机电一体化毕业设计（论文）风机控制系统的改造

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1、山东大学自学考试毕业设计（本科）山东英才学院毕业设计题 目 风机控制系统的改造专 业 机电一体化工程 姓 名 指导教师二OO九年十二月十日3目录第一章 概 述11.1风机简述11.2风机的用途11.3风机的分类11.4风机主要性能参数21.5风机机械部分的组成31.6风机控制系统的发展3第二章 风机的机械部分的设计72.1电动机的选择72.1.1.功率的选择72.2.2.种类和型式的选择72.2风机测试传感器的设计选用82.3压差测量82.3.1压差测量工作原理92.3.2压差测量传感器102.4风机静压测量与传感器102.5风机主要性能参数的确定112.5.1转速112.5.2工作介质112

2、.5.3功率122.6风机工作轮的设计计算与选型122.7风机进出气机壳的设计计算与选型142.8风机叶片强度计算142.9风机传动组的设计计算162.10滚动轴承的选型与计算212.10.1滚动轴承的选型212.10.2轴承的寿命计算212.10.3轴承的润滑方式的选择222.11轴盘材料的选用计算与轴盘上铆钉强度的计算222.11.1轴盘材料的选用计算222.11.2后盘与轴盘之间的铆钉强度计算（切应力计算）222.12风机联轴器的选型与计算232.12.1联轴器的计算转矩232.12.2风机联轴器型号的确定与校核232.13风机轮盘的强度计算232.13.1轮盘本身的离心切应力232.1

3、3.2叶片离心力在圆盘中心产生的应力24第三章风机控制系统设计253.1总体设计253.2风机变频调速控制设计253.2.1交流变频调速的优异特性253.2.2变频调速原理263.2.3变频器控制273.2.4变频器控制电路27致谢30参考文献31摘要 在我们的日常生活中，风机设备应用广泛，诸如锅炉燃烧系统。通风系统和烘干系统等。传统的风机控制是全速运转，即不论生产工艺的需求大小，风机都提供固定数值的风量，而生产工艺往往需要对炉膛压力，风速，风量及温度等指标进行控制和调节，最常用的方法是调节风门或挡板开度的大小来调整受控对象，这样，就是的能量从风门，当班的节流中损失掉了。统计资料显示，在工业生

4、产中，风机的风门，挡板及其相关设备的节流损失以及维护，维修费用占到生产的725.这不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度也受到限制，直接影响产品质量和生产效率。因此有必要对风机进行合理的改造。 变频调速是上世纪80年代初发展起来的新技术，具有易操作，免维护，控制精度高等优点。普通电动机采用变频调速技术后，在其拖动负载无须任何改动的情况下，就可以按照生产工艺要求调整转速。因此，风机设备完全可以用变频驱动方案取代风门，挡板控制方案，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。因此，正确掌握风机的设计，对保证风机的正常经济运行是很重要的。 关键词：风机性能；风机控制；风机设计；变频调速；变频器

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风机简述风机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械,它是用来提高气体压力,

11、并输送气体的机械,是透平机械中的一种。风机按工作压力提高的程度来分,可以分为四种：1） 风扇2） 通风机 3） 鼓风机4） 压缩机压缩机的压比又称压缩比，是压缩机出口与进口处气体压力之比。风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作1.2风机的用途一般用于锻冶炉及高压强制通风，亦可广泛用于输送物料、空气及无腐蚀性、不自然、不含粘性物质之气体。介质温度一般不超过50（最高不超过80），介质中尘土及硬质颗粒物含量不大于150mg/m3。1.3风机的分类风机按使用材质分类可以分好几种，如铁壳风机（普通风机）、

12、玻璃钢风机、塑料风机、铝风机、不锈钢风机等等。风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型。 风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。风机按照加压的形式也可以分单级、双级或者多级加压风机。如4-72是单级加压，罗茨风机则是多级加压风机。1.4风机主要性能参数风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、

