排风机变频调速系统的设计.doc

前言交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项先进技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域，是电气传动的发展方向。商业楼宇等大中型楼宇大约要用去所有建筑物用电量的19%，这其中的1/4为各类电动机所消耗。一个大型建筑中用于泵类和风机类的电机是主要负荷，其中多数是适合于采用调速运行的。传统做法是风机、泵类采用交流电动机恒速传动，靠调节风闸和阀门的开度来调节流量，这种调节的方法是以增加管网的损耗，耗用大量的能源为代价的。如果改用调节电机转速的办法来调节流量，就从根本上克服了电能的浪费。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速技术已日臻完善。它不仅仅可以大幅度节能，而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。尾气排风机的排风量要求是根据换气次数标准计算出来的，它必须满足“最大需求量”原则。但事实上一个环境的排风量需求并不是一个定数。例如地下车库，不同的时段，不同的情况，停车量是变化的，即排放的量也在变。所以我们可以给风机加装一台变频器来改变风机转速、改变排风量。用CO2传感器检测车库空气质量，并控制变频器输出，使风机的转速（排风量）始终对应于指标即可，风机无需始终运行在最高速来排风，这样既节省能源也减少了噪音污染。如果是排风和消防合用的风机，也无须双速风机来解决不同排风量的要求，完全可用变频调速获得所需的排风转速。1 排风机系统1.1 排风机系统组成排风机控制系统是由变频器、PID调节器、传感器、异步电机、数显表、调节阀等元器件组成，其控制原理如图11所示。风压传感器检测到排风机出口风压传给PID调节器根据设定压力输出一个420mA信号传给变频器，当传感器检测到的压力大于设定压力，PID调节器输出电流减小，变频器频率降低，导致排风机转速降低，输出风压减小；当输出风压低于设定风压时，PID调节器输出电流增加，变频器频率增加，排风机转速增加，输出风压也增加，达到自动控制风压的目的。 另外，排风机在运行过程中循环水温不能过高，一般不能超过30，因此在系统中有一套自动控制水温系统，当循环水温度超过设定温度时，报警器报警，同时温度传感器检测到的信号传给调节器，调节器输出信号增加，通过步进电机对调节阀进行调节，使水温降低。排风机系统还有油压显示回路，排风机的油压通过压力传感器送到压力数字显示表，显示油压的高低，并有油压高低报警显示。1.2 排风机变频调速节能原理交流变频调速是80年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术。由于该技术具有很多明显和优点，发展非常迅速，现已成为现代交流调速的基础和主力。在发达国家，变频调速装置已经开发了从不足1kW到数千千瓦的系列产品。在我国，适应中小容量的变频器，已经进入推广应用阶段。变频式能量调节是指用改变压缩机电动机供电频率的方法，改变电动机转速，相应地改变排风机的转速，使排风机输出风压大小达到最佳匹配。这种能量调节适用于各种排风机，并具有良好的调节特性和经济性。排风机是一种传送气体的机械设备，是把电动机的轴动率转变为流体机械能的一种机械。交流电动机通过皮带带动气体压缩机进行往复运动，气缸内把空气进行压缩变成压缩空气，然后通过管道输送给用户。这里假定用风量不变，压缩机输出的压力与气缸的运动频率成正比，气缸的运动频率越大输出压力越大，反之气缸的运动频率越小输出压力越小，而气缸的运动频率与电动机的转速成正比，交流异步电动机的转速公为： (1-1)式中：N 电机转速；F 频率；P 极对数； S转差率（06%）。由转速公式1-1可见，只要设法改变三相交流电动机的供电频率F，就十分方便地改变了电动机的转速N，因此采用变频调速来改变电动机的供电频率F也就改变了电动机转速，同时也改变了排风机气缸的运动频率，进而改变了排风机输出的气体压力，达到了调节排风机输出气体压力的目的。从以上分析看出，排风机输出的气体压力与变频器的输出频率成正比，因此，把排风机的出口压力变化通过压力传感器反馈到数字PID调节器，再由PID控制变频器输出频率的大小来调节电机的转速，使排风机出口风压保持恒定，达到节能目的。