PLC在矿井空压机控制系统改造设计中的应用【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 本科毕业论文（设计） 论文题目： 矿井空压机控制系统改造设计中的应用 学生姓名： 所在院系： 所学专业： 导师姓名： 完成时间： 2013 年 5 月 28 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 摘 要 针对矿井旧空压机控制系统中存在的体积庞大、接线复杂、机械触点多、排除故障困难、可靠性差、自动化程度低、浪费 电能 等缺陷 ,设计了一种基于先进变频器控制技术的矿井空压机控制系统 ,详细讨论了系统的结构、控制方案、工作原理、硬件与软件设计方法。该控制系统具有功能完善 ,运行稳定 ,可靠性高 ,便于维护 ,节能效果明显等特 点 ,提高了生产效率和经济效益 ,具有很好的应用前景。同时该控制系统若配置相应的通信模块和上位计算机 ,可方便地组成集散式控制系统 ,对现场设备的运行状态进行监控 ,实现远程控制 ,提升企业生产的自动化程度。 关键词： 矿井，空压机， 频器，压力检测 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ in he in of in is is so on on LC s of in to be is is is so on if on to s 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 2 电机的调控技术的发展现状 . 1 3 电机调速方式 . 2 速控制节能分析 . 2 用的调速方式 . 3 级对数调速 . 4 频调速 . 4 控硅串级调速 . 5 台空压机恒压控制系统中的关键问题 . 6 文的主要研究内容 . 6 4 变频调速恒压提供压缩空气系统能耗机理分析 . 7 心式空压机及其工况点确定的研究 . 8 压机分类 :. 8 压机工况点分析 . 8 压机的调速度方式 . 9 压机的高效调度方式 . 9 速范围的确定 . 11 频调速的优点分 析 . 11 5 变频调速恒压系统设计 . 12 统的方案设计及具体要求 . 12 统的总体方案设计 . 12 制系统的具体设计要求为： . 13 压机控制总体设计方法 . 13 统硬件设计 . 14 件电路设计 . 14 统控制电路设计 . 15 统软件设计及变频器主要功能的预置 . 16 6 结束语 . 18 致谢 . 19 参考文献 . 19 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 1 绪论 煤矿矿井空压机是煤矿矿 井生产的重要组成部分，它生产压缩空气，用以带动凿岩机、风动装岩机等设备及其他 气 动工具。煤矿矿井空压机能否正常工作与矿井其它机器能否正常运转、生产效率的提高密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对矿井空压机 系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。 目前在煤矿矿井空压机控制系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大机械触点多接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷 ;且因工作空压机一直高速运行，备用机停止，且 空压机的工作效率不高，不能轮休工作，易使工作空压机产生故障，降低使用寿命，并且浪费严重。 针对上述一系列问题，本课题采用 变频器控制技术对其进行改造。保留其原有的手动控制系统，分别增加一台 变频器及辅助控制单元，与压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。并通过与上位机的数据通信，将数据上传到上位机实现数据的处理、管理与状态监控，每天 24 小时不间断按预先设定的管网压力恒定地向矿井提供 恒定压力的 压缩空气，保证了矿区的不间断生产。利用压力检测技术实现对矿井 空压机 系统的自动控制，根据所需压力的大小自动调 节空压机电机的转速，提高了空压机的效率，使主机和备用机轮换工作，提高了矿井空压机系统稳定性和安全性，节能效果显著，且 制系统具有对驱动 空压 机的电机过热保护，故障报警等功能特点为煤矿矿井空压机系统的节能技术改造提供了一条新途径。 通过该项目的应用，不仅能够节约电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本 ;而且提高了整个矿区的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。由于矿井空压机的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。 2 电机的调控技 术的发展现状 在国内外 矿区、 工业生产和产 品加工制造业中，空压机设备应用范围广泛。其电能消耗和诸如阀门等 相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的 7%是一笔不小的生产费用开支。因此如何做到在既满足生产要求的同时，又能达到降低能耗的目的，则成为国内外研究的主要议题 ,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，开创了一个全新的节能 调速 时代。从 80 年代初通用变频器问世以来，经过近 20 年，通用变频器更新换代了五次 :第一代是 80 年代初模拟式通用变频器，第二代是 80 年代中期数 字式通用变频器 ;第三代是 90年代初智能型通用变频器 ;第四代是 90年代中买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中通用变频器。目前国外变频调速技术发展较快，性能也非常好，在各行各业中得到了广泛的应用，如日本富士、瑞典 国西门子等变频调速系统应用领域非常广泛。国内变频调速技术发展较慢，产品性能较差，很难满足连续化工生产的需求，而且无法实现闭环自动控制。因此国内使用单位主要以进口为主，很少使用国内生产的产品。对风机类机器的控制以前多采用继电器 障率高，可靠性低，而近年来随着控制技术的不断 发展，利用 替继电器 前， 统已朝向人机界面更加友好，网络通讯能力大大加强，开放性和互操作性大大发展，处理功能进一步增强，与以太网的融合的方向发展 1。 3 电机调速方式 速控制节能分析 空压机的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应 压力 设定的。但实际运行中空压机每天只有很短的时间 用气 最大，其压缩空气量随外界用气情况在变化。因此空压机不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加 管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量 ;而电动机调速控制可以通过改变电动机的转速来变更空压机的工况点，使其空缩空气量适应管网用气量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。 