13、全压、功率、转速及效率。(l) 轴功率:原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以p表示单位为kw。(2) 效率:风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。(3) 流量:单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量Q表示，其单位为机进口处容积流量。(4)有效功率:单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，单位为kw。(5) 全压:单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压

14、，以P表示，单位为Pa。(6)转速:风机轴每分钟的转数称为转速，以n表示，单位为r/min。风机的各性能参数一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种，包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。(7)有因次性能曲线:将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。(8)无因次性能曲线:为了选择、比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压

15、之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤为广泛。1.5风机机械部分的组成N07.116主要由叶轮、机壳、进风口、传动组等组成。 叶轮：9-19型风机叶片为12片，19-26型风机叶片为16片。均属前向弯曲型。叶轮扩压器外缘最高圆周线速度不得超过140m/s。叶轮成型后经静、动平衡校正和超速运转实验，故运转平稳。 机壳：用普通钢板焊接成蜗壳形整体。 进风口：做成收敛式流线型整体结构，用螺栓固定于前盖板上。 传

16、动组：由主轴、轴承箱、联轴器等组成。主轴由优质钢制成，轴承箱整体结构，采用滚动轴承，用轴承润滑脂润滑。1.6风机控制系统的发展风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护

17、功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接

18、，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有：（1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂

19、家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。（2）就风机控制系统本身的要求来看，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲，风机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有

20、一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。 （3）风机控制系统是与风机特性高度结合的系统，包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密，风机控制系统的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。 即便如此，国内企业通过这几年的努力，已经在控制系统主要部件的开发上取得了积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力，所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术

21、和经验积累。比如，作为风机控制系统中技术含量最高的主控系统和变频器，国内企业在自主开发上已取得重要进展。东方自控经过几年的努力，已成功开发出DWS5000风机控制系统，并已完成各种测试及风机运行验证，实现了规模化生产，基本形成了自主开发能力。科诺伟业也研制出了兆瓦级机组的控制系统。在变频器方面，东方自控、合肥阳光、清能华福、科诺伟业等一批企业也异军突起，开发出了大功率双馈及直驱机型的变频器，产品已有小批量在风场投运，呈献出可喜的发展势头。随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里

22、不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了新的任务。（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，实现不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。（2）需要进一步提高低电压穿越运行

23、能力（LVRT）。风力发电机组，尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网

24、公司出台了风电场接入电网技术规定，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制系统中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联系。（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着

25、风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测系统和风电出力自动控制系统，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。事际上，这个系统的建设不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技术问题。但是，无论如何说，序幕已经拉开。第二章 风机的机械部分的设计2.1电动机的选择三相交流异步电动机的选用，主要从选用的电动机的功率、工作电压、种类、型式及其保护电器考虑。 2.1.1.功率的选择选用电动机的功率大小是根据生产机械的需要所确定的。(1)连续运行电动机功率的选择对于连

26、续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选用的电动机的额定功率等于或大于生产机械的功率即可。例如，带动车床切削的电动机功率为:P=（kW）式中P1为车床的切削功率；F为切削力（N）；v为切削速度（m/min）;1为传动机构的效率。(2)短时运行电动机功率的选择短时运行电动机的功率可以允许适当过载设过载系数为，则电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的.如上例是短时切削加工车床，其电动机的功率为；P=（kW）2.2.2.种类和型式的选择(1）种类的选择选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动特性、维护及价格等方面考虑。 因为生产上常用的是三相交流点，如没有特殊要求，多采用交流电动

27、机。由于三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此，在要求机械特性较硬而无特殊要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床都采用鼠笼式异步电动机。 绕线式电动机的基本性能与鼠笼式相同。其特点是起动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速。但是它的价格较鼠笼式电动机为贵，维护亦较不便。因此，只有在某些必须采用绕线式电动机的场合，如起重机、锻压机等，大多采用鼠笼式异步电动机。(2)结构形式的选择 在不同的工作环境，应采用不同结构形式的电动机，以保证安全可靠地运行。电动机常用的结构形式有：开启式、防护式、封闭

