【文章內容簡介】 氣控制器 PID變頻器和電子電控設備兩部分。 PID 變頻控制器是整個變頻恒溫供氣控制系統(tǒng)的核心。PID 控制器對采集的信號數(shù)據(jù)進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器對執(zhí)行機構進行控制；其跟蹤供氣控制器送來的控制信號改變運行頻5 率，完成轉速控制。 作為一個控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全監(jiān)控及報警是必不可少的重要組成部分。由于本課題設計的時間、人力和資金關系，所以沒有做專門的報警監(jiān)控電路， 在電機維 護上做了熱繼電器做為電動機的過載過熱保護，電子線路部分溫度監(jiān)控顯示電路和電流監(jiān)測電流， 用于隨時監(jiān)控系統(tǒng)的溫度變化 和電流值 。 恒溫供氣系統(tǒng)通過檢測系統(tǒng)的溫度變化，并將其轉換為 4—20mA 的電 流 信號 ，此檢測信號是實現(xiàn)恒恒溫供氣的關鍵參數(shù)。將此檢測信號與變頻器的設定值進行比較，將比較后的偏差值進行 PID 運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A 轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制鼓風機的供氣流量 和溫度 ，最終使系統(tǒng)的溫度恒定，實現(xiàn) PID 恒溫供氣控制。其控制系統(tǒng)框 圖如圖 2－ 2 所示。 圖 2－ 2 變頻器恒溫控制系統(tǒng)框圖 在此次 設計中 ， 由于 在市場上 購買能夠供熱氣的熱 鼓 風機 價格昂貴， 所以 我們 在系統(tǒng)的實物設計中對加熱這一塊做了改變， 我們的思路是在恒溫箱中直接用熱電爐加熱，通過鼓風機鼓風的大小來排出箱子中的熱氣，如果箱子中溫度高，變頻器頻率增大，是電機轉速增加鼓風量就加大，使熱氣排出量加大，溫度下降。如果箱子中溫度低， 變頻器控制頻率為零或者很小，使 鼓風機不用鼓風或者 鼓小風，讓溫度迅速上升。這樣設計后的系統(tǒng)基本上是能實現(xiàn)恒溫控 制的，但不能實現(xiàn)任意的溫度控制，因為熱電爐加熱的溫度是固定的，而鼓風排氣不成線性，所以不能實現(xiàn)任意溫度的控溫。 6 3 電機調速 模塊的 分析 三相異步 電動機的調速原理 三相異步電動機調速簡介 調速就是在一定的負載下，根據(jù)生產的需要人為的改變電動機的轉速。這是生產機械經常向電動機提出的要求。調速性能的好壞往往影響到生產機械的工作效率和產品質量 。 變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源 的 輸入頻率成正比的關系 ， 電機的轉速公式為： 60 (1 )fnsp?? 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機極對數(shù)， s 表示轉差率。 從上式可知，三相異步電動機的調速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉差率 改變電機極對數(shù)調速的調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉 差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。下面重點分析改變電源頻率調速的方法及特點。 根據(jù)公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速 n 基本上與電源頻率 f成正比。連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用。 7 電動機的調速指標 （ 1） 調速范圍 電動機在滿載（電流為額定值 ）情況下所能得到的最高轉速與最低轉速之比稱為調速范圍，用 D 表示，即 m i nm a xm i nm a x : nnnnD ?? （ 2） 調速方向 調速方向指調速后的轉速比原來的額定轉速（基本轉速）高還是低。若比基本轉速高，稱為往上調，比基本轉速低，稱為往下調 。 （ 3） 調速的平滑性 調速的平滑性由一定調速范圍內能得到的轉速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉速的差值越小，平滑性越好。如果轉速只能跳躍式的調節(jié)，例如只能從 3000 r/min 一下調節(jié)到 1500 r/min ，再又調節(jié)到 1000 r/min 等，兩者中間的轉速無 法得到，這種調速稱為有級調速。如果在一定的調速范圍內的任何轉速都可以得到則稱為無級調速。無級調速的平滑性當然比有級調速好。 平滑的程度可用相鄰兩轉速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)（ smooth factor），即 1??iinn? σ越接近于 1，平滑性越好。無級調速時σ =1，平滑性最好。 （ 4） 調速的穩(wěn)定性 調速的穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉速下運行時，負載變化而引起轉速變化的程度，通常用靜差率（ static slip）來表示。其定 義為：在某一機械特性上運行時電動機有理想空載到滿載時的轉速差與理想空載轉速之百分比，即 %10000 ??? n nn f? δ越小，穩(wěn)定性越好。 靜差率與機械特性的硬度有關。機械特性的硬度的定義為 nTdndT ????? α越大，轉矩變化時， n變化的程度就越小，機械特性就越硬，靜差率δ就越小，8 穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉速 n0 的大小有關。