由流体力学可知，空压机给管网供气时，空压机的输出功率 P 与管网的气压H 及气流量 Q 的乘积成正比 ;空压机的转速 n 与空气 流 量 Q 成正比 :管网的气压H 与压缩空气量 Q 的平方成正比。由上述关系有，空压机的输出功率 P 与转速 : （ 1） （ 2） 23 （ 3） 3 （ 4） 式中 k, 比例常数。 当系统压缩空气量减小时，通过变频调速装置将空压机转速调小， 则空压机的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图 1 所示。图中曲线1, 2, 3 为管网阻力特性曲线，曲线 4 为电机转速为 的运行特性曲线，曲线 5为空压机转速为 的运行特性曲线。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 1 变频调速节能原理图 空压机原来的工作点为曲线 3 和曲线 4 的交点 A，此时压缩空气量为 网压力为 电机转速为 当系统的压缩空气量减小到 统管网特性为曲线 1，曲线 1 和曲线 4 的交点 B 为运行工作点。此时管网压力为 泵的输出功率正比于 2。由于 1高出的压力能量被浪费了，同 时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时空压机的转速调至 线 5 和曲线 2 的交点 C 为空压机的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为 缩空气量为 压机的输出功率正比于 2 级。从图中可见阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当 80%时，通过调速将0%则空压机的输出功率 1的 如不采用调速控制， 能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观 2。 用的调速方式 空压机多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时 ，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式 : )1(60)1(0 Sp (5) 式中， 异步电动机的同步转速， r/ n 一异步电动机转子的转速 r/P 一电动机的磁极对数 ; f 一电源频率，电动机定子电压频率 ; S 转速差 ， S=00n 100% 改变电动机极对数 P、改变转速差 S 及改变电源频率 f 都可以改变转速。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数，如图 2。 以电动机一相绕组为例，电流方向都是由 ，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数 P。如果使 P =1, 2. 3等，就可以得到 000, 1500, 1000( r / 不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调 速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器 3。 图 2 变极原理图 频调速 变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率就可以平滑地调节同步转速 应地也就改变转子转速 n，而转差率 S 可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转；频率减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此， 在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。 实现调频调压的变频器 有两种 :交一直一交变频器，交一交变频器 4，见图 3所示 。 （ 1） 交一直一交变频器 它是 由 三个环节组成 :可控硅整流电路，其作用是将 定电压、定频率的交流电 变为电压可调的直流电 ;可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电 ;滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 3 变频器的种类 在交一直一交变频器中，根据 滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型 (简称变频器技术获得了飞速的发展。 频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。 （ 2) 交一交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。 交一交变频器由于直接交换，减少换流电路减少损耗 ，效率高，波 形 好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。 变频技术对空压机电动机进行调速，以获得 良 好 的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。 控硅串级调速 它是把异步电动机转子电势经过整流 一逆变后回馈给电网差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、 转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。 如 图 4 示 出晶闸管串级调速原理图。由图可见，异步电动机转子电势 2S，再由晶闸管逆变器将 率经变压器 不用 直接反馈给交流 电网。这时逆变器端电压 f，控制逆变角 就可改变 就是改变了引入转子电路的电势 而实现了异步电动机的串级调速。 图 4 也表明了功率转换过程。如忽略损耗，异步电动机的输入功率就是电磁功率 出机械功率为 （ 1差功率为 馈给电网的功率为 P=即可调节异步电动机的转速。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 4 串级调速原理图 串级调速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好， 但出于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增 加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占地面积大等缺点而影响它的推广价值。 台空压机恒压控制系统中的关键问题 交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压 /频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩。 多台空压机恒压供气系统为了提高变频器的 使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作 . 