1、第10章 变频器应用实例10.1 10.1 变频调速技术在风机上的应用变频调速技术在风机上的应用 10.1.1 10.1.1 风机变频调速驱动机理风机变频调速驱动机理 风机应用广泛，但常用的方法则是调节风门或挡板开度的大小来调整受控对象，这样，就使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。采用变频调速可以节能30%60%。负载转矩TL和转速n L之间的关系可用下式表示：(10-1)则功率PL和转速n L之间的关系为：(10-3)上三式中，PL、TL分别为电动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。20LTLnKTT30LPLnKPP变频器原理与应用第10章10.1.2
2、 10.1.2 风机变频调速系统设计风机变频调速系统设计 1.风机容量选择 风机容量的选择，主要依据被控对象对流量或压力的需求，可查阅相关的设计手册。2.变频器的容量选择 选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。3.变频器的运行控制方式选择 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，采用Uf控制方式即可。4.变频器的参数预置 上限频率，下限频率，加、减速时间，加、减速方式，回避频率，起动前的直流制动。变频器原理与应用第10章5.5.风机变频调速系统的电路原理图风机变频调速系统的电路原理图 考虑到变频器一旦发生故障，也不能让风机停止工作，应具有将风机由变频运行切换为工频
3、运行的控制。图10-3 所示为风机变频调速系统的电路原理图变频器原理与应用第10章风机用变频器的功能代码风机用变频器的功能代码 以变频器为森兰BT12S系列为例，变频器的功能预置为：F01=5 频率由X4、X5设定。F02=1 使变频器处于外部FWD控制模式。F28=0 使变频器的FMA输出功能为频率。F40=4 设置电机极数为4极。FMA为模拟信号输出端，可在FMA和GND两端之间跨接频率表。F69=0 选择X4、X5端子功能。即用控制端子的通断实现变频器的升降速。X5与公共端CM接通时，频率上升；X5与公共端CM断开时，频率保持。X4与公共端CM接通时，频率下降；X4与公共端CM断开时，频
4、率保持。这里我们使用S1和S2两个按钮分别与X4和X5相接，按下按钮S2使X5与公共端CM接通，控制频率上升；松开按钮S2，X5与公共端CM断开，频率保持。同样，按下按钮S1使X4与公共端CM接通，控制频率下降；松开按钮S1，X4与公共端CM断开，频率保持。变频器原理与应用第10章风机变频调速系统的电路原理图说明风机变频调速系统的电路原理图说明 1.主电路 三相工频电源通过断路器Q接入，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端R、S、T，接触器KM2用于将变频器的输出端U、V、W接至电动机，KM3用于将工频电源直接接至电动机。注意接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，否则会造成损坏变频器的后
5、果，因此，KM2和KM3之间必须有可靠的互锁。热继电器KR用于工频运行时的过载保护。变频器原理与应用第10章风机变频调速系统的电路原理图说明风机变频调速系统的电路原理图说明 2.控制电路 设置有“变频运行”和“工频运行”的切换，控制电路采用三位开关SA进行选择。当SA合至“工频运行”方式时，按下起动按钮SB2，中间继电器KA1动作并自锁，进而使接触器KM3动作，电动机进入工频运行状态。接下停止接钮SB1，中间继电器KA1和接触器KM3均断电，电动机停止运行。当SA合至“变频运行”方式时，按下起动按钮SB2，中间继电器KA1动作并自锁，进而使接触器KM2动作，将电动机接至变频器的输出端。KM2动
6、作后使KM1也动作，将工频电源接至变频器的输入端，并允许电动机起动。同时使连接到接触器KM3线圈控制电路中的KM2的常闭触点断开，确保KM3不能接通。接下按钮SB4，中间继电器KA2动作，电动机开始加速，进入“变频运行”状态。KA2动作后，停止按钮SB1失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。在变频运行中，如果变频器因故障而跳闸，则变频器的“30B-30C”保护触点断开，接触器KM1和KM2线圈均断电，其主触点切断了变频器与电源之间，以及变频器与电源之间的连接。同时“30B-30A”触点闭合，接通报警扬声器HA和报警灯HL进行声光报警。同时，时间继电器KT得电，其触点延时一段时间后
7、闭合，使KM3动作，电动机进入工频运行状态。变频器原理与应用第10章10.1.3 10.1.3 节能计算节能计算 以一台工业锅炉使用的30 kW鼓风机为例。一天 24小时连续运行，其中每天10小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），14小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。则变频调速时每年的节电量为：W1=30101（46/50）3300=19918kWh W2=30141（20/50）3300=117936kWh Wb=W1W2=19918117936=137854 kWh 挡板开度时
8、的节电量为：W1=30（198%）10300=1800kWh W2=30（170%）14300=37800kWh Wd=W1W2=180037800=39600 kWh 相比较节电量为：W=WbWd=13785439600=98254 kWh 每度电按0.6元计算，则采用变频调速每年可节约电费58952元。一般来说，变频调速技术用于风机设备改造的投资，通常可以在一年左右的生产中全部收回。变频器原理与应用第10章10.2 10.2 空气压缩机的变频调速及应用空气压缩机的变频调速及应用 10.2.1 10.2.1 空气压缩机变频调速机理空气压缩机变频调速机理 空气压缩机是一种把空气压入储气罐中，使
