1、摘要在工業生產、產品加工制造業中，風機設備主要用于鍋爐的燃燒系統、其他設備的烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失的形式消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。為此，需要采用多項措施實現對離心風機的自動控制，以使系統的各種性能達到合理的要求。近年來，出

2、于節能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，加之采用PLC和變頻器易操作、易維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點，采用基于PLC的變頻器驅動方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。從而大大的降低生產成本，減少能量損耗和對環境的污染，為企業帶來可觀的經濟效益和社會效益。關鍵字：鍋爐，壓力，PLC，變頻器目 錄1.緒 論 12.原理及結構設計 32.1 變頻器工作原理 32.2 變頻器的結構與功能 3 3 4 52.3 輸油泵變頻調速節能原理 62.4 輸油泵變頻調速的主電路 83變頻器選擇及參數設置 93.1變頻器的控制方式 93.2控制方式的合理選用 103.3選型原則 113.4

3、PLC及壓力傳感器的選擇 123.5 MM430變頻器特性 133.6 電動機參數設置實例 144.PLC程序設計 15結 論 17參考文獻 181.緒 論在進入21世紀的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優點；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發研制之中。隨著IT技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關技術的發展迅速，未來主要朝以下幾個方面發展：1.網絡智能化智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯

4、網可以實現多臺變頻器聯動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統。2.專門化和一體化變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。3.環保無公害保護環境，制造“綠色”產品是人類的新理念。21世紀的電力拖動裝置應著重考慮：節能，變頻器能量轉換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網的污染等問題減少到最小程度。4.適應新能源現在以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來居上之勢。

5、這些發電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現在電力電子技術、微電子技術和現代控制技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。這種進步集中體現在交流調速裝置的大容量化，變頻器的高性能化和多功能化，結構的小型化一些方面。通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則

6、使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下 。針對這一系列問題，本系統將 PLC與變頻器有機地結合起來，采用以鍋爐氣壓壓力為主控參數，實現對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使離心鼓風機通風高效、安全，達到了明顯的節能效果。PLC控制系統具有對驅動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警等功能特點，為節能技術改造提供一條新途徑。2.原理及結構設計2.1 變頻器工作原理變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用GTR或IG

7、BT組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動異步電機，實現無級調速。2.2 變頻器的結構與功能1.整流電路整流電路的功能是把交流電源轉換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊.2.平波電路平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸收脈動電壓(電流，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。3.控制電路現在變頻調速器基本系用16位、32位單片機或DSP為

8、控制核心，從而實現全數字化控制。變頻器是輸出電壓和頻率可調的調速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電路，控制電路由以下電路構成:頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”。運算電路的控制信號送至“驅動電路”以及逆變器和電動機的“保護電路”。變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉拒控制、PID或其它方式4.逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關器件導通和關斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120°電角度的三相交流電壓。變頻器的控制方式1.轉差頻率控制轉差頻率控

9、制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節器，利用速度反饋構成閉環控制，速度的靜態誤差小。然而要達到自動控制系統穩態控制，還達不到良好的動態性能。2.矢量控制矢量控制，也稱磁場定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電機和交流電機比較的方法闡述了這一原理。由此開創了交流電動機和等效直流電動機的先河。矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流I

10、a、Ib、Ic。通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流 ， It1相當于直流電動機的電樞電流，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制。矢量控制方法的出現，使異步電動機變頻調速在電動機的調速領域里全方位的處于優勢地位。但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的話題。3.直接轉矩控制轉矩控制的優越性在于 ，轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除

11、定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實現無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。4.恒轉矩負載多數負載具有恒轉矩特性，但在轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，例如擠壓機，攪拌機，傳送帶，廠內運輸電車，吊車的平移機構，吊車的提升機構和提升機等。選型時可選V/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉矩控制功能的變頻器。要求控制系統具有良好的動態，靜態性能由于被控對象的千差萬別，性能指標要求的各不相同，變頻器的選擇及配置遠不如上述所列幾種。要做到熟練應用還應在工程實踐中認真探索。變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平

12、，在工程應用中根據不同的負載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達到資源的最佳配置，具有重要的意義。1.變頻節能變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。2.功率因數補償節能無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的

13、是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。3.軟啟動節能電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。2.3 鼓風機變頻調速節能原理工業鼓風機的工作要求是指在特定的工作環境中，風

