機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）風(fēng)機控制系統(tǒng)的改造

1、山東大學(xué)自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（本科）山東英才學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題 目 風(fēng)機控制系統(tǒng)的改造專 業(yè) 機電一體化工程 姓 名 指導(dǎo)教師二oo九年十二月十日3目錄第一章 概 述11.1風(fēng)機簡述11.2風(fēng)機的用途11.3風(fēng)機的分類11.4風(fēng)機主要性能參數(shù)21.5風(fēng)機機械部分的組成31.6風(fēng)機控制系統(tǒng)的發(fā)展3第二章 風(fēng)機的機械部分的設(shè)計72.1電動機的選擇72.1.1.功率的選擇72.2.2.種類和型式的選擇72.2風(fēng)機測試傳感器的設(shè)計選用82.3壓差測量82.3.1壓差測量工作原理92.3.2壓差測量傳感器102.4風(fēng)機靜壓測量與傳感器102.5風(fēng)機主要性能參數(shù)的確定112.5.1轉(zhuǎn)速112.5.2工作介質(zhì)112

2、.5.3功率122.6風(fēng)機工作輪的設(shè)計計算與選型122.7風(fēng)機進出氣機殼的設(shè)計計算與選型142.8風(fēng)機葉片強度計算142.9風(fēng)機傳動組的設(shè)計計算162.10滾動軸承的選型與計算212.10.1滾動軸承的選型212.10.2軸承的壽命計算212.10.3軸承的潤滑方式的選擇222.11軸盤材料的選用計算與軸盤上鉚釘強度的計算222.11.1軸盤材料的選用計算222.11.2后盤與軸盤之間的鉚釘強度計算（切應(yīng)力計算）222.12風(fēng)機聯(lián)軸器的選型與計算232.12.1聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩232.12.2風(fēng)機聯(lián)軸器型號的確定與校核232.13風(fēng)機輪盤的強度計算232.13.1輪盤本身的離心切應(yīng)力232.1

3、3.2葉片離心力在圓盤中心產(chǎn)生的應(yīng)力24第三章風(fēng)機控制系統(tǒng)設(shè)計253.1總體設(shè)計253.2風(fēng)機變頻調(diào)速控制設(shè)計253.2.1交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性253.2.2變頻調(diào)速原理263.2.3變頻器控制273.2.4變頻器控制電路27致謝30參考文獻31摘要 在我們的日常生活中，風(fēng)機設(shè)備應(yīng)用廣泛，諸如鍋爐燃燒系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的風(fēng)機控制是全速運轉(zhuǎn)，即不論生產(chǎn)工藝的需求大小，風(fēng)機都提供固定數(shù)值的風(fēng)量，而生產(chǎn)工藝往往需要對爐膛壓力，風(fēng)速，風(fēng)量及溫度等指標進行控制和調(diào)節(jié)，最常用的方法是調(diào)節(jié)風(fēng)門或擋板開度的大小來調(diào)整受控對象，這樣，就是的能量從風(fēng)門，當(dāng)班的節(jié)流中損失掉了。統(tǒng)計資料顯示，在工業(yè)生

4、產(chǎn)中，風(fēng)機的風(fēng)門，擋板及其相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護，維修費用占到生產(chǎn)的725.這不僅造成大量的能源浪費和設(shè)備損耗，而且控制精度也受到限制，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此有必要對風(fēng)機進行合理的改造。 變頻調(diào)速是上世紀80年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，具有易操作，免維護，控制精度高等優(yōu)點。普通電動機采用變頻調(diào)速技術(shù)后，在其拖動負載無須任何改動的情況下，就可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。因此，風(fēng)機設(shè)備完全可以用變頻驅(qū)動方案取代風(fēng)門，擋板控制方案，從而降低電機功耗，達到系統(tǒng)高效運行的目的。因此，正確掌握風(fēng)機的設(shè)計，對保證風(fēng)機的正常經(jīng)濟運行是很重要的。 關(guān)鍵詞：風(fēng)機性能；風(fēng)機控制；風(fēng)機設(shè)計；變頻調(diào)速；變頻器

