卧螺离心机双电机变频器的设计.doc

卧螺离心机双电机变频器的设计摘要：为提高卧螺离心机的技术水平,提出集现代电子技术、变频技术、控制技术及通信技术为一体的卧螺离心机专用双电机变频器设计方案,该方案采取了多项措施,使生产成本明显降低,运行性能显著提高,且高效节能、操作方便。关键词：卧螺离心机;变频调速;协调控制中图分类号：TM921.51文献标识码：A文章编号：1673-6540(2009)06-0045-040 引言卧式螺旋离心机是固/液连续分离的专用设备,广泛应用于化工、轻工、医药、冶金等领域,在污水处理等工程上,卧式螺旋离心机也得到了大量应用。卧式螺旋离心机主要由螺旋和转鼓组成,螺旋和转鼓同向旋转,但转速不同,即存在转差,转鼓的转速大小、螺旋及转鼓之间的转差与固/液分离的效果有很大关系。传统的卧式螺旋离心机利用一个行星差速器解决同轴螺旋与转鼓转速差的问题,其主要缺点是转速、转速差不能调节,设备不易工作在最佳状态。近年,很多生产厂家和用户用交流变频技术对螺旋离心机进行了技术改造。本文根据卧式螺旋离心机的运行特点和工作要求,提出全面运用现代电子技术、数字控制技术和通信技术的双电机变频器,它便于控制、优化和联网,且节能高效。若将其与卧式螺旋离心机的生产配套,或改造现有卧式螺旋离心机,都能使卧式螺旋离心机的技术水平提高一个台阶。而且此装置还能用于其他类似的离心分离机,具有一定的开发、生产价值。1 卧螺离心机工作原理和控制要求传统的卧式螺旋离心机主要结构如图1所示,在机壳1内有2个同心装在主轴承上的回转部件,外面是无孔转鼓2,里面是具有螺旋叶片的输送器3。主电动机通过皮带带动转鼓旋转,转鼓通过空心轴与行星差速器4的外壳相连,差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓做同向旋转,但转速不同,其转速差一般为转鼓转速的0.2%3%。工作时,悬乳液从中心加料管连续送入机内,在离心力的作用下,重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面形成沉渣,由于螺旋叶片与转鼓的相对运动,沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端,从排渣孔甩出。澄清液从转鼓大端的溢流孔经机壳流出。调节转鼓转速、转鼓与螺旋输送器转速差、溢流挡板溢流口位置、进料速度,就可以改变卧式螺旋离心机的生产能力和分离效果(沉渣的含湿量和澄清液的含固量)。传统的卧式螺旋离心机中采用了传动比固定的行星齿轮差速器,且由转速不易调节的三相异步电动机拖动,使影响生产能力和分离效果的两大因素转鼓转速、转鼓与螺旋输送器转速差的调节性能较差,无法实现离心机运行最优化、生产自动化及效益最大化。近年有生产厂家和用户用交流变频技术对螺旋离心机进行了技术改造,其主要方法是用两变频器分别供电的电机拖动转鼓与螺旋,见图2。由于两变频器靠人工调节且不能联动,故操作不便,精度不高,但成本却较高。2 硬件结构为改进图2所示方案的不足,本设计采用一个双电机变频器实施对图2中两电动机的驱动见图3。这样不但解决了两电动机的协调控制问题,还能节约电能,同时又使软、硬件资源合理配置,降低设备和运行成本,而且操作方便,可谓一举多得。双电机变频器的硬件结构见图4。其主电路方面,采用了两个逆变器共用整流滤波电路,这不但可节省相关元器件,更重要的是可实现电能的循环再利用。在离心机对物料的分离过程中,螺旋滞后转鼓,通过物料摩擦,螺旋对转鼓起制动作用,而转鼓对螺旋起推动作用。因此,转鼓驱动电机处于电动状态,而螺旋驱动电机处于发电状态。采用此结构,可使螺旋驱动电机发出的能量经逆变器通过公用直流母线回送至转鼓驱动电机逆变器,充当驱动转鼓电机电能的一部分。此举的好处还不仅于此,若卧式螺旋离心机生产与此双变频装置配套,还可省去机械结构复杂的差速器,大大降低卧螺离心机的生产成本在控制方面,采用一个控制器解决多种控制问题,这样有助于实现协调控制,同时有利于软、硬资源的共享。由于数据处理量较大且实时性要求较高,控制器由数字信号处理器(DSP)芯片TMS320LF2407A4,、16位单片机(80C196KC)芯片和双口RAM(CY7C026)组成,见图5。单片机芯片通过数据线连接人机操作界面和通信接口,负责将人机操作界面上操作者或上位计算机的指令信息转换后存入双口RAM,供DSP运行时调用。