14、機輸出的風量要隨著外界條件的變化，保持在設定的參數值上。這樣，既可滿足工作要求，又不使電動機空轉，而造成電能的浪費。為實現上述目標，本系統采用閉環控制的方式。工業現場的壓力由壓力傳感器檢測，變換成模擬輸入反饋信號，經A/D轉換后 1與PLC中給定值比較，再經D/A轉換變成模擬量輸出信號，控制變頻器調節風機轉速，從而達到控制工廠車間溫度的目的2。系統組成簡圖如圖1所示。 離心式鼓風機屬典型的平方率負載，理想的平方率負載的阻轉矩T與轉速N的平方成正比。 2.4 鼓風機變頻調速的主電路1）本系統的硬件電路如圖3所示，它由1臺電動機，一套壓力傳感器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構成。該系統的核心是

15、S7-200（CPU224）和MICROMASTER 430。MICROMASTER 430是泵和風機類專用變頻器，擴展功能強CPU224集成了14點輸入10點輸出，共有24點數字量I/0，其模擬量擴展模塊具有較大的適應性和靈活性，且安裝方便，滿足設計需要。（1）系統主電路圖3 系統主電路（2）系統控制電路圖4 系統控制電路2.5 主電路器件的選擇1. 斷路器(1 主要作用1 隔離作用當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。2 保護作用當變頻器輸入側發生短路等故障時，進行保護。（2）選擇原則 1） 變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流

16、的（2-3）倍；2） 變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值常可能超過額定電流；3） 變頻器允許的過載能力為150%，1min。所以，為了避免誤動作，斷路器的額定電流應選：其中為變頻器的額定電流。2. 接觸器（1）主要作用1）可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與斷電；2）變頻器發生故障時，可自動切斷電源。（2）選擇原則由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流3. 輸出接觸器變頻器的輸出端一般不裝接觸器。如由于某種需要而接入時，則因為電流中含有較強的諧波成分，故主觸點的額定電流。其中為電動機的額定電流。4. 主電路的線徑（1）電源和變頻器之間的導線一般說來，和同

17、容量普通電動機的電線選擇方法相同。考慮到其輸入側的功率因數往往較低，應本著宜大不宜小的原則來決定線徑。（2）變頻器和電機之間的導線因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例則下降。這有可能導致電動機帶不動負載并發熱。所以，在決定變頻器和電動機之間導線的線徑時，最關鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求：的計算公式是：式中：額定相電壓，V ；電動機額定電流，A ；單位長度（每米）導線的電阻，m/m ； 導線的長度，m 。由上兩式可直接求出的取值范圍。下表給出了常用電動機引出線的單位長度電阻值。標稱截面/mm21.01.52.54.

18、06.010.016.025.035.0/(m/m17.811.96.924.402.921.731.100.690.495.制動電阻準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據生產機械的具體情況進行調整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應根據制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻

19、。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。3變頻器選擇及參數設置3.1變頻器的控制方式低壓通用變頻器輸出電壓在38O65OV，輸出功率在O75400kW，工作頻率在O400Hz，它的主電路都采用交一直一交電路。其控制方式經歷以下四代。1、第一代以U/fConst，正弦脈寬調制（SPWM）控制方式。其特點是：控制電路結構簡單、成本較低，但系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆

20、變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。2、第二代以電壓空間矢量（磁通軌跡法），又稱SVPWM控制方式。它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形。以內切多邊形逼近圓的方式而進行控制的。經實踐使用后又有所改進：引人頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流成閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引人轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。3、第三代以矢量控制（磁場定向法）又稱VC控制。其實質是將交流電動機等效直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通

21、過控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。然而轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，實際效果不如理想的好。4、第四代以直接轉矩控制，又稱DTC控制。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：（1）控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式；（2）自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；（3）算出實際值對定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；（4）實現BandBand控制一一按磁鏈和轉矩的Band一Band控制產

22、生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制；（5）具有快速的轉矩響應（2ms，很高的速度精度（±2%，無PG反饋），高轉矩精度（土3%）；（6）具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出15O%200%轉矩。3.2 控制方式的合理選用控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。 表3.1 控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或PID調節器不