28、式和防爆式。(3)电压和转速的选择 电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型，功率以及使用地点的电压来决定。电动机的额定转速根据生产机械的要求而决定，一般采用尽量高转速的电动机。2.2风机测试传感器的设计选用本系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号。2.3压差测量差压式流量计(以下简称DPF或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类

29、，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。2.3.1压差测量工作原理充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图2-1所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅

30、与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。图2-1压差测量工作原理 式（2-1） 式（2-2）式中 qm-质量流量，kg/s; qv-体积流量，m3/s; C-流出系数； -可膨胀性系数； -直径比，=d/D; d-工作条件下节流件的孔径，m； D-工作条件下上游管道内径，m； P-差压，Pa； 1-上游流体密度，kg/m3。由上式可见，流量为C、d、P、 6个参数的函数，此6个参数可分为实测量d，P，(D)和统计量(C、)两类。2.3.2压差测量传感器由以上论述看出，通过孔板的流体的流量与孔板两端的压力差

31、的平方根成正比。本试验装置中，此压差信号由压差式变送器测量。压差式流量传感器是目前工业上技术最成熟、使用最多的一种，其使用量约占全部流量测量仪表的70-80%。他不仅可以用来显示，而且可以经压差变送器转换成统一的标准信号为20mA(或l-5V)以便送到单元组合仪表及计算机进行上业过程控制。差压式节流装置的特点是:结构简单，使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工作状态(包括高温、高压)下。本测试装置采用气压传感器C268、RANGE:+/-1000Pa。2.4风机静压测量与传感器压力传感器用来测量管道的静压。压力传感器的种类繁多，本系统采用电容式微压传感器不，其特点如下:(1)测量范围大。金属

32、应变丝的极限一般为l%，而半导体应变片可达20%，电容传感器相对变化量大于100%。(2)灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容值，其相对变化量可达IE-7(3)动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量小，因此其固有频率很高，可月J几动态信号的测量。(4)机械损失小。电容式传感器极间相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自热坟应极微，可保证电齐式传感器具有较高的精度。结构简单，适应性强。电容式传感器一般使用金属材料做电极，以无机材料做绝缘支撑，故能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用，适合在恶劣环境中工作。电容式传感器一般可分为三种形式:变截面型、变介质介电常数型、变极板间距型。本系统

33、选用变截面接口静压传感器，其型号为:C268、RANGE:0-50Pa，技术指标如下:作温度:-18-+65测量介质:空气或类似的非导电性气体输入电源:9-3V DC输出电流:4-20mA量程:0-5OPa接线方式为两线式，传感器采用24V直流电源供电，数据采集卜的模拟输入通道采集25O精密电阻两端的电压信号，此电压信号进入到计算机中进行计算。2.5风机主要性能参数的确定根据风机拟定的工作环境选择流量q=88.93m3/s。风速选择为：近风口v=715m/s，出风口v=1030m/s。2.5.1转速 风机全压为 P=49kp。2.5.2工作介质干燥空气：=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功率初选电机的功率为3kw 风机效率一般为80%90%.2.6风机工作轮的设计计算与选型初选叶轮大径D2=0.405m作为设计基准。叶轮如图2-2.1、 风机叶轮周速：2、 风机全压系数： 图2-2风机叶轮示意图3、 风机的比转数： 4、 风机进口轴向速度：5、 风机进口当量直径：6、 风机流量系数：7、 内孔直径：其中Nah =8。8、 风机叶轮轮毂外径：9、 风机工作轮进口直径：10、 风机工作轮密封处外径：11、 风机叶片进口直径：12、

