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1、毕业设计论文变频器PID恒温控制系统设计课 题 摘 要 本课题的设计是根据工业生产上和社会生活中需要恒温控制的要求，设计了一套基于PID变频调速恒温系统。PID变频恒温系统由PID变频器、风机组、加热装置、温度传感器、信号采集转换电路等构成。本系统的设计是采用变频器实现对三相鼓风机电机的转速进行变频调速，来改变对恒温箱的鼓风大小，利用温度传感器检测恒温箱的当前温度信号，恒温箱中温度发生变化，采集的信号就会发生相应的变化，在经过转换电路把所采集的信号转换成对应的PID输入控制的电流信号，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变鼓风机电机的转速来改变供气量，最终保持系统的温度恒定。该变频恒温系统的

2、设计成果可运用于许多实际的恒温控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词 变频调速 恒温供气 PID控制 信号采集 目 次 结论36 致谢37 参考文献38 附录A Pt1000分度表39 1 绪论1.1 恒温控制的意义 在工业上，随着国民经济的发展，温度控制是工业生产过程和社会生活中经常遇到的过程控制，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和

3、时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。在日常生活中，人们也经常碰到需要控制温度的问题。例如，冬天做面包时，酵母菌发酵缓慢，甚至不能发酵，这时，人们常采用加热的方法提高发酵温度，但若经验不足，温度提得过高，则容易把酵母菌杀死。又如，有的地区冬天很冷，需要室内取暖，这这样的温度又不能过高，也不能太低，所以需要采用比较可靠的恒温装置。再如，有些家庭喜欢养金鱼，到了冬天，常担心温度太低而使鱼冻死。总之，类似的问题在日常生活中常常碰到。所有这些，如果采用恒温控制装置，就可以得到解决。所以设计一个较可靠的恒温控制电路，是具有非常重要的价值意义的。本课题设计

4、的是一个简单实用的恒温控制器，它可以根据使用者的实际需要，将温度设定在某一范围，当温度低于设定温度时，电路会自动控制变频器的频率使电机转速下降，风力降低，恒温箱的温度升高，当高于设定温度时，电路会自动控制变频器的频率使电机转速上升，风力增大，恒温箱的温度降低。本电路经济、可靠，对于工业生产及日常生活中需要恒温的地方，一般均能适用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法要多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，

5、微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。虽然现有的温度传感元件大多为模拟器件（如热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。但是这些器件相对来说比较经济，在毕业设计中不必要花那么昂贵的电子产品，在此我们采用的是市场上最为常见的铂电阻，通过测温电路来实现了对温度的实时测量与恒定控制。实现恒温控制的方法有很多，传统的控制方法普片是利用PLC自适应控制加热丝实现恒温控制，还有利用模拟PID调节的恒温控制，另外还有基于单片机的恒温控制系统。由于利用PLC还要利用模拟PID调

6、节的恒温控制，其算法需要查表转换，比较复杂，单片机的恒温控制系统电路较为复杂，而且不是很稳定。所以我们采用了变频器PID自动计算控制，集合电子电路来实现恒温控制。1.2 变频恒温系统的国内外研究现状1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过

7、电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关

8、设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。1.2.2 变频恒温系统的研究与现状变频恒温在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒温供气系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供气量大小需求不同时，保证温度恒定，需在变频器外部提供温度控制器和温度传感器，对温度进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒温供气系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压恒温供气功能的变频器，像

9、日本Samco公司，就推出了将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制的基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的众多功能，对社会上各式各样的控制系统带来了一个崭新的科技。目前国内有不少公司在做变频控制工程，其中恒温和恒压控制最为普片，大多采用国外的变频器控制风机电机的转速；也有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。该变频器将温度闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不

10、方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供气供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速在恒压恒温控制系统的研究设计中，对于能适应不同的应用场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的兼容性闭环控制研究还不够深入。因此，有待于进一步研究改善变频调速系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。2 PID变频恒温系统的总体方案设计PID控制变频恒温供气系统主要有变频器、温度传感器和现场的热风机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图21所示：图21 PID变频恒温供气系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为

