变频器在风机中的应用

变频器在风机中的应用目录摘要3绪论5变频调速原理简介7整体方案的设计10系统硬件设计11软件系统设计19节能效果分析22参考文献23致谢24摘 要 随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术，自动化控制技术都得到了迅速发展，交流变频调速技术也已经进入了一个崭新的时代，其应用越来越光。而风机作为矿山企业必不可少的设备与企业的生产效率紧密相关，随着能源的日益紧缺，企业中的设备节能问题就显得尤为重要。 本次将设计一个风机节能的实例。文章中将以一个电锯车间使用11KW的吸尘风机来清理锯屑，以此风机的节能来展开讲述。车间中共有五台电锯。当电锯的开启数量不同时所要求的风量是不同的，即所要求的风机转速也是不同的。在不使用变频器控制的情况下，风机只能以最大转速运行。这就造成了电能的严重浪费。本次设计使用PLC来对电锯开启数量检测，进而结合变频器来控制风机的转速。从而达到节能的效果。关键词：PLC 变频器 风机 节能 AbstractWith Chinas rapid economic development, microelectronics, computer technology, automatic control technology have been developing rapidly, AC variable frequency technology has entered a new era, more and more of its light.The fan as essential equipment and mining enterprises to the production efficiency is closely related with the increasing shortage of energy, energy saving devices in the enterprise is particularly important issues. Will design a fan of this energy-saving examples.Article will use a chainsaw shop vacuum blower to clean up the 11KW of sawdust in order to expand about energy-saving fan.Saw a total of five workshops.When not at the same time saw the opening of the required amount of air flow is different, that is the required fan speed is also different.In the case of inverter control is not used, the fan can run at maximum speed.This has resulted in serious waste of energy.This design uses PLC to turn on the saw the number of detection, and then combined with the drive to control the fan speed.To achieve the energy saving effect.Keyword: PLC converter blower energy-saving绪论1.1 课题背景 尽管我国2007年发电机装机容量已达到7.1329亿KWh，发电量是32086.86亿KWh，但由于我国国民经济连续20多年的高速发展，供电情况仍然非常紧张，不少地区仍要拉闸限电。32086.86亿KWh发电量中水电只占4343.25KWh（13.54%），核电621.3KWh（1.94%），而占27012.56亿 KWh（84.19）仍然是热电。燃烧的煤向大气中排放CO2 SO2 NOX ，造成温室效应和酸雨，影响我们生存的环境。 况且我国是化石能源储量较少的国家，煤的储量占世界第3位，石油和天然气只占世界第10位。因此节能能源是基本国策。据统计，全国发电量的60%通过电机转换能量。在十一五规划中，把电机系统节能放到了重要的位置。电机系统节能主要表现在二个方面：一是节能电机，如永磁同步电机。二是电机调速节电。变频调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单、便于通信等优点。 近几年来我国国民经济持续高速发展，但能源不足成了影响发展的瓶颈。在新闻媒体上不止一次看到这样的信息“我国单位产出能源大大高于发达国家和世界平均水平。据计算，2003年我国单位国内生产总值的能源消耗比世界平均水平高2.2倍，比美国高2.3倍，比欧盟高4.5倍，比日本高8倍，比印度还高0.3。”从这组数据不难看出一个问题，我国能源利用率太低，低到了严重制约国民经济发展的严重地步。作为一个即将毕业的大学本科生，要为国家做出自己的贡献。因此本文将以实例来讲述用变频器多段速功能结合PLC实现风机节能调速。1.2 变频器控制风机的意义。 变频器可以从四个方面节电。第一，软启动。一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7倍。