35、风机叶片进口线速度：13、 风机叶轮叶片数： 14、风机叶片厚度：根据以上计算可以通过风机设计手册选型为 S1064.25 叶轮，并且确定为型轴盘。2.7风机进出气机壳的设计计算与选型蜗室横截面积当量直径的计算： （式2-3）风机进风管直径： 长度：L=3500mm。风机近风口的选型：根据风机设计手册选择 ST0701042.8风机叶片强度计算因为在此设计的风机叶片与叶轮前后盘的连接为焊接，所以叶片的最大弯矩应产生在梁的两端。叶片受力如图2-3。当叶轮以角速度旋转时单个叶片因本身质量产生的离心力F为： （式2-4）其中=7.85103 kg/m3为叶轮角速度 b为叶片长=141mm L为叶片宽

36、度=82mm 为叶片厚度=3mm R为叶片重心到叶轮中心的距离=296mm。C=2 钢的C=86.08n2 。图2-3风机叶片受力示意图如图叶片的重心假定在叶片工作面的O点，将F分解成沿叶片的法向力F1和切向力F2。叶片在F1和F2的作用下，在相应的方向弯曲。由F2产生的弯曲应力，因叶片的抗弯截面模量大，故可忽略。只计算F1产生的弯曲应力。叶片弯矩如图2-4。叶片的抗弯截面模量为：叶片的最大弯矩：图2-4叶片受力及弯矩图叶片的最大弯曲应力：2.9风机传动组的设计计算风机主轴的设计计算，根据以上已经选择的风机叶轮与轴盘，选择轴的最小直径为d=32mm.轴的强度计算：叶轮的质量(将前盘曲面略看作直

37、面计算)叶轮轴盘因为选用的为4c型 型轴盘 查风机手册可知：因此可以计算叶轮总质量为：（1） 风机叶轮转速N=1430r/min（2） 风机主轴的最大弯矩以及最大转矩的计算（3） 主轴的最大弯矩的计算，主轴受力如图2-5。（4） 作用在风机主轴上的主要作用力是叶轮重力与其不平衡力，叶轮经过平衡后，仍有允许的残余不平衡重力。该重力可以造成风机叶轮重心与主轴旋转中心线有一定的偏移距离。此距离一般为：。为安全起见，计算时取：，因此，由于叶轮重心与主轴旋转中心线不一致产生的不平衡力F1 为： （式2-5）图2-5风机主轴受力示意图（5） 叶轮重力与其不平衡力之和：（6） 轴端与联轴器重力之和：（7）

38、轴承之间轴的重力：（8） 主轴与叶轮连接处轴的重力：图2-6风机主轴受力弯矩图（9） 主轴支撑座反力计算：（10） 主轴弯矩计算：主轴弯矩如图2-6风机主轴的转矩计算风机主轴的复合应力风机主轴的材料选用45钢 查得其许用扭转切应力-1=155MPa 许用弯曲应力-1=275MPa。主轴扭转切应力为：主轴的最大弯曲应力为：按照第三强度理论计算风机主轴的最大复合应力：（11） 风机主轴刚度计算风机主轴的弯曲刚度计算图2-7主轴阶梯主轴的当量直径：图2-8主轴挠度示意图弯曲挠度：主轴挠度如图2-8偏转角：风机主轴的扭转刚度的计算 （式2-6）其中：T为扭矩 T=20.04N mG为钢的剪切弹性模量

39、Ip 为主轴的截面的极惯性矩 （5）主轴的临界转速的计算所以风机主轴运转安全。2.10滚动轴承的选型与计算2.10.1滚动轴承的选型因为风机主轴的轴端为风机叶轮，所以主轴为一悬臂梁径向载荷较大而轴向载荷较小。风机要求的转速不是很高。因为主轴轴端承受悬臂力，所以要求轴承有一定的调节主轴弯曲的能力。综上，可选择调心辊子轴承，根据轴径可选择22209轴承。2.10.2轴承的寿命计算 （式2-7）n为轴承转速n=1430r/min。C为轴承的基本额定动载荷为指数，球轴承为3，对于磙子轴承为10/3。P为轴承载荷，在这里既为径向载荷，在前面计算的轴的载荷时已经计算过为216.18N。风机长期连续工作机械

