1、變頻器在風機中的應用摘要 在工礦企業中，風機設備應用廣泛，諸如鍋爐燃燒系統、通風系統、和烘干系統等。傳統的風機控制是全速運轉，既不論生產工藝的需求大小，風機都是提供固定數值的風量，而生產工藝往往需要對爐膛的壓力、風速、風量及溫度等指標進行控制和調節，最常用的方法是調節風門或擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，就是得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了，找成了大量的能源浪費和設備損耗，而且控制精度收到限制，影響產品質量和生產效率。 使用變頻器驅動的方案取代了風門、擋板控制方案，降低了電動機功耗，達到了高效節能和高效運行的目的， 關鍵字：風機、變頻調速、節能引言目前風機在運行中存在的問題：(1) 設

2、計院或用戶在選擇風機設備時，通常留有10%15%的設計余量，實際上系統多數工作負荷低于額定負荷運行，設備容量不能充分利用，運行效率低; (2)啟動時對電動機的沖擊大，降低了電動機使用壽命；(3) 擋板功耗大，浪費能源；(4)工作系統很難投入自動運行，降低了系統自動化水平。隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現代控制理論在調速系統中的應用，并且由于近年電力緊張，變頻調速技術已經成為現代電力傳動的一個發展方向，卓越的調速性能，使得變頻器在工業生產中的節能效果越發顯著。因此，將風機改為變頻器控制，將傳統的電機調速技術、現代電力電子技術以及計算機控制技術結合在一起，當系統工藝需要風量發生變化時，自

3、動調速，使電機在經濟的轉速下運行，從而達到節電的效果。變頻調速節能控制裝置的特點：（1）調速效率高；（2）調速范圍大；（3）調速精度高；（4）啟動電流小，而且容易實現閉環控制。由于可以利用原普通交流異步電動機，所以特別適合對原有舊設備的技術改造，它既保持了原電動機結構簡單，可靠耐用，維修方便的優點，又能達到節電的顯著效果，是風機交流調速節能的理想方法。目錄一、變頻器技術概述1、 變頻器技術的發展2、 變頻器的分類3、 變頻器的主要組成元件二、風機變頻調速驅動原理 1、風機的機械特性 2、風機的功率特性三、風機調速節能原理 1、風機風量和轉速及風壓與轉速的關系 2、風機節能的計算 3、電機的機械

4、特性四、風機變頻調速系統設計1、二次方律負載2、風量調節方法3、風機的容量選擇4、變頻器的容量選擇5、變頻器的運行方式選擇6、變頻器的參數設置7、風機變變頻調速系統的電路原理圖五、變頻改造后的效益計算六、結束語 七、參考文獻 一、 變頻器技術的發展1、 電力電子器件是變頻器發展的基礎變頻器的主電路不論是交-直-交還是交-交變頻的形式。都是采用電力電子器件作為開關器件，因此，電力電子器件是變頻器發展的基礎。現在，GTR和GTO的問世，脈寬調制（PWM）技術也進入到了應用階段，成為變頻的主要技術。現在絕緣柵雙極晶體管IGBT，其優良的性能很快取代了GTR。智能功率模塊IPM也被廣泛應用，電力電子器

5、件得到了快速的發展。計算機技術和自動控制是變頻器發展的支柱，市場需求是變頻器發展的動力，隨著科技的發展，變頻器技術已成為現代工業控制的主要技術。2、 變頻器的分類 變頻器的種類很多，下面根據不同分類進行介紹負載2.1根據原理分：交-直-交和交-交兩種， U0p組 50HZ P組 t N組2.2按相數：單相和三相2.3調壓方式分：脈幅調制和脈寬調制2.4輸出波形：方波和正弦波 U0 U T t 3、 變頻器的主要組成元件3.1功率二極管（D）指能承受高電壓、大電流、具有較大耗散功率的二極管。它與普通的二極管結構、工作原理和伏安特性相似，但是它的主要參數和選擇原則等不盡相同。（1）伏安特性曲線 I