23、要不帶PG帶PG或編碼器速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100起動轉矩（在3Hz）150%150%150%150%零轉速時為150%零轉速時為>150%200%靜態速度精度/%±（0.20.3）±（0.20.3）±0.2±0.2±0.02±0.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調速，控制一般工業上的調速或控制所有調速或控制伺服拖動、高精傳動、轉矩控制負荷起動、起重負載轉矩控制系統，恒轉矩波動大負載*直接轉矩控制，在帶PG或編碼器后I可擴展至1:1000，靜態速度精度可達±0.01%。平

24、方降轉矩負載隨著轉速的降低，轉矩以平方的比例下降，所以低頻時的負載電流很小，即使選用普通異步電動機也不會發生過熱現象，因此一般的風機水力機械很適合由Vf控制的變頻器進行驅動。一般的Vf控制變頻器都預先設置了平方降轉矩負載用的Vf特性。由于機械種類不同飛輪轉矩有很大不同，如負載的GD2很大，必須設定很長的加速時間。當電動機以超過基頻轉速以上的速度運轉時，負載所需功率隨轉速的提高而急劇增加，極易超出電機和變頻器的容量，所以應避免這類負載超過工頻運行。3.3 選型原則通用變頻器的選擇包括類型選擇和容量選擇兩個方面。應按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩和使用環境的要求，

25、決定選用何種控制方式和防護結構的變頻器最合適。首先要根據機械對轉速(最高、最低和轉矩(起動、連續及過載的要求，確定機械要求的最大輸入功率(即電機的額定功率最小值。然后，選擇電機的極數和額定功率。電機的極數決定了同步轉速，要求電機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步轉速，但必須小于電機允許的最大轉速。轉矩取設備在起動、連續運行、過載或最高轉速等狀態下的最大轉矩。最后，根據變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數與型號。需要注意的是，變頻器的額定容量及參數是針對一定的海拔高度和環境溫度而標出的，一般指海拔100

26、0m以下，溫度在40或25以下。若使用環境超出該規定，則在確定變頻器參數、型號時要考慮到環境造成的降容因素。經對各種變頻調速系統技術經濟性能論證，選用MM430西門子的變頻調速系統應用于風機上。該變頻器為通用型變頻器，其結構圖如圖所示：圖 3.1 變頻器外部接線圖3.4 PLC及壓力傳感器的選擇鼓風機M1可變頻運行，也可工頻運行，需要2個輸出點，根據系統設計要求需要1個輸入點，則選擇西門子的S7-200系列PLC。壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現壓力測量的力-電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內硅片上的惠斯登

27、電橋的輸出電壓發生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，作為本系統的反饋信號供給PLC。3.5 MM430變頻器特性MM430變頻器為“通用型”變頻器，主要應用于三相電動機的變速驅動，也可以用于泵類、風機等節能負載。是現行西門子“通用型”主流變頻器。其功能為線性U/f控制，多點設定的U/f控制，磁通電流控制，內置PID控制器，矢量控制。功率范圍為0.12250kW。面板操作如下圖所示：圖 3.2 面板操作圖3.6 電動機參數設置實例P0010=1 (快速調

28、試P0100=0(功率單位為KW；f的缺省值為50HzP0304=380(電動機的額定電壓VP0305=200(電動機的額定電流AP0307=110（電動機的額定功率KW）P0310=50(電動機的額定頻率HzP0311=1470（電動機的額定轉速）P0700=2(變頻器命令源選擇為模入端子/數字輸入P1000=2(模擬設定值P1080=30(電動機最小頻率P1082=50(電動機最大頻率P1120=10（電動機從靜止停車加速到最大電動機頻率所需時間）P1121=10（電動機從最大頻率減速到靜止停車所需的時間）P1300=2（控制方式為拋物線V/f控制）P3900=1(結束快速調試表3.2 變頻器的參數設置參數號設置值說明P00101快速調試P01000功率單位為KW；f的缺省值為50HzP0304380電動機的額定電壓P0305200電動機的額定電流P0307110電動機的額定功率P031050電動機的額定頻率P03111470電動機的額定轉速P07002變頻器命令源選擇為模入端子/數字輸入P10002模擬設定值P108030電動機最小頻率P108250電動機最大頻率P112010電動機從靜止停車加速到最大電動機頻率所需時間P1121