课程设计 变频调速技术的应用现状和发展

洛阳理工学院
课程设计
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摘要 (3)
前言 (3)
一、变频调速技术及其在空调系统中的应用 (3)
二、变频调速技术实验研究及其应用分析 (6)
三、交流变频调速技术的优势与应用 (11)
四、变频调速系统的发展现状与前景展望 (13)
五、课程设计心得体会 (16)
六、参考文献 (16)
变频调速技术的应用现状和发展
摘要：介绍了目前变频调速领域研究的热点问题，分析了最新技术发展对变频调速系统产业化所带来的影响，并对变频调速系统的发展前景进行了预测。

简要介绍了变频调速技术，对变频调速器的用途和性能优点做了概括总结，比较详细地论述了变频调速器应用在空调系统中的节能的基本原理，并对其自动控制方法做了简单介绍.重点分析了与阀门调节相比，变频调速器的节能效果，从变频调速的基本原理开始，讨论了电动机调速与节能的关系，根据实验数据，结合生产实践中大量使用的风机、水泵进行分析，指出变频调速有利于节能及其它优势，并结合相关实例说明了使用变频技术带来的经济效益。

Abstract: This paper describes the current research in the field of frequency control hot issues, analyzing the latest technological developments on the frequency control system, the impact of industrialization, and Frequency Control System briefly introduced the development prospects of Frequency Control Technology,, a more detailed exposition of the frequency converter used in air-conditioning system in the basic principles of energy-saving, and its automatic control method made a brief introduction. focus on analysis, compared with the valve control, frequency conversion governor of energy-saving effect, from the basic principle of frequency conversion began to discuss the relationship between motor speed and energy saving, according to the experimental data, combined with production practice that is conducive to energy-saving frequency control, and other advantages, combined with the use of relevant examples of the benefits of inverter technology .
前言
当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。