6、D URSM O UD （2）圖形符號 A K3.2晶閘管（SCR） （1）導通條件：在晶閘管的陽極A和陰極K間加正向電壓，門極和陰極間也加正向電壓，晶閘管導通。 （2） 圖形符號 A G k 3.3 GTO和GTR 3.4 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） （1） IGBT的主要參數：最大集電極 發射極間電壓UCEM 最大柵極 發射極電壓UGEM 最大集電極電流ICM 開關頻率等。二、變頻器調速驅動原理風機的機械特性具有二次方律特征，即轉矩和轉速的二次方成正比變化。在低速時由于流體的流速低，所以負載的轉矩很小，隨著電動機轉速的增加，流速加快，負載轉矩和功率越來越大。負載轉矩TL和轉速nL之間的關

7、系表示為： TL=T0+KTnL2 根據負載的機械功率PL和轉矩TL、轉速NL之間的關系，有： PL=TLnL/9550 則功率PL和轉速NL之間的關系為： PL=P0+KPnL3 上三式中，PL TL分別為電機軸上的功率和轉矩;KT、KP分別為二次方律負載的轉矩常數和功率常數。 下圖為二次方律負載的機械特性和功率特性曲線，可以看出，當被控對象所需風量減小時，采用變頻器降低風機的轉速NL，會使電機的功耗大大降低。 n/(r/min) 1500 1000 500 0 9.4 22.7 45 TL /(Nm)a 二次方律負載的機械特性 n/(r/min) 1500 1000 500 0 0.49

8、2.38 7.0 PL/kw三、風機調速節能原理1、風機風量和轉速及風壓與轉速的關系當工作負荷變化時，調節驅動風機的電動機，轉速隨之變化，可降低功耗，節約電能。由流體力學理論可知，風機風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率P與轉速的3次方成正比，即式中 轉速時的風量， 轉速時的風量， 轉速時的風壓， 轉速時的風壓， 轉速時的功率， 轉速時的功率，因此，當系統工作流程需風量減少時，調節轉速下降可使功率降低很多。例如，當風量與轉速均下降到90%時，功率將降低到額定功率的73%;當風量與轉速均下降到80%時，功率將降低到額定功率的51%;當風量與轉速均下降到70%時，功率將降低到額

9、定功率的34%;當風量與轉速均下降到60%時，功率將降低到額定功率的21%。可見其節能效果十分顯著，有很大的節能發展前途。其節能原理可用圖1（風機的風壓風量特性曲線）來說明。 R1R2QR1Q1Q2OABCp3p1p2pn1n2n1風機在額定轉速運行時的特性n2風機降速運行在n2轉速時的特性R1R1風機管路阻力最小時的阻力特性R2風機管路阻力增大到某一數組時的阻力特性圖1風機的風壓風量特性曲線風機在管路特性曲線R1工作時，工作點為A，其流量和壓力分別為Q1和p1，此時風機所需的功率正比于Q1與p1的乘積，即正比于Ap1OQ1的面積。由于生產工藝要求需要風量從Q1減小到Q2時，若減小調節風門開度

10、，則實際上管網管阻增加，使風機的工作點移到R2上的B點。可以看出，風量下降，風壓增加，風壓增大到p2，這時風機所需的功率正比Q2和p2的乘積，即正比于Bp2OQ2的面積。顯然風機所需的功率變化不多。這種調節方式控制雖然簡單，但不利于節能。若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，不改變管網阻力，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由p1降到p3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于Q2與p3的乘積，即正比于Cp3OQ2的面積，由圖1可見功率的減少是明顯的。2、風機節能的計算 風機流量變化量，如前所述，采用變頻調速是有效的節電措施。根據三相異步電動機經濟運行對電機經濟運行管理的規定有如下的