11、：(l) 执行机构：执行机构是由三相异步电机鼓风机组成，他的作用是为系统鼓风提供热气，供气的大小和温度的高低跟电动机的转速成正比变化来控制，而电动机的转速由变频调速器控制，可以进行变频调速，用以根据用恒温箱里温度的变化而改变电机的转速，以维持系统的温度恒定。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测系统的温度。把温度变化的信号转换为电压或电流信号进行反馈。当温度升高时，把温度升高的模拟信号采集过来进行A/D转换，把对应的电流信号输入到PID控制器上，让其改变电机的转速，使其温度下降到恒定值。温度下降时效果一样，只是信号反相而已。(3) 控制机构：恒温控制系统一般安装在供气控制系统柜中，包

12、括供气控制器PID变频器和电子电控设备两部分。PID变频控制器是整个变频恒温供气控制系统的核心。PID控制器对采集的信号数据进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器对执行机构进行控制；其跟踪供气控制器送来的控制信号改变运行频率，完成转速控制。作为一个控制系统，系统的安全监控及报警是必不可少的重要组成部分。由于本课题设计的时间、人力和资金关系，所以没有做专门的报警监控电路，在电机维护上做了热继电器做为电动机的过载过热保护，电子线路部分温度监控显示电路和电流监测电流，用于随时监控系统的温度变化和电流值。恒温供气系统通过检测系统的温度变化，并将其转换为420mA的电流信号，此

13、检测信号是实现恒恒温供气的关键参数。将此检测信号与变频器的设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制鼓风机的供气流量和温度，最终使系统的温度恒定，实现PID恒温供气控制。其控制系统框图如图22所示。 图22 变频器恒温控制系统框图 在此次设计中，由于在市场上购买能够供热气的热鼓风机价格昂贵，所以我们在系统的实物设计中对加热这一块做了改变，我们的思路是在恒温箱中直接用热电炉加热，通过鼓风机鼓风的大小来排出箱子中的热气，如果箱子中温度高，变频器频率增大，是电机转速增加

14、鼓风量就加大，使热气排出量加大，温度下降。如果箱子中温度低，变频器控制频率为零或者很小，使鼓风机不用鼓风或者鼓小风，让温度迅速上升。这样设计后的系统基本上是能实现恒温控制的，但不能实现任意的温度控制，因为热电炉加热的温度是固定的，而鼓风排气不成线性，所以不能实现任意温度的控温。3 电机调速模块的分析 3.1 三相异步电动机的调速原理3.1.1三相异步电动机调速简介调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源的输入频率成正比的关系，电机的转速公

15、式为： 式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。根据公式可知

16、，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。3.1.2电动机的调速指标（1）调速范围电动机在满载（电流为额定值）情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即（2）调速方向调速方向指调速后的转速比原来的额定转速（基本转速）高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调 。（3）调速的平滑性调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。

17、级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000 r/min 一下调节到 1500 r/min ，再又调节到1000 r/min 等，两者中间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然比有级调速好。平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数（smooth factor），即 越接近于1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。（4）调速的稳定性调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率（static slip）来表示。其定义为：

18、在某一机械特性上运行时电动机有理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之百分比，即越小，稳定性越好。静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为越大，转矩变化时，n变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速n0的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，中的n0-nf 相同，由于n0不同，它们的就不同，n0大的，小，n0小的，就大。生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的太大，则该转速的稳定性太差，便难以满足生产机械的要求。（5）调速的经济性这要由调速时的初

19、期投资，调速厚的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。3.1.3 调速时的允许负载电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速方法称为恒转矩调速。不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件转速高，粗加工大切削量时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能。那么对于三相异步电动机来说，由于所以三相异步电动机的调速方法可以分为两大类：一类是通过改变同步转速n0

20、来改变转速n，具体方法有变极调速（改变p）和变频调速（改变f1）；另一类是通过改变转差率s来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速（改变U1），转子电路串电阻调速（改变R2），等等。3.1.4变频调速的主要性能（1）.调速方向即可往上调，也可往下调；（2）.平滑性好，可实现无级调速；（3）.调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，静差率小；（4）.调速范围广；（5）.调速的经济性方面，初期投资达，需要专用的变频装置。但运行费用不大；（6）.调速时的允许负载分析如下：f1fN时为恒转矩调速。由于f1fN是，U1/f1=常数，m基本不变，因此各种