图11 排风机控制系统原理框图2 变频调速系统2.1 变频器概述2.1.1 通用变频器的分类通用变频器按其主电路结构形式有交-交变频器和交-直-交变频器两大类，如果主电路中没有直流中间环节的称为“交-交变频器”，有直流中间环节的称为“交-直-交变频器”。由直流电变为可调频、调压的交流电的变换器称为逆变器（DC-AC变换器）。变频装置从结构上分，有间接变频器和直接变频器两大类。其中间接变频器根据中间环节的不同又可分为电压型和电流型两种。在排风机变频调速系统中，采用的是ACDCAD即交直交变频方式，这种方式结构简单，可靠性高，性能稳定。变频器的基本构成如图31所示6。21 变频器的基本构成1） 整流器：电网侧的变频器I，它的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。2） 逆变器：负载侧的变流器II为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥或逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。3） 中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功功率能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为直流储能环节。4） 控制电路：控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入，输出电路和驱动电路等构成。控制电路框图如下图所示。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。2.1.2 通用变频器的控制方式通用变频器根据机型和用途的不同，通常有U/f控制方式、转差频率矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式、有速度传感器矢量控制方式、无速度传感器矢量转矩控制方式和直接转矩控制等。其中，U/f控制方式又有线形U/f控制方式、带磁通用流控制（FCC）的线性U/f控制方式、抛物线行U/f控制方式、多点U/f控制方式、二次U/f控制方式、带节能运行方式的线性U/f控制方式、纺织机械的U/f控制方式、用于纺织机械的带FCC功能的U/f控制方式、与电压设定值无关的U/f控制方式等。一般地，除风机、水泵等流体机械专用通用变频器多采用U/f控制方式外，其他的均采用不同控制策略的矢量控制方式和直接转矩控制方式9。22 变频器控制电路框图2.1.3 主回路结构23 通用变频器主回路上图为排风机变频调速系统应用的变频器主回路。三相交流电源经过断路器（QF）、零序电抗器、滤波器到达三相整流桥，整流后脉动电压经直流电抗器LD和电力电容C平滑后成为稳定的直流电压。三相逆变桥对该直流电压进行斩波，形成电压和频率可调的三相交流电，经滤波器和交流电抗器后进入三相电动机。快速熔断器FU用于保护整流桥和逆变桥，万一逆变桥发生短路故障，能及时切断整流和逆变之间的关系，以防事故扩大。电阻R用于刚通电时对电容C的充电限流，冲击电流过后，短路开关Q即闭合，将R短路。通常LD和R是两者择一2。零序电抗器LZ均是通过检测穿过零序电流互感器的3根相线和1根N线的电流相量和是否达到漏电保护器的动作电流值来决定其是否脱扣。对于正常工作的三相四线配电系统，不论其所带负载如何，均有ia+ib+ic+iN=0，漏电保护器不动作。一旦发生接地故障时，故障相有一部分电流经故障点流入大地，此时零序电流互感器内电流相量和不等于零，即ia+ib+ic+iN0，漏电保护器动作，切断故障回路，从而保证人身安全。应用时，正常情况下，若负载是Y形接法，不论三相平衡与否，其中性点与N线相连，则穿过零序电流互感器的相线及N线电流相量和为零，即ia+ib+ic=-iN，当然没有问题。但若负载是N形接法，由于负载无中性点，则漏电保护器的N线被悬空，iN=0。此时，只有负载三相平衡，即ia+ib+ic=0，才有ia+ib+ic+iN=0，保证漏电保护器不动作。但如前所述，“负载三相平衡”是一个理论概念，不具多少实际意义。因此图2-a、b类型的漏电保护器均应用于三相四线配电系统中，而不论其负载是否平衡。对无中性点的负载，则不可使用。2.1.4 系统所采用的是日本富士电机FRENIC5000G7/P7系列变频器2.1.4.1 部分接线端子与功能介绍a. 