11、計算公式。采用擋板調節流量對應電動機輸入功率P1V與流量Q的關系為 （1）式中 額定流量時電動機輸入功率，kW額定流量， （2）3、電機的機械特性異步電機不同電壓下的機械特性 變頻調速機械特性四、 風機變頻調速系統的設計1、二次方律負載風機是具有二次方律負載的機械特性，屬于這類機械特性的風機有離心式風機、混流式風機、軸流式風機等。其中以離心式風機最為典型，應用也最為廣泛。風機從零開始升速時，風量的流速低，但也要考慮此時的負載轉矩T0和功率P0。 隨著電動機的升速，風壓風量也隨之加大，負載轉矩和功率也越來越大。因此，即使是在空載情況下也要考慮轉矩和功率的損失。2、 風量調節方法（1）由于電動機的

12、轉速是恒定不變的，只能用調節風門或擋板的開度來調節風壓和風量。這樣的調節，使得風門和擋板損失和消耗了一部分功率。（2）如果風門或擋板的開度不變，調節電動機轉速，則風量隨轉速而改變。（3）在所需風量相同情況下，調節轉速的方法所消耗的功率要比調節風門或擋板開度小得多，這就是變頻調速節能原因所在。3、風機的容量選擇 風機容量的選擇，主要依據被控對象對流量或壓力的需求，可：查相關的設計手冊，選擇以下的技術指標。根據要求選擇下圖中的風機參數。（1）引風機電動機 ： 型號額定電壓額定轉速額定頻率額定功率工作方式:絕緣等級：制造廠YKKL560-6380v993r/min50Hz5.5kwS1F河南電機廠

13、（2）引風機：型號風量風壓制造廠Y4-273NO224702m3/h425Pa沈陽鼓風機廠4、變頻器的容量選擇 風機在某一轉速下運行時，其阻轉矩一般不會發生變化，只要轉速不超過額定值，電機也不會過載。一般變頻器在出廠標注有一定的安全系數，所以選擇變頻器容量與所驅動的電機容量相同即可，若考慮更大的余量，也可以選擇比電機容量大一個級別的變頻器，但價格要高出不少。 該項目選擇三菱FR-450系列變頻器，它是高性能數字處理DSP控制，功能齊全，操作方便。1.1根據負載電流選擇變頻器（1）標準電機在額定電壓、額定電流和額定功率運行時電流為最大，溫升也最大，不許超負載轉矩使用，額定功率為50Hz的電機運轉

14、時溫度有余量。 （2）根據電機工作電流來選擇變頻器的容量。 變頻器的容量也應該大于電機的工作容量，這樣能在超負載工作時不影響電機的實際需要的轉矩。1.2考慮低速轉矩特性 變頻器采用低速運行時，對于u/f的恒轉矩控制，各頻率下的運轉電流大體同電機額定下的運轉電流一樣。1.3考慮短時最大轉矩1.4考慮容許最高頻率的范圍三菱FR-A450系列型號規格三菱FR-A4500.751.52.245.57.511電機容量/kw7515224553511輸出額定容量/kvA1602406006480120160額定電流/A537559131824電壓/V 0380，對應頻率0400Hz過載能力150% 1 m

15、in 輸入電源 三相380 V 50/60 Hz 綜上所述變頻器的容量選擇為6Kw,電流等級選擇I=9A，電壓380V，對應頻率0400Hz，5、變頻器的運行控制方式選擇（1）操作模式設置為了操作方便，可將變頻器的操作設置為“面板與外部操作組合模式”或“外部操作模式”。操作人員可以通過安裝在工作臺上的按鈕或電位器控制和調節風機的轉速。（2）變頻器控制方式設置變頻器控制方式可根據風機的負載特性進行設置。如果風機在額定轉速以下工作，負載轉矩較低，不存在電動機帶不動負載問題。因此，采用V/F方式控制方式即可滿足工藝要求。而且從性能價格比角度考慮，也可以選擇比較廉價的風機水泵專用變頻器。（3）U/f控