矿井用空压机，在不同时段的用气量具有明显的差异，负荷变化较大，为保障正常供气，必须解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用恒速空压机组切换加压供气的方式。在这种式作方式中，因供气空压机拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。因而在设计思想上以查询方式为主，中断方 式为辅，采用模糊控制法对系统 数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作 量 ，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强 5。 文的主要研究内容 经过系统的调研和分析，并结合矿区的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于 单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供气自适应平衡控制买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 系统的研制，该系统利用变频器实现空压机电机的软起动和调速，代替了原有的自藕降压起动装置，同时把电机控制纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节 能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容 : （ 1） 对空压机电机的调控技术进行分析和比较，并对多台空压机恒压 控制系统中的关键问题进行了论述 ;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 （ 2） 从空压机理论和管网特性曲线分析入手，讨论 空压机工作点 (工况点 )的确定方法和空压机工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压 控制 系统中，空压机工况的调节是通过改变空压机性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供气系统中空压机能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。 （ 3） 介绍了基于 变频调速恒压自动控 制供气系统，该系统由一台变频器拖动多台空压机电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经 理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速， 改变空压机性能曲线来实现空压机压缩空气量的调节， 保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压 控制 系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和 序设计进行研究。 （ 4） 通过对 制器的基本原理的介绍， 简要 的分析德国 司的 00 系列 的 法的实现。运用 程软件设计一个用于系统压力控制的 制器，并通过 现场工业试验，调整和检验 4 变频调速恒压提供压缩空气系统能耗机理分析 空压机已经成为矿井正常生产所必备的设备之一，我国矿区生产已普遍采用了高效 空压 机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是空压机的调速性能差，二是运行点远离空压机的最高效率点。这是因为在设计过程中，很难精确地计算出管网的阻力，并考虑长期运行过程中可能出现的问题，通常是把系统所需最大空气压力作为选择空压机和电机的设计值。但空压机的型号和系列是有限的，往往选用不到合适的空压机型号时，只好往大机号上靠。这样，空压机的效率自然就不会高了。为了解决矿井空压机供压不稳及节能等问题，我们设计了基于 制 系统。 据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约 2050%，其节能效果相当可观 3。采用变频调速恒压供气系统和传统恒速供气系统相比，具有气压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对空压机组设备的冲击等优点 4。在讨论变频调速恒压供气的节能机理之前，有必要讨论分析空压机机及空压机机工况调节等相关理论。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 心式空压机及其工况点确定的研究 压机分类 : 空压机分为螺杆式空压机 ， 螺杆式空压机又分为单螺杆空压机及双螺杆空压机 ， 离心式空压机 ， 活塞式空压机 ， 滑片式空压机 ， 涡旋式空压机 ， 旋叶式空压机 。 离心式空压机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动 气体运动或者使气体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高气 体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将空气吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。 压机工况点分析 按照液体机械的相似定律，空压机的流量 Q、 压力 H、轴功率 32121221212121 ; (5) 离心式空压机在变速调节的过程中，如果不考虑系统管道阻力 风压 成平方规律变化，则空压机的效率可在一定范围内保持最高效率不变（只有在负荷率低于 80%是才略有下降）。图 5示出了离心式空压机不同调节方式耗电特性比较，图 6示出了采用风门调节和转速调节时， 空压机 的效率 流买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 量曲线。 由图 6可知：在空压机的风量由 100%下降到 50%时，变速调节与风门调节方式相比，空压机的效率平均高 30%以上。因而，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。同时，采用变 速调节以后，可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大改善起动性能。工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益 6。 压机的调速 方式 空压机的流量和压力调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类，非变速调节方式有节流调节，分流调节，前 导叶调节等，非变速调节不是本文讨论的主要内容，这里不加详细叙述。 各种调速方式的差别，主要表现在对转差率的处理上 。 空压机的常用变速调节方式如下： 1 转差功率消耗型（属低效调速方式） （ 1） 液力耦合器调速； （ 2） 液力调速离合器（离合器）调速； （ 3） 电磁转差离合器（滑差电动机）调速； （ 4） 鼠笼式异步电动机定子调压调速； （ 5） 绕线式电动机转子串电阻调速。 