例如兩條平行的機械特性硬度相同， %10000 ??? n nn f? 中的 n0nf 相同，由于 n0不同，它們的δ就不同， n0大的，δ小， n0小的，δ就大。 生產機械在調速時，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調速范圍起到制約的作用，因為如果調速時所得到的最低轉速下的δ太大，則該轉速的穩(wěn)定性太差，便難以滿足生產機械的要求。 （ 5） 調速的經濟性 這要由調速時的初期投資，調速厚的電能消耗以及各種運行費用的多少來說明。 調速時的允許負載 電動機在各種不同轉速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調速方法稱為恒功率調速；如果允許輸出的轉矩 相 同，則這種調速方法稱為恒轉矩調速 。 不同的生產機械對此 的要求往往不同。例如切削機床，要求精加工小切削量時，工件轉速高，粗加工大切削量時，工件轉速低。因此，它希望電動機能具有恒功率調速的性能。另一類生產機械，例如起重機、卷揚機等則要求電動機在各種轉速下都能輸出同樣的轉矩，因此，它希望電動機具有恒轉矩調速的性能。 那么對于三相異步電動機來說，由于 pfsnsn 10 60)1()1( ???? 所以三相異步電動機的調速方法可以分為兩大類：一類是通過改變同步轉速 n0來改變轉速 n，具體方法有變極調速（改變 p）和變頻調速（改變 f1）；另一類是通過改變轉差率 s來實現(xiàn)調速， 這就需要讓電動機從固有特性上運行改為人為特性上運行，具體方法有變壓調速（改變 U1），轉子電路串電阻調速（改變 R2），等等。 9 變頻調速的主要性能 （ 1） .調速方向即可往上調，也可往下調； （ 2） .平滑性好，可實現(xiàn)無級調速； （ 3） .調速的穩(wěn)定性好，機械特性的工作段基本平行，硬度大，靜差率?。? （ 4） .調速范圍廣； （ 5） .調速的經濟性方面，初期投資達，需要專用的變頻裝置。但運行費用不大； （ 6） .調速時的允許負載分析如下： ① f1fN時為恒轉矩調速。 由于 f1fN是， U1/f1=常數(shù)， Φ m基本不變，因此各種轉速下的滿載轉矩 T=CTΦ mI2Ncosφ 2基本不變。 ② f1fN時為恒功率調速。 由于 f1fN時， U1=常數(shù)，根據(jù)111 fNkUwm ??， Φ m與 f1（既是 n）成反比，因此在各種轉速下的滿載轉矩 T=CTΦ mI2Ncosφ 2基本上與轉速 n 成反比，兩者的乘積基本不變，允許的輸出功率基本不變 。 3． 2 離心風機調控方式的分析、選擇 離心風機是目前應用最廣泛的風機，是風機節(jié)能的主要對象。從調查中了解到，目前風機運行中存在的主要問題是能源浪費嚴重。根據(jù)國家有關部 門統(tǒng)計，風機與泵的用電量占全國用電總量的 40％左右。造成風機能耗大的主要原因是由于運行中的風機大量采用檔板、閥門等調節(jié)方式。這種方式雖簡便易行，但在調節(jié)過程中將產生大量的能量損耗。因此， 生產 工程中 若 需經常調節(jié)風量的鼓風機，應選擇合適的調節(jié)方式，以降低能耗。 （ 1） 離心風機的工作原理及特性 ： 單級高速離心風機的工作原理是 ， 原動機通過軸驅動葉輪高速旋轉，氣流由進口軸向進入高速旋轉的葉輪后變成徑向流動被加速，然后進入擴壓腔，改變流動方向而減速，這種減速作用將高速旋轉的氣流中具有的動能轉化為壓能（勢能），使風機出口保持穩(wěn)定壓力。 10 從理論上講，離心鼓風機的壓力 流量特性曲線是一條直線，但由于風機內部存在摩擦阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率 流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恒速運行時，風機的工況點將沿壓力 流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統(tǒng)的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。 風機調節(jié)的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網特性曲線，以得到所需工況。 (2) 變頻調控原理與特性 :隨著科技的不斷發(fā)展，交流 電機調速技術被廣泛采用。通過新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉速方式來進行風機流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調控流量造成的能量損耗。 圖 3－ 1 變頻調節(jié)時風機的性能曲線 變頻調節(jié)的節(jié)能原理： 如 圖 3－ 1中曲線 1和 2表示調速時的壓力 流量曲線，曲線 3和 4表示節(jié)流調節(jié)時管路阻力特性曲線，曲線 5表示恒速時功率 流量曲線，設 A 點為風機最大工況點。當風量需從 Q1減少到 Q2時，如果采用節(jié)流調節(jié)法，工況點由 A到 B，風壓增加到 H2，由圖中可看出軸功率 P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調節(jié)方式，風 機工況點由 A到 C，可見在滿足同樣風量 Q2 情況下，風壓 H3將大幅度下降，功率 P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗 △P ＝ △HQ 2與圖中面積 BH2H3C 成正比。 