能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。

能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。

而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。

全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。

能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。

在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。

有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。

对能源的有效利用在我国已经非常迫切。

作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。

我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。

我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。

我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。

因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

一、变频调速技术及其在空调系统中的应用
90年代以来，随着大功率晶体管技术发展、大规模集成电路和计算机技术的突飞猛进，交流电机的变频调速技术已日趋完善，在各行各业得到了广泛的应用.尤其在暖通空调领域，这一新技术在我国也开始推广应用，实践证明节能效益显著.
1变频调速器
变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFI(variable voltage & variable frequency inverter).它采用大功率晶体管GTR作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品.它将随着功率元件和计算机技术的发展，结构上做到体积小，重量轻；性能上优于以往的变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速等交流电机调速方式,并且将会逐步以这种崭新的调速技术取代直流电机调速.用交流异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单.
1．1用途与功能
变频调速器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业，适用于水泵、风机、压缩机、机床等产品的电机调速.因为暖通空调行业中水泵、风机为必需的设备，而且耗电量巨大，在全年使用空调的现代化宾馆及办公大楼中，风机、水泵的用电量占整个建筑用电量的30%～40%，约占整个动力用电的40%～55%［1］.自90年代以来变频调速器在暖通空调行业逐渐被大家所认识并采用.它具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能；具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能.
1．2性能与优点
采用SPWM控制方法，使电机的旋转磁场为理想的圆形磁场，转矩脉动小，电机运转平稳，特别是克服了电压型逆变器控制中电机低速运行时转距脉动大的缺点.变频调速器优点很多，比如操作简便、精确可调、数字显示、在线无级调速等，但其主要的优点在于节能.变频调速器+普通鼠笼式异步电机=新的高性能调速系统节能装置.
2变频调速节能原理
在暖通空调系统中，风机、水泵类机械的风量、流量控制，过去很少有采用转速控制方式的，多是由鼠笼式异步电机拖动，进行恒速运转，当需要调节风量、流量时，实际采用的办法是调节挡板或节流阀，这种控制虽然简单，但从节省能源的观点来看，是很不经济的.采用变频器对风机、水泵类机械进行转速控制来调节风量、流量的方法，对节约能
收稿日期19990713
源、提高经济效益具有重要意义.变频调速器用于水泵、风机、压缩机等的调速，比如近年出现的变频调速的VRV（变冷剂）系统，它们的节能原理都是相同的.
2．1变频调速节能的基本原理
以水泵为例，水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律.由水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n有如下关系
Q1/Q2=n1/n2 ,(1)
H1/H2=(n1/n2)2 ，(2)
P1/P2=(n1/n2)3 .(3)
流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多.风机也遵循这个规律，即风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.因此，降低水泵或风机的转速，就有可能使单位供水量或风量的电耗减少.由电工学可知，电机的转速与输入频率有如下关系
n=60f(1-s)/p ,(4)
式中：f为电源频率;s为滑差率；p为极对数；n为电机的转速.
变频器通过改变电机频率而达到无级调速的目的.对于水泵来说，变频调速供水，就是通过压力变送器检测管网水压，并将水压信号转化为电流信号，反馈给变频器内单片机，单片机根据水压情况调整水泵
电机输入频率，从而使水泵转速改变.例如，在非高峰供水时，水泵减速运行，从而使水泵输入功率减少，达到节能的目的.这就是变频调速供水节能的基本原理.
2.2变频调速器的自动控制
变频调速器可以手动控制也可以自动控制.自动控制信号采用4～20mA电流信号或0～5V电压信号；采用闭环控制的方法可以更好地满足自动控制的要求(如图1).流量仪表的气动信号经气电转换器变换为4～20mA的电流信号,由变频调速器的控制端进而来控制电动机的转速以改变流量.如果采用的是电动仪表，变频调速器试用又证明是可靠的，那么图中的气电转换器、三通气开关以及气动调节阀都可省去，从而控制系统大为简化.而且流量控制的精度比已往的气动调节阀控制高.根据要求，变频调速器也可采用温度控制、压力控制或各种信号的综合控制.
图1变频调速器自动控制示意图
Fig.1Scheme of VVVFI control
2.3与阀门调节相比变频调速的节能分析
采用变频调速器后，将泵和管线的阀门全开，用改变电机电源频率的方法来改变电机转速，进而改变流量.图2为水泵以阀门控制或调速控制时流量Q与扬程H的关系曲线（假设管路末端压头为零）.
图2变频调速器的节能原理图
Fig.2The principle diagram of VVVFI
for the save of energy
图2中：曲线1为泵在转速为n1时的Q-H性能曲线；曲线2为管路阻力特性曲线;曲线3为关小阀门，流量为Q2时的管路阻力特性曲线;曲线4为泵在转速为n2时的Q-H性能曲线;A，B，C为水泵的工况点.
泵消耗的轴功率为
P=γQH/η ,(5)
式中：γ为流体容重；η为泵的效率.
由式（5）可知，轴功率与Q，H的乘积成正比.因此在工况点A，轴功率与Q1，H1的乘积面积AH1OQ1成正比.根据工艺要求，当流量从Q1减少到Q2时，如采用阀门调节方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行．从图2中可以看出，压头反而增加为
H2，轴功率与面积BH2OQ2成正比，显然减少不多.如果采用转速调节，转速由n1降到n2.泵在转速为n2时的Q-H性能曲线如曲线4所示，可见在同样流量Q2时，压头H3大幅度降低，功率（与面积CH3OQ2成正比）明显减少，节省的功率与面积BH2H3C成正比,很显然节能效益显著.即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但节电效果仍十分明显.此外，电机消耗的功率不仅决定于泵，还和调速的方法有关.如果电动机的滑差损耗很大，节电效果就大打折扣了.变频调速器是一种高效调速装置，它与滑差调速、液力偶合器调速不同，没有滑差损耗，本身的固有损失仅为1%～2%，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率.对泵、风机等流体机械，流量或风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的立方成正比的，因此
P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe ，(6)
式中：ne，Qe，Pe分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功率.
由式（3）可知，采用变频调速时，变频器消耗功率为
P变频=P=(Q/Qe)3Pe .(7)
如果采用阀门调节，电动机消耗功率近似为
P电=（0.4+0.6Q/Qe）Pe.(8)
从式（7）和式（8）可见，当流量Q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗功率为0.125P
e.采用阀门调节流量时，电动机消耗功率0.7Pe，节电率为82.1%，节电效果是很可观的.
2.4在空调水系统中采用变频器的节电效果
在一大型商场的空调水系统中，采用一台37kW的水泵及一台变频器，经测试后，变频调速消耗功率为9.42kW(f=28Hz),阀门调节控制消耗功率为36.42kW,节电率为74.1%，年节电量为21.6万kW.h,电价按0.5元/(kW.h)计，则年节约资金为10.8万元；若选用价格为3.85万元的VFA-050-3型变频器，则静态投资回收期为4.3个月.
3结论
理论和实践证明，在空调水系统中采用变频器具有显著的节能效果.在空调风系统中变频器控制空调风机的运行节电率可以达到39%［2,3］.除此以外，变频器还可用于锅炉补水系统、供热外网以及制冷系统中，同样都可以起到比较显著的节能效果.事实上，变频器除了可以节电以外，还有许多优点.由于变频器采用微机控制，具有16种电压-频率特征曲线可供选择，因而拖动各种不同性质的负荷均能进入最佳运行状态.电机的加速和减速时间能根据负荷的要求来调整，在启动运行过程中做到了软起动，避免了泵的抽空现象.变频调速又属于无级调速方式，在运行稳态过程和运行调节过程中能起到显著的节能效果.此外还可降低起动电流，提高功率因数，对电机有多种保护功能.但变频器也有缺点，比如变频器对智能控制的电信号有干扰、价格较高等.目前，变频器的可靠性在不断提高，价格也有所降低，而且对于三相异步电动机加装变频器无需改变电路结构，所以它在暖通空调系统中必将得到广泛应用.
二、变频调速技术实验研究及其应用分析
1．概述
我国的能源供应还很紧张，最大限度的利用能源是一种客观要求。