5、等。 abstract in our daily lives, fan equipment, widely used, such as the boiler combustion system. ventilation systems and drying systems. traditional fan control is at full speed, that is, regardless of the size of the production process needs, fans provide a fixed value of air flow, while the produ

6、ction process is often the need for furnace pressure, wind speed, air volume and temperature control and adjustment indicators, the most commonly used method is regulating damper or baffle opening to adjust the size of the controlled object, so that the energy from the throttle, the throttle on duty

7、 lost out. statistics show that in industrial production, fan damper, baffle and its associated equipment, throttle loss and maintenance, maintenance costs, accounting for production 7 to 25. this is not only caused a great deal of energy waste and equipment wear and tear, and the control accuracy a

8、lso limited direct impact on product quality and production efficiency. it is essential to the transformation of rational fans. frequency is the early 80s of last century developed a new technology, with easy to operate, maintenance-free, control and high precision. ordinary motor using frequency co

9、ntrol technology, in its drag the load without any changes to the case, you can adjust the speed of the production process requirements. therefore, the fan device can use the program to replace the inverter-driven throttle, baffles control program, thereby reducing electrical power consumption, effi

10、cient operation to achieve the purpose of the system. therefore, the correct grasp the fan design, ensuring the normal fan is very important to the economy. keywords: fan performance; fan control; fan design; frequency conversion; converter and so on1第一章 概 述1.1風(fēng)機簡述風(fēng)機是把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機械,它是用來提高氣體壓力,

11、并輸送氣體的機械,是透平機械中的一種。風(fēng)機按工作壓力提高的程度來分,可以分為四種：1） 風(fēng)扇2） 通風(fēng)機 3） 鼓風(fēng)機4） 壓縮機壓縮機的壓比又稱壓縮比，是壓縮機出口與進口處氣體壓力之比。風(fēng)機使用面廣，種類繁多，在工業(yè)生產(chǎn)中利用風(fēng)機產(chǎn)生的氣流做介質(zhì)進行工作，可實現(xiàn)清選、分離、加熱烘干、物料輸送、通風(fēng)換氣、除塵降溫等多種工作1.2風(fēng)機的用途一般用于鍛冶爐及高壓強制通風(fēng)，亦可廣泛用于輸送物料、空氣及無腐蝕性、不自然、不含粘性物質(zhì)之氣體。介質(zhì)溫度一般不超過50（最高不超過80），介質(zhì)中塵土及硬質(zhì)顆粒物含量不大于150mg/m3。1.3風(fēng)機的分類風(fēng)機按使用材質(zhì)分類可以分好幾種，如鐵殼風(fēng)機（普通風(fēng)機）、

12、玻璃鋼風(fēng)機、塑料風(fēng)機、鋁風(fēng)機、不銹鋼風(fēng)機等等。風(fēng)機分類可以按氣體流動的方向，分為離心式、軸流式、斜流式和橫流式等類型。 風(fēng)機根據(jù)氣流進入葉輪后的流動方向分為：軸流式風(fēng)機、離心式風(fēng)機和斜流(混流)式風(fēng)機。風(fēng)機按用途分為壓入式局部風(fēng)機(以下簡稱壓入式風(fēng)機)和隔爆電動機置于流道外或在流道內(nèi)，隔爆電動機置于防爆密封腔的抽出式局部風(fēng)機(以下簡稱抽出式風(fēng)機)。風(fēng)機按照加壓的形式也可以分單級、雙級或者多級加壓風(fēng)機。如4-72是單級加壓，羅茨風(fēng)機則是多級加壓風(fēng)機。1.4風(fēng)機主要性能參數(shù)風(fēng)機性能試驗是以測試試驗數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機性能曲線為主，所以正確理解風(fēng)機主要性能參數(shù)和性能曲線尤為重要。風(fēng)機的主要性能參數(shù)有流量、