9、之保持一定压力的机械设备，属于恒转矩负载，其运行功率与转速成正比：(10-4)式中，PL为空气压缩机的功率，TL为空气压缩机的转矩，nL为空气压缩机的转速。传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，压缩机进入轻载运行；压力抵达下限时开阀，压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电动机的容量，故选择的电动机容量一般较大。在实际运行中，轻载运行的时间往往所占的比例是非常高的，这就造成巨大的能源浪费。9550LLLnTP 变频器原理与应用第
10、10章10.2.2 10.2.2 空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题 1空气压缩机加、卸载供气控制方式的能量浪费 1)压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量 当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、还要使其压力继续上升，直到Pmax。这一过程中需要电源提供压缩机能量。2）减压阀减压消耗的能量 气动元件的额定气压在Pmin左右，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。3)卸载时调节方法不合理所消耗的能量 当压力达到Pmax时，但空气压缩机的电机还是要带动螺杆做回转运动。2.加、卸载供气控制方式其他损失 1)供气压力的波
11、动，从而供气压力精度达不到工艺要求，会影响产品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。2)频繁地打开和关闭放气阀，会导致放气阀的寿命大大缩短。变频器原理与应用第10章10.2.310.2.3空气压缩机变频调速的设计空气压缩机变频调速的设计 空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图10-4所示。图10-4 系统原理框图变频器原理与应用第10章10.2.310.2.3空气压缩机变频调速的设计空气压缩机变频调速的设计 空气压缩机变频调速系统电路原理图如图10-5所示。图10-5 空气压缩机变频调速系统电路原理图变频器原理与应用第10章1
12、0.2.4 10.2.4 空气压缩机变频调速的空气压缩机变频调速的安装调试安装调试 1.安装：为防止电网与变频器之间的干扰，在变频器的输入侧最好接一个电抗器。安装时控制柜与压缩机之间的主配线不要超过30m，主配线与控制线要分开走线，且保持一定距离。控制回路的配线采用屏蔽双绞线，接线距离应在20m以内。另外控制柜内要装有换气扇，变频器接地端子要可靠接地，不与动力接地混用。2.调试：完成变频器的功能设定及空载运行后，可进行系统联动调试。调试的主要步骤：1）将变频器接入系统。2）进行工频控制运行。3）进行变频控制运行，其中包括开环与闭环控制两部分调试：开环：主要观察变频器频率上升的情况，设备的运行声
13、音是否正常，空压机的压力上升是否稳定，压力变送器显示是否正常，设备停机是否正常等。如一切正常。闭环：主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配，不要产生压力振荡，还要注意观察机械共振点，将共振点附近的频率跳过去。对PID参数的进行整定。变频器原理与应用第10章10.2.5 空压机变频调速后的效益空压机变频调速后的效益 1.节约能源使运行成本降低 空气压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的80%。通过变频技术改造后能源成本降低20%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。2.提高
14、压力控制精度 变频控制系统具有精确的压力控制能力，有效地提高了产品的质量。3.全面改善压缩机的运行性能 变频器从0Hz起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音。变频器原理与应用第10章10.3 变频器在供水系统的节能应用变频器在供水系统的节能应用 10.3.1 10.3.1 恒压供
15、水的控制目的恒压供水的控制目的 对供水系统的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡情况有关。当供水能力Qg用水需求Qu，则压力上升（p）；当供水能力Qg用水需求Qu，则压力下降（p）；当供水能力Qg=用水需求Qu，则压力不变（p=常数）。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力就成为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力
16、和用水流量处于平衡状态，恰到好处的满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。变频器原理与应用第10章10.3.2 10.3.2 水泵调速节能原理水泵调速节能原理 图10-6为水泵的流量调节曲线。曲线2和曲线4为扬程特性，曲线2为水泵转速较高的情况，曲线4为水泵转速降低的情况。曲线1曲线3为管阻特性，曲线1为开大管路阀门管阻较小的情况，曲线3为关小管路阀门管阻较大的情况。图10-6 水泵的流量调节曲线 可以看出，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所取用的功率将大为减少。变频器原理与应用第10章10.3.3 10.3.3 变频调速恒压供水系统变频调速恒压供水系统 水泵的机械特性可表