而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。

一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

近年来变频技术被广泛的应用在生产、生活的各个方面，就是由于使用了变频技术可以大幅度提高能源的利用率。

2 变频调速
2.1 变频调速的基本原理
在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器,由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。

在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电,脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调
控下,用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源,输出到需要调速的电动机上。

由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比, 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。

2.2 电动机调速与节能的关系
风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)2
P1/P2=(n1/n2)3
上述式子中Q1、H1、P1分别代表转运n1时的流量、压力、功率。

Q2、H2、P2、分别代表转速n2时的流量、压力、功率。

即流量与转速的一次方成正比：压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。

由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。

例如：当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的(80%)3≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的(40%)3≈6.4%。

风机(水泵)调节流量，可行的方式有两种：
第一种方式是保持电机转速不变，通过调节风阀来调节流量。

此时风机的对H-Q特性曲线不变。

而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。

第二种方式是管路的阻力特性保持不变(即风门不变)，通过调节电机的转速来调节流量。

这种方法所消耗的功率相对于第一种要小得多。

调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。

风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。

2.3 电机在不同频率下运行的节电效果：P=N3 ( 仅供参考)
1．频率下降10%情况下的节电率：1-(1-10%)3=27.1%；
2．频率下降15%情况下的节电率：1-(1-15%)3=38.6%；
3．频率下降20%情况下的节电率：1-(1-20%)3=48.8%；
4．频率下降25%情况下的节电率：1-(1-25%)3=57.8%；
5．频率下降30%情况下的节电率：1-(1-30%)3=65.7%；
如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩展趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。

3.变频调速技术节省能源：
3.1 传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100％流量减到70％流量时能量只减少2％。

而用变频调速控制以后，同样的降到70％流量，能量下降了52％，从而使系统的效率大为提高。

国外资料表明：当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。

这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。

3.2 应用变频器调速的其它好处：
(1)、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。

风机噪声抑制公式：(dB)551og( 速度1/速度2),速度从100％降到50％的噪声降低量为：
55×1og(1500/750)=55×0.30=16.5dB噪音电平降低了16.5分贝,这是一个很显著效果。