13、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率。(l) 軸功率:原動機傳遞給風(fēng)機轉(zhuǎn)軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，以p表示單位為kw。(2) 效率:風(fēng)機輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實際所得到的功率比原動機傳遞至風(fēng)機軸端的功率要小，他們的比值稱為風(fēng)機的效率，以幾表示。風(fēng)機效率越高，則氣體從風(fēng)機中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟性就越高。(3) 流量:單位時間內(nèi)風(fēng)機所輸送的流體量稱為流量。常用體積流量q表示，其單位為機進口處容積流量。(4)有效功率:單位時間內(nèi)通過風(fēng)機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，單位為kw。(5) 全壓:單位體積的氣體在風(fēng)機內(nèi)所獲得的能量稱為全壓或風(fēng)壓

14、，以p表示，單位為pa。(6)轉(zhuǎn)速:風(fēng)機軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)稱為轉(zhuǎn)速，以n表示，單位為r/min。風(fēng)機的各性能參數(shù)一般都不是在試驗臺上直接測量的，而是通過對試驗數(shù)據(jù)進行計算而得到。得到風(fēng)機性能參數(shù)后，繪制風(fēng)機的性能曲線為風(fēng)機性能試驗的最終結(jié)果，風(fēng)機的性能曲線有兩種，包括有因次性能曲線和無因次性能曲線。(7)有因次性能曲線:將風(fēng)機在各工況下的性能參數(shù)值用曲線連接起來，繪制在直角坐標系中，用以表示風(fēng)機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關(guān)系曲線。(8)無因次性能曲線:為了選擇、比較和設(shè)計風(fēng)機，經(jīng)常采用一系列無因次參數(shù)。風(fēng)機的無因次性能曲線是去掉各種計量單位的物理性質(zhì)而表示的風(fēng)機流量、功率、效率、全壓與靜壓

15、之間的關(guān)系曲線。因為這些性能參數(shù)去除了計量單位的影響，所以對每一種型式的風(fēng)機，僅有一組無因次性能曲線。無因次性能曲線與計量單位、幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、氣體密度等因素?zé)o關(guān)，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風(fēng)機的選型設(shè)計計算的應(yīng)用中尤為廣泛。1.5風(fēng)機機械部分的組成n07.116主要由葉輪、機殼、進風(fēng)口、傳動組等組成。 葉輪：9-19型風(fēng)機葉片為12片，19-26型風(fēng)機葉片為16片。均屬前向彎曲型。葉輪擴壓器外緣最高圓周線速度不得超過140m/s。葉輪成型后經(jīng)靜、動平衡校正和超速運轉(zhuǎn)實驗，故運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 機殼：用普通鋼板焊接成蝸殼形整體。 進風(fēng)口：做成收斂式流線型整體結(jié)構(gòu)，用螺栓固定于前蓋板上。 傳

16、動組：由主軸、軸承箱、聯(lián)軸器等組成。主軸由優(yōu)質(zhì)鋼制成，軸承箱整體結(jié)構(gòu)，采用滾動軸承，用軸承潤滑脂潤滑。1.6風(fēng)機控制系統(tǒng)的發(fā)展風(fēng)機的控制系統(tǒng)是風(fēng)機的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：監(jiān)控系統(tǒng)（scada）：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護

17、功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接

18、，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。從我國目前的情況來看，風(fēng)機控制系統(tǒng)的上述各個組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、軸承等核心部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：（1）我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機技術(shù)先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內(nèi)主要風(fēng)機制造廠

19、家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，無力對控制系統(tǒng)這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進行自主開發(fā)，因此多直接從mita、windtec等國外公司采購產(chǎn)品或引進技術(shù)。（2）就風(fēng)機控制系統(tǒng)本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機控制系統(tǒng)隨風(fēng)機一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來講，風(fēng)機要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有

20、一套先進、復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。 （3）風(fēng)機控制系統(tǒng)是與風(fēng)機特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機制造商又無力進行這樣的開發(fā)。 即便如此，國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制系統(tǒng)主要部件的開發(fā)上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運業(yè)績以及技術(shù)

21、和經(jīng)驗積累。比如，作為風(fēng)機控制系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的主控系統(tǒng)和變頻器，國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)上已取得重要進展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出dws5000風(fēng)機控制系統(tǒng)，并已完成各種測試及風(fēng)機運行驗證，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，基本形成了自主開發(fā)能力?？浦Z偉業(yè)也研制出了兆瓦級機組的控制系統(tǒng)。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運，呈獻出可喜的發(fā)展勢頭。隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機容量越來越大，風(fēng)機控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里

