设风机工作在 A 点为额定工作点，输出风量 Q1 为 100，轴功 率 P1与 Q1、H1 的乘积即 AH1OQ1 的面积成正比。根据生产工 艺的要求，当风量需要从 Q1 减少到 Q2（50）时，如采用调节档板的方法相当于增
6、加管网阻力，使管网阻力特性曲线变为曲线（3） ，系统由原来的工作点 A 移到新工作点 B 运行。从图中可以 看出流量减少，风压反而增加。轴功率 P2和 Q2、H 2的乘积即面积 B H 2O Q2成正比，很显然 P2较 P1 减少不多。如采用转速控制方式 风第 4 页 共 15 页机转速由 n1 降到 n2 如图中曲线（4）所示，工作点移到 C 点， 可见在满足同样的风量 Q2的情况下，风压 H2大幅度降低，轴功率 P3 也显著减少。曲线：（1） 恒速时 H 一一 Q 特性曲线（2） 管网风阻特性曲线（档板全开）（3） 管网阻力特性曲线（档板 50开起）（4） 转速控制曲线（三）风量、转速一一
7、所需功率特性曲线：风机最大的特点是：流量与转速成正比； 负载转矩与转速的平方成正比；轴功率与转速的立方成正比。图二为风机运转特性曲线图中曲线（5）为理想曲，从该曲线中可以看出，当风机输出额定量（100）工作在 A 点时，其转速也为额定转速，这时需要的轴功率为额定功率。当输出风量为 50（工作在 B 点）时，其转速为额定转速的 50，这时所需要的轴功率为额定功率的 12.5。（四）几种调量方法的比较：图二中：曲线（1）为出口档板控制曲线，曲线（2）为入口档板控制曲线，从图二中可以看出：（1）采用出口档板控制和入口档板控制时，当档板开度关小时，风阻增加，在低风量区轴功率减少不多。从节能的角度来看，
8、不适合风量控制（2）曲线（5）效率是 100的调速装置进行转速控制时所需的功率，实际的调速装置，根据控制方式的不同效率也是不同的。曲线（3）为电磁滑差电机调速控制曲线。曲线（4）为变频调速控制曲线。显然，两种调速控制曲线比较，还是变频调速控制效率高，更接近于理想曲线。一一 表一列出几种调量方法所需的功率：功率% 调量方式 出口档板 入口档板 电磁调速 变频调速第 5 页 共 15 页流量%30 70 52 18 1050 85 58 30 2270 95 65 49 4090 100 82 79 75变频调速在风机、泵上的运用：1.性能曲线及比例定律：（1）流量与转速的一次方成正比：（2）扬程
9、（压力）与转速的二次方成正比：（3）功率与转速的三次方成正比：在实际生产过程中，流量总是发生变化的，随工艺条件进行调节的，如果将节流调节改为变频调节将没有节流损失，调节效率是最高。很接近理想的调节。例如：当转速减少 10，则：n 1/n0.9 流量 Q 10.9Q 风压 H 1（0.9） 2H0.81HP 1 （0.9） 3 N 0.729N 也就是说功率消耗减少了 27.1。（五）生产装置状况：1.风机型号及其参数风机为型号为 9 一 37 一 3 一 Na20出力：155700Nm 3 /h ；空气动力：146.7kW；风压：400mmH 2O ；空气效率：0.63第 6 页 共 15 页
10、轴功率：149.5Kw ；加动力： 15机械效率：0.982. 配用电机型号及其参数配用电机型号为 J S138 一 10功率：180kW；转速：585r.p.m视在功率：223KVA；COS：0.87；电流 341A；电压 380V（六）变频器的选型1.变频器选型时要确定以下两点：（1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。（2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。2.变频器介绍（HITACHI）铭牌特性型 号：J300 一一 055 H F EJ300 一一系列名称055 一一一适用电机容量（4 极）（七）控制电路设计1.主电路：第
11、 7 页 共 15 页第 8 页 共 15 页2.电源和电机的接线：3.控制电路接线图：第 9 页 共 15 页第 10 页 共 15 页4.端子接线图：四、工作原理说明：化工厂的设备负荷是多变的。如风机、水泵、炉条机随时都将随化工负荷第 11 页 共 15 页的变化而变化，如果不能随化工负荷的变化而变化，必将造成大马拉小车浪费电能或化工负荷突变而烧毁或损坏机械设备。（一）电动机功率：电动机的转差功率为：PS =S/（1S） P F=S/（1S）KM FN 一一一一一（1）PS：电动机转差功率 KwS ：转差率 S=（N 0一 N）/ N 0N ：电动机转子速度 r/minN0 ：电动机同步转
12、速 r/min n =60f/pPF ：负载消耗功率 KwMF ：负载转矩 Kgf.m（二）不同负载特性下的负载机械转矩：MF = CN I 一一一一一（2）C：常数I：0 一一恒转矩1 一一线性变化2 一一平方变化将（2）式带入（1）式并考虑 N= N 0（1S）得出：PS=KC N0i1 S（1S） 一一一一一（3）电机输出到负载的功率为：P F KMFN 一一一一一（4）如果把负载达到同步转速 N0时所需功率作为电机的最大输出功率P F max = K C N0i1 一一一一一（5）对于恒转矩负载（i=0）转差功率损耗系数为：PS/ P F max =KC N 0i1 S（1S） i/K
13、 C N 0i1 = S（1S） I= S 一一一一一（6）所以：由（6）可见滑差电机拖动恒转矩负载时，转差损耗与转差 S 成正比。当 S0.5 的低速区运行时，转差功率损耗系数达 50以上，当深调速即 S1 时，转差功率损耗更大。（三）注意事项：1.盖上前面板后才能接通电源，通电后不允许打开前面板。2.变频器通电后，即使停机也不能触摸变频器端子。若选择重试模式，在跳闸停机时，变频器有可能突然再起动，不要靠近机器。3.瞬间停电发生时，若运行指令己发出，则恢复供电后它可以重新开始运第 12 页 共 15 页行。所以必须设定恢复供电后不会重新运行电路。4.停止键只在功能设定后有效，因此必须单独设立
