电机变频节能毕业设计.docx

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电机变频节能毕业设计

班级：

电气330802

学号：

4333080235

毕业设计说明书

题目：

电机变频节能设计

姓名：

吴宏伟

指导教师：

田丽萍郝世宇

系部

机电工程系

山西煤炭职业技术学院

2011年6月4日

毕业设计任务书

设计题目：

电机变频节能设计

设计时间：

2011年5月至2011年6月

设计地点：

山西煤炭职业技术学院（设计地点是你们实习的地方）

1、设计内容

（1）我国电机的现状；

（2）电机的基本知识；

（3）变频器的基本知识；

（4）电机的节能改造

2、设计要求

（1）了解电机的分类和调速方法；

（2）明白变频的工作原理和调速方法；

（3）知道变频器的变频调节；

（4）举出电机变频改造的实例来说明变频节能的效益；

3、提交资料

山西煤炭职业技术学院毕业设计评阅书

设计题目：

电机变频节能设计

评阅意见：

指导教师：

系主任：

时间：

年月日

山西煤炭职业技术学院毕业答辩评定书

设计题目：

电机变频节能设计

评定意见：

评定成绩：

山西煤炭职业技术学院毕业答辩委员会

主任委员

年月日

摘要

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。

据统计，我国的总装机容量约为4亿千瓦，年耗电量约为6000亿kWh，约占工业用电的70～80%。

我国以中小型电机为主，约占80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的90%。

电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为30～40%，比国际先进水平低20～30%。

因此在我国中小型电机具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。

我国资源以煤炭为主，电机是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备。

对电机节能方法进行研究具有重要的现实意义。

本文中介绍目前电机设备在运行中存在的主要问题，分析了解电机类设备的能耗状况，讨论了电机的基本参数、特性曲线，重点阐述了电机的节电方法以及节能原理。

与现有的电机节能措施，深入研究了变频调速节能原理和实现。

重点说明了电机变频节能方法与应用。

文中给出的电机节能改造的变频技术方法、基本原理，目的是为企业进行节能改造时选择合理的改造方案提供依据。

同时对调速装置的选择和调速方案比较作了介绍，力求技术先进与经济效益的统一。

关键词：

电机节能；电机调速；变频；矢量控制。

第一章论述

1.1我国电机的现状

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。

据统计，我国的总装机容量约为4亿千瓦，年耗电量约为6000亿kWh，约占工业用电的70—80%。

我国以中小型电机为主，约占80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的90%。

电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为30～40%，比国际先进水平低20～30%。

电机设备是煤矿生产中重要的设备，也是主要耗能设备，电机设备具有容量大，运行时间长，系统运行是要求绝对可靠。

例如主通风机停止供风5min就是煤矿大事故。

煤矿通风电耗一般占生产电耗的15%～25%，高的可达40%以上。

我国的能源资源相对拥有量较少，长期以来能源供需矛盾十分紧张。

因此，为了缓解这个矛盾，就必须重视对电机的节能改造。

通过对电机的节能改造，不仅能够节约能源，推动国民经济的发展，有很好的社会效益，而且能够直接减少企业的成本支出，提高企业的经济效益。

同时也可以为国家节约资源造福于我们的后代。

1.2我国煤矿风机运行中普遍存在的问题

各工业部门调查资料的大量数据表明，目前我国使用的风机、水泵的效率比国外同类产品的效率低5%～10%。

设计中过多的考虑建设前后工艺要求的差异，选型欲量过大，使设备长期在低负荷、低运行效率下工作。

如某矿的主风机以及辅助风机实际运行情况表明，其负荷率（电动机输入功率/电动机铭牌功率）在76%以上者仅占15.1%，低于60%者占65.3%。

作为煤矿企业，都希望厂家能提供效率更高的风机。

提高单体设备的效率，可以为国家节省可观的能源。

但是许多高效设备在现场往往处于低效运行的状态，并没有达到节能的目的。

风机只有在使用中才能反映出它的经济性。

纵然一台风机本身效率已经很高，但由于使用和选型不当，也将变成“电老虎”。

近年来，我国风机技术发展很快，加上引进、消化国外的一些先进技术，大部分风机本身的效率已有明显提高。

但是，根据我国当前风机的使用现状来看，只有注意大力提高“风机系统效率”，才能取得较好的节能效益。

现在煤矿风机普遍存在的问题有：

管理制度不完善；需要调节流量的地方，绝大部分采用挡板或阀门来调节风量或流量，节流功率损失非常大。

1.3课题研究的方向与趋势

为在企业所使用的耗电设备中风机、水泵、空压机、液压油泵、循环泵等电机类负载占绝大多数。

由受到技术条件限制，这类负载的流量、压力或风量控制系统几乎全部是阀控系统，即电机由额定转速驱动运转，系统提供的流量、压力或风量恒定，当设备工作需求发生变化时，由设在出口端的溢流、溢压阀或比例调节来调节负载流量、压力或风量、从而满足设备工况变化的需要。

