工业锅炉鼓风机变频器调速系统

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，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；PLC；变频器

目录

1 绪论1

2 原理及结构设计2

2.1 变频器工作原理2 2.2 变频器的结构与功能3

2.2.1 变频器的结构3 2.2.2 变频器的控制方式4 2.2.3 变频器的功能5 2.3 使用变频调速的目的6 2.4 鼓风机变频调速节能原理7 2.5 鼓风机变频调速的主电路7 2.6 主电路器件的选择9 3 变频器选择及参数设置12

3.1 变频器的控制方式12 3.2 控制方式的合理选用13 3.3 选型原则14

3.4 PLC及压力传感器的选择16 3.5 MM430变频器特性17 3.6 电动机参数设置实例17 4 PLC程序设计19 结论23 参考文献24

1绪论

变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件。

变频器的诞生源于交流电机对无级调速的需求，随着晶闸管、静电感应晶体管、耐高压绝缘栅双极型晶闸管等部件的出现，电气技术有了日新月异的变化，变频器调速技术也随之发展，特别脉宽调制变压变频调速技术更是让变频器登上了新的台阶。变频器的工频电源一般是50Hz或60Hz，无论是在家用领域或生产领域，工频电源的频率和电压都是恒定不变的。以工频电源工作的电机在调速时可能会造成功率的下降，而通过变频器的调整，电机在调速时就可以减少功率损失。

变频器的种类繁多，按照变频器的用途不同可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等；按照变频器工作原理分类可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技

术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。

2原理及结构设计

2.1 变频器工作原理

变频器就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。而这其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电（及核心控制电路实现：交-直-交的过程）。而变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。而其工作原理用公式来表达的话便是：

n＝60 f(1－s)/p （2.1）

式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。由式(2.1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的X围内变化时，电动机转速调节X围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段

2.2 变频器的结构与功能

2.2.1 变频器的结构

变频器是由电力电子半导体器件(整流模块和功率模块：IGBT)﹑电子器件(阻容件、集成电路﹑开关电源)和微处理器(CPU)等组成。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定X围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的X围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，X围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 1.整流电路

整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块. 2.平波电路

平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

3.控制电路

现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”。变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式 4.逆变电路

逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。 2.2.2 变频器的控制方式 1.转差频率控制

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。 2.矢量控制

矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流 ， It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。 3.直接转矩控制

转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。 4.恒转矩负载

多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。要求控制系统具有良好的动态，静态性能 2.2.3 变频器的功能 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

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。

2.3 使用变频调速的目的

风机上使用变频器的目的,常见有4种。第一种,一般工业用户多以节能为目的。例如,电厂、工业锅炉房的鼓、引风机调速。

第二种,以压缩气体为生产过程主要动力源的企业,多以实现过程自动化为目的。

例如,化工生产用的压缩机,利用变频器的PID调节功能或与计算机接口,实现流量、压力、温度等参数的闭环控制。

第三种,风机制造厂用于产品试验或模型试验,取代液力偶合器调速,以简化工艺过程、提高测试精度为目的。例如,1996年,XX鼓风机厂建成我国风机行业第一座通风机变频试车台,用于风机叶片拉力试验、机械运转试验和超速试验。风机只需要装配、调整一次,即可完成这3项试验,极大地提高了劳动生产率。并且,由于变频器采用数字控制技术,解决了原来用液力偶合器调速时,风机转速漂移,影响测试精度问题,测试工作也变得十分简单。

第四种,环境保护需要,以降低风机噪声为目的。当实际需要风量经常低于设计最大风量时,采用变频调速,使风机低速动行。与在工频下运行,用挡板调节风量相比,风机的气动噪声和机械噪声明显减小。

2.4 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。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。

2.5 鼓风机变频调速的主电路

1）本系统的硬件电路如图3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。 （1）系统主电路

图2.1 系统主电路

（2）系统控制电路

如图2.2为控制电路，当KA2接触点闭合时，电动机变频起动；当KA2接触断开时，停止电动机变频运行。为便于风机进行“变频运行”和“工频运行”的切换。

图2.2系统控制电路

2.6 主电路器件的选择

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IQN应选：

IQN(1.3~1.4)IN （2.2）

其中IN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IKNIN 3.输出接触器

变频器的输出端一般不装接触器。如由于某种需要而接入时，则因为电流中含有较强的谐波成分，故主触点的额定电流IKN1.1IMN。其中IMN为电动机的额定电流。

（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U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U的影响。一般要求：