主回路接线端子 R、S、T为主回路电源输入端，接三相电源； U、V、W变频器输出端，接三相电机；P、N直流高压输出，接制动单元的对应端，制动单元的P、DB 端接制动电阻；、接直流电抗器，在需要改善功率因数时使用；E(G)接地端子，必须与大地相连，提高变频器抗外来共模干扰能力，并防止感应电动势侵害人体。b. 控制电源 、为控制辅助电源输入端，需要后备控制电源时，将其接至电网。c. 频率改良与监视11为0V端，与内部IC的直流电源负极共电位，且频率设定的公共端13为频率设定的电源端，与内部DC+10V相连。1311间外接1K的频率设定电位器，电位器中心接12，提供频率给定。通过内部设定开关的切换，也可以用DC010V作频率给定。DC0+10V输入阻抗为22K时给出最高频率。 为频率给定的电压输入辅助端子为的输入端，输入阻抗为时给定频率为时为最高频率。使用电流输入时，AUTCM必须连接。、为外接频率计表头，改变内部开关的位置，也可输出数字信号。d. 运行控制端、为三个端子与CM的通断组成07共8种不同级别的速度选择。两端子与CM短接可组成03共四种不同的加减速时间选择。BX为BXCM短接，变频器停止输出电压，但不报警。电机处于自由停车运行状态。BXCM开路，若FWD或REV与CM处于短路状态，变频器又输出电压，使电机运行。PV为由工频电源供电切换为变频电源供电时用。THR为经外部热继电器常闭触点与CM相连。正常时THRCM接通，变频器运行。电机过载时，THRCM断开，变频器停止运行，并故障报警。RST为故障复位。e. 0C门输出RVN在起动频率以上运行时，RVN-CME接通。FAR为变频器输出频率达到设定频率范围以内时，FAR-CME接通。FDT为输出频率水平检测。0L为变频器输出电流高于设定负载植时。0L-CME接通。设定值范围为0.5%105%，不用时设定为0。LV为电压不足造成变频器停机时，LV-CME接通。0C门的输出功率为：DC27V（max），50A（max）f. 接通输出 为变频器接到运行指令后，。 30A、30B 、30C 为30A30C 常开，30A30C常闭。故障时，30A30C常闭，30B30C断开。g. 保护 为对地短路保护输入端，与对地短路检测单元的相连10。2.1.4.2 对地短路检测单元当三相电网中性点接地时，如果电动机的接线端子或输入接线裸铜或变频器本身不慎对地短路时，都将产生对地短路电流。，在电源输入端设置对地短路检测单元，检测该短路电流，使变频器保护功能动作，并停止输出电压。如果检测到短路电流，则将显示过流故障，并切断主回路接触器MC。变频器内部的控制电源通常由主回路直流高压变换后得到，可是一旦发生故障，输入侧接触器MC释放，变频器与电网脱离，变频器就失去了电源，因而内部控制电源也失电，这样原来的故障显示和报警信号也不能保持下来。为此，另外增加控制电源辅助输入端。由、输入的单相交流电压经整流后作为DC/DC变换器的后备电源。2.2 排风机系统主回路24 系统主回路2.3 变频驱动与工频驱动的切换电路如图25 为工频驱动与变频驱动的切换电路。当排风机变频调速系统投入电源后，继电器30X经cd接点（对应于变频器内故障继电器的常闭触点30B30C）吸合，其常开触点30X(分别位于接触器MC1、时间继电器、继电器OPX、继电器FX等的支路上）闭合。此时合上变频器运行准备开关，接触器MC1吸合，变频器输入端R、S、T得电，内部控制电路激活，位于继电器FX支路上的触点MC1也吸合。由于触点FX尚未闭合，变频器FWDCM未接通，故变频器输出电压和频率为零。当按运行按钮后，时间继电器及继电器OPX吸合。由于工频/变频开关位于变频位置，MC2、吸合，从而MC2X、FX也吸合。变频器输出端U、V、W与电动机三相绕组接通，继电器MC3支路上常闭触点MC2断开。与此同时，FX使变频器上电机正转控制端FWDCM接通，则变频器按电位器VR的设定值输出电压和频率，使电动机加速运行至稳定值。排风机变频调速系统要改为由工频电源驱动电动机，则须将工/变开关置于工频位置。此时继电器FX、MC2、MC2X线圈失电，而继电器、MC-3、MC-3X吸合。结果FWD-CM断开，IL-CM接通，变频器封锁了输出电压，并记忆MC-2断开瞬间变频器的输出频率（在变工运行时没有用处），变频器输出端U、V、W与电动机脱开，电动机处于自由运行状态。MC-2断开，经延时后，其常闭触点使MC-3吸合，从而MC-3X也吸合。