哈爾濱理工大學
畢業設計
摘要電機的應用在工業化中是什麼廣泛的，在各行各業中都有著劃時代的意義。我國資源以煤炭為主，電機是煤礦生產中重要的裝置，也是主要耗能裝置。對電機節能方法進行研究具有重要的現實意義。
目前電機裝置在執行中存在的主要問題，分析了解電機類裝置的能耗狀況，以及討論了電機的基本引數、特性曲線，電機節能改造的變頻技術方法、基本原理，目的是為企業進行節能改造時選擇合理的改造方案提供依據。同時對調速裝置的選擇和調速方案比較作了介紹，力求技術先進與經濟效益的統一。
本文討論電機調節節能技術推廣和應用。選擇調速方法應全面考慮節能效果的高低、可靠性高低、投資多少、投資**期長短、維護是否方便、與現有裝置是不是易於配合、功率因數高低等因素。重點介紹了變頻的發展過程，變頻的基礎知識以及變頻的工作原理同時以風機為例介紹了變頻的節能效益。
關鍵詞電機節能；電機調速；變頻；
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目錄摘要
第1章緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 課題研究的方向與趨勢 1
第2章電機基礎知識 3
2.1 電動機分類 3
2.2 電機裝置的轉速計算以及調速措施 3
2.3 本章小結 5
第3章變頻器的基本原理和知識 6
3.1 變頻器的分類 6
3.2 變頻器的電路組成 7
3.3 變頻調速方法 8
3.4 變頻的控制演算法 9
3.5 普通非同步電動機與變頻電機的區別 11
3.6 本章小結 13
第4章電機節能改造專案 14
4.1 調速裝置的執行可靠性和投資對比 14
4.2 投資對比 15
4.3 主要調速方案技術經濟對比 17
4.4 變頻改造節能案例 18
4.5 變頻控制技術的顯性和隱性效益及利弊分析 19
4.6 變頻器的外接電路與引數設定 19
4.7 本章小結 23
致謝 25
參考文獻 26
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第1章緒論
電機是一種應用量大、使用範圍廣的高耗能動力裝置。據統計，我國的**機容量約為4億千瓦，年耗電量約為6000億kwh，約佔工業用電的70—80%。我國以中小型電機為主，約佔80%，而中小型電機耗損的電量卻佔總損耗量的90%。
電機在我國的實際應用中，同國外相比差距很大，機組效率為75%，比國外低10%；系統執行效率為30～40%，比國際先進水平低20～30%。電機裝置是煤礦生產中重要的裝置，也是主要耗能裝置，電機裝置具有容量大，執行時間長，系統執行是要求絕對可靠。例如主通風機停止供風5min就是煤礦大事故。
煤礦通風電耗一般佔生產電耗的15%～25%，高的可達40%以上。我國的能源資源相對擁有量較少，長期以來能源供需矛盾十分緊張。因此，為了緩解這個矛盾，就必須重視對電機的節能改造。
通過對電機的節能改造，不僅能夠節約能源，推動國民經濟的發展，有很好的社會效益，而且能夠直接減少企業的成本支出，提高企業的經濟效益。同時也可以為國家節約資源造福於我們的後代。
為在企業所使用的耗電裝置中風機、水幫浦、空壓機、液壓油幫浦、迴圈幫浦等電機類負載佔絕大多數。由受到技術條件限制，這類負載的流量、壓力或風量控制系統幾乎全部是閥控系統，即電機由額定轉速驅動運轉，系統提供的流量、壓力或風量恆定，當裝置工作需求發生變化時，由設在出口端的溢流、溢壓閥或比例調節來調節負載流量、壓力或風量、從而滿足裝置工況變化的需要。而經溢流溢壓閥或比例調節閥溢流溢壓後，會釋放大量的能量，這部分耗散的能量實際上是電機從電網吸收能量中的一部分，造成了電能極大的浪費。
從這類負載的工作特性可知，其電機功率與轉速立方成正比，而轉速又與頻率成正比。如果我們改變電機的工作方式，讓它不總是在額定工作頻率下運轉，而是改由變頻調整控制系統進行啟停控制和調整執行，則其轉速就可以在0～2900r/min的範圍內連續可調，即輸出的流量、壓力或風量也隨之可在0～100%範圍內連續可調，使之與負載的工作需要求精確匹配，從而達到節能降耗的目的。
變頻電機節電器是一種革命性的新一代電機專用控制產品，基於微處理器數字控制技術，通過其內建的專用節電優化控制軟體，動態調整電機執行工程中的電壓和電流，在不改變電機轉速的條件下，保證電機的輸出轉矩與負荷需求精確匹配，從而有效避免電機因出力過度造成的電能浪費。