变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。第二，节省设计冗余。一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的冗余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。第三，是调速节电。按流体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小。这是变频调速的主要节电原理。第四，系统功率因数高。一般在0.95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。1.3 当前控制风机所面临的问题 本次设计将以五台设备共用一台主电机为11KW的吸尘风机为例。风机用来吸收电锯工作时产生的锯屑。不同设备对风量的需求区别不是很大，但设备运转时电锯并非一直工作，而是根据不同的工序投入运行。1.3.1电能的严重浪费不同设备一般对风量的需求有所区别，并且并非五台设备同时工作，而是根据不同的工序投入运行。而一般情况下风机都以最大功率运行，因此造成能源浪费，增加了生产成本。1.3.2启动困难，机械损伤严重风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。1.3.3自动化程度低风机依靠人工调节挡板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对正常生产造成严重影响。为了设备的安全生产和降低生产成本，提升整体的自动化水平，对风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。下面将讨论解决以上这些问题。变频调速原理简介2.1 变频器工作原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.2 变频器调速原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n60 f(1s)/p (1)式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率； p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2.3 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。 2.3.1正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.3.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 2.3.3矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 2.3.4直接转矩控制（DTC）方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 2.3.5矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩。整体方案的设计3.1控制要求 本次设计以五台设备共用一台11KW的吸尘风机为例为。由于五台电锯并非同时工作，所以不同情况下要求的风量是不同的，当一台电锯运行和五台电锯同时工作时所需的风量相差很大，而在没有变频器的情况下，风机只能以最大转速运行。所以在对风量需求不大的情况下是对能源的一种浪费，本次设计方案要求，用PLC对电锯运行台数进行计算，在电锯开启台数不多的情况下对变频器的输出频率进行控制，进而控制了风机的转速，对风量的大小进行调整。32控制方案 用PLC接收各台电锯工作的信息并判断投入工作的电锯台数，根据判断的结果，相应的输出点动作来控制变频器的多段速端子，实现多段速控制。从而进行自动控制风量。根据投入运行的电锯台数实行五个段速的速度控制。速度设定方案如下表1。运行电锯台数（台）对应变频器输出频率（Hz）备注125具体设定频率根据现场修改233340445550 表1 运行电锯台数和需求频率对应表系统硬件设计4.1主要硬件的选型4.1.1变频器的选型 由于本次设计中所用的风机为三相380V 11KW，因此将选用HLP-A系列HLPA001143B变频器进行讨论与说明。此变频器的特点如下：1. 以大规模电机控制IC+IGBT为核心，具有多种保护功能，整机可靠性高。2. 对进线电压适应性强，波动可达20%特别适用于电网质量较差的国家和地区。3. 软件功能强大，内置有多种控制方式，广泛应用于各种工业场合的控制要求。4. 内置PID调节器，可方便地构成闭环控制系统。5. 内置简易PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等多种功能。6. 高输出扭矩，1Hz时可达150%，频率解析度高达0.01Hz。7. 过载能力强，150%（1分钟），200%（2ms）。8. 具有良好的通讯制界面，极易组成集中控制系统。4.1.2此变频器的规格如下：型号HLPA001143B控制方式SPWM输入电压三相380V 50Hz功率（KW）11驱动器容量（KVA）19输出电流（A）24适用电机（KW）11输出解析度0.01Hz范围0.10400.00Hz4.1.3 PLC的选型 根据设计要求，设备中的PLC要求7输入/4输出，因此本次设计将选用欧姆龙CPM1A系列进行讨论。