工业锅炉鼓风机变频器调速系统.docx
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工业锅炉鼓风机变频器调速系统
摘要
在工业生产、产品加工制造业中，风机设备主要用于锅炉的燃烧系统、其他设备的烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。
而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。
这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失的形式消耗掉了。
在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。
从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
为此，需要采用多项措施实现对离心风机的自动控制，以使系统的各种性能达到合理的要求。
近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用PLC和变频器易操作、易维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，采用基于PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
从而大大的降低生产成本，减少能量损耗和对环境的污染，为企业带来可观的经济效益和社会效益。
关键字：
锅炉，压力，PLC，变频器
目录
1.绪论1
2.原理及结构设计3
2.1变频器工作原理3
2.2变频器的结构与功能3
2.2.1变频器的结构3
2.2.2变频器的控制方式4
2.2.3变频器的功能5
2.3输油泵变频调速节能原理6
2.4输油泵变频调速的主电路8
3变频器选择及参数设置9
3.1变频器的控制方式9
3.2控制方式的合理选用10
3.3选型原则11
3.4PLC及压力传感器的选择12
3.5MM430变频器特性13
3.6电动机参数设置实例14
4.PLC程序设计15
结论17
参考文献18
1.绪论
在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。
随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展：
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。
利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一体化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。
除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。
21世纪的电力拖动装置应着重考虑：
节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。
这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。
现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。
这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。
而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。
这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。
在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。
从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
针对这一系列问题，本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以锅炉气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使离心鼓风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。
PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警等功能特点，为节能技术改造提供一条新途径。
2.原理及结构设计
2.1变频器工作原理
变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。
2.2变频器的结构与功能
2.2.1变频器的结构
变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。
变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。
因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。
一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
1.整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。
整流电路一般都是单独的一块整流模块.
2.平波电路
平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。
3.控制电路
现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。
变频器是输出电压和频率可调的调速装置。
提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:
频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。
运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”。
变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式
4.逆变电路
逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。
从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。
2.2.2变频器的控制方式
1.转差频率控制
转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。
转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。
与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。
另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。
然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。
2.矢量控制
矢量控制，也称磁场定向控制。
它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。
由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。
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交流电流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Ia1、Ib1，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相当于直流电动机的电枢电流），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。
矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。
但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。
3.直接转矩控制
转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。
4.恒转矩负载
多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。
选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。
要求控制系统具有良好的动态，静态性能
由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。
要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。
变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。
2.2.3变频器的功能
1.变频节能
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。
当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。
当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
2.功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3.软启动节能
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。
而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
节省了设备的维护费用。
2.3鼓风机变频调速节能原理
工业鼓风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量要随着外界条件的变化，保持在设定的参数值上。
这样，既可满足工作要求，又不使电动机空转，而造成电能的浪费。
为实现上述目标，本系统采用闭环控制的方式。
工业现场的压力由压力传感器检测，变换成模拟输入反馈信号，经A/D转换后1与PLC中给定值比较，再经D/A转换变成模拟量输出信号，控制变频器调节风机转速，从而达到控制工厂车间温度的目的[2]。
系统组成简图如图1所示。
离心式鼓风机属典型的平方率负载，理想的平方率负载的阻转矩T与转速N的平方成正比。
2.4鼓风机变频调速的主电路
1）本系统的硬件电路如图3所示，它由1台电动机，一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。
该系统的核心是S7-200（CPU224）和MICROMASTER430。
MICROMASTER430是泵和风机类专用变频器，扩展功能强．CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。
（1）系统主电路
图3系统主电路
（2）系统控制电路
图4系统控制电路
2.5主电路器件的选择
1.断路器
（1）主要作用
1）隔离作用
当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。
2）保护作用
当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。
（2）选择原则
1）变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；
2）变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；
3）变频器允许的过载能力为150%，1min。
所以，为了避免误动作，断路器的额定电流
应选：
其中
为变频器的额定电流。
2.接触器
（1）主要作用
1）可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电；
2）变频器发生故障时，可自动切断电源。
（2）选择原则
由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流