22、不進行詳細闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機組在我國電網(wǎng)中所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風(fēng)場、不同型號風(fēng)機之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機控制系統(tǒng)提出了新的任務(wù)。（1）采用統(tǒng)一和開放的協(xié)議以實現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對廣布于不同地域的風(fēng)場之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來越迫切，雖然各個風(fēng)機制造廠家都提供了一定的手段實現(xiàn)風(fēng)機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機進行互聯(lián)時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現(xiàn)不同風(fēng)機之間的方便互聯(lián)是一個亟待解決的重要課題。（2）需要進一步提高低電壓穿越運行

23、能力（lvrt）。風(fēng)力發(fā)電機組，尤其是雙饋型風(fēng)機，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，從前的做法是讓風(fēng)機從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機在電網(wǎng)中所占比例較小時，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網(wǎng)運行風(fēng)機的數(shù)量越來越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國家規(guī)劃建設(shè)的六個千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會對電網(wǎng)造成嚴重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關(guān)標準，要求在這種情況下風(fēng)機能保持在網(wǎng)運行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（lvrt），有的國家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持在網(wǎng)運行。我國也于今年8月由國家電網(wǎng)

24、公司出臺了風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，其中規(guī)定了我國自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625ms、當(dāng)?shù)浒l(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行的低電壓穿越運行要求。應(yīng)該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實現(xiàn)，主要靠控制系統(tǒng)中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián)系。（3）實現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機組都是運行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著

25、風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機出力最大的時段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動。當(dāng)前，電網(wǎng)對這一問題已相當(dāng)重視，要求開展建設(shè)風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)和風(fēng)電出力自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在功率預(yù)測基礎(chǔ)上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個系統(tǒng)的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問題。但是，無論如何說，序幕已經(jīng)拉開。第二章 風(fēng)機的機械部分的設(shè)計2.1電動機的選擇三相交流異步電動機的選用，主要從選用的電動機的功率、工作電壓、種類、型式及其保護電器考慮。 2.1.1.功率的選擇選用電動機的功率大小是根據(jù)生產(chǎn)機械的需要所確定的。(1)連續(xù)運行電動機功率的選擇對于連

26、續(xù)運行的電動機，先算出生產(chǎn)機械的功率，所選用的電動機的額定功率等于或大于生產(chǎn)機械的功率即可。例如，帶動車床切削的電動機功率為:p=（kw）式中p1為車床的切削功率；f為切削力（n）；v為切削速度（m/min）;1為傳動機構(gòu)的效率。(2)短時運行電動機功率的選擇短時運行電動機的功率可以允許適當(dāng)過載設(shè)過載系數(shù)為，則電動機的額定功率可以是生產(chǎn)機械所要求的功率的.如上例是短時切削加工車床，其電動機的功率為；p=（kw）2.2.2.種類和型式的選擇(1）種類的選擇選擇電動機的種類是從交流或直流、機械特性、調(diào)速與起動特性、維護及價格等方面考慮。 因為生產(chǎn)上常用的是三相交流點，如沒有特殊要求，多采用交流電動

27、機。由于三相鼠籠式異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，工作可靠，價格低廉，維護方便；其缺點是調(diào)速困難，功率因數(shù)較低，起動性能較差。因此，在要求機械特性較硬而無特殊要求的一般生產(chǎn)機械的拖動，如水泵、通風(fēng)機、運輸機、傳送帶和機床都采用鼠籠式異步電動機。 繞線式電動機的基本性能與鼠籠式相同。其特點是起動性能較好，并可在不大的范圍內(nèi)平滑調(diào)速。但是它的價格較鼠籠式電動機為貴，維護亦較不便。因此，只有在某些必須采用繞線式電動機的場合，如起重機、鍛壓機等，大多采用鼠籠式異步電動機。(2)結(jié)構(gòu)形式的選擇 在不同的工作環(huán)境，應(yīng)采用不同結(jié)構(gòu)形式的電動機，以保證安全可靠地運行。電動機常用的結(jié)構(gòu)形式有：開啟式、防護式、封閉

