变频器控制风机

1、云南国防工业职业技术学院成人函授（本、专科）毕业调查报告题目：变频器在风机中的应用学生姓名：王保罗年级专业：09 级机电一体化学号：办学单位名称：云南国防工业职业技术学院审阅教师姓名成绩评定：时间：年月时间：年月目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 摘要 3 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 绪论 5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 变频调速原理简介 7 HYPERLINK l bookmark26 o Current

2、 Document 整体方案的设计 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 系统硬件设计 11 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 软件系统设计 19 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 节能效果分析 22 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 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

3、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

4、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 product

5、ion 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

6、 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 w

7、aste 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

8、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 CO SO NO ，造 22X 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

9、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

10、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。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

11、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

12、大 功率运行，因此造成能源浪费，增加了生产成本。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。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。变频调速原理简介变 频器工作原理变频器是利用电力半导

13、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。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：n= 60 f（l s）/p 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

14、极对数。由式可知，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。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一直一交电路。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

15、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。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

16、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Iml、Itl （Iml相当于直流电动机的励磁电流；Itl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

17、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

18、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。

19、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1,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 Band Ban

20、d 控 制按磁 链和转 矩 的 Band Band 控制产 生 PWM 信 号， 对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交一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150 %200 % 转矩。整体方案的设计控 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

21、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。3 2 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

22、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 表系统硬件设计主 要硬 件的选型变频 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：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。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。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。内置PID调节器，可方便地构成闭环控制系统。内置简易PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等

23、多 种功能。高输出扭矩，1Hz时可达150%,频率解析度高达0.01Hz。过载能力强，150% （1分钟），200% （2ms）。具有良好的通讯制界面，极易组成集中控制系统。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0.10400.00HzPLC 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：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.

24、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。断路 器的选择.I1 .III:.I1 .III:综合上表我们本次设计选择断路器型号：C65 ND25/3PVE 。熔 断器的 选择4.2

25、.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

26、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：I = (1.52.5 ) I。由于估算电流为N PN M20A，系数选取2.0。则I =2.0*20A=40A 。因此选择德力西RL1 NP系 列螺旋式熔 断 器 ， 型号： RL1-40 。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 。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

27、择截面积为 4.0 的导线为主电路导线。4.3 主 电路 图电 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

28、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2133第二段速具体频率大2240第三段速小根据现场2345第四段速调试2450第五段速320000X1至X5端子功能定义751节能运行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。4.6.1 PLC 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

29、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 C ）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

30、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

31、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

32、 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。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-5C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-5C后进行复查。我们一

33、 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

34、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。软件系统设计程 序流 程图PLC 端子的定义输入输出00000电锯工作信号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B9&9TOOD3-H00QI卄LID 0Ki 0TZH-33 0eo owo绑5-nIIID9C00 CC7SBEcnai-oro of-o-OOT一耶rMDot-TrDH.un-ITOHl:lDHo卑ADHo T - -u In-oon-ft.n-r-Icc3C,m_L -sf-l观oTraoiuDC羽.口DIuEID n