16、制曲線的選擇風機采用變頻器調速控制后，操作人員可以通過調節安裝在工作臺上的按鈕或電位器調節風機的轉速，操作方便。 變頻器的運行控制方式選擇，可依據風機在低速運行時，阻轉矩很小，不存在低頻時帶不動負載的問題，故采用U/控制方式即可。并且，從節能的角度考慮，U/ 線可選擇最低的。現在許多生產廠家都生產廉價的風機專用變頻器，可以選用。 為什么U/線可以選擇最低的？現說明如下： 圖中，曲線0是風機二次方律機械特性曲線，曲線1為電機在u/f 控制方式下轉矩補償為0時的有效負載線。當轉速為Nx時，對應于曲線0的負載轉矩為TLX , 對應于曲線1的有效轉矩為TMX。因此，在低頻運行時，電動機的轉矩和負載轉矩

17、相比，具有較大的余量。為了節能，變頻器設置了若干低減u/ f 線，其有效轉矩如圖中的曲線2和曲線3所示。若選擇低減u/f時，有時會發生難以啟動的問題，如圖中的曲線0和曲線3相交s點，顯然，在s點一下電機是難以起動的，為此，采取一下措施（1） 選擇另一低減u/f曲線2（2） 適當加大啟動頻率 在設置變頻器參數時，一定要看清變頻器說明說上注明的u/f曲線在出廠時默認的補償量，一般變頻器出廠時設置的為轉矩補償u/f曲線，即頻率fx=0時，補償電壓ux為一定值，以適應低減速需要較大轉矩的負載。但這種設置不適宜風機負載，因為風機低速時阻轉矩很小，即使不補償，電動機輸出的電磁轉矩都足以帶動負載。為了節能，

18、風機應采用負補償的u/f曲線，這種曲線在低速時減小電壓ux,因此，也稱為低減u/f曲線。 如果用戶對變頻器出廠時設置的轉矩補償u/f曲線不加改變，就直接接上風機運行，節能效果就比較差了，甚至在個別情況下，還可能出現低頻運行時因勵磁電流過大而跳閘的現象。當然，變頻器還有“自動節能”的功能設置，直接設置即可。6、變頻器的參數預置 （1）上限頻率 因為風機的機械特性具有二次方律特性，所以，當轉速超過額定轉速時，阻轉矩將增大很多，容易是電機和變頻器處于過載狀態，因此，上限頻率fH不應超過額定頻率fN。取上限頻率pr.1=300Hz。（2）下限頻率 從特性或工況來說，風機對下限頻率沒有要求，但轉速太低時

19、，風量太小，在多數情況下，一般預置為FL20Hz。Pr.2=0.5Hz 上限頻率、下限頻率為變頻器根據負載需要設定的最高和最低頻率，在閉環控制電機模式下，變頻器輸出頻率達到上限值，且在該頻率下持續運行一定的時間。（3）加、減速時間 風機的慣性很大，加速時間過短，容易產生過電流；減速時間過短，容易過電壓。一般風機啟動和停止的次數很少，啟動時間和停止時間不影響正常生產。所以加減速時間可以設置長些。根據風機的容量大小而定，通常是風機容量越大加、減速時間設置越長。一般設置為pr.7=20s、pr.8=20s。輸出頻率 50Hz t1t2 時間變頻器定義4種加、減速時間，加速時間是指頻率從零增加到50H

20、z的時間，減速時間是從50Hz減少到零的時間，圖中t1是加速時間，t2是減速時間。（4）加、減速方式 風機在低速時阻轉矩很小，隨著轉速的增高，阻轉矩增大的很快；反之，在停機開始時，由于慣性的原因，轉速下降較慢。所以加、減速方式以半S方式較適宜。參數設置pr.29=2，此時為S曲線加減速。（5）回避頻率 風機在較高速運行時，由于阻轉矩較大，容易在某一轉速下發生機械諧振。遇到機械諧振時，極易造成機械事故或設備損壞，因此必須考慮設置回避頻率，可采用實驗的方法進行設置，即反復緩慢地在設定的頻率范圍內進行調節，觀察產生諧振的頻率范圍，然后進行回避頻率的設置。（6）起動前的直流制動風機在停機時，由于自然風