其特点如下：1.小巧紧凑的结构 2.简便可靠的安装 3.丰富的指令集4.灵活的系统配置 5.强大的模拟量处理能力6.丰富的模块种类 7.高性能的运动控制 8.优秀的控制功能 9.独特的掉电保护 10.实用的离线仿真 11.标准的编程语言 12.较强的通信功能CPM1A系列PLC的技术规格：I/O数目12/8可连接扩展模块2电源电压220V输出电压24V输入电压24V通讯接口HOST Link输出类型继电器4.2 其它硬件的选型 主电路中估算电流为20A，电压为380V，功率为11KW。由于对线路 安全性的考虑，以下说明主电路各个部件的选择和规格。4.2.1断路器的选择综合上表我们本次设计选择断路器型号：C65 ND25/3PVE。4.2.2 熔断器的选择4.2.2.1 熔断器类型的选择熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流的大小来选择。对于保护照明和电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，熔体的熔化系数适当小些。对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力来选择。当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至用具有限流作用的熔断器。此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。4.2.2.2熔体与熔断器额定电流的确定熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于有冲击电流的电动机负载，为达到短路保护的目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应电动机其熔断器的额定电流为：INP=（1.52.5）INM。由于估算电流为20A，系数选取2.0。则INP=2.0*20A=40A。因此选择德力西RL1系列螺旋式熔断器，型号：RL1-40。4.2.3热过载继电器的选择对于热过载继电器的选择，要求电压与电流相匹配。所以选择德力西JR36系列热过载继电器型号为JR36-20。4.2.4导线选择的原则如下表：电流范围(A)导线标准截面积(mm2)0i81.88i121.512i202.520i254.025i326.0结合上表选择截面积为4.0的导线为主电路导线。4.3主电路图4.4电路各部分的说明4.4.1PLC的作用本次设计中PLC的主要作用是采集电锯开关信号、计算以及控制变频器的输出频率。电锯投入运行信号的采集。 用电锯工作时控制接触器的一对常开辅助触点控制一个中间继电器，中间继电器要选用最少有俩对常开触点的。用其中一对接入PLC的一个输入点，另一对控制一个气阀，气阀再带动气缸，用气缸启闭设备上的风口。这样就实现了PLC对投入电锯信号的接收，也实现了风口的自动启闭，简单实用。4.4.2变频器的作用根据多段速控制的需要和风机运行的特点主要设定的参数如下表。功能代码编号设定值意义备注011变频器操作方法2025第一段速具体频率大小根据现场调试2133第二段速2240第三段速2345第四段速2450第五段速320000X1至X5端子功能定义751节能运行4.5 PLC结合变频器的具体实施变频器进行多段速控制的端子为X1,X2,X3。通过这三个端子组合最多可以实现七段速度运行。进行五段速控制时端子组合如下表。速度段12345接通端子X1X2X1、X2X3X1、X34.6各主要硬件的日常维护。4.6.1PLC的日常维护1、 锂电池寿命约五年，需更换。2、 输出接点电流较大或ON/OFF频繁都要注意接点寿命，检查更换。3、 PLC使用于振动机械上时要注意端子的松动现象。4、 注意PLC的外围温度（055）湿度（3585%不结露）及粉尘。5、 更换电池的方法：切电源、取下盖板、拔下旧电池、30秒内换上新电池、固定好新电池并盖上盖板。4.6.2变频器的日常维护1、 良好接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地，应单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/O接口屏蔽层与控制板的控制地相连。2、 给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等，可以有效抑制传导干扰。另外，在辐射干扰严重的场合，如周围存在GSM、或者小灵通基站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。3、 给变频器输入端加装电磁干扰（EMI）滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减小谐波污染。在某些电机与变频器之间距离超过100米的场合，需要在变频器侧添加交流输出电抗器，解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。一个行之有效的方法是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。