DSP运行产生的数据也存入双口RAM,供单片机芯片在人机操作界面上显示系统运行参数状态,或将相应信息传给上位计算机调用。单片机芯片与输出接口相连,通过输出接口实施对其他无调速要求的电机(如进料泵电机、风扇电机)实施起动与停止控制。转鼓电机的电流传感器输出信号i1和转速传感器输出信号n1分别输入DSP芯片事件管理器A的模拟输入端子和正交编码脉冲输入端子。螺旋电机的电流传感器输出信号i2和转速传感器输出信号n2分别输入DSP芯片事件管理器B的模拟输入端子和正交编码脉冲输入端子。DSP芯片的两组PWM输出端通过驱动电路分别与两个逆变电路的控制端连接。在人机界面上,用两排数码显示实际运行参数(转鼓转速和转鼓螺旋转速差),由四只发光二极管指示运行方式和运行状态。操作者控制指令、设定参数,运行方式由面板的键盘输入。数码显示与键盘由单片机80C196KC管理控制,操作者的控制指令由单片机转换为数据存入双口RAM。在每个采样周期,DSP调用这些数据运行,也将更新转速、转速差和状态参数存入双口RAM,供单片机显示时调用。由于是16位单片机,数码用4位静态译码显示,并采用16位线性结构的键盘,这样编程简单,运行时占用单片机的资源较少。 3 控制原理DSP事件管理器A、转鼓逆变器、离心机的转鼓电机、转鼓、转鼓电机电流信号i1反馈、转鼓转速信号n1反馈等形成转速电流双闭环控制子系统;同理,DSP事件管理器B、螺旋逆变器、螺旋电机、螺旋、螺旋电机电流信号i2反馈、螺旋转速信号n2反馈等也形成转速电流双闭环控制子系统,如图6所示。以上两个子系统均采用闭环矢量控制变频方式控制相应电动机的转速,以确保在各种物料情况下对离心机转鼓、螺旋转速、转速差的控制均能达到较高的精度。单片机通过双口RAM向DSP设定运行方式、传递控制命令和运行参数,以协调控制电动机的运行状态。运行时,DSP根据单片机存入双口RAM的数字给定(转鼓、螺旋的给定转速值)、转鼓驱动电机的电流反馈信号i1、螺旋驱动电机的电流反馈信号i2、转鼓转速的反馈信号n1、螺旋转速的反馈信号n2,分别产生相应的PWM信号,控制转鼓逆变电路和螺旋逆变电路,以实时调节转鼓和螺旋的转速;而数字给定则由单片机根据操作者输入的工艺要求于采样时刻并在DSP调用前算出。软件结构整个装置在以双口RAM为纽带、双CPU各自独立运行的模式下工作,单片机接收外界控制指令及参数,并将其转换成命令字、方式字、命令参数、方式参数存入双口RAM,而DSP则根据双口RAM中的数据完成相应的检测和控制任务。单片机的主程序为循环显示程序,主要显示双口RAM中的一些状态参数,见图7。有键按下时则转入键盘处理程序,将操作者控制指令存入双口RAM。之后,测试双口RAM相应单元的命令字数据,若测试到为起动离心机系统命令,则起动定时器,按采样周期(100s)产生定时器中断该中断使自身进入中断服务程序。在中断服务程序中,单片机80C196KC通过DSP引脚向其发送外部中断请求信号,使DSP也同步进入中断服务程序。单片机中断服务程序主要将控制指令转换为相应数据存入双口RAM,从而实现通过DSP对两电机的协调控制,如图8所示。DSP的主程序为循环读双口RAM命令字和执行命令字的程序,见图9。电动机的控制是由DSP外部中断引脚接收单片机80C196KC在采样时刻发出的中断请求信号引起中断响应,进而执行两电机的测量控制程序来完成,如图10所示。测量中,如发现有数据异常,则调用相应的异常情况处理程序。考虑到算法稍简单以缩短运算时间,两电机的测量控制程序均为基于间接转子磁场定向矢量控制方式的数字化形式,主要有转速测量子程序,转速控制的PID运算子程序,三相电流ia、ib、ic测量子程序,计算定子电流励磁分量、转矩分量给定值i*M、i*T的子程序,计算转差角频率给定值*f、定子角频率给定值*s及转子磁通与电动机A相轴线的给定夹角*M的子程序;Park逆变换子程序5、2/3相变换子程序和SPWM控制信号形成子程序。由于两电动机采用同一种控制模式,因此所有程序均可实现共享,只是调用时参数不同而已。5结语从理论上讲,用两台变频器和一台PLC也能实现上述功能,但用PLC协调两台变频器的输出,其间控制信息与状态信息的交换只能通过它们的模拟端口或通信端子进行,技术上实现较简单,但由于信息转换的环节较多,因此无法使螺旋转速随转鼓转速的变化而快速变化,快速性差,易引发因控制滞后时间长导致的系统不稳定。而且系统