碱赤泥浆流量控制系统中的变频调速系统设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 交流调速交流调速 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：碱赤泥浆流量控制过程中的变频调速系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化081081 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 于振东于振东 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目碱赤泥浆流量控制过程中的变频调速系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：课题完成的功能：在氧化铝生料浆配料过程中，需要将碱赤泥浆原料从化碱池中输送到碱赤泥浆槽中。输送设备采用泵，泵的驱动设备为交流电动机。通过控制电

2、动机的转速来控制碱赤泥浆的流量，设计该控制过程中的变频调速系统。设计任务及要求：设计任务及要求：1、设计控制系统的结构原理图； 2、选择合适的仪表、执行机构、控制系统；3、给出变频器参数设置的步骤； 4、给出控制器的算法；5、设计出控制系统监控画面的草图；技术参数：技术参数：1、化碱池与碱赤泥浆槽的高度差为 10 米，化碱池与碱赤泥浆槽的地面距离为 25 米，碱赤泥浆最大流量为 200t/h。流量控制系统的稳态误差要求为 5%以内。2、碱赤泥浆流量的范围为 0-200 t/h；3、交流电动机的额定功率35Kw，额定电压380V，额定电流15A，额定转速1450rpm。4、速度控制系统的精度在2

3、%以内。进度计划1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2 天） ；2、设计系统的结构原理图（1 天） ；3、仪表、控制系统等设备的选型（1 天） ；4、控制方案设计及实现（4 天） ；5、撰写课设论文（1.5天） ；6、设计结果考核（0.5天） ；指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要交流变频器自 20 世纪 60 年代左右问世，到 20 世纪 80 年代在主要工业化国家已广泛使用，并逐渐成

4、为企业技术改造于产品更新换代的理想调速装置。变频调速能够运用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的位置变化和变速运行。变频调速可以大大地提高工艺的高效性（变速不依赖于机械部分）和产品的质量，同时可以比原来的定速运行电机更加节能在氧化铝生料浆配料过程中，需要将碱赤泥浆原料从化碱池中输送到碱赤泥浆槽中。输送设备采用泵，泵的驱动设备为交流电动机。通过控制电动机的转速来控制碱赤泥浆的流量，设计该控制过程中的变频调速系统。本次采用三菱变频器。关键词：关键词：变频调速、定速运行、变频器。目录第 1 章 绪论 .1.第 2 章 课程设计的原理 .2.2.1 变频调速

5、原理 .2第 3 章 变频器的应用 .43.1 变频器的选择 .43.2 变频器的参数设置 .4第 4 章 变频器的连线 .124.1 变频器与主电路接线 .124.2 变频器于 PLC 的连线 .12第 5 章 控制系统监控画面的草图 .16第 6 章 课程设计总结 .17第 7 章 参考文献 .18 第 1 章 绪论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，能实现对交流异步电动机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流过压过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有汇川、欧瑞、三晶、蓝海华腾。变频器的主电路大体可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为

6、交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。任何电动机的电磁转矩是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。由公式 E=4.44*K*K*K* 可以看出，在变频调速时，电动机的磁路随着运行频率 fX 是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。 因此，频率与电压要成比例的改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使风机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵

7、类节能型变频器。采用变频器的运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在 150%额定电流以下（根据机种不同，为 125%200%） 。用工频电源直接起动时，起动电流为额定的 67 倍，因此，将产生电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑的启动（启动时间变长） 。起动电流为额定电流的 1.21.5 倍，起动转矩为70%120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为 100%以上，可以带全负载启动。通常情况下时是不可以的。在 60%以上（也有 50Hz 以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。第 2 章 课程设计的原

8、理2.1 变频调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频可以调速这个概念，可以说是交流电动机“与生俱来”的。同步电动机不消说，即使是异步电动机，其转速也是取决于同步转速(即旋转磁场的转速)的： （2.11）)1 (0snn式中： 电动机的转速，m/minn电动机的同步转速，r/min0n电动机的转差率 s=(n1-n/)=n/ n1s而同步转速则主要取决于频率（2.12）式中：输入频率，Hzf电动机的磁极对数p由式（2.11）与式（2.12）可知变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 ：（2.13）由上式可知，在电动机磁极对数不变

9、的情况下， 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由 （2.14）22COSIKTMTM（式中 ：电磁转矩，：主磁通，：转子电流，:转子回MTM2I2COS路功率因素，：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁TK转矩的减小。由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动

10、机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。 第 3 章 变频器的应用3.1 变频器的选择 已知交流电动机的额定功率35Kw，额定电压380V，额定电流15A，额定转速1450rpm。因为在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的3 次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。在选择变频器时因

11、注意以下几点注意事项：选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。由于本次题目为碱赤泥浆流量控制系统中的变频调速系统设计，所以是风机、泵类负载，风机水泵专用型变频器，顾名思义，就是专门为各类风机、泵类负载量身定制的专用型变频器。它是由研发人员在充分了解风机、泵类等负载的特性：额定扭矩比较小、