值得注意的是，在不添加交流输出电抗器时，如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，增大了输出对地的分布电容，容易出现过流。当然，在实际应用中一般采取其中的一种或者几种方法。4、 对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中，建议尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大于1米、跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端接地。如果干扰仍就严重，需要实现DC/DC隔离措施，可以采用标准的DC/DC模块，或者采用对V/f转换光隔离，再采用频率设定输入的方法。4.6.3风机的日常维护定期的维护保养可以让设备保持最佳期的状态，并延长风机的使用寿命。定期检修维护工作的主要内容有：风机联接件之间的螺栓力矩检查（包括电气连接），各传动部件之间的润滑和各项功能测试。风机在正常运行中时，各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动，为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切，我们必须定期对其进行螺栓力矩检查。在环境温度低于-5时，应使其力矩下降到额定力矩的80%进行紧固，并在温度高于-5后进行复查。我们一般对螺栓的紧固检查都安排在无风或风小的夏季，以避开风机的高出力季节。风机的润滑系统主要有稀油润滑（矿物油润滑）和干油润滑（润滑脂润滑）两种方法。风机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方式，其维护方法是补加和采样化验，若化验结果表明该润滑油已无法再使用，则进行更换。干油润滑部件有发电机轴承，偏航轴承，偏航齿等。这些部件由于进行温度较高，极易变质，导致轴承磨损，定期维护时，必须每次都对其进行补加。另外，发电机轴承的补加剂量一定要按要求的量加入，不可过多，防止太多后挤入电机绕组，使电机烧坏。定期维护的功能测试主要有过速测试，紧急停机测试，液压系统各元件定值测试，振动开关测试，扭缆开关测试。还可以对控制器的极限定值进行一些常规测试。定期维护除以上三大项外，还要检查液压油位，各传感器有无损坏，传感器的电源是否可靠工作，闸片及闸盘的磨损情况等方面。软件系统设计5.1程序流程图5.2 PLC端子的定义输入输出00000电锯一工作信号01001变频器端子X100001电锯二工作信号01002变频器端子X200002电锯三工作信号01003变频器端子X300003电锯四工作信号01000变频器正传信号00004电锯五工作信号00006启动按钮00007停止按钮5.3 程序段节能效果分析6.1 实测能耗 当变频器在50Hz和40Hz运行时输出侧实测数据：40Hz时电流为12.2A，电压250V；50Hz时电流为15.8A，电压为370V。则：P1=1.73225012.2=5.28KWP2=1.73237015.8=10.13KWP1/P2=52.1%由于此系统中电机总功率比较小，因此变频器的能耗占的比重较大，尽管实测值与理论值有一定的差距，但改造后每个小时能耗仍可节约4.85KW。6.2 节能效果计算改造前每年消耗的电能（按每天工作22小时，每年工作250天计算）W1=10.1322250=55715KWh改造后每年消耗的电能W2=5.2822250KWh=29040则每年节约电能为W=W1-W2=26675KWh如果以每度电0.5元计算，则每年节约电费13337.5元。可见节能效果和经济效益相当可观。参考文献【1】 陈长亮 基于PLC与FPC变频调速系统的研究 武汉理工大学【2】 方贵笋 变频器应用教程 兰州理工大学【3】 孙政顺，曹京生PLC技术 高等教育出版社【4】 变频器常用实例【5】 宫淑贞、徐世许可编程控制器原理及应用 人民邮电出版社【6】 狄健雄自动化类专业毕业设计指南 东南大学出版社【7】 王涛、王爱国PLC教程-原理应用设计实验 【8】 廖常初 PLC编程及应用致谢本次设计的顺利完成离不开各位老师，同学的关心和帮助。在此，首先感谢指导老师，隋老师对研究课题的支持和对文章孜孜不倦的批阅、指导。与他讨论中得到许多启发，受益良多，在此提出特别感谢。还要感谢各位老师四年来对我的培养，你们严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的高尚风范，平易近人的人格魅力对我影响深远，受用一生。本文的撰写过程中参考了大量相关的书籍、网站。在此向给我提供参考文献的老师、同学、朋友、网站等深表感谢。还要感谢一直以来默默支持我的父母、家人、兄弟和朋友！由于本人水平有限，文中的不足之处，恳请广大读者不吝指正。10/30 17:12 C620轴拨杆的工艺规程及钻2-16孔的钻床夹具设计09/21 13:39 CA6140车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计83100308/30 15:37 CPU风扇后盖的注塑模具设计09/20 16:19 GDC956160工业对辊成型机设计08/30 15:45 LS型螺旋输送机的设计10/07 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