28、式和防爆式。(3)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 電動機電壓等級的選擇，要根據(jù)電動機的類型，功率以及使用地點的電壓來決定。電動機的額定轉(zhuǎn)速根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而決定，一般采用盡量高轉(zhuǎn)速的電動機。2.2風(fēng)機測試傳感器的設(shè)計選用本系統(tǒng)采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號。2.3壓差測量差壓式流量計(以下簡稱dpf或流量計)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。dpf由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對dpf分類

29、，如孔扳流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器和流量顯示及計算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。2.3.1壓差測量工作原理充滿管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖2-1所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅

30、與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。圖2-1壓差測量工作原理 式（2-1） 式（2-2）式中 qm-質(zhì)量流量，kg/s; qv-體積流量，m3/s; c-流出系數(shù)； -可膨脹性系數(shù)； -直徑比，=d/d; d-工作條件下節(jié)流件的孔徑，m； d-工作條件下上游管道內(nèi)徑，m； p-差壓，pa； 1-上游流體密度，kg/m3。由上式可見，流量為c、d、p、 6個參數(shù)的函數(shù)，此6個參數(shù)可分為實測量d，p，(d)和統(tǒng)計量(c、)兩類。2.3.2壓差測量傳感器由以上論述看出，通過孔板的流體的流量與孔板兩端的壓力差

31、的平方根成正比。本試驗裝置中，此壓差信號由壓差式變送器測量。壓差式流量傳感器是目前工業(yè)上技術(shù)最成熟、使用最多的一種，其使用量約占全部流量測量儀表的70-80%。他不僅可以用來顯示，而且可以經(jīng)壓差變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號為20ma(或l-5v)以便送到單元組合儀表及計算機進行上業(yè)過程控制。差壓式節(jié)流裝置的特點是:結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)能力強，幾乎能測量各種工作狀態(tài)(包括高溫、高壓)下。本測試裝置采用氣壓傳感器c268、range:+/-1000pa。2.4風(fēng)機靜壓測量與傳感器壓力傳感器用來測量管道的靜壓。壓力傳感器的種類繁多，本系統(tǒng)采用電容式微壓傳感器不，其特點如下:(1)測量范圍大。金屬

32、應(yīng)變絲的極限一般為l%，而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達20%，電容傳感器相對變化量大于100%。(2)靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測出電容值，其相對變化量可達ie-7(3)動態(tài)響應(yīng)時間短。由于電容式傳感器可動部分質(zhì)量小，因此其固有頻率很高，可月j幾動態(tài)信號的測量。(4)機械損失小。電容式傳感器極間相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自熱墳應(yīng)極微，可保證電齊式傳感器具有較高的精度。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。電容式傳感器一般使用金屬材料做電極，以無機材料做絕緣支撐，故能承受很大的溫度變化和各種形式的強輻射作用，適合在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器一般可分為三種形式:變截面型、變介質(zhì)介電常數(shù)型、變極板間距型。本系統(tǒng)

33、選用變截面接口靜壓傳感器，其型號為:c268、range:0-50pa，技術(shù)指標如下:作溫度:-18-+65測量介質(zhì):空氣或類似的非導(dǎo)電性氣體輸入電源:9-3v dc輸出電流:4-20ma量程:0-5opa接線方式為兩線式，傳感器采用24v直流電源供電，數(shù)據(jù)采集卜的模擬輸入通道采集25o精密電阻兩端的電壓信號，此電壓信號進入到計算機中進行計算。2.5風(fēng)機主要性能參數(shù)的確定根據(jù)風(fēng)機擬定的工作環(huán)境選擇流量q=88.93m3/s。風(fēng)速選擇為：近風(fēng)口v=715m/s，出風(fēng)口v=1030m/s。2.5.1轉(zhuǎn)速 風(fēng)機全壓為 p=49kp。2.5.2工作介質(zhì)干燥空氣：=1.293kg/m3m=28.967k