而经溢流溢压阀或比例调节阀溢流溢压后，会释放大量的能量，这部分耗散的能量实际上是电机从电网吸收能量中的一部分，造成了电能极大的浪费。

从这类负载的工作特性可知，其电机功率与转速立方成正比，而转速又与频率成正比。

如果我们改变电机的工作方式，让它不总是在额定工作频率下运转，而是改由变频调整控制系统进行启停控制和调整运行，则其转速就可以在0～2900r/min的范围内连续可调，即输出的流量、压力或风量也随之可在0～100%范围内连续可调，使之与负载的工作需要求精确匹配，从而达到节能降耗的目的。

变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求精确匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。

交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的85%，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。

随着电力电子成本降低和系统性能改善以及新型电力电子元件的问世和发展，机电一体化基础技术——微型计算机、数字信号处理器以及大规模集成电路芯片的出现正在意义深远地影响着电气传动自动化技术的发展。

因此开发绝缘门极双极型晶体管（IGBT），高频大功率静电感应式晶体管（SIT），静电感应式晶闸管（SITH），MOS控制的晶体管（MCT），绝缘门极晶体管（IGT），绝缘门极可关断晶闸管（IGTO），智能功率集成电路（SmartPower）和光控晶闸管等元件组成的新型交流传动装置是风机交流调速的发展方向。

同时电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用使变频器的节能效果更为显著。

它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。

相对于其它调速方式（如：

降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等），变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速的最新潮流。

变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。

使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器是厂、矿企业节能降耗的首选产品。

变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：

1、恒转矩应用；2、变转矩应用。

就应用的目的而言主要有：

1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。

以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。

2、以节能为主要目的——以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能，改造效果非常显著。

第二章电机基础知识

2.1电动机分类

电动机从机械结构上来看，是由转子和定子两部分组成的，其工作原理是通过电流经过转子线圈产生励磁磁场和定子线圈产生的磁场相互作用，从而推动转子按照左手定律旋转，进而带动负载进行运动，完成将电能转化为机械能的使命。

按电机的功能区分：

发电机、电动机、变压器、控制电机

按电流性质区分：

有直流电动机、交流电动机；直流电动机如发电机，交流如轧钢机等

按用电相位区分：

有二相电动机、三相电动机；二相电机如吹风机、电风扇等，三相如电梯、风机、水泵等。

按转子工作性质区分：

有同步电动机、异步电动机；

按装配形式区分：

有鼠笼式—小功率高功率因数、绕线式—大功率低功率因数。

按转子电极对数区分：

有2级-2950r/min.、4级-1470r/min.、6级-980r/min.、8级-720r/min.、10级-590r/min.。

按使用电压区分：

有220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV、10KV。

以电机的作为原动机拖动各种生产机械运转的系统，称为电力拖动系统。

电力拖动系统主要有电源、控制设备、电机、传动机构、生产机械五部分组成。

2.2电机设备的转速计算以及调速措施

在工业生产系统的动力装置中，三相交流异步电动机约占90%左右的份额，其原因在于它：

体积小、造价低、使用维护简单、适应各种复杂工作环境等。

为了更好地应用它，就需要让它精确地工作，换句话说，就是要对它进行精准调速。

额定功率=×额定电流×额定电压×功率因数

功率因数越高的电机在变频使用当中，其被调节的能力越强，也就是说其节电空间的变化可以接近理论值。

三相异步电动机工作原理：

1）对称三相绕组中通入对称三相交流电产生旋转磁场；

2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流；

3）转子载流导体在磁场中受电磁力作用，形成电磁转矩使转子转动；

因此三相异步电动机转速公式：

其中：

n：

转速；

f：

频率；

s：

转差率；

p：

极对数

极对数P与同步转速N的关系

P

1

2

3

4

5

6

……

N

3000

1500

1000

750

600

500

……

根据泵与风机学的知识，在风机、水泵类负载变流量、变压力的运行状况中，流量、扬程和消耗的能量之间有下面的关系：

风机/水泵的流量和电机转速成正比；（Q为分机和水泵的流量）

风机/水泵的全压/扬程和电机转速的平方成正比；（H为风机/水泵的全压/）

风机/水泵消耗的轴功率跟电机转速的立方成正比；（P为风机/水泵消耗的轴功率；

轴功率公式：

N0/N=r/r1（n0/n）3（N：

功率；r：

气体密度；n：

转速）

无论是水泵还是风机还是其它的电机起功率都与转速n有关，交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60f（1－s）/p

（1）

式中：

n—异步电动机的转速；

f—异步电动机的频率；

s—电动机转差率；

p—电动机极对数。

如下图则为电机的机械特性图

图2-1电机的机械特性图

因此三相异步电动机调速大致分五种：

1）变极调速：

适用于变极电机，即电机有多套绕组，在运行时通过外部开关控制绕组连接方式，从而改变极数，进而改变电机转速。

2）串电阻调速：

适用于绕线式异步电动机，在转子回路串入不同阻值的电阻，人为改变电动机机械特性。

3）降压调速：

适用于较大电阻的高转差率异步电动机，通过改变定子电压来调速。

4）串极调速：

适用于绕线式异步电动机，通过