12、电流小、需要 PID 控制等特性后，为其量身定制的一种新型的专用型变频器。风机水泵专用型变频器主要应用于：中央空调、城市废水处理系统、城市供水系统、工厂的鼓风及排风系统中的各类风机、泵类负载上。风机水泵专用型变频器最大的特点：就在满足客户基本需求的基础上，帮助客户实现全自动控制，并且能够最大限度的挖掘风机泵类的节能潜力，实现环保与节能的双赢！3.2 变频器的参数设置变频器的参数设定在调试过程中是十分重要的。由于参数设定不当，不能满足生产的需要，导致起动、制动的失败，或工作时常跳闸，严重时会烧毁功率模块 IGBT 或整流桥等器件。变频器的品种不同，参数量亦不同。一般单一功能控制的变频器约 506

13、0 个参数值，多功能控制的变频器有 200 个以上的参数。外部端子操作、模拟量操作、基底频率、最高频率、上限频率、下限频率、启动时间、制动时间(及方式)、热电子保护、过流保护、载波频率、失速保护和过压保护等是必须要调正的。变频器的设定参数较多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象，因此，必须对相关的参数进行正确的设定。1、控制方式：即速度控制、转距控制、 PID 控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度进行静态或动态辨识。2、基底频率设定基底频率标准是 50Hz 时 380V，即 V/F=380/50=7.6。但因重载负荷(如挤出

14、机，洗衣机，甩干机，混炼机，搅拌机，脱水机等)往往起动不了，而调其他参数往往无济于事，那么调基底频率是个有效的方法。即将 50Hz 设定值下降，可减小到 30Hz 或以下。这时，V/F7.6，即在同频率下尤其低频段时输出电压增高(即转矩U2)。故一般重载负荷都能较好的起动。3、最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。4、最高运行频率：一般的变频器最大频率到 60Hz ，有的甚至到 400 Hz ，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速

15、运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。5、载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。6、电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。7、跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。8、加减速时间：加速时间就是输出频率从 0 上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到 0 所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以

16、防止过电压。加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。9、转矩提升又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围 f/V 增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，

17、根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。10、电子热过载保护本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内 CPU 根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于 “ 一拖一 ” 场合，而在 “ 一拖多 ” 时，则应在各台电动机上加装热继电器。电子热保护设定值 (%)= 电动机额定电流 (A)/ 变频器额定输出电流 (A)100% 。11、频率限制：即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出

18、故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。12、制动时过电压处理制动时过电压是由于制动时间短，制动电阻值过小所引起的，通过适当增长时间，增加电阻值就可避免。13、制动方法的选择(1)能耗制动。使用一般制动，能量消耗在电阻上，以发热形式损耗。在较低频率时，制动力矩过小，要产生爬行现象。(2)直流制动。适用精确停车或停位，无爬行现象，可与能耗制动联合使用，一般2

19、0Hz 时用直流制动，20Hz 时用能耗制动。(3)回馈制动。适用100kW，调速比 D10，高低速交替或正反转交替，周期时间亦短，这种情况下，适用回馈制动，回馈能量可达 20的电动机功率。更具体详情分析以及参数选取。14、偏置频率15、现场调试常见的几个问题处理起动时间设定原则是宜短不宜长，具体值见下述。过电流整定值 OC 过小，适当增大，可加至最大 150。经验值 1.52s/kW，小功率取大些；大于 30kW，取2s/kW。按下起动键*RUN，电动机堵转。说明负载转矩过大，起动力矩太小(设法提高)。这时要立即按 STOP 停车，否则时间一长，电动机要烧毁的。因电机不转是堵转状态，反电热

20、E=0，这时，交流阻抗值 Z=0，只有直流电阻很小，那么，电流很大是很危险的，就要跳闸 OC 动作。制动时间设定原则是宜长不宜短，易产生过压跳闸 OE。具体值见表 1 的减速时间。对水泵风机以自由制动为宜，实行快速强力制动易产生严重“水锤”效应。起动频率设定对加速起动有利，尤以轻载时更适用，对重载负荷起动频率值大，造成起动电流加大，在低频段更易跳过电流 OC，一般起动频率从 0 开始合适。起动转矩设定对加速起动有利，尤以轻载时更适用，对重载负荷起动转矩值大，造成起动电流加大，在低频段更易跳过电流 OC，一般起动转矩从 0 开始合适。16、空载(或轻载)跳 OC按理在空载(或轻载)时，电流是不大

21、的，不应跳 OC，但实际发生过这样的现象，原因往往是补偿电压过高，起动转矩过大，使励磁饱和严重，致使励磁电流畸变严重，造成尖峰电流过大而跳闸 OC，适当减小或恢复出厂值或置于 0 位。起动时在低频20Hz 时跳 OC原因是由于过补偿，起动转矩大，起动时间短，保护值过小(包括过流值及失速过流值)，减小基底频率就可。17、起动困难，起动不了一般的设备，转动惯量 GD2 过大，阻转矩过大，又重载起动，大型风机、水泵等常发生类似情况，解决方法：减小基底频率；适当提高起始频率；适当提高起动转矩；减小载波频率值 2.54kHz，增大有效转矩值；减小起动时间；提高保护值；使负载由带载起动转化为空载或轻载，即

