【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。該變頻器將溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供氣供水場所。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速在恒壓恒溫控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的兼容性閉環(huán)控制研究還 不夠深入。因此，有待于進一步研究改善變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。 4 2 PID 變頻 恒溫 系統(tǒng)的 總體 方 案 設(shè)計 PID 恒溫 系統(tǒng) 流程 框 圖 PID 控制變頻恒溫供氣系統(tǒng)主要有變頻器、溫度傳感器和 現(xiàn)場的 熱 風(fēng)機 組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 2－ 1 所示： 圖 2－ 1 PID 變頻 恒溫供氣 系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由三相異步電機鼓風(fēng)機組成，他的作用是為系統(tǒng) 鼓風(fēng)提 供熱氣，供氣的大小 和溫度的高低跟 電動機的轉(zhuǎn)速 成正比變化 來控制，而電動機的轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器控制，可以進行變頻調(diào)速，用以根據(jù)用 恒溫箱里 溫度的變化 而 改變電機的轉(zhuǎn)速 ，以維持系統(tǒng)的溫度恒定。 (2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測系統(tǒng)的溫度。把溫度變化的信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號進行反饋。當(dāng)溫度升高時，把溫度升高的模擬信號采集過來進行 A/D 轉(zhuǎn)換，把對應(yīng)的電流信號輸入到 PID 控制器上，讓其改變電機的轉(zhuǎn)速 ，使其溫度下降到恒定值 。溫度下降 時 效果一樣，只是信號反相而已。 (3) 控制機構(gòu)：恒溫控制系統(tǒng)一般安裝在控制系統(tǒng) 柜中，包括控制器 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。 PID5 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(fēng)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(fēng)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(fēng)機鼓風(fēng)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(fēng)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(fēng)機不用鼓風(fēng)或者 鼓小風(fēng)，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(fēng)排氣不成線性，所以不能實現(xiàn)任意溫度的控溫。 6 PID 恒溫 控制 系統(tǒng) 接線圖 如圖 51是 PID恒溫控制的接線圖，變頻器主電路部分，電源輸入端 R/S/T接的是交流 380V電壓，輸出端 U/V/W接熱風(fēng)機電機?？刂齐娐氛D(zhuǎn)端子 STF接正傳啟動開關(guān)，反轉(zhuǎn)端子 STR沒有接開關(guān)， PID控制選擇用不常用的 MRS端子，在 MRS端子與 SD之間接一個開關(guān)，用以控制 PID的啟動與停止。端子 10/2/5各端按下圖所示接一個電位器，用以設(shè)定目標(biāo)值，端子 4是 4～ 20mA電流輸入端，實物接線參考下圖 61即可。 圖 23 PID恒溫控制接線圖 7 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(dāng)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。 電動機的調(diào)速指標(biāo) （ 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 inm a xm inm a x : nnnnD ?? 8 （ 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(dāng)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，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。 9 （ 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。 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10 本不變，允許的輸出功率基本不變。 離心風(fēng)機調(diào)控方式的分析、選擇 離心風(fēng)機是目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)機，是風(fēng)機節(jié)能的主要對象。從調(diào)查中了解到，目前風(fēng)機運行中存在的主要問題是能源浪費嚴(yán)重。根據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計，風(fēng)機與泵的用電量占全國用電總量的 40％左右。造成風(fēng)機能耗大的主要原因是由于運行中的風(fēng)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(fēng)量的鼓風(fēng)機，應(yīng)選擇合適的調(diào)節(jié)方式，以降低能耗。 （ 1） 離心風(fēng)機的工作原理及特性 ： 單級高速離心風(fēng)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(fēng)機出口保持穩(wěn)定壓力。 從理論上講，離心鼓風(fēng)機的壓力 流量特性曲線是一條直線，但由于風(fēng)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(fēng)機的功率 流量曲線隨流量的增大而上升。當(dāng)風(fēng)機以恒速運行時，風(fēng)機的工況點將沿壓力 流量特性曲線移動。風(fēng)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(dāng)管網(wǎng)阻力增大時，管路性能曲線將變陡。 風(fēng)機調(diào)節(jié)的基本原理就是通過改變風(fēng)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(fēng)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。 11 圖 3－ 1 變頻調(diào)節(jié)時風(fēng)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(fēng)機最大工況點。當(dāng)風(fēng)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(fēng)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(fēng)機工況點由 A到 C，可見在滿足同樣風(fēng)量 Q2 情況下，風(fēng)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(fēng)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(fēng)量范圍 0％～ 100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。但是，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)量減小時，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機比例定律： Q1/Q2＝ (n1/n2)， H1/H2＝ (n1/n2)2， P1/P2＝ (n1/n2)3 可知，當(dāng)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(fēng)機的的轉(zhuǎn)速是最佳的選擇。 (3) 不同調(diào)控方式的比較 12 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(fēng)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(fēng)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(fēng)機調(diào)控方式的選擇， 從 節(jié)能 方面和 對風(fēng)量、風(fēng)壓要求前提下，從流量變化范圍、風(fēng)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(fēng)機。 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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)異步電動機的散熱能力，避免電動機的溫升過高。 13 （ 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(dāng)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(fēng)機、泵類負載 在各種風(fēng)機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空