1、 沈阳理工大学课程设计I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
2、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；变频器沈阳理工大学课程设计II目录1 工业锅炉鼓风机变频器调速系统简介 .111 系统组成 .112 工作原理 .22 工业锅炉鼓风机变频器调速系统设计要求 42.1 设计任务及要求 42.2 设计要求 43 选用的变频器 .53.1 控制方式的选用 53.2 注意的
3、事项 63.3 变频器的功能 .63.3.1 变频器的节能 63.3.2 鼓风机变频调速节能原理 73.4 风力反馈闭环控制 .73.5 选型原则 .74 主电路器件及 PLC 的选择 94.1 主电路器件选择 .94.2 PLC 及压力传感器的选择 .115 主电路以及控制电路的设计 125.1 主电路 125.2 系统控制电路 .135.3 MM430 变频器特性 136 变频器参数设定 146.1 电动机参数设置实例 147 变频器报警分析 .167.1 变频器报警原因及处理 168PLC 程序设计 .179 结论 2110 参考文献 .22沈阳理工大学课程设计 III附图 23沈阳理工
4、大学课程设计 11 工业锅炉鼓风机变频器调速系统简介11 系统组成工业锅炉鼓风机变频器调速系统主要由变频器、鼓风机、管道和阀门等构成。通常由鼓风机给锅炉送风，通过变频器调节鼓风机中异步电动机的转速，从而改变鼓风机的风速而实现鼓风机的风速调节。因此，调速系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。变频器 鼓风机2风速压力压力变送器给定值+-图 1.1 工业锅炉鼓风机变频器调速系统方框图压力由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水
5、泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使风速的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证压力反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。西门子系列PLC 编程采用STEP7 软件，它是西门子PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。起动子程序实际上是清零子程序。在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波
6、时间继电器，用于稳定系统。沈阳理工大学课程设计 212 工作原理变频调速控制系统具有两种操作方式：现场操作和远端操作(操作距离在150m 以内)。当外部电源或负载发生异常时，为了防止变频器和异步电动机损坏，变频器具备各种保护功能。系统在保护电路中提供声光报警装置，在异常情况时，提醒管理人员尽快采取维护措施，使损失减小到最低限度。在变频器内部系统采用优化参数设计，使变频器在起停过程中能平稳运行。由图 1 可知，工频三相交流电压经变频器平滑回路产生平滑的直流电压，经晶闸管逆变器产生可变电压和可变频率的三相交流电压由变频器 U、V、W 端输出。操作人员根据炉膛负压大小和炉膛温度变化，通过现场控制或远
7、端操作，调节工频电源输入频率，从而控制电机的转速，以平衡炉膛压力和温度，使锅炉正常工作。(1)加减速时间变频调速器内部加速时间和减速时间的设定是变频器内部参数设计的重要指标。加速时间是指频率从零变到最高频率所需要的时间；减速时间是指从最高频率到零所需要的时间。加速时间设定的要点是将加速电流限制在变频器过电流容量以下，即不应使控制电路电流增大，防止回路动作；减速时间设定要点则是防止平滑回路的电压过大，即不应使控制电路再生电压增大，防止回路动作。加速、减速时间的计算方法1如下：(1)(2)式中 tA、t D为给定的加速、减速时间，min；n max为最高转速，r/min；T A,min为最小加速转
8、矩，Nm；T AD,min为最小减速转矩，Nm。(2)电机轴功率风机类的一个最大特点就是轴功率与转速的立方成正比。因此，将电机以沈阳理工大学课程设计 3定速运转，把用挡板阀门调节风量的方法，改为根据所需要的风量调节转速可获得明显的节能效果，如式(3)所示 1。P1P=(n1/n) 3 (3)式中 P 为电机额定轴功率；P1 为实际轴功率；n 为电机额定转速；n1 为电机实际转速。沈阳理工大学课程设计 42 工业锅炉鼓风机变频器调速系统设计要求2.1 设计任务及要求控制要求:（1）工艺参数: 风量：1875 m3/h（2）鼓风机参数：型号：9-19 型离心通风机额定风流量：12749 m3/h额
9、定风压：14.8 kPa（2）电动机参数：型号：Y315S-2额定功率：110KW额定频率：50Hz额定电压：380VAC；额定转速：1470 r/min额定电流：200A（4）鼓风机电机的起动/停止、正转、调速控制。（5）变频器采用远方控制方式。（6）通过压力变送器测得实际风力大小，同时和风力给定组成闭环控制。（7）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等） 。（8）变频器的报警处理。2.2 设计要求（1）根据工业锅炉鼓风机变频器调速系统控制要求，选择变频器型号。（2）选择其他电器设备型号。（3）工业锅炉鼓风机变频器调速系统电气控制线路的设计（包括主回路和控回 路） 。（4）电气图按
10、 A4 大小设计（CAD 画图） 。（5）电气图形符号和文字符号要符合国家最新标准。（6）变频器参数的设置。沈阳理工大学课程设计 53 选用的变频器3.1 控制方式的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。下表中参数供选用时参考。表 3.1 变频器控制方式比较该变频器选用时要求带闭环控制，采用变频器的远方控制方式速比要求不能太大。故变频器的控制方式选择为恒压频比的控制方式。控制方式U/f=C 控制电压空间矢量控制矢量
11、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I150%200%静态速度精度/%（0.20.3）（0.20.3） 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，恒转矩波动大负载沈阳理工大学课程设计 63.2 注意的事项采用变频器的目的：恒压控制或者恒流控制。变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定应用的方式方法。变频器与负载的匹配问题:（1）电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相
12、符。（2）电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与负载的额定电流相符。（3）转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时可能发生。4.在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。5 对于一些特殊的场合，如高温、高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器的容量要稍微放大一档。3.3 变频器的功能3.3.1 变频器的节能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