2 转差功率回馈型（属高效调速方式） 绕线式异步电动机的串极调速。 3 转差功率不变型（属高效调速方式） （ 1） 变极调速（多速电机）； （ 2） 变频调速； （ 3） 直流电动机调速。 压机的高效调度方式 由电机学原理可知，交流电动机的同步转速 极对数 0 60（ r/ （ 7） 异步电动机转差率 000 1 （ 8） 则可得异步电动机的转速表达式为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ )1(60)1( 10 sP （ 9） 可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现： （ 1） 改变定子绕组的磁极对数 P（变极调速）； （ 2） 改变供电电源的频率 频调速 )； （ 3） 改变异步电动机转差率 改变定子绕 组磁极对数的调速方式称为变极调速；改变电源频率的调速方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，绕线式电动机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。 本文主要讨论变频调速方式，其它 调速方式 不做详细叙述。在变频调速恒压控制 系统中，通过变频器来改变电源的频率 以使空压机性能曲线改变，达到调节水泵工况 的 目的。 当管网负载减小时，通过 低交流电的频率，电动机的转速 从 低到 外根据离心式空压机工作原理和相似理论，改变转速 n，可使空压机压缩空气流量 Q,压力 H 和轴功率 P 以相应规律改变。 1212 （ 10） 21212 11） 从上述比例律公式中消去 n2/得到式 (12) 222211即 2 （ 12） 式 （ 12） 2 是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒压供气系统中，单台空压机工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变空压机性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图 7 来 表示 。 如图 7 所示 :空压机运行工况点 1 的交点。用阀门控制时由于要减小流量而关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从 R 移到 ，压力则从 到 量从 小到 运行工况点从 点。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 图 7 变频调速恒压供气空压机工况调节图 用调速控制时，阻力曲线 R，原样小变，空压机的特性取决于转速，如果把速度从 1，特性曲线也从 1。 结果运行工况点从 点，压力从 3,流量从 1。 根据公式求出运行在 A 点、 C 点空压机的轴功率之差为 : 1 0 2)( 311 （ 13） 也就是说用阀门控制流量时有 P 功率是被浪费掉的。而且随着阀门不断关小这个损耗还要增加。用转速控制时流量 Q、压力 H、 功率 P 和转速 N 之间的关系可由 公 式 （ 6） 表示。即可概括为 :流量 Q 与转速 n 成正比 ;压力 H 与转速 轴功率 P 与转速 n 的立方成正比。由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供气，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速供气方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能 7。 速范围的确定 空压机转速的工况调 节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免空压机在低效率段运行。空压机的调速范围由空压机本身的特性和用户所需压力规定，当选定某型号的空压机时即可确定此空压机的最大调速范围，在根据用户所需求的最大空气压力确定具体最低调速范围。 频调速的优点分析 空压机的工作点就是同一坐标系中空压机的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于空压机工作点是空压机运行的理想工作点，实际运行时空压机的工作点并非总是固定不变的。本章讨论了空压机工作点 (工况点 )的确定方法。在变频调买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 速恒压供气系统中，空压机工况的 调节是通过改变空压机性能曲线得以实现的。通过对变频调速恒压提供控制系统中空压机能耗机理进行深入研究，得出了以下结论 : （ 1） 在 空压机 变频调速恒压 控制 系统中，单台空压机工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变空压机性能曲线得以实现的。 （ 2） 分析空压机工况点阀门调节和变速调节能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供气，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。 （ 3） 空压机转速的工况调节需要限制在一 定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免空压机在低效率段运行。 5 变频调速恒压系统设计 统的方案设计及具体要求 统的总体方案设计 由前面的分析， 为保障矿区正常生产，必须解决压力不断减弱和不稳定问 题。目前通常采用恒速空压机组切换加压供气的方式， 这种 运行 方式，因空压机拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。为了解决矿井空压机能够提供压力稳定的压缩空气及节能等问题，我们设计了基于 空压机恒压控制系统。该系统采用模糊控制算法，将 交流变频调速技术相结合，可实现矿 井空压机控制系统的节能改造。 图 8 空压机恒压供气系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 1、 吸风口； 2、空气滤清器； 3、阀门； 4、空气压缩机、 5 止回阀； 6、压力传感器 采用 4台变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供气系统，如图 8所示。系统通过调节压缩空气量，保证管网压力恒定（误差 实现对空压机恒压变量控制方式，从而达到节能的目的，满足矿井用气的需要。 制系统的具体设计要求为： （ 1） 4 台空压机能自动变频软起动，并根据压缩空气用量大小自动调节开启空压机的 台数。 （ 2） 电控自动状态时， 4 台空压机自动轮换变 频运行，工作空压机故障时备用空压机自动投人，可转换自动或人工手动开、停机。 （ 3） 设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止空压机反转，并具有故障报报警停机的功能。 （ 4） 有设备工作、停机、报警指示。 压机控制总体设计方法 采用一台变频器控制 4 台空压机的“一控四”切换方案。