17、示为：TL=TO+Kn2 （10-7）式中，TO为损耗转矩；K为系数；TL为水泵的阻转矩。图10-7 变频调速恒压供水系统的组成框图 变频器原理与应用第10章10.3.3 10.3.3 变频调速恒压供水系统变频调速恒压供水系统 如果管网系统采用多台水泵供水，变频器可控制其顺序循环运行，并且可以实现所有水泵电机变频软启动。现以两台水泵为例，说明系统按顺序运行过程，如图10-8所示。图10-8 两台水泵供水时顺序运行过程变频器原理与应用第10章10.3.4 10.3.4 变频调速恒压供水系统设计变频调速恒压供水系统设计 1.设备选择原则选择水泵和电机的依据是供水规模（供水流量）。系统设计还应遵循以
18、下的原则：蓄水池容量应大于每小时最大供水量。水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。变频器原理与应用第10章2.2.设计实例设计实例 某居民小区共有10栋楼，均为7层建筑，总居住560户，住宅类型为表1中的3型，设计恒压供水变频调速系统。（1）设备选用如下：1）根据表1确定用水量标准为0.19m3人日；2）根据表2确定每小时最大用水量为105m3h；3）根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36 Mpa。4）根据表3确定水泵型号为65LG36-202共3台，水泵自带电动机功率7.5kW,选用三恳SAMCO-vm05变频器SPF-7.5K，配接SWS供水基板，容量7.5k
19、W变频器原理与应用第10章2.2.原理图原理图 变频调速恒压供水系统采用SAMCO-vm05变频器，内置有PID调节器，配置有SWS供水控制基板，可直接驱动多个电磁接触器，可以方便地组成恒压供水控制系统。图10-9 变频调速恒压供 水系统的原理图 变频器原理与应用第10章2.2.原理图说明原理图说明 控制要点说明：MF为冷却风机，SA为选择开关，系统用户可方便地进行自动运转和手工运转的切换；给定压力是通过操作面板设置的；压力反馈用的压力传感器采用远传压力表，价格低廉，电路中的P为远传压力表；中间继电器KM*是为了进行手动-自动电路之间的互锁并在发生瞬时停电时起作用；中间继电器RD是当电路自动工
20、作变频运行时，防止储水池水位过低，水泵抽不到水而进行保护的。当水池水位低于要求值时，与RD线圈串联的OM触点断开，RD失电，使FR与DCM断路，水泵电机停转。同时MBS与DCM接通，运转中的电机全部停止。当由市电工频电源驱动电机时，电机回路中串接有热敏继电器进行过载保护；对于变频器和市电可切换驱动的电机而言，必须使用电磁接触器触点互锁，防止双方的电磁接触器同时接通损坏变频器。变频器原理与应用第10章3.3.系统主要电器的选择系统主要电器的选择 1）QM2断路器选择IQN （1.3 1.4）IN =（1.3 1.4）16.423（A）QM2选30A式中，IN为变频器的输出电流，等于16.4A。2
21、）QM1断路器选择 IQN 2.5 IMN=2.513.6=34A QM1选40A式中 IMN 电动机的额定电流，等于13.6A。3）接触器的选择 接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个挡次来选择，由于电动机的额定电流IMN=13.6A，所以接触器的触点电流选20A即可。变频器原理与应用第10章4.4.安装与配线注意事项安装与配线注意事项 1）变频器的输入端R、S、T和输出端U、V、W是绝对不允许接错的，否则将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。2）变频器都有一个接地端子“E”用户应将此端子与大地相接。当变频器和其它设备，或有多台变频器一起接
22、地时，每台设备都必须分别和地线相接，不允许将一台设备接地端和另一台的接地端相接后再接地。3）在进行变频器的控制端子接线时，务必与主动力线分离，也不要配置在同一配线管内，否则有可能产生误动作。4）压力设定信号线和来自压力传感器的反馈信号线必须采用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层与变频器的控制端子ACM连接，屏蔽线的另一端的屏蔽层悬空。（5）变频器功能参数设置，按说明书结合供水要求进行具体设置。变频器原理与应用第10章10.3.5 10.3.5 经济效益分析经济效益分析 从流体力学原理知道，水泵供水流量与电机转速及电机功率有如下关系：Q1/Q2=n1/n2 （10-8）H1/H2=（n1/n2)2 （10-
23、9）P1/P2=（n1/n2)3 （10-10）上三式中，Q为供水流量，H为扬程，P为电机轴功率，n 为电机转速。本设计系统共有3台7.5kW的水泵电机，假设按每天运行16小时，其中4小时为额定转速运行，其余12小时为80%额定转速运行，一年365天节约电能为：W=7.5121（80/100）3365=16031kWh若每1kWh电价为0.60元，一年可节约电费：0.6016031=9618.6元可见，对传统供水系统进行改造，按现在的市场价格，一年即可收回投资。以后多年运行经济效益十分可观。变频器原理与应用第10章本本 章章 小小 结结 本章列举了风机、空气压缩机、供水、中央空调和液态物料提升机等多种应用实例，每个例子都有系统方案选择、设备选用、电路原理图及安装调试的详细说明，方便用户参照这些例子开发新的变频器应用项目。采用变频调速系统，可以根据生产和工艺的要求适时进行速度调节，必然会提高产品质量和生产效率。变频调速系统可实现电机软起动和软停止，使起动电流小，且减少负载机械冲击。还具有容易操作、便于维护、控制精度高等优点。通过一些应用例子的节能计算，可以清楚地看出，变频调速具有显著的节能效果，一般进行老设备改造，一到两年即可收回投资。变频器原理与应用第10章