22、对风机可关小进口阀门。18、使用变频器后电动机温升提高，振动加大，噪声增高我公司载波频率设定值是 2.5kHz，比通常的都低，目的是从使用安全着眼，但较普遍反映存在上述三点问题，通过增高载波频率值后，问题就解决了。送电后按起动键 RUN 后没反应(1)面板频率没设置；(2)电动机不动，出现这种情况要立即按“停止 STOP”并检查下列各条：再次确认线路的正确性；再次确认所确定的代码(尤其对与起动有关的部分)；运行方式设定对否；测量输入电压，R，S，T 三相电压；测量直流 PN 电压值；测量开关电源各组电压值；检查驱动电路插件接触情况；检查面板电路插件接触情况；全面检查后方可再次通电。l -101

23、0V。-10V10V 的电压时，在 6000 分辨率时被转换为 F4480BB8Hex(-30003000)；12000 分辨率时被转换为 E8901770Hex(-60006000)。l 010V。010V 的电压时，在 12000 分辨率时被转换为 01770Hex(06000)；12000 分辨率时被转换为 02EE0Hex(012000)。l 020mA。020mA 的电流时，在 6000 分辨率时被转换为 01770Hex(06000)；12000 分辨率时被转换为 02EE0Hex(012000)。l 420mA。420mA 的电流时，在 6000 分辨率时被转换为 01770He

24、x(06000)；12000 分辨率时被转换为 02EE0Hex(012000)。以上仅做简单的介绍，不同的 PLC 有不同的分辨率，并且您所测量物理量实现的量程不一样。计算结果可能有一定的差异。19、注：模拟输入的配线的要求l 使用屏蔽双绞线，但不连接屏蔽层。l 当一个输入不使用的时候，将 V IN 和 COM 端子短接。模拟信号线与电源线隔离 (AC 电源线，高压线等)。l 当电源线上有干扰时，在输入部分和电源单元之间安装一个虑波器。确认正确的接线后，首先给 CPU 单元上电，然后再给负载上电。l 断电时先切断负载的电源，然后再切断 CPU 的电源。本次对变频器的数的设定如下1转矩提升（P

25、r.0）设定为 2%。 2上限频率（Pr.1）设定范围是 0-120Hz，本次设为 60HZ。3下限频率（Pr.2）设定范围是 0-120Hz，本次设为 0HZ 4基准频率（Pr.3）选为电机的额定频率。5加速时间（Pr.7）设为 15s，7.5K 以下时选 5s，11K 以上时选 15S 6减速时间（Pr.8）设为 30s，7.5K 以下时选 10s，11K 以上时选 30S7电子过电流保护（Pr.9）设定为 65A。8适用负荷选择（Pr.14）设定值为 1，因为是低减转矩负荷用（风机、水泵）。9最高上限频率（Pr18）设定为 120Hz。10基准频率电压（Pr.19）设定为 380V 与电

26、源电压相同。11失速防止（Pr.22）设定为 130%（出场设定值为 120%）。 12 扩张功能显示选择（Pr.30）设定为 1 有显示。13. 5V（10V）输入时的频率（Pr.38）设定为 50Hz。14. 启动时接地检测选择（Pr.40）设定为 1，接地保护检测。15. 输出频率检测（Pr.42）设定为 100Hz。16. 旋钮功能选择（Pr.53）设定值为 1，设定用旋钮音量调节模式。17 监视标准（Pr.55）设定值为 150Hz.18. 再启动启动时间(Pr.58)设定值为 10s。19. 适用电机（Pr.71）设定为 0（适合标准电机的热特性）。20. 5V/10V 选择（Pr

27、.73）设定值为 1.第 4 章 变频器的连线4.1 变频器与主电路接线 变频器输入（R、S、T）输出（U、V、W）绝对不能接错如下图 4-1 所示 图 4-14.2 变频器于 PLC 的连线PLC 与变频器的链接可以通过 3 种方式： （1） 、PLC 的数字量输出与变频器的数字量输入连接，这样通过 PLC可以进行多段数以及起停的控制。 （2） 、PLC 的模拟量输出与变频器的模拟量输入连接，这样可以进行无级调速。 （3） 、PLC 与变频器进行通讯控制，但是要求数值信号的输入数值信号的输入 变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为模拟输入和模拟输出两种。模拟输入则通

28、过接线端子由外部给定，通常通过010V/5V的电压信号或0/420的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。 当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为010V，而PLC的输出电压信号范围为05V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为010V而变频器的输入电压信号范围为05V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需要用并、串联的方式接入电阻电阻，以次来限制电流或分去部分电压，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将控制电路和主电路分开，控制电路最好采用屏蔽线，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。电压输入用 DC5V（DC10V）在频率设定输入端子 2-5 之间输入频率设定输入信号。端子 2-5 之间输入 5V（10V）时输出频率为最大。电源是使用变频器的内置电源，还是使用外部电源。使用内部电源时端子10-5 间输出 DC5V。用 DC5V 运行时，把 Pr.73 设定为“0