MC-3的主触点使电动机直接与电网相连，电动机能够自由停车运行状态重新加速至工频速度并稳定运行。与此同时BX-CM接通，变频器封锁触发，停止输出电压，处于自由停车工作状态。排风机变频调速系统又要从工频改为变频驱动电机，则重新将工/变开关置于变频位置，显然T2、MC-3、MC-3X线圈都失电，而MC-2、T1马上吸合，继而FX、MC-2X也吸合。MC-2主触点使变频器输出U、V、W与电机接通，FX使FWD-CM接通，确保变频驱动后电动机仍为正转。与此同时，BXCM、ILCM都断开，经延时后，延时常开触点使PUCM断开，变频器解除封锁，并输出60HZ频率，驱动电动机。此时变频器通过检测电动机电流，降低输出频率，自动跟踪电动机转速。当输出频率接近电动机当前转速时，变频器又提高输出频率，使电动机加速至由电位器VR所整定的转速后进入稳定运行。图25 工频驱动与变频驱动的切换电路3 软件结构控制为方便调试和编程，系统采用模块化结构设计，其程序包括1个主程序模块、3个中断服务子程序模块和 1个 PID调节子程序模块。3.1 主程序框图图31 风压主程序框图3.2 程序各模块功能3.2.1 主程序模块主要用于单片机初始化和水管压力信号的采集及处理等。3.2.2 INT0中断程序模块主要用于启动定时器。当变压器次级交流电压信号 V2由负到正过零时，此信号连至 CPU 的 INT0 端，CPU 响应外部中断，执行 INT0 中断服务程序，启动 T0 计数。3.2.3 T0中断程序模块用于控制半波整流电路中晶体管的移相角 a 变化，改变电路所加直流电压大小。3.2.4 T1中断程序模块用于控制逆变电路中大功率晶体管的导通、关断时间，改变电动机交流电源的频率。3.2.5转数中断服务程序如图3-2，进入转速调节器中断服务子程序后，首先应保护现场，再进行计算实际转速，完成转速IP调节，最后启动转速检测，为下一步调节作准备。在中断返回前应恢复现场，使被中断的上级程序正确可靠的恢复运行。保护现场读入转速给定计算转速转速调节允许转速恢复现场中断返回图32转速中断服务程序框图3.2.6电流调节中断服务程序电流调节中断服务程序如图3-3，主要完成电流PI调节和PWM生成功能，然后启动A/D转换，为下一步调节准备。保护现场读入电流反馈 电流调节PWM生成启动A/D转换恢复现场中断返回图33电流中断服务程序框图3.2.6故障保护中断服务程序故障保护中断服务程序如图3-4，进入故障保护中断服务程序后，首先封锁PWM输出，再分析判断故障原因并报警，最后等待系统复位。封锁PWM输出分析 判断故障原因显示故障原因故障报警等待系统复位图34故障保护中断服务程序框图3.3初始化程序初始化程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化子程序框图如3-2所示系统初始化设定定时器.PWM数字测速工作方式设定I/O.通信接口机及显示.键盘工作方式参数及变量初始化返回图35初始化序框图3.4 软件编制过程中的两个关键问题3.4.1 T0初始值的设置已知电动机额定转速为 nN ，当供水系统在额定流量QN、额定水管压力 Pg 时，则要求供给电动机的直流电压 Ud=0.9.U2.cosa为定值。又知 U2=220V，则 a 为定值。按照我国目前使用的单相交流电源频率大小，不难推算，Vg1 离交流电源过零点的时间a/0.01,T0的初值为216 - （a/0.01）(210-6) 。当定时器 T0 溢出时，CPU经1.7发出控制信号Vg1，使 VT1 导通。 Vg1产生半个周期（即T/2=0.01s)后，产生 g2。为保证这一时间差实现，就需要对T0重新赋初值216-0.01/(210-6)。当T0再次溢出时，CPU经P1.6发出控制信号g2，使 VT2 导通。这样 VT1、VT2 轮换导通，实现半控全波整流。3.4.2 T1初始值的修改T1 初始值 X1 的设定，决定着变频电源的频率 f ，其关系可表示为（ 216 X1）（ 210-6）= 1/3f 。而变频电源的频率由水管压力与给定压力的信号差决定。单片机根据 PID 运算结果，确定 X1 =216 1+( PID运算结果 - 给定值) k/（610-6f）。这样，反复循环，直至水管压力与给定值相同。4检测及控制系统4.1 风压检测控制系统 排风机变频调速系统由排风机、风压传感器、PID调节器、变频器构成。其系统控制原理如图51。安装在排风机上的风压传感器将测得的压力信号传入PID调节器内，经PID调