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1、1摘要摘要随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术，自动化控制技术都得到了迅速发展，交流变频调速技术也已经进入了一个崭新的时代，其应用越来越光。而风机作为矿山企业必不可少的设备与企业的生产效率紧密相关，随着能源的日益紧缺，企业中的设备节能问题就显得尤为重要。本次将设计一个风机节能的实例。文章中将以一个电锯车间使用11KW的吸尘风机来清理锯屑，以此风机的节能来展开讲述。车间中共有五台电锯。当电锯的开启数量不同时所要求的风量是不同的，即所要求的风机转速也是不同的。在不使用变频器控制的情况下，风机只能以最大转速运行。这就造成了电能的严重浪费。本次设计使用PLC 来对电锯开启数量检测，进而结合变
2、频器来控制风机的转速。从而达到节能的效果。关键词：PLC 变频器 风机 节能2AbstractWith Chinas rapid economic development, microelectronics, computer technology, automatic control technology have been developing rapidly, AC variable frequency technology has entered a new era, more and more of its light. The fan as essential equipment
3、and mining enterprises to the production efficiency is closely related with the increasing shortage of energy, energy saving devices in the enterprise is particularly important issues. Will design a fan of this energy-saving examples. Article will use a chainsaw shop vacuum blower to clean up the 11
4、KW of sawdust in order to expand about energy- saving fan. Saw a total of five workshops. When not at the same time saw the opening of the required amount of air flow is different, that is the required fan speed is also different. In the case of inverter control is not used, the fan can run at maxim
5、um speed.This has resulted in serious waste of energy. This design uses PLC to turn on the saw the number of detection, and then combined with the drive to control the fan speed. To achieve the energy saving effect. Keyword: PLC converter blower energy-saving绪论绪论1.1 课题背景尽管我国 2007 年发电机装机容量已达到7.1329 亿
6、 KWh，发电量是32086.86 亿 KWh，但由于我国国民经济连续20 多年的高速发展，供电情况仍然非常紧张，不少地区仍要拉闸限电。32086.86 亿 KWh 发电量中3水电只占 4343.25KWh（13.54%） ，核电 621.3KWh（1.94%） ，而占27012.56 亿 KWh（84.19）仍然是热电。燃烧的煤向大气中排放CO2 SO2 NOX ，造成温室效应和酸雨，影响我们生存的环境。况且我国是化石能源储量较少的国家，煤的储量占世界第3 位，石油和天然气只占世界第10 位。因此节能能源是基本国策。据统计，全国发电量的 60%通过电机转换能量。在十一五规划中，把电机系统节能
7、放到了重要的位置。电机系统节能主要表现在二个方面：一是节能电机，如永磁同步电机。二是电机调速节电。变频调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单、便于通信等优点。近几年来我国国民经济持续高速发展，但能源不足成了影响发展的瓶颈。在新闻媒体上不止一次看到这样的信息“我国单位产出能源大大高于发达国家和世界平均水平。据计算，2003 年我国单位国内生产总值的能源消耗比世界平均水平高2.2 倍，比美国高2.3 倍，比欧盟高4.5 倍，比日本高 8 倍，比印度还高0.3。 ”从这组数据不难看出一个问题，我国能源利用率太低，低到了严重制约国民经济发展的严重地步。作为一个即将毕业的大学本科
8、生，要为国家做出自己的贡献。因此本文将以实例来讲述用变频器多段速功能结合PLC 实现风机节能调速。1.2 变频器控制风机的意义。变频器可以从四个方面节电。第一，软启动。一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7 倍。变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。第二，节省设计冗余。一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的冗余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。第三，是调速节电。按流体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小。这是变频调速的主要节电原理。第四，系统功率因数高。一般在 0.95 以上，节省无功，减轻了变压器的负担。1.3 当前控制风机所面临的
9、问题本次设计将以 五台设备共用一台主电机为11KW 的吸尘风机 为例。风机用来吸收电锯工作时产生的锯屑。不同设备对风量的需求区别不是很大，但设备运转时电锯并非一直工作，而是根据不同的工序投入运行。41.3.1 电能的严重浪费不同设备一般对风量的需求有所区别，并且并非五台设备同时工作，而是根据不同的工序投入运行。而一般情况下风机都以最大功率运行，因此造成能源浪费，增加了生产成本。1.3.2 启动困难，机械损伤严重风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风
10、机及其它机械的使用寿命。1.3.3 自动化程度低风机依靠人工调节挡板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对正常生产造成严重影响。为了设备的安全生产和降低生产成本，提升整体的自动化水平，对风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。下面将讨论解决以上这些问题。变频调速原理简介变频调速原理简介2.1 变频器工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流5电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动
11、机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.2 变频器调速原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n60 f(1s)/p (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 (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 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。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
12、的调速手段。2.3 变频器控制方式低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。2.3.1 正正弦弦脉脉宽宽调调制制（ S SP PW WM M）控控制制方方式式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化
13、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。因此人们又研究出矢量控制变频调速。62.3.2 电电压压空空间间矢矢量量（ S SV VP PW WM M）控控制制方方式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进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。2.3
14、.3 矢矢量量控控制制（ V VC C）方方式式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Ia1Ib1，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 相当于与转矩成正比的电枢电流） ，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。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，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
15、正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。2.3.4 直直接接转转矩矩控控制制（ D DT TC C）方方式式1985 年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学
16、模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量7旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。2.3.5 矩矩阵阵式式交交 交交控控制制方方式式VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交 交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。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：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；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；算出实际值对应定子