U(2~3)%UN

U的计算公式是：

U3IMNR0l(V) （2.3）

1000式中：UN——额定相电压，V ；

IMN——电动机额定电流，A ；

R0——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m ；

l——导线的长度，m 。由上两式可直接求出R0的取值X围。

下表给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。

表2.1

标称截 面/mm2 1.0 1.5 2.5 4.0 6.0 10.0 16.0 25.0 35.0 R0/(mΩ17.8 /m) 11.9 6.92 4.40 2.92 1.73 1.10 0.69 0.49 5.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的规格。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。

3 变频器选择及参数设置

3.1 变频器的控制方式

低压通用变频器输出电压在38O～65OV，输出功率在O．75—400kW，工作频率在O～400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历以下四代。

1、第一代以U/f＝Const，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

2、第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式。它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。

3、第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

4、以直接转矩控制，又称DTC控制。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： （1）控制定子磁链——引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； （2）自动识别（ID）——依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； （3）算出实际值——对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

（4）实现Band—Band控制一一按磁链和转矩的Band一Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；

（5）具有快速的转矩响应（＜2ms＝，很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（＜土3%）；

（6）具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出15O%－200%转矩。

3.2 控制方式的合理选用

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。

表3.1 控制方式的比较

控制方式 反馈装置 U/f=C控制 不带带PG或PG PID调节器 1:60 电压空间矢量控制 不要 矢量控制 带PG或编码器 1:1000 直接转矩控制 不带PG 速比I <1:40 1:100 1:100 1:100 起动转矩（在3Hz） 静态速度精度/% ±（0.2~0.3） 150% 150% 150% 150% 零转速时为150% 零转速时为>150%~200% ±（0.2~0.3） ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2 适用场合 一般风机、泵类等 较高精度调一般工业上的速，控制 调速或控制 所有调速或控制 伺服拖动、负荷起动、起重负高精传动、载转矩控制系统，转矩控制 恒转矩波动大负载 直接转矩控制，在带PG或编码器后I可扩展至1:1000，静态速度精度可达±0.01%。

平方降转矩负载随着转速的降低，转矩以平方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，即使选用普通异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水力机械很适合由V／f控制的变频器进行驱动。

一般的V／f控制变频器都预先设置了平方降转矩负载用的V／f特性。 由于机械种类不同飞轮转矩有很大不同，如负载的GD2很大，必须设定很长的加速时间。

当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需功率随转速的提高而急剧增加，极易超出电机和变频器的容量，所以应避免这类负载超过工频运行。

3.3 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。应按照机械设备的类型、

负载转矩特性、调速X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X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

3.4 PLC及压力传感器的选择

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0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为本系统的反馈信号供给PLC。

3.5 MM430变频器特性

MM430变频器为“通用型”变频器，主要应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X围为0.12～250kW。 面板操作如下图所示：

图 3.2 面板操作图

3.6 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3.2 变频器的参数设置

参数号 P0010 P0100 P0304 P0305 P0307 P0310 P0311 P0700 P1000 P1080 P1082 P1120 P1121 设置值 1 0 380 200 110 50 1470 2 2 30 50 10 10 说明 快速调试 功率单位为KW；f的缺省值为50Hz 电动机的额定电压 电动机的额定电流 电动机的额定功率 电动机的额定频率 电动机的额定转速 变频器命令源选择为模入端子/数字输入 模拟设定值 电动机最小频率 电动机最大频率 电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间 电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间 P1300 P3900 2 1 控制方式为抛物线V/f控制 结束快速调试 4 PLC程序设计

图4.1 PLC程序框图

结论

课程设计是对学校所学知识的全面总结和综合应用，对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者分析和解决问题的能力。

在不断的努力下我的课程设计终于完成了。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的学习、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

总之，通过这次课程设计大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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