由以上分析可知，變頻調節(jié)是一種高效的調節(jié)方式。鼓風機采用變頻調節(jié)，不會產生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調節(jié)風量范圍 0％～ 100％，適合調節(jié)范圍寬，且11 經常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉速下降，風量減小時，風壓將發(fā)生很大變化，由風機比例定律： Q1/Q2＝ (n1/n2)， H1/H2＝ (n1/n2)2， P1/P2＝ (n1/n2)3 可知，當其轉速降低到原額定轉速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的 1/ 1/ 1/8，這就是變頻調節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。 根據(jù)變頻調節(jié)這一特性， 選擇變頻器控制鼓風機的的轉速是最佳的選擇。 (3) 不同調控方式的比較 圖 3－ 2 不同調節(jié)方式下功率消耗比較 圖 3－ 2給出了不同調控方式時風量和軸功率的關系。 其中可以看出 變頻調節(jié)的離心鼓風機調節(jié)范圍很廣，在節(jié)能上有顯著效果， 通過對變頻調節(jié)方式的原理與特點的分析 ，鼓風機調控方式的選擇， 從 節(jié)能 方面和 對風量、風壓要求前提下，從流量變化范圍、風機功 率大小、調節(jié)裝置的技術復雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮，進行技術經濟分析，作出合理的選擇。 在此系統(tǒng)中我們 還考慮到噪聲低 ， 價格低的因數(shù)， 所以購買了低噪聲離心鼓風機。 12 變頻器驅動負 載特性 的分析 變頻器的正確選擇對于控制系統(tǒng)的正常運行是非常關鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅動的負載特性。人們在實踐中常將生產機械分為三種類型 : 恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。 （ 1） 恒轉矩負載 負載轉矩 TL 與轉速 n 無關，任何轉速下 TL 總保持恒定或基 本恒定。例如傳送帶、攪拌機，擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載都屬于恒轉矩負載。變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速下的轉矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩(wěn)速運行，應該考慮標準異步電動機的散熱能力，避免電動機的溫升過高。 （ 2） 恒功率負載 機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產線中的卷取機、開卷機等要求的轉矩，大體與轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制， TL 不可能無限增大，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質。負 載的恒功率區(qū)和恒轉矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂 “匹配 ”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。 （ 3） 風機、泵類負載 在各種風機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉動，空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力大致與速度 n 的 2 次方成正比。隨著轉速的減小，轉矩按轉速的 2 次方減小。這種負載所需的功率與速度的 3 次方 成正比。當所需風量、流量減小時，利用變頻器通過調速的方式來調節(jié)風量、流量，可以大幅度地節(jié)約電能。由于高速時所需功率隨轉速增長過快，與速度的三次方成正比，所以通常不應使風機、泵類負載超工頻運行。 13 變頻器容量的計算 變頻器 的容量一般用額定輸出電流（ A）、額定容量（ kVA）、適用電動機功率（ KW）表示。其中，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值。輸出容量指是額定輸出電流和額定輸出電壓乘積的三項視在輸出功率適用電動機功率是以 4 極的標準電動機為對象，表示在額定輸出電流內可以驅動的電 動機功率。應注意：6 極以上的電動機和變極電動機等特殊電動機的額定電流比標準電流大，不能根據(jù)適用電機功率選擇變頻器容量。因此，用標準 4 極電動機拖動的連續(xù)恒轉矩負載，變頻器的容量可根據(jù)適用電動機的功率選擇；對于用 6 極以上和變極電動機拖動的負載、變動負載、斷續(xù)負載和短路負載，變頻器的容量應按運行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。 跟據(jù)電動機電流選擇變頻器的容量：采用變頻器驅動三相異步電動機調速時，在異步電動機確定后，通常應根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中可能出現(xiàn)的最大電流來 選擇。 （ 1）連續(xù)運行場合： 由于變頻器給電動機的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時的電流要大。因此需將變頻器的容量留有適當?shù)脑Ａ?