以西门子 的 30 系列风机和泵类专用型变频器 为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值 比较，根据压力偏差来控制变频空压机的 转 速及定量空压机的起、停，实现恒压变量的提供压缩空气，从而更好地达到节能的效果。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台空压机作变频运行，通过控制变频空压机使管网压力与设定压力值相符。如用买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 气量较大，变频器输出频率为 50 频空压机转速达到最高，管网压力仍低于设定压力，控制器将变频空压机切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台空压机，由一台工频和一台变频空压机同时提供压缩空气。经过变频空压机的调节，如果管网压力 仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为 50 变频空压机切换成工频运行，而后继续起动另外一台空压机作变频运行，直至管网压力与设定压力值相符。 当矿井用气量较少，变频空压机转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的空压机，并根据管网压力调整变频空压机转速，使管网压力始终保持恒定。这样每台空压机的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台空压机的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的先停，先停的先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各空压机工作，由外界 管网和储气罐向矿井供气。 统硬件设计 件电路设计 图 9 系统硬件电路图 （ 1） 本系统的硬件电路如图 9 所示，它由 4 台离心式空压机，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、 流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是 30。 30 是泵 和风机类 专用变频器，扩展功能强 成了 14 点输入 10 点输出，共有 24 点数字量 I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适 应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ （ 2） 系统主电路 图 10 系统主电路 如图 10 所示，该系统有 4台电动机，分别拖动 4台空压机。合上空气开关后，当交流接触器 触点闭合时，电动机为工频运行；当 触点闭合时，电动机为变频运行。 4 个热继电器别对 4 台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。 统控制电路设计 （ 1） 系统控制电路 图 11 系统控制电路 如图 11 所示， 出软继电器触 点，其中 制变频运行电路； 制工频运行电路。 转换开关，实现手动、自动控制切换。当 在手动位时，通过 钮分别起动 4 台水泵工频运行 ,钮分别停止 4 台空压机工频运行当自动位时，由 制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。 （ 2） 变频器控制模块电路 变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、故障报警保买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 护电路、断相相序保护电路 。 如图 12（见下页） 所 示 ， 时间继电器 。 统软件设计及变频器主要功能的预置 本系统稳定运行的关键是 序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题 。 图 12 变频器控制模块电路 序设计 （ 1） 输入、输出地址及功能表（ I/O 表），如表 1 所示。 表 1 输入输出地地址及功能（ I/O 表） 输入地址 功 能 输出地址 功 能 动 作（ 1#变频） 拟调节上限 作（ 1#工频） 拟调节下限 作（ 2#变频） 位 作（ 2#工频） 控信号输入 作（ 3#变频） 作（ 3#工频） 作（ 4#变频） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 作（ 4#工频） （ 2） 程序设计思路 由于空压机系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思路上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统 样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试 的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。 本系统 制程序由主程序和 4 个子程序组成，如图 13 所示。 图 13 制主程序流程图 频器主要功能的预置 虽然空压机对系统调速的精度要求不高，但要使系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。 1 频率功能的预置 （ 1） 最高频率 空压机属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的 ，其最高频率只能与额定频率相等，即 50（ 2） 上限频率 一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在 50情况下，空压机在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了空压机和电动机的负载二是变频调速系统在 50 运行时，还不如直接在工频下买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀论文设计，答辩无忧，值得下载！ 运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为 49 （ 3） 下限频率 在空压机系统中，转速过低，会出现空压机的出口压力小于实际压 力，形成空压机“空转”的现象。所以，下限频率不能太低。 （ 4） 起动频率 空压机在起动时，如果从 0始起动，空压机没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为 15 20设置变频器 出值的下限为最大值的 30% 40%。 2 升速、降速时间 由于空压机电动机不需频繁的起、停，对于起、停时间无严格要求。整定变频器的升、降速时间时主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