(2)、设备软启动，消除了起动冲击。

感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7倍多，即便是采用Y-△起动也会达到4.5倍。

所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。

而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可人为设置，平稳地达到预设速度。

(3)、高功率因数：
供电局对用户功率因数有严格要求。

当低于90％时用户必需采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。

而使用变频器后功率因数可接近1，免除了功率因数的补偿。

(4)、改善机械性能：
减小机械磨损。

起动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。

消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。

延长了机械的使用寿命。

(5)、变频器有完善的保护：
由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。

电气上的常规保护全都包括，而且还有许多例如：电机/电源缺相；相间短路；接地故障；过/欠电压；变频器/电机过热；过速/低速报警；过载/空载报警等等保护。

(6)、操作简捷直观：
变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器，电机和操作状态的信息。

其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。

(7)、变频器具有通讯功能：
现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。

例如标准的RS--485通讯。

这就可方便地纳入BAS等网络的集散控制系统。

4.实验
4.1 实验装置及仪表
本实验的基础是大流量空气分布器动力性能试验台，其可测风量为9000m3/h。

系统空气流量测量段按国家标准设计：(1)流量测量装置由接收室和排放室组成，两室之间由带喷嘴的隔板分开。

(2)喷嘴之间的中心距离大于较大喷嘴喉部直径的3倍，排放室或接受室侧壁到最近任一喷嘴喉部直径的中心距离大于喷嘴喉部直径的1.5倍。

(3)在接收室和排放室中安放均流器，其均匀的孔眼面积占流通面积的40%。

(4)由于喷嘴装置及其设备的连接部分处于密封状态，检漏实验证明空气的渗漏量不超过被测空气流量的1%。

以上几条保证本实验精度，其测量数据具有很高的研究价值。

本实验风机选用了4-72型Ne-5A离心通风机1台，标牌名义风量和风压分别为8480-12720m3/h及1138-785Pa,风机的电机功率为4kw，电机型号为
Y112M-4，为了能任意调节风量，实现无级调速，采用了SVF113-380A(日产)变频器。

本实验测量仪表采用了DT6234光电转速表测风机的转速，ZBY215-84空盒气压表测大气压力，二等标准水银温度计测空气温度，YYT-200B斜管压力计测喷嘴前后的静压差，DT862-4型功率表测风机的功率。

为了更好的利用数据，本实验记录了当时测量时的大气压强、环境温度、进气口及出气口的温度。

4.2 计算公式
为测量大风量，采用了多个流量喷嘴组合的风量测量装置。

本实验共用了1个Ф70mm的喷嘴，2个
Ф100mm的喷嘴，2个Ф150mm的喷嘴。

采用压差法进行流量的计算，计算公式为：Qn =CnAn(2△P/ρn)1/2 (1)
从(1)式中：Qn为通过流量喷嘴的体积流量，(m3/s)；系统总送风量等于通过各流量喷嘴的风量之和；An为喷嘴的喉部面积，(m 2)；△P为喷嘴前后静压差，(Pa)；ρn 为通过喷嘴的空气密度，(kg/m3)；Cn 为喷嘴流量系数。

从(1)式可知，为
使流量Qn与压差△P成一一对应关系，必须使Cn、An、ρn等为确定的值，特别流量系数Cn是一个受影响因素较多、变化范围较大的量，本实验台选用了符合国际标准、由建研院空调所生产的长颈喷嘴节流装置，其喉部长度L=0.5d，d为喉部直径(mm)。

在此条件下，流量系数可按下式计算：Cn=0.986-7.006/Re+134.5/Re (2)
式中雷诺数值可用下式算出：
Re=Wnd/v (3)
式中Wn是通过喷嘴喉部的速度，m/s，可按下式计算
Wn= (2△P/ρn)1/2 (4)
为保证测量精度，按标准规定，15 m/s﹤Wn﹤35 m/s。

v为喷嘴入口处空气的运动粘滞系数，可通过查表或计算求得。

具体分析如下：
我们发现功率于频率不成线性关系，随着频率的增大，功率也随之增大。

实验中频率从41Hz~46Hz范围中，增加趋势相对稳定，而此前此后范围内，变化较大，表现为图中曲线斜率突增。

我们发现频率与风量不成线性关系。

随着频率的增大，风量也随之增大。

在频率为0.2062~0.2229Hz和0.2759~0.3000Hz范围内，上升幅度较大，从0.2229Hz以后，上升幅度趋于平缓，达到0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2579Hz以后上升幅度再次恢复相对平缓。

我们还发现功率与流量不成线性关系，并且随着流量的增大，功率也随之增大，又Q=A*v，在通风断面面积一定情况下，流量Q随v的增大而增大。

实验中，所消耗的电能绝大部分转化为空气动能，还有一部分由于克服沿程阻力和局部阻力转化为内能，使通风管壁温度升高。

5．节能分析
5.1 节能计算
对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：
1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。

根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。

则每年的节电量为：W1=45×11×(100%－69%)×300=46035kW·h
W2=45×13×(95%－20%)×300 =131625kW·h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h
每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=(n / n0)3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P 为转速n时的功率。

以一台工业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。

运行工况仍以24小时连续运行，其中每天11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)，13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=22×11×[1－(46/50)3]×300=16067kW·h
W2=22×13×[1－(20/50)3]×300=80309kW·h
Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h
挡板开度时的节电量为：
W1=22×(1－98%)×11×300=1452kW·h
W2=22×(1－70%)×11×300=21780kW·h
Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h
相比较节电量为：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h 每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。

5.2 实例分析
某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53. 5 L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37 kW
相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1 kW·h的电量，节电率达42.1%。

6、结束语
由以上分析可知使用变频调速技术可以大幅度提高效率节约能源，具有十分可观的经济效益。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视。

实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。

既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。

直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。