40、，可选预期寿命为：轴承应具有的基本额定动载荷为：因此，所选轴承满足要求。2.10.3轴承的润滑方式的选择因为dn=321430=45760mm/r min-1 。所以选择油脂润滑方式。 2.11轴盘材料的选用计算与轴盘上铆钉强度的计算2.11.1轴盘材料的选用计算轴盘最大直径d处的线速度为：所以线速度小于30的轴盘选择一般灰铸铁 HT250。图2-9轴盘2.11.2后盘与轴盘之间的铆钉强度计算（切应力计算）轴盘上的转矩为： （式2-8）在铆钉分布的圆周半径R上，铆钉所受的切应力为： （式2-9）铆钉初选材料为Q215，Z个铆钉所承受的平均切应力为：2.12风机联轴器的选型与计算由于风机的工作环

41、境为载荷较小、冲击较小，因此可以选择刚性土缘联轴器。风机电机的输出的功率为：3KW 风机输出转矩为：T=20.04N m。2.12.1联轴器的计算转矩 （式2-10） KA为风机的工作工况系数鼓风机工作转矩变化小，即为透平空气压缩机械。并且原动机为电动机，因此可选KA为1.5。2.12.2风机联轴器型号的确定与校核从GB/T4323-84中查得GY5型刚性凸缘联轴器的许用转矩为400Nm。许用最大转速为8000r/min。适合轴径为32mm。故合用。2.13风机轮盘的强度计算2.13.1轮盘本身的离心切应力2.13.2叶片离心力在圆盘中心产生的应力 （式2-11）半圆盘重心所在半径半圆盘的离心

42、力 单个叶片的离心力所以后盘共计最大切应力第三章风机控制系统设计3.1总体设计在风机测试过程中，要求风机的转速不变。但是在实际应用当中，风机需要有不同的转速，当然也是为了节能方面的考虑。因此，对风机的交流异步电机的调速就是对风机的调速过程。随着新型电力电子器件的发展，交流变频调速技术已经崛起，它几乎和计算机控制一样，成为了现代交流传动调速技术领域的主要标志之一。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖

43、动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。变频器调节风机转速原理如图3-1。图3-1风机转速调节装置流程图3.2风机变频调速控制设计3.2.1交流变频调速的优异特性 (1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源|稳压器，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过

44、载能力大为降低。3.2.2变频调速原理变速调速也称为变频调速系统，它主要由变频器和控制器两大部分组成。变频调速的基本原理是根据电动机转速与输入频率成比例的关系，通过改变供给电动机三相电源的频率值来达到改变电动机转速的目的。 1、变频器 变频器的作用是将所接收的三相电源（如380V，50Hz）转换为频率可调节的三相电源。变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。直接变频为交交变频；间接变频为交直交变频。间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。 交直交频器由顺变器、中间滤波器和逆变器三部分组成。顺变器就是整流器，它是一个晶闸管感想一桥式电路，其作用为将定压定

45、频的交流电变换为可调直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相桥式整流电路，但它的作用与顺变器相反，综将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要部分。 2、控制器 控制器是根据变频调速的不同方式产生相应的控制信号，控制逆变器中各功率开关元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。控制器有二种控制方式：一种是以各种集成电路构成的模拟控制方式；另一种是以单片机、微处理器构成的数字控制方式。市场销售的微电脑变频器，就是使用单片微机或微处理器为控制核心的变频器。 决定功率开关器件（如晶闸管）动作顺