34、g/kmolr=0.28713kg/(kg k)cp=1.005kj/(kg k)c1=0.716kj/(kg k)k=cp/c1=1.402.5.3功率初選電機的功率為3kw 風(fēng)機效率一般為80%90%.2.6風(fēng)機工作輪的設(shè)計計算與選型初選葉輪大徑d2=0.405m作為設(shè)計基準。葉輪如圖2-2.1、 風(fēng)機葉輪周速：2、 風(fēng)機全壓系數(shù)： 圖2-2風(fēng)機葉輪示意圖3、 風(fēng)機的比轉(zhuǎn)數(shù)： 4、 風(fēng)機進口軸向速度：5、 風(fēng)機進口當(dāng)量直徑：6、 風(fēng)機流量系數(shù)：7、 內(nèi)孔直徑：其中nah =8。8、 風(fēng)機葉輪輪轂外徑：9、 風(fēng)機工作輪進口直徑：10、 風(fēng)機工作輪密封處外徑：11、 風(fēng)機葉片進口直徑：12、

35、風(fēng)機葉片進口線速度：13、 風(fēng)機葉輪葉片數(shù)： 14、風(fēng)機葉片厚度：根據(jù)以上計算可以通過風(fēng)機設(shè)計手冊選型為 s1064.25 葉輪，并且確定為型軸盤。2.7風(fēng)機進出氣機殼的設(shè)計計算與選型蝸室橫截面積當(dāng)量直徑的計算： （式2-3）風(fēng)機進風(fēng)管直徑： 長度：l=3500mm。風(fēng)機近風(fēng)口的選型：根據(jù)風(fēng)機設(shè)計手冊選擇 st0701042.8風(fēng)機葉片強度計算因為在此設(shè)計的風(fēng)機葉片與葉輪前后盤的連接為焊接，所以葉片的最大彎矩應(yīng)產(chǎn)生在梁的兩端。葉片受力如圖2-3。當(dāng)葉輪以角速度旋轉(zhuǎn)時單個葉片因本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力f為： （式2-4）其中=7.85103 kg/m3為葉輪角速度 b為葉片長=141mm l為葉片寬

36、度=82mm 為葉片厚度=3mm r為葉片重心到葉輪中心的距離=296mm。c=2 鋼的c=86.08n2 。圖2-3風(fēng)機葉片受力示意圖如圖葉片的重心假定在葉片工作面的o點，將f分解成沿葉片的法向力f1和切向力f2。葉片在f1和f2的作用下，在相應(yīng)的方向彎曲。由f2產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因葉片的抗彎截面模量大，故可忽略。只計算f1產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。葉片彎矩如圖2-4。葉片的抗彎截面模量為：葉片的最大彎矩：圖2-4葉片受力及彎矩圖葉片的最大彎曲應(yīng)力：2.9風(fēng)機傳動組的設(shè)計計算風(fēng)機主軸的設(shè)計計算，根據(jù)以上已經(jīng)選擇的風(fēng)機葉輪與軸盤，選擇軸的最小直徑為d=32mm.軸的強度計算：葉輪的質(zhì)量(將前盤曲面略看作直

37、面計算)葉輪軸盤因為選用的為4c型 型軸盤 查風(fēng)機手冊可知：因此可以計算葉輪總質(zhì)量為：（1） 風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速n=1430r/min（2） 風(fēng)機主軸的最大彎矩以及最大轉(zhuǎn)矩的計算（3） 主軸的最大彎矩的計算，主軸受力如圖2-5。（4） 作用在風(fēng)機主軸上的主要作用力是葉輪重力與其不平衡力，葉輪經(jīng)過平衡后，仍有允許的殘余不平衡重力。該重力可以造成風(fēng)機葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線有一定的偏移距離。此距離一般為：。為安全起見，計算時取：，因此，由于葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線不一致產(chǎn)生的不平衡力f1 為： （式2-5）圖2-5風(fēng)機主軸受力示意圖（5） 葉輪重力與其不平衡力之和：（6） 軸端與聯(lián)軸器重力之和：（7）