13、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.软启动节能沈阳理工大学课程设计 7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
14、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。3.3.2 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
15、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。3.4 风力反馈闭环控制为了补偿电动机速度的变化，将可以检测出的物理量作为电气信号反馈到变频器的控制回路，这种控制方式称为闭环控制。风力反馈控制是以风力为电气信号为控制对象的闭环控制，被用于造纸、风机泵类、机床等速度精度要求高的场合。但需要设计传感器，以便检测出电气信号，此处要求传感器运用压力变送器。3.5 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
16、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。转矩取设备沈阳理工大学课程设计 8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
17、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 变频器外部接线图沈阳理工大学课程设计 94 主电路器件及 PLC 的选择4.1 主电路器件选择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
18、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：QNINQNII)4.1(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 NKI3. 输出接触器变频器的输出端一般不装接触器。如由于某种
19、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MNKII1.NI沈阳理工大学课程设计 10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U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：UN)%32(的计算公式是：
20、U)(10VlRIMN式中： 额定相电压，V ；N电动机额定电流，A ；MI单位长度（每米）导线的电阻，m/m ；0R导线的长度，m 。由上两式可直接求出 的取值范围。l 0R下表给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。表 4.1 电动机引出线的单位长度电阻值标称截面/mm 21.0 1.5 2.5 4.0 6.0 10.0 16.0 25.0 35.0/(m/m0R)17.8 11.9 6.92 4.40 2.92 1.73 1.10 0.69 0.495.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
21、的规沈阳理工大学课程设计 11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。4.2 PLC 及压力传感器
22、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 02.5MPa，工作温度为560，输出电压为 05V，作为本系统的反馈信号供给 PLC。沈阳理工大学课程设计 125 主电
23、路以及控制电路的设计5.1 主电路本系统的硬件电路如图 5.1 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MICROMASTER 430。MICROMASTER 430 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。图 5.1 系统主电路沈阳理工大学课程设计 135.2 系统控制电路图 5.2 控制电路图5.3 MM430 变频器特性MM430 变频器为“通用型”变频器，主要应
24、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 0.12250kW。图 5.3 面板操作图沈阳理工大学课程设计 146 变频器参数设定6.1 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
25、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 6.1 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 50HzP0304 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
26、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 模拟设定值沈阳理工大学课程设计 15P1080 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 结束快速调试沈阳理工大学课程设计 167 变频器报警分析7.1 变频器报警原因及处理（1）过流重新启动时，一升速就跳闸。这是过电流十分严重的现象。主要原因有:负载短路，机械部位有
27、卡住;逆变模块损坏;电动机的转矩过小等现象引起。上电就跳，这种现象一般不能复位，主要原因有:模块坏、驱动电路坏、电流检测电路坏。沈阳理工大学课程设计 17重新启动时并不立即跳闸而是在加速时，主要原因有:加速时间设置太短、电流上限设置太小、转矩补偿(V/F)设定较高。 （2） 过压（过电压报警一般是出现在停机的时候，其主要原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有问题。（3）欠压欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。主要是因为主回路电压太低(220V系列低于 200V，380V 系列低于 400V)，主要原因:整流桥某一路损坏或可控硅三路中有工作不正常的都有可能导致欠压故障的出现，其次主回路接触器损
28、坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压.还有就是电压检测电路发生故障而出现欠压问题。8PLC 程序设计沈阳理工大学课程设计 18沈阳理工大学课程设计 19沈阳理工大学课程设计 20沈阳理工大学课程设计 219 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
29、优化的调速控制方式，以保证系统的安全平稳运行。虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。沈阳理工大学课程设计 2210 参考文献1汪向华，周捍东.工业除尘风机工况自动控制系统的研制J.林业产业，2006，33(6)：57592杨铃.变频调速技术在离心式引风机控制中的节能分析J.风机技术，2006(4)：47483王树.变频调速系统设计与应用M.北京：机械工业出版社，20054李国厚.PLC 原理与应用设计M.北京：化学工业出版社， 2005 沈阳理工大学课程设计 23附图沈阳理工大学课程设计 24