46、序和时间分配规律的控制方法称为脉宽调制（PWM）方法。用这种方法通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值；通过改变调制矩形脉冲波形的频率（或周期）可以控制交流基波电压的频率。控制器输出一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲，用此脉冲电压去触发逆变器中的功率开关器件，起到了功率放大作用。由于各个矩形脉冲波下的面积接近于正弦波下的面积，因此，逆变器的输出电压就接近于正弦波，这样就能满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。 3.2.3变频器控制在此选择交流变频器型号为：RNB3000 电机为Y100L2-4主回路端子接线图、控制回路接线图如图3-2、各端子说明如表3-1。

47、图3-2 变频器接线说明表3-1变频器端子说明3.2.4变频器控制电路给异步电动机供电的主电路提供控制信号的网络，称为控制回路，控制电路由频率，电压的运算电路，主电路的电压，电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路等组成。无速度检测电路为开环控；在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。运算电路将外部的速度，转矩等指令同检测电路的电流，电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。电压、电流检测电路为与主回路电位隔离检测电压，电流等。驱动电路为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔

48、离，控制主电路器件的导通与关断。I/O电路使变频更好地人机交互，其具有多信号的输入，还有各种内部参数的输入。速度检测电路将装在异步电动机轴上的速度检测器的信号设为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。保护电路检测主电路的电压、电流等。当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压，电流值。逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，保护功能如下：逆变器保护瞬时过电流保护，用于逆变电流负载侧短路等，流过逆变电器回件的电流达到异常值时，瞬时停止逆变器运转，切断电流，变流器的输出电流达到异常值，也得同样停止逆变器

49、运转。过载保护，逆变器输出电流超过额定值，且持续流通超过规定时间，为防止逆变器器件、电线等损坏，要停止运转，恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或电子热保护，过载是由于负载的GD2过大或因负载过大使电动机堵转而产生。再生过电压保护，应用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率使直流电路电压升高，有时超过容许值，可以采取停止逆变器运转或停止快速的方法，防止过电压。瞬时停电保护，对于毫秒级内的瞬时断电，控制电路工作正常。但瞬时停电假如达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不供电，所以检测出后使逆变器停止运转。接地过电流保护，逆变器负载接地时，为了保护逆变器，要有接地过电流保护功能。但

50、为了保证人身安全，需要装设漏电保护断路器。冷却风机异常，有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检测出异常后停止逆变电器工作。异步电动机的保护过载保护，过载检测装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作过频时，应考虑减轻电动机负荷，增加电动机及逆变器的容量等。超速保护，逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。其他保护，防止失速过电流，加速时，假如异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行。所以，在负载电流减小之前要进行

51、控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，有时也进行同样的控制。防止失速再生过电压，减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为防止再生过电压电路保护动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止不能运转。致谢通过两个多月的努力，我的毕业论文风机控制系统的改造终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在此，我要非常感谢给予我论文指导的各位老师、说一声你们辛苦了。你们在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，

52、你们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，你们放弃了自己的休息时间，你们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向你们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是你们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于你们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向你们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！参考文献1、 曹承志.电机,拖动与控制M.北京:机械工业出版社.2000.2、 原魁,刘伟强.变频器基础及应用J.1999.3、 朱之墀,黄东涛,李嵩.清华大学航天航空学院流体声学实验室J.1999.4

53、、 GB:1236-85通风机空气动力性能试验方法J.1996.5、 孙淮清,王建中编著.流量测量节流装置设计手册M.北京:化学工业出版社.20006、 王家祯,王俊杰.传感器与变送器附M.北京:清华大学出版社.1996.7、 杨乐平.LabVIEW高级程序设计M.清华大学出版社.2000.8、 路林吉,饶家明.数据采集技术概述J.电子技术，2000(2):49-52.9、 齐振邦.风机变频调速应用现状及节能原理J.风机技术.2000(3)10、 陈朝阳.变频调速器在风机调节中的应用J.风机技术.1994(7)11、 商景泰.通风机手册J.1994.812、 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计M.电子工业出版社.2007.731