工业锅炉鼓风机变频器调速系统.doc

沈阳理工大学课程设计

工业锅炉鼓风机变频器调速系统毕业设计

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
22

目录
1绪论 1
2原理及结构设计 2
2.1变频器的工作原理 2
2.2变频器的结构与功能 2
2.2.1变频器的结构 2
2.2.2变频器的控制方式 3
2.2.3变频器的功能 4
2.2.4变频器的选型 5
2.3鼓风机变频调速节能原理 6
2.4鼓风机变频调速的主电路 7
2.5主电路器件的选择 8
3变频器的参数设置 13
4 plc程序设计 14
4.1 S7-200的I/O接口分配表 14
4.2 plc程序 14
结论 19
参考文献 20

1 绪 论
在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以下几个方面发展：
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一体化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。
2 原理及结构设计
2.1 变频器工作原理
变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

PI调节器
变频器
鼓风机
压力
压力变送器
给定值
+
-

图2-1 变频器工作原理图
2.2 变频器的结构与功能
2.2.1 变频器的结构
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.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。
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。
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，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。
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。
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。
2.2.4变频器的选型
通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。
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：9-19型离心通风机为二次方率负载，可选用风机、泵类专用变频器。
变频器与负载的匹配: Y315S-2型电动机额定功率为110KW，额定电压380VAC，额定电流200A，所选变频器应满足以上要求。
西门子自动化产品具备强大的通讯功能和全面的配套软件。西门子的MM410-MM440系列变频器，是西门子变频器中最低端的经济型系列，不仅具有西门子工程型变频器MasterDrive的良好架构，还具有较高的性能价格比。MM4新一代变频器给用户提供一个完全开放的编程平台，使用户可以根据自己的需要最大限度的合理利用有限的资源实现尽可能复杂的控制特性。它的几十个自由功能块可以代替PLC实现一些简单的编程操作。其中：
MM420具有模块化设计，额定功率范围0.12～11kW。操作面板和通讯模块可以不使用任何工具，非常方便的用手进行更换，MM420适合用于各种变速驱动系统装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。
MM430适合用于工业部门的水泵和风机。比420具有更多的输入输出端，还具有优化的带有手动，自动切换的操作面板，以及自适应功能的软件。MM430防护等级是IP20,无滤波器，三相380V输入，C型尺寸。
MM440适合用于各种变速驱动装置。尤其适合用于吊车和起重系统，立体仓储系统，食品，饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统。这些应用对象要求变频器具有比常规应用更高的技术性能和更快的动态响应。
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。 MM430变频器是标准风机水/泵专用型变频器它传动平稳、运转轻松无忧,为风机和水泵类变转矩控制专家。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7.5～250kW。图2-1是MM430变频器结构框图。

图2-2 MM430变频器结构框图

2.3 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[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。
2.4 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2-3 系统主电路图
（2）系统控制电路

图2-4系统控制电路
2.5 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
由于：
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） 通用变频器允许的过载能力为150%，1min。风机、泵类不易过载，所以MM430（风机、泵类专用）过载能力较低，为120%，1min。
所以，为了避免误动作，断路器的额定电流应选：

其中为变频器的额定电流。
4) 因为电动机有可能在工频下运行，故应按电动机在工频下的启动电流来进行选择，即

查阅相关技术手册，选择TCYW1型万能式空气断路器。其主要技术数据为：
额定电流630A,额定电压400,动作时间0.18s。
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。
查阅相关技术手册，选择CJ40-200A型交流接触器。其主要技术数据为：额定电流200A，额定电压380V。
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。其中为电动机的额定电流。
查阅相关技术手册，选择GMC-220型交流接触器。其主要技术数据为：额定电流220A，辅助触点2a2b。
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：
（3-1）
的计算公式是：
（3-2）
式中：——额定相电压，此处取380V ；
——电动机额定电流，此处取200A ；
——单位长度（每米）导线的电阻，单位mΩ/m ；
l ——导线的长度，此处取20m 。
表3-1给出了常用电动机引出线的单位长度电阻值。
表2-1 常用电动机引出线的单位长度电阻值
标称截
面/mm2
1.0
1.5
2.5
4.0
6.0
10.0
16.0
25.0
35.0
/(mΩ/m)
17.8
11.9
6.92
4.40
2.92
1.73
1.10
0.69
0.49
由式（3-1）和（3-2）可直接求出，的取值范围为，查表3-1可选择标称截面16。
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。
6.工业压力变送器
工业压力变送器选用美国HONEYWELL和美国MOTOROLA系列ZPF-802型高精度、超低温漂（温度自动补偿）芯片，其彩铝合金外壳以及应力隔离技术组装而成，经精密度补偿，放大处理转换成4～20mA标准信号。
ZPF-802型压力变送器主要技术参数如下：
1） 测量范围：差压：0～10Kpa 正压：0～25Kpa
负压：0～-25Kpa 或者-25Kpa～0Kpa 正负压：-25～+25Kpa；
2） 电源：24VDC；
3） 精度：0.5级；
4） 输出信号：4～20mA，二线制。
7．注意事项
在设计变频器外围主电路时，还应注意：
1）若变频器内部整流电路前没有保护硅器件的快速熔断器，变频器与电源之间应配置符合要求的熔断器和隔离开关，不能用空气断路器代替熔断器和隔离开关，以避免因内部短路对整流器件的损坏变频器。
2）变频器的型号确定后，选择变频器的引入和引出电缆。根据变频器的功率选择导线截面合适的三芯或四芯屏蔽动力电缆。尤其是从变频器到电机之间的动力电缆一定要选用屏蔽结构的电缆，且要尽可能短，这样可降低电磁辐射和容性漏电流。当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时，电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，为此要配置输出电抗器。对于控制电缆，尤其是I/0信号电缆也要用屏蔽结构的。对于变频器的外围元件与变频器之间的连接电缆其长度不得超过10m。
3）在输入侧装交流电抗器或EMC滤波器。根据变频器安装场所的其它设备对电网品质的要求，若变频器工作时已影响到这些设备的正常运行，可在变频器输入侧装交流电抗器或EMC滤波器，抑制由功率器件通断引起的电磁干扰。若与变频器连接的电网的变压器中性点不接地，则不能选用EMC滤波器。当变频器用500V以上电压驱动电机时，需在输出侧配置du/dt滤波器，以抑制逆变输出电压尖峰和电压的变化，有利于保护电机，同时也降低了容性漏电流和电机电缆的高频辐射，以及电机的高频损耗和轴承电流。使用du/dt滤波器时要注意滤波器上的电压降将引起电机转矩的稍微降低；变频器与滤波器之间电缆长度不得超过3m。