21、转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本不变。f1fN时，U1=常数，根据，m与f1（既是n）成反比，因此在各种转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本上与转速n成反比，两者的乘积基本不变，允许的输出功率基本不变。32离心风机调控方式的分析、选择离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40左右。造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。因此，生产工程中若需经常调节风量的鼓风机

22、，应选择合适的调节方式，以降低能耗。（1）离心风机的工作原理及特性 ：单级高速离心风机的工作原理是，原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。 从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取

23、决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。 (2)变频调控原理与特性 :随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。 图31 变频调节时风机的性能曲线变频调节的节能原理：如图31中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由

24、A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2 情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗PHQ2与图中面积BH2H3C成正比。 由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0100，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律： Q1/Q2(n1/n2)，H1/H2(n1/n2)2，P1/P2(n1/n2)3 可知，当其转速降低到原额定转速的一半

25、时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。 根据变频调节这一特性，选择变频器控制鼓风机的的转速是最佳的选择。 (3)不同调控方式的比较 图32 不同调节方式下功率消耗比较图32给出了不同调控方式时风量和轴功率的关系。其中可以看出变频调节的离心鼓风机调节范围很广，在节能上有显著效果，通过对变频调节方式的原理与特点的分析，鼓风机调控方式的选择，从节能方面和对风量、风压要求前提下，从流量变化范围、风机功率大小、调节装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面综合考虑，进行技术经济分析，作出合理的选择。在此系统中我们还考虑到噪声低，价格低

26、的因数，所以购买了低噪声离心鼓风机。 3.3变频器的分析和选择3.3.1 变频器驱动负载特性的分析变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型: 恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。（1） 恒转矩负载负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。（

27、2） 恒功率负载机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL 不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。（3）风机、泵类负载在各种风机、水泵

28、、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。3.3.2 变频器容量的计算变频器的容量一般用额定输出电流（A）、额定容量（kVA）、适用电动机功率（KW）表示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值。输出容量指是额定输出电流和额定输出电压乘积的三项视在输出功率适用电

29、动机功率是以2、4极的标准电动机为对象，表示在额定输出电流内可以驱动的电动机功率。应注意：6极以上的电动机和变极电动机等特殊电动机的额定电流比标准电流大，不能根据适用电机功率选择变频器容量。因此，用标准2、4极电动机拖动的连续恒转矩负载，变频器的容量可根据适用电动机的功率选择；对于用6极以上和变极电动机拖动的负载、变动负载、断续负载和短路负载，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。跟据电动机电流选择变频器的容量：采用变频器驱动三相异步电动机调速时，在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中可能出现的最大电流来选择。（1）连续运

30、行场合：由于变频器给电动机的是脉动电流，其脉动值比工频供电时的电流要大。因此需将变频器的容量留有适当的裕量。一半令变频器的额定电流（1.051.1）倍的电动机额定电流（铭牌值）或电动机实际运行的最大电流。即： 或 试中，I1NV ：表示变频器的额定输出电流（A）； IN ：电动机的额定电流（A）； Imax ：电动机的实际最大电流（A）。 如按电动机的实际运行中的最大电流来选定变频器时，变频器的容量可以适当减少。（2）加减速时变频器的选择：变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。一般情况下，对于短时间的加减速而言，变频器允许达到额定输出电流的130%150%（依变频器容量而定）。因

31、此，在短时间加减速时输出转矩也可能增大。反之，如只需要较小的加减速转矩时，也可以降低选择变频器的容量。由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低10%以后在进行选择。（3） 频繁加减速运转时变频器容量的选定 :根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定： 式中：I1NV：变频器额定输出电流(A) I1、I2、IN：各运行状态平均电流(A) t1、t2、tN：各运行状态下的时间 (S)K0：安全系数(运行频繁时取1.2，其它条件下为1.1) （4） 一台变频器传动多台电动机，且多台电动机并联运行，即成组传动 用一台变频器使多台电机并联运转时，对于一小部分电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。 3.3.3变频器选择注意事项用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因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