3.输出接触器
变频器的输出端一般不装接触器。
如由于某种需要而接入时，则因为电流中含有较强的谐波成分，故主触点的额定电流
。
其中
为电动机的额定电流。
4.主电路的线径
（1）电源和变频器之间的导线
一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同。
考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来决定线径。
（2）变频器和电机之间的导线
因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降
在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。
这有可能导致电动机带不动负载并发热。
所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降
的影响。
一般要求：
的计算公式是：
式中：
——额定相电压，V；
——电动机额定电流，A；
——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m；
——导线的长度，m。
由上两式可直接求出
的取值范围。
下表给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。
标称截
面/mm2
1.0
1.5
2.5
4.0
6.0
10.0
16.0
25.0
35.0
/（mΩ/m）
17.8
11.9
6.92
4.40
2.92
1.73
1.10
0.69
0.49
5.制动电阻
准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。
许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。
但按说明书上选择电阻时须注意下面问题，变频器生产厂家为了减少制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。
选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。
对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩与额定转矩的比值偏大。
为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。
对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。
在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。
3变频器选择及参数设置
3.1变频器的控制方式
低压通用变频器输出电压在38O～65OV，输出功率在O．75—400kW，工作频率在O～400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。
其控制方式经历以下四代。
1、第一代以U/f＝Const，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，但系统性能不高、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。
2、第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称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而进行控制的。
经实践使用后又有所改进：
引人频率补偿，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、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引人转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
3、第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。
其实质是将交流电动机等效直流电动机，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，以转子磁通定向，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。
然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。
4、第四代以直接转矩控制，又称DTC控制。
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：
（1）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；
（2）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；
（3）算出实际值——对定子阻抗、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；
（4）实现Band—Band控制一一按磁链和转矩的Band一Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；
（5）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（＜土3%）；
（6）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15O%－200%转矩。
3.2控制方式的合理选用
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。
选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。
表3.1控制方式的比较
控制方式
U/f=C控制
电压空间矢量控制
矢量控制
直接转矩控制
反馈装置
不带PG
带PG或PID调节器
不要
不带PG
带PG或编码器
速比I
<1:
40
1:
60
1:
100
1:
100
1:
1000
1:
100
起动转矩（在3Hz）
150%
150%
150%
150%
零转速时为150%
零转速时为>150%~200%
静态速度精度/%
±（0.2~0.3）
±（0.2~0.3）
±0.2
±0.2
±0.02
±0.2
适用场合
一般风机、泵类等
较高精度调速，控制
一般工业上的调速或控制
所有调速或控制
伺服拖动、高精传动、转矩控制
负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载
*直接转矩控制，在带PG或编码器后I可扩展至1:
1000，静态速度精度可达±0.01%。
平方降转矩负载随着转速的降低，转矩以平方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，即使选用普通异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水力机械很适合由V／f控制的变频器进行驱动。
一般的V／f控制变频器都预先设置了平方降转矩负载用的V／f特性。
由于机械种类不同飞轮转矩有很大不同，如负载的GD2很大，必须设定很长的加速时间。
当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需功率随转速的提高而急剧增加，极易超出电机和变频器的容量，所以应避免这类负载超过工频运行。
3.3选型原则
通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。
应按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。
首先要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。
然后，选择电机的极数和额定功率。
电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围。
为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步转速，但必须小于电机允许的最大转速。
转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。
最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器的参数与型号。
需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。
若使用环境超出该规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。
经对各种变频调速系统技术经济性能论证，选用MM430西门子的变频调速系统应用于风机上。
该变频器为通用型变频器，其结构图如图所示：
图3.1变频器外部接线图
3.4PLC及压力传感器的选择
鼓风机M1可变频运行，也可工频运行，需要2个输出点，根据系统设计要求需要1个输入点，则选择西门子的S7-200系列PLC。
压力传感器采用CY-YZ-1001型绝对传感器。
该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为本系统的反馈信号供给PLC。
3.5MM430变频器特性
MM430变频器为“通用型”变频器，主要应用于三相电动机的变速驱动，也可以用于泵类、风机等节能负载。
是现行西门子“通用型”主流变频器。
其功能为线性U/f控制，多点设定的U/f控制，磁通电流控制，内置PID控制器，矢量控制。
功率范围为0.12～250kW。
面板操作如下图所示：
图3.2面板操作图
3.6电动机参数设置实例
P0010=1（快速调试）
P0100=0（功率单位为KW；f的缺省值为50Hz）
P0304=380（电动机的额定电压V）
P0305=200（电动机的额定电流A）
P0307=110（电动机的额定功率KW）
P0310=50（电动机的额定频率Hz）
P0311=1470（电动机的额定转速）
P0700=2（变频器命令源选择为模入端子/数字输入）
P1000=2（模拟设定值）
P1080=30（电动机最小频率）
P1082=50（电动机最大频率）
P1120=10（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）
P1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）
P1300=2（控制方式为抛物线V/f控制）
P3900=1（结束快速调试）
表3.2变频器的参数设置
参数号
设置值
说明
P0010
1
快速调试
P0100
0
功率单位为KW；f的缺省值为50Hz
P0304
380
电动机的额定电压
P0305
200
电动机的额定电流
P0307
110
电动机的额定功率
P0310
50
电动机的额定频率
P0311
1470
电动机的额定转速
P0700
2
变频器命令源选择为模入端子/数字输入
P1000
2
模拟设定值
P1080
30
电动机最小频率
P1082
50
电动机最大频率
P1120
10
电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间
P1121
10
电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间
P1300
2
控制方式为抛物线V/f控制
P3900
1
结束快速调试
4.PLC程序设计
5.结论
变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。
阀门节流调节方式改为调节离心通风机转速工况的方式，有效对锅炉里的压强时时监控，同时，延长其维护保养周期及使用寿命、减小对电网的冲击、节约维修费用、等。
由于变频器调速系统目前处于发展阶段，因此须选用可靠性高，性价比好，已有广泛应用基础的变频装置，应用于压力系统中必须紧密与现场工艺结合，选择优化的调速
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