3 变频器的参数设置
控制要求如下：
（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
额定风压：148 kPa
（3）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
据以上参数设置变频器参数如表5-1。
表3-1 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（r/min）
P0700
2
变频器命令源选择为“由端子排输入”
P1000
2
模拟设定值
P1080
30
电动机下限频率(Hz)
P1082
50
电动机上限频率(Hz)
P1120
10
加速时间（s）
P1121
10
减速时间（s）
P1300
2
控制方式为抛物线V/f控制
P3900
1
结束快速调试
P0003
2
设置用户访问级为扩展级
P0004
7
命令和数字I/O
P0701
1
ON接通正转，OFF停止
4 PLC程序设计
4.1 S7-200的I/O接口分配表
系统需要启动、停止按钮，工频、变频运行控制按钮和变频器故障报警输入共5个数字量输入。PLC输出端接变频器启动控制端，变频、工频运行接触器和变频器故障指示灯共4个数字量输出。
闭环调速系统需要接受压力变送器反馈值和系统设定值共两个模拟量输入，PLC输出控制值到变频器模拟量输入端AIN+需要一个模拟量输出端。因此选择CPU222并扩展一个模拟量输入输出模块EM235 AI4/AQ1。表6-1是CPU222的I/O分配表，表6-2是EM235的I/O分配表。
表 4-1 CPU222的I/O接口分配表
数字量输入
数字量输出
输入地址
元 件
作 用
输出地址
元 件
作 用
I0.0
SB1
启动按钮
Q0.0
5端
变频器正转
I0.1
SB2
停止按钮
Q0.1
KA1
变频运行
I0.2
SB3
变频运行
Q0.2
KA2
工频运行
I0.3
SB4
工频运行
Q0.3
HL
故障指示
I0.4
21、22端
变频器故障

表4-2 EM235 的I/O分配表
模拟量输入
模拟量输出
输入地址
作 用
输出地址
作 用
AIW0
压力变送器反馈值
AQW0
变频器模拟量输入AIN+
AIW2
输入PID给定值

4.2 PLC程序
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子程序，主程序控制启动停止，设置中断周期，工变频切换及变频器故障指示。子程序实际上是清零子程序，子程序调用中断子程序实现PID控制。

图4-1为PLC程序梯形图。

结 论
在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。
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。

参考文献
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[5]姚锡禄.变频器控制技术[M].北京：中国电力出版社，2009.
[6]李华德,白晶,李志明. 交流调速控制系统.北京:电子工业出版社, 2003.
[7]李志明.变频器的应用.北京：中国机械出版社，1998.
[8]姚锡禄.变频器控制技术.北京：中国电力出版社，2009.

目 录

第一章 总 论 1
1.1项目背景 1
1.2项目概况 3
1.3结论与建议 6
第二章 改造的意义和必要性 8
2.1 项目实施的背景 8
2.2 项目实施的意义和必要性 8
第三章 改造方案 12
3.1 技改前情况 12
3.2 改造方案 12
第四章 场址方案 14
4.1 场址所在位置现状 14
4.2 场址建设条件 14
第五章 技术方案、设备方案与工程方案 18
5.1 技术方案 18
5.2 主要设备方案 26
5.3 工程方案 28
第六章 主要原材料、燃料供应 29
6.1 主要原材料供应 29
6.2 燃料供应 29
第七章 总图运输与公用辅助工程 30
7.1 总图布置 30
7.2 公用辅助工程 31
第八章 节能篇 33
8.1 项目节能设计规范 33
8.2 建设项目能源消耗种类和数量分析 35
8.3 项目所在地能源供应状况分析 35
8.4 主要节能措施 36
8.5 节能效果分析 37
第九章 环境影响评价 38
9.1 厂址环境条件 38
9.2设计依据 38
9.3项目建设对环境的影响 38
9.4项目运营期对环境的影响 39
9.5 环境影响评价 40
第十章 劳动安全卫生与消防 41
10.1 设计依据 41
10.2安全卫生防范措施 41
10.3 消防设施 42
第十一章 组织机构与人力资源配置 44
11.1 组织机构 44
11.2 人力资源配置 44
第十二章 项目实施进度与项目招标 45
12.1 建设工期 45
12.2 项目实施进度表 45
12.3 项目招标 46
第十三章 投资估算与资金筹措 48
13.1项目总投资规模 48
13.2资金来源及投资使用方案 49
第十四章 财务分析 50
14.1 项目财务内部收益率、总投资收益率、投资回收期等指标的计算和评价 50
14.2 项目经济效益分析 52
第十五章 风险分析 56
第十六章 研究结论与建议 58
16.1 研究结论 58
16.2 建议 59