交流電動機是當前應用最廣泛的電機，約佔各類電動機總數的85%，它具有結構簡單、價廉、不需維護等優點，但它的弱點是調速困難，因而在許多應用場合受到限制或借助機械方式來實現調速同時電力電子技術、微電子技術、自動控制技術的高度發展和應用使變頻器的節能效果更為顯著。它不但能實現無級調速，而且在負載不同時，始終高效執行，有良好的動態特性，能實現高效能、高可靠性、高精度的自動控制。相對於其它調速方式（如：
降壓調速、變極調速、滑差調速、交流串級調速等），變頻調速效能穩定、調速範圍廣、效率高，隨著現代控制理論和電力電子技術的發展，交流變頻調速技術日臻完善，它已成為交流電機調速的最新潮流。變頻調速裝置（變頻器）已在工業領域得到廣泛應用。
使用變頻器調速訊號傳遞快、控制系統時滯小、反應靈敏、調節系統控制精度高、使用方便、有利於提高產量、保證質量、降低生產成本，因而使用變頻器是廠、礦企業節能降耗的首選產品。
第2章電機基礎知識
電動機從機械結構上來看，是由轉子和定子兩部分組成的，其工作原理是通過電流經過轉子線圈產生勵磁磁場和定子線圈產生的磁場相互作用，從而推動轉子按照左手定律旋轉，進而帶動負載進行運動，完成將電能轉化為機械能的使命[1]。
按電機的功能區分：發電機、電動機、變壓器、控制電機。
按電流性質區分：有直流電動機、交流電動機；直流電動機如發電機，交流如軋鋼機等。
按用電相位區分：有二相電動機、三相電動機；二相電機如吹風機、電風扇等，三相如電梯、風機、水幫浦等。
按轉子工作性質區分：有同步電動機、非同步電動機；
按裝配形式區分：有鼠籠式—小功率高功率因數、繞線式—大功率低功率因數。
按轉子電極對數區分：有2級-2950r/min.、4級-1470r/min.、6級-980r/min.、8級-720r/min.、10級-590r/min.。
按使用電壓區分：有220v、380v、440v、660v、1140v、3kv、6kv、10kv。
以電機的作為原動機拖動各種生產機械運轉的系統，稱為電力拖動系統。電力拖動系統主要有電源、控制裝置、電機、傳動機構、生產機械五部分組成。
在工業生產系統的動力裝置中，三相交流非同步電動機約佔90%左右的份額，其原因在於它：體積小、造價低、使用維護簡單、適應各種複雜工作環境等[2]。為了更好地應用它，就需要讓它精確地工作，換句話說，就是要對它進行精準調速。
額定功率=×額定電流×額定電壓×功率因數
功率因數越高的電機在變頻使用當中，其被調節的能力越強，也就是說其節電空間的變化可以接近理論值。
三相非同步電動機工作原理：
1．對稱三相繞組中通入對稱三相交流電產生旋轉磁場；
2．轉子導體切割旋轉磁場產生感應電動勢和感應電流；
3．轉子載流導體在磁場中受電磁力作用，形成電磁轉矩使轉子轉動；
因此三相非同步電動機轉速公式：
2-1)
其中：n：轉速；
f：頻率；
s：轉差率；
p：極對數
根據幫浦與風機學的知識，在風機、水幫浦類負載變流量、變壓力的執行狀況中，流量、揚程和消耗的能量之間有下面的關係：
風機/水幫浦的流量和電機轉速成正比；（q為分機和水幫浦的流量）
風機/水幫浦的全壓/揚程和電機轉速的平方成正比；（h為風機/水幫浦的全壓/）
風機/水幫浦消耗的軸功率跟電機轉速的立方成正比；（p為風機/水幫浦消耗的軸功率；
軸功率公式：n0/n=r/r1（n0/n）3 （n：功率；r：氣體密度；n：轉速）
無論是水幫浦還是風機還是其它的電機起功率都與轉速n有關，交流電動機的同步轉速表示式位：
n＝60 f(1－s)/p2-2)
式中：n—非同步電動機的轉速；
f—非同步電動機的頻率；
s—電動機轉差率；
p—電動機極對數。
因此三相非同步電動機調速大致分五種：
1．變極調速：適用於變極電機，即電機有多套繞組，在執行時通過外部開關控制繞組連線方式，從而改變極數，進而改變電機轉速[3]。
2．串電阻調速：適用於繞線式非同步電動機，在轉子迴路串入不同阻值的電阻，人為改變電動機機械特性。
3．降壓調速：適用於較大電阻的高轉差率非同步電動機，通過改變定子電壓來調速。
4．串極調速：適用於繞線式非同步電動機，通過改變轉子迴路阻抗來調速。
5．變頻調速：普遍適用，通過改變供電電源頻率來調速。
由式2-2可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50hz的範圍內變化時，電動機轉速調節範圍非常寬[4]。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高效能的調速手段。
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