38、軸承之間軸的重力：（8） 主軸與葉輪連接處軸的重力：圖2-6風(fēng)機主軸受力彎矩圖（9） 主軸支撐座反力計算：（10） 主軸彎矩計算：主軸彎矩如圖2-6風(fēng)機主軸的轉(zhuǎn)矩計算風(fēng)機主軸的復(fù)合應(yīng)力風(fēng)機主軸的材料選用45鋼 查得其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力-1=155mpa 許用彎曲應(yīng)力-1=275mpa。主軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：主軸的最大彎曲應(yīng)力為：按照第三強度理論計算風(fēng)機主軸的最大復(fù)合應(yīng)力：（11） 風(fēng)機主軸剛度計算風(fēng)機主軸的彎曲剛度計算圖2-7主軸階梯主軸的當(dāng)量直徑：圖2-8主軸撓度示意圖彎曲撓度：主軸撓度如圖2-8偏轉(zhuǎn)角：風(fēng)機主軸的扭轉(zhuǎn)剛度的計算 （式2-6）其中：t為扭矩 t=20.04n mg為鋼的剪切彈性模量

39、ip 為主軸的截面的極慣性矩 （5）主軸的臨界轉(zhuǎn)速的計算所以風(fēng)機主軸運轉(zhuǎn)安全。2.10滾動軸承的選型與計算2.10.1滾動軸承的選型因為風(fēng)機主軸的軸端為風(fēng)機葉輪，所以主軸為一懸臂梁徑向載荷較大而軸向載荷較小。風(fēng)機要求的轉(zhuǎn)速不是很高。因為主軸軸端承受懸臂力，所以要求軸承有一定的調(diào)節(jié)主軸彎曲的能力。綜上，可選擇調(diào)心輥子軸承，根據(jù)軸徑可選擇22209軸承。2.10.2軸承的壽命計算 （式2-7）n為軸承轉(zhuǎn)速n=1430r/min。c為軸承的基本額定動載荷為指數(shù)，球軸承為3，對于磙子軸承為10/3。p為軸承載荷，在這里既為徑向載荷，在前面計算的軸的載荷時已經(jīng)計算過為216.18n。風(fēng)機長期連續(xù)工作機械

40、，可選預(yù)期壽命為：軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷為：因此，所選軸承滿足要求。2.10.3軸承的潤滑方式的選擇因為dn=321430=45760mm/r min-1 。所以選擇油脂潤滑方式。 2.11軸盤材料的選用計算與軸盤上鉚釘強度的計算2.11.1軸盤材料的選用計算軸盤最大直徑d處的線速度為：所以線速度小于30的軸盤選擇一般灰鑄鐵 ht250。圖2-9軸盤2.11.2后盤與軸盤之間的鉚釘強度計算（切應(yīng)力計算）軸盤上的轉(zhuǎn)矩為： （式2-8）在鉚釘分布的圓周半徑r上，鉚釘所受的切應(yīng)力為： （式2-9）鉚釘初選材料為q215，z個鉚釘所承受的平均切應(yīng)力為：2.12風(fēng)機聯(lián)軸器的選型與計算由于風(fēng)機的工作環(huán)

41、境為載荷較小、沖擊較小，因此可以選擇剛性土緣聯(lián)軸器。風(fēng)機電機的輸出的功率為：3kw 風(fēng)機輸出轉(zhuǎn)矩為：t=20.04n m。2.12.1聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 （式2-10） ka為風(fēng)機的工作工況系數(shù)鼓風(fēng)機工作轉(zhuǎn)矩變化小，即為透平空氣壓縮機械。并且原動機為電動機，因此可選ka為1.5。2.12.2風(fēng)機聯(lián)軸器型號的確定與校核從gb/t4323-84中查得gy5型剛性凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為400nm。許用最大轉(zhuǎn)速為8000r/min。適合軸徑為32mm。故合用。2.13風(fēng)機輪盤的強度計算2.13.1輪盤本身的離心切應(yīng)力2.13.2葉片離心力在圓盤中心產(chǎn)生的應(yīng)力 （式2-11）半圓盤重心所在半徑半圓盤的離心