14、紧急停止按钮。接通电源前要确认运行指令有无发出。5.停机或运行时需确认电机方向是否正确、转速和频率是否正确、电机是否有异常振动或躁声、断电后十分钟之后再进行检查和维修。五、经济效益分析（一）运行测试为了计算比较的需要，对 1锅炉送风机分别在档板调节状态和变频调速状态进行测试，对每个状态在自然运行（即正常生产操作）情况及调节档板不同开度下分别记录电流表的累计数和测量电压、电流、档板开度、风压、实测情况如下：1.档板调节状态的测试：（1）A 状态锅炉负荷在 65 一 70T/H 进行了 4 小时的自然运行测试（电量记电度表 1小时的累计数其它均为 1 小时的平均值） 。时 间始一终 H档板开度 电
15、流A电 压V风 压mmH2O电 量KWh8 一 9 32 175 400 70 1159 一 10 33 180 400 70 12010 一 11 36 185 400 75 12811 一 12 34 180 400 70 124（2）B 状态锅炉蒸发量不限，调节档板开度，测量结果如下：档板开度 电流 A 电压 V 风压 mmH2O 电量 KWh 备注瞬时值20 121 405 5 89.4 瞬时值25 138 405 29 97.9 瞬时值30 148 405 35 109.5 瞬时值33 156 405 58 115.2 瞬时值35 175 405 70 117.6 瞬时值37 180
16、 405 80 120.96 瞬时值40 185 405 100 128.22 瞬时值45 195 405 112 138.3 瞬时值50 215 405 150 147.3 瞬时值（3）数据分析第 13 页 共 15 页B 状态时，根据以往的运行情况，风机出口风压在 70 一 80 mmH2O 能满足锅炉在满负荷时刻的燃烧需要，由试验数据中可以看到 70 一 80 mmH2O 对应的档板开度是 35 一 37，耗电量是 117.6 一 120.96KWh，而在“A”状态测试的数据则是 70 一 75 mmH2O，所对应的档板开度为 32 一 36，电量 1h 累计数是120 一 128 KW
17、h，因为“A”状态为自然运行状态，所以它含有各种因素的变化在内，这个数据较为实际。为了计算有一定的代表性，取平均值即 121.0 KWh。2.用变频器调节状态的测试：（1）A 状态锅炉蒸发量在 65T/h 左右，空气量适合的自然运行状态下，进行 4h 的电量计数，每小时测一次，其结果如下：（电量取累计数，其它取平均值）时间始一终频 率Hz风 压mmH2O电 流A电 压V电 量KWh档板开度8 一 9 24.1 70 108 182 24.5 1009 一 10 25.0 75 115 196 26.9 10010 一 11 26.5 83 130 220 29.7 10011 一 12 24.
18、9 75 115 194 26 100（2）B 状态用变频器调正，调节变频器的输出频率，从小到大逐渐升高频率，依次测风压、电流、电压、电量：（瞬时值）（3）数据分析：由“B”状态的测试数据分析，只要风机出口风压达到 70 一 80 mmH2O 时就能完全满足锅炉在满负荷时的运行条件，因此 70 一 80 mmH2O 对应的频率是 23一 26 之间，电量是 20 一 26 KWh，而在“A”状态包括了操作工操工因素及其频率Hz风 压mmH2O电 流A电 压V电 量KWh档板开度20.7 50 82 157 14.1 10022.7 65 97 176 19.2 10025.3 75 112 1
19、92 23.6 10026.0 80 114 200 26.0 10027.8 95 118 212 31.2 10029.8 107 130 227 37.1 10037.3 125 152 243 43.1 100第 14 页 共 15 页它的影响在内。 “A”状态较“B”状态要符合实际一点，因此我们取“A”状态的测试平均值 26.7 KWh 即变频器调节时在相同的送风条件下耗电量为 26.7 KWh。（二）经济效益展示采用变频技术根据系统的要求调正鼓风机转速而调整氮气量。负荷率（） 运转率（） 所需功率（kW） 节电量（万度）30以下 60 10 35.483150 21 22 10.7
20、65170 10 40 3.947190 8 75 1.3190 以上 1 198 0全年节电 51.49 万度，按 0.3 元/度计算，节电费 15.45 万元/年。(三)经济效益比较使用变频调速装置比使用档板节流调节节约电量为：1.年节约电量：（121 一 26.7）24330746856 KWh2.节约电费：0.23574685617.5511 万元3.变频器投资及回报：变频器投资 14 万元；14 万元/17.5511 万元0.8 年收回投资。（四）综合评价：1.调节方便灵活平衡，便于控制。2.引用先进技术，对生产力有进一步推动作用。3.起动冲击电流小。4.运行速度低、电流小、发热少、振动小、无喘振和失速，泵无汽蚀现象。5.节能效果显著。第 15 页 共 15 页参考文献1.电动机控制电路选用与 258 实例作者：袁任光 出版社：机械工业 出版日期：2004-7-1 2.交流变频调速器选用手册作者：袁任光 出版社：广东科技出版社 3.交流变频调速技术作者：何超 出版社:北京航空航天大学出版社 出版日期：2006-8-1 4.工业变频器原理及应用作者: 魏召刚 出版社: 电子工业出版社 出版日期：2006-9-1