21、的作用，常常處于反轉狀態，此時也就是電動機處于再生發電狀態，為使風機從零速開始起動，須采用起動前的直流制動。 7、風機變頻調速系統電路組成例如某鍋爐引風機，電動機容量為37kW，采用變頻調速。一般情況下，風機采用正轉控制，電路比較簡單。風速大小由操作工人調節。控制柜和變頻器以及操作臺均安裝在電控室，進行遠距離操作。風機變頻調速系統電氣原理如圖6-2所示。1. 主電路電器選擇（1）變頻器選型選用三菱FR-A540-37K-CH型變頻器，額定容量為54kV.A，額定電流71A。（1.1） 變頻器的接線與功能介紹 圖中所用變頻器為三菱FR-450系列，輸入端經斷路器QF和接觸器KM串聯后接到變頻器的

22、電源R、S、T端，輸出端U、V、W直接接到電動機上，KA控制變頻器STF端的啟動（正轉），A、B、C三端為變頻器的接觸器輸出，定義為故障端輸出。RP用來調節變頻器輸入電壓的平衡。變頻器的功能預置為：Pr.3=50Hz ,（基準頻率）Pr.195=20,（A、B、C端子功能選擇）Pr.180=5, （端子功能）Pr.251=1,（輸出欠相保護選擇）（2）空氣開關 又稱斷路器，具有一定的隔離作用、保護作用。變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值可能超過額定值，一般變頻器允許的過載能力為150%，1min。所以，為了避免誤動作，空氣開關的額定電流IQN應選擇： 選用DZX10D-100型自動空氣開關。對

23、于，電動機要求有實現工頻和變頻的切換電路中，應按下式計算電路中的電流： IQN2.5 IMN 上面兩式中，IMN為電機的額定電流。（3）接觸器的選擇 3.1）輸入側的接觸器的選擇：主觸點的額定電流只需大于或等于變頻器的額定電流即可。 如下式： IKN IN = 71A選用CJ10系列交流接觸器，型號CJ10-80。2、主電路 三相工頻電源通過低壓斷路器QF和接觸器KM串聯后接到變頻器的電源R、S、T端，QF起到短路、過載保護。KM具有失欠壓保護。3、控制電路原理按鈕開關SB1、SB2用于控制接觸器KM，KM用來控制變頻器電源的通斷。按下SB2,KM線圈得電并自鎖，主觸頭閉合，接通變頻器電源。按

24、鈕開關SB3、SB4用于控制繼電器KA，KA用來控制變頻器的運行與停止。按下SB4,KA線圈得電并自鎖，接通變頻器正轉起動端子STF,風機起動運行。KM與KA之間具有連鎖關系，在KM未接通電源之前，KA不能得電。在KA未斷電時，KM也不能斷電。電位器RP用于變頻器的頻率給定，用來調節風機轉速。當變頻器發生異常故障時，其異常輸出端子B-C分斷，切斷控制電路電源，使系統迅速停機，同時A-C間接通，接通聲光報警電路，對變頻器起到了保護作用。五、變頻改造后的效益計算：5.1初步定性分析：參考#12爐吸風機改造前的記錄，對本吸風機改造前后的電流做一個縱向比較，可以發現在同負荷下電流從原來的80A左右降至

25、現在的30A左右 ,電流降低明顯，由此可初步判斷出節能效果較為理想； 5.2直接節能效益分析：（1）通過表2可知，吸風機節電率隨著鍋爐負荷的增加而減小，在測試負荷300T/H、350T/H時，對應節電率(以甲側為例)55.3%和43.8%，平均節電率為49.6%，節電效果較為顯著，在低負荷時節電效果最為明顯。此結果達到高壓變頻器在其他電廠同類型設備的應用效果（節電率50%左右）。表2：電量測算結果如下:鍋爐出力甲側吸風機功率（KW）乙側吸風機功率（KW）12爐14爐功率差節電率12爐14爐功率差節電率300t/h300.9672.9372.055.3%303.5705.3401.857.0%3

