三菱变频器在啤酒生产线上的应用分析研究 机械自动化专业

论文题目：三菱变频器在啤酒生产线上的应用 摘要 随着电力电子元件的迅速发展，变频调速的应用己越来越广泛。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 关键词： Abstract Key words: 目录 第一章 绪论……………………………………………………………………………… 1.1研究背景…………………………………………………………………… 1.2研究目的和意义…………………………………………………………… 1.3研究的思路和方法………………………………………………………… 第二章 理论综述………………………………………………………………………… 2.1变频器的功能界定及常用规格…………………………………………… 2.2变频器的工作原理及作用………………………………………………… 2.3啤酒生产线的发展现状…………………………………………………… 2.4三菱变频器与啤酒生产线的关系………………………………………… 第三章 三菱变频器概况………………………………………………………………… 3.1公司和产品简介…………………………………………………………… 3.2三菱变频器的技术分析…………………………………………………… 第四章 三菱变频器在啤酒生产线的应用……………………………………………… 4.1总体思路…………………………………………………………………… 4.2三菱变频器的核心技术…………………………………………………… 4.3三菱变频器使用现状……………………………………………………… 4.4 啤酒生产线现状…………………………………………………………… 4.4.1分析啤酒生产线的需求………………………………………………… 4.4.2 分析三菱变频器的优缺点……………………………………………… 4.4.3分析三菱变频器的使用范围…………………………………………… 4.4.4实例分析及问题评估…………………………………………………… 第五章 结论与讨论……………………………………………………………………… 5.1结论………………………………………………………………………… 5.2讨论………………………………………………………………………… 参考文献：……………………………………………………………………………… 攻读学位期间公开发表论文…………………………………………………………… 致谢……………………………………………………………………………………… 第一章 绪论 1.1研究背景 随着电力电子元件的迅速发展，变频调速的应用己越来越广泛。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 本文将针对三菱变频器的发展变化，结合现代科技应用对于啤酒生产线的作用和意义。事实上，节能高效的三菱变频器工作原理是：外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V或电流DC4~20mA，进行无级调速。多段速采用外部输入端子 SD﹑STF﹑RL﹑ RM﹑RH，进行三段速调速。RL﹑RM﹑RH是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，SD是输入公共端，STF是启动正转信号。通过编程，PLC根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。而且三菱变频器的多段速调速比模拟量调速有较高优先级。 而在目前的啤酒市场，价格战、原材料成本战也越来越竞争激烈，如果提高企业利润和节省成本，除了减少渠道流通等营销策略外，技术的提升和节能设备的使用成为企业必须要面临的改革之路。 1.2研究目的和意义 由于在目前的啤酒市场，价格战、原材料成本战也越来越竞争激烈，如果提高企业利润和节省成本，除了减少渠道流通等营销策略外，技术的提升和节能设备的使用成为企业必须要面临的改革之路。笔者将以三菱变频器为技术范本，探讨其在啤酒生产线上的应用，以此为企业降低成本，提高利润的目的。 以此类推，三菱变频器对于未来产品发展和工艺流程的影响和改进趋势。 1.3研究的主要内容及框架 本文以三菱变频器为研究对象，依据变频器的相关理论，对啤酒生产线上的三菱变频器进行应用的研究。全文共分为5章。第1章绪论，主要提出本文的研究背景、内容、意义以及相关的理论方法；第2章阐述了变频器相关理论知识，为三菱变频器的应用提供了理论依据；第3，4章是本文的重点。主要依据三菱变频器的操作流程，分析其在啤酒生产线的应用效果和疑难问题。最后通过案例分析对三菱变频器的应用方案进行评估，找出最合适的使用范围。。第5章对整篇论文做以总结并提出改进的方向。 第二章 理论综述 2.1变频器的功能界定及常用规格 2.1.1变频器的概念： 变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力传动元件。 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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。 2.1.2变频器的构成： 如图所示，变频器有四个部分组成： 序号 1 2 3 4 组成部分 整流单元 高容量电容 逆变器 逆变器 功能阐述 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。 高容量电容存储转换后的电能。 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。 控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。 2.1.3变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，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。 序号 1 2 3 4 5（研究中） 名称 1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 矢量控制(VC)方式 直接转矩控制(DTC)方式 矩阵式交—交控制方式 功用 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。 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。 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。 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模型，控制电动机的磁链和转矩。 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。 优点 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。 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。 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，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。 新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能。省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，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。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。 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。 缺点 没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不如意，且系统性能不高、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。 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。 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。 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 该技术目前虽尚未成熟。 2.2变频器的工作原理及作用 2.2.1变频器的工作原理 由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在变频调速时，电动机的磁路随着运行频率fX是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。 因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为额定电流6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 工频电源变换为直流功率的“整流器” 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分 将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路” （1）整流器 　　最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 （2）平波回路 　　在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，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）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器 　　同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 　　控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、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”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 　　（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 　　（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 　　（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 　　（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。