42、力 單個葉片的離心力所以后盤共計最大切應(yīng)力第三章風(fēng)機控制系統(tǒng)設(shè)計3.1總體設(shè)計在風(fēng)機測試過程中，要求風(fēng)機的轉(zhuǎn)速不變。但是在實際應(yīng)用當(dāng)中，風(fēng)機需要有不同的轉(zhuǎn)速，當(dāng)然也是為了節(jié)能方面的考慮。因此，對風(fēng)機的交流異步電機的調(diào)速就是對風(fēng)機的調(diào)速過程。隨著新型電力電子器件的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)崛起，它幾乎和計算機控制一樣，成為了現(xiàn)代交流傳動調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的主要標志之一。20世紀70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖

43、動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速原理如圖3-1。圖3-1風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置流程圖3.2風(fēng)機變頻調(diào)速控制設(shè)計3.2.1交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 (1)調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。(2)調(diào)速范圍較大，精度高。(3)起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。(4)變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。(5)易于實現(xiàn)過程自動化。(6)必須有專用的變頻電源|穩(wěn)壓器，目前造價較高。(7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過

44、載能力大為降低。3.2.2變頻調(diào)速原理變速調(diào)速也稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)，它主要由變頻器和控制器兩大部分組成。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速與輸入頻率成比例的關(guān)系，通過改變供給電動機三相電源的頻率值來達到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的。 1、變頻器 變頻器的作用是將所接收的三相電源（如380v，50hz）轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)節(jié)的三相電源。變頻器根據(jù)其變頻的原理分為直接變頻和間接變頻。直接變頻為交交變頻；間接變頻為交直交變頻。間接變頻是指將交流經(jīng)整流器后變?yōu)橹绷鳎缓笤俳?jīng)逆變器調(diào)制為頻率可調(diào)的交流電。 交直交頻器由順變器、中間濾波器和逆變器三部分組成。順變器就是整流器，它是一個晶閘管感想一橋式電路，其作用為將定壓定

45、頻的交流電變換為可調(diào)直流電，然后作為逆變器的直流供電電源；中間濾波器由電抗器或電容組成，其作用是對整流后的電壓或電流進行濾波；逆變器也是三相橋式整流電路，但它的作用與順變器相反，綜將直流電變換（調(diào)制）為可調(diào)頻率的交流電，它是變頻器的主要部分。 2、控制器 控制器是根據(jù)變頻調(diào)速的不同方式產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制逆變器中各功率開關(guān)元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定頻率和預(yù)定電壓的交流電源?？刂破饔卸N控制方式：一種是以各種集成電路構(gòu)成的模擬控制方式；另一種是以單片機、微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制方式。市場銷售的微電腦變頻器，就是使用單片微機或微處理器為控制核心的變頻器。 決定功率開關(guān)器件（如晶閘管）動作順

46、序和時間分配規(guī)律的控制方法稱為脈寬調(diào)制（pwm）方法。用這種方法通過改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；通過改變調(diào)制矩形脈沖波形的頻率（或周期）可以控制交流基波電壓的頻率。控制器輸出一組等幅而脈沖寬度隨時間按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，用此脈沖電壓去觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件，起到了功率放大作用。由于各個矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，因此，逆變器的輸出電壓就接近于正弦波，這樣就能滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。 3.2.3變頻器控制在此選擇交流變頻器型號為：rnb3000 電機為y100l2-4主回路端子接線圖、控制回路接線圖如圖3-2、各端子說明如表3-1。

47、圖3-2 變頻器接線說明表3-1變頻器端子說明3.2.4變頻器控制電路給異步電動機供電的主電路提供控制信號的網(wǎng)絡(luò)，稱為控制回路，控制電路由頻率，電壓的運算電路，主電路的電壓，電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅(qū)動電路，以及逆變器和電動機的保護電路等組成。無速度檢測電路為開環(huán)控；在控制電路增加了速度檢測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環(huán)控制。運算電路將外部的速度，轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流，電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。電壓、電流檢測電路為與主回路電位隔離檢測電壓，電流等。驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路器件的電路，它與控制電路隔離，控制主電路器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。i/o電路使變頻更好地人機交互，其具有多信號的輸入，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸入。速度檢測電路將裝在異步電動機軸上的速度檢測器的信號設(shè)為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。保護電路檢測主電路的電壓、電流等。當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，保護功能如下：逆變器保護瞬時