26、50t/h396.9705.6308.743.8%366.7716.6349.948.8%（2）吸風機改變頻后，其單耗值有明顯降低。按鍋爐出力350T/H工況計算，甲吸單耗下降0.88KWH/T汽；乙吸單耗下降1.0 KWH/T汽。（3）2005年#12爐平均約90%的時間帶350T/H及以上負荷，約10%的時間帶300T/H及以下負荷；2005年該爐吸風機年運行小時數均4900小時。以此為依據，變頻調節比原擋板調節年節電量約為：甲吸（308.790%37210%）4900=154.36萬KW.h乙吸 (349.990%401.810%）4900=173.99萬KW.h（4）節約費用的估算及投

27、資回收期：以兩臺變頻的投資金額約147萬計算；標煤平均單價231元/噸。a以節電量計算節約資金及投資回收的情況如下：我公司的上網電價是0.277元/KW.H，以此電價計算年節約費用。甲吸為:154.360.277=約42.76萬元乙吸為: 173.990.277=約48.20萬元兩臺年合計節約費用：90.96萬投資回收期=投資金額/年節約費用=147萬元/90.96萬元=1.62（年）b以節煤量計算節約資金及投資回收的情況如下：兩臺吸風機共計年節約標煤量節約電量供電煤耗（154.36萬KW.h173.99萬KW.h）0.373kg/kwh1224.75噸；年節約煤碳購置費用年節約標煤量標煤單價

28、1224.75噸231元/噸.25元投資回收期=投資金額/年節約煤碳購置費用=147萬元/28.29=5.2（年）可見，改變頻后的經濟效益是可觀的。5.3間接節能效益分析：吸風機變頻運行后，在滿足原出力情況下是降速運行，因此可減少風機葉輪的磨損，節約檢修維護費用；同時風機在運行時擋板全開，這樣能減輕風機的機械振動，提高其運行的安全可靠性。（吸風機在改變頻前，吸風機不同程度的存在振動過大的現象，改變頻運行后，此情況應能得到較好的改善。）結束語變頻器在現在的工業控制中起著巨大的作用，發展也越來越快，不斷地更新換代，所以我們要學習新的知識和技術，來豐富自己的頭腦，本次設計中，明白了變頻器的使用和選擇

29、，以及各種數據的計算。各種參數的設置及調試，對今后從事此工作有很大的幫助。變頻器的形式各種各樣，正確的使用它控制現代生產，提高效率，節約能源。對社會做出了貢獻。在現今能源日趨緊張、生產成本居高不下的條件下，依靠科技進步，加大節電力度，最大限度降低電力消耗，是電力企業提高經濟效益、建設節約型企業的內在需要和必然選擇。變頻調速控制為電動機的節能提供了可靠的技術，改造后實現了電機的軟啟動、延長電機壽命、減少了風道的磨損，且節電效果顯著，將為創造巨大的經濟效益，值得大力推廣，目前風機變頻改造已在調試中。 致謝首先衷心感謝我的指導老師！他學識淵博，治學嚴謹，勤奮敬業，使我于耳濡目染中受益匪淺；設計期間，

30、老師對我傾注了大量的心血，不斷給我方向性的指導和建議，同時也不斷鼓勵我獨立思考，提出自己的見解，鍛煉我獨立的科研能力，這一切都將對今后的工作和生活產生重要的積極影響。特此在本論文完成之際，對老師的精心指點和諄諄教誨表示崇高的敬意和衷心的感謝！對那些在大學期間給予我知識和指導的老師，給予我幫助和支持的同學，表示真誠的感謝和由衷的敬意。最后，感謝我的母校，是您使我在大學期間接受良好的教育，無論我身在何處都以“厚德篤學、知行合一”為訓，無論走到哪里都會踏踏實實做事、堂堂正正做人，為社會做貢獻！參考文獻1 韓安榮.通用變頻器及應用M.北京:機械工業出版社，2000. 2 王廷才，王偉.變頻器原理及應用M.北京:機械工業出版社，2005.7.3 佟純厚.變頻器調速原理.北京:冶金工業出版社，1984.4 張燕賓.變頻調速應用實踐M.北京:機械工業出版社，2000.5 黃元培，張學.變頻器應用技術及電動機調速M.人民郵電出版社，1998.6 王廷才 .王本軼 風機設備的變頻技術及應用tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3Xt