【文章內(nèi)容簡介】 氣控制器 PID變頻器和電子電控設(shè)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(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器對執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計的時間、人力和資金關(guān)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(zhuǎn)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(guān)鍵參數(shù)。將此檢測信號與變頻器的設(shè)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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(diào)速 模塊的 分析 三相異步 電動機的調(diào)速原理 三相異步電動機調(diào)速簡介 調(diào)速就是在一定的負載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為的改變電動機的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機械經(jīng)常向電動機提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量 。 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源 的 輸入頻率成正比的關(guān)系 ， 電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差率。 從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)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(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn) 差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)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(diào)速的方法及特點。 根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。 7 電動機的調(diào)速指標 （ 1） 調(diào)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(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用 D 表示，即 m i nm a xm i nm a x : nnnnD ?? （ 2） 調(diào)速方向 調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速（基本轉(zhuǎn)速）高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào) 。 （ 3） 調(diào)速的平滑性 調(diào)速的平滑性由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從 3000 r/min 一下調(diào)節(jié)到 1500 r/min ，再又調(diào)節(jié)到 1000 r/min 等，兩者中間的轉(zhuǎn)速無 法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到則稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當然比有級調(diào)速好。 平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)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(diào)速時σ =1，平滑性最好。 （ 4） 調(diào)速的穩(wěn)定性 調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉(zhuǎn)速下運行時，負載變化而引起轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速差與理想空載轉(zhuǎn)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(guān)。機械特性的硬度的定義為 nTdndT ????? α越大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 n0 的大小有關(guān)。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(chǎn)機械在調(diào)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(diào)速范圍起到制約的作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的δ太大，則該轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性太差，便難以滿足生產(chǎn)機械的要求。 （ 5） 調(diào)速的經(jīng)濟性 這要由調(diào)速時的初期投資，調(diào)速厚的電能消耗以及各種運行費用的多少來說明。 調(diào)速時的允許負載 電動機在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩 相 同，則這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 。 不同的生產(chǎn)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(zhuǎn)速高，粗加工大切削量時，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動機能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機械，例如起重機、卷揚機等則要求電動機在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動機具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)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(diào)速方法可以分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速 n0來改變轉(zhuǎn)速 n，具體方法有變極調(diào)速（改變 p）和變頻調(diào)速（改變 f1）；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率 s來實現(xiàn)調(diào)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(diào)速（改變 U1），轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速（改變 R2），等等。 9 變頻調(diào)速的主要性能 （ 1） .調(diào)速方向即可往上調(diào)，也可往下調(diào)； （ 2） .平滑性好，可實現(xiàn)無級調(diào)速； （ 3） .調(diào)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(diào)速范圍廣； （ 5） .調(diào)速的經(jīng)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(diào)速時的允許負載分析如下： ① f1fN時為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 由于 f1fN是， U1/f1=常數(shù)， Φ m基本不變，因此各種轉(zhuǎn)速下的滿載轉(zhuǎn)矩 T=CTΦ mI2Ncosφ 2基本不變。 ② f1fN時為恒功率調(diào)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(zhuǎn)速下的滿載轉(zhuǎn)矩 T=CTΦ mI2Ncosφ 2基本上與轉(zhuǎn)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(diào)控方式的分析、選擇 離心風機是目前應(yīng)用最廣泛的風機，是風機節(jié)能的主要對象。從調(diào)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(guān)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(diào)節(jié)方式。這種方式雖簡便易行，但在調(diào)節(jié)過程中將產(chǎn)生大量的能量損耗。因此， 生產(chǎn) 工程中 若 需經(jīng)常調(diào)節(jié)風量的鼓風機，應(yīng)選擇合適的調(diào)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(qū)動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，氣流由進口軸向進入高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的氣流中具有的動能轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)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(wǎng)阻力增大時，管路性能曲線將變陡。 風機調(diào)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(wǎng)特性曲線，以得到所需工況。 (2) 變頻調(diào)控原理與特性 :隨著科技的不斷發(fā)展，交流 電機調(diào)速技術(shù)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(zhuǎn)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(diào)控流量造成的能量損耗。 圖 3－ 1 變頻調(diào)節(jié)時風機的性能曲線 變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理： 如 圖 3－ 1中曲線 1和 2表示調(diào)速時的壓力 流量曲線，曲線 3和 4表示節(jié)流調(diào)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(shè) 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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)，不會產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風量范圍 0％～ 100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且11 經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應(yīng)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(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。 根據(jù)變頻調(diào)節(jié)這一特性， 選擇變頻器控制鼓風機的的轉(zhuǎn)速是最佳的選擇。 (3) 不同調(diào)控方式的比較 圖 3－ 2 不同調(diào)節(jié)方式下功率消耗比較 圖 3－ 2給出了不同調(diào)控方式時風量和軸功率的關(guān)系。 其中可以看出 變頻調(diào)節(jié)的離心鼓風機調(diào)節(jié)范圍很廣，在節(jié)能上有顯著效果， 通過對變頻調(diào)節(jié)方式的原理與特點的分析 ，鼓風機調(diào)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(diào)節(jié)裝置的技術(shù)復(fù)雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮，進行技術(shù)經(jīng)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(qū)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(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負載特性。人們在實踐中常將生產(chǎn)機械分為三種類型 : 恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。 （ 1） 恒轉(zhuǎn)矩負載 負載轉(zhuǎn)矩 TL 與轉(zhuǎn)速 n 無關(guān)，任何轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩負載。變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載時，低速下的轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質(zhì)應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負 載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)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(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負載的恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度 n 的 2 次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)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(diào)速的方式來調(diào)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(zhuǎn)速增長過快，與速度的三次方成正比，所以通常不應(yīng)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(nèi)可以驅(qū)動的電 動機功率。應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(qū)動三相異步電動機調(diào)速時，在異步電動機確定后，通常應(yīng)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?