基于PLC的變頻器風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡學(xué)明

（煙臺(tái)環(huán)境設(shè)備有限公司，中國煙臺(tái)）

摘要：風(fēng)機(jī)作為礦山企業(yè)必不可少的設(shè)備與企業(yè)的生產(chǎn)效率緊密相關(guān)，隨著能源的日益緊缺，企業(yè)中的設(shè)備節(jié)能問題就顯得尤為重要。本次設(shè)計(jì)使用PLC來對電鋸開啟數(shù)量檢測，進(jìn)而結(jié)合變頻器來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)到節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞:PLC；變頻器；風(fēng)機(jī)

ToDesignofControlSystemforFrequencyConverterFanBasedonMATLAB

前言

我國是化石能源儲(chǔ)量較少的國家，煤的儲(chǔ)量占世界第3位，石油和天然氣只占世界第10位。因此節(jié)能能源是基本國策。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國發(fā)電量的60%通過電機(jī)轉(zhuǎn)換能量。在十一五規(guī)劃中，把電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能放到了重要的位置。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能主要表現(xiàn)在二個(gè)方面：一是節(jié)能電機(jī)，如永磁同步電機(jī)。二是電機(jī)調(diào)速節(jié)電。變頻調(diào)速體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡單、便于通信等優(yōu)點(diǎn)。

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。

變頻器可以從四個(gè)方面節(jié)電。第一，軟啟動(dòng)。一般交流電機(jī)的啟動(dòng)電流為電機(jī)額定電流的6-7倍。變頻調(diào)速后啟動(dòng)電流不超過電機(jī)的額定電流。第二，節(jié)省設(shè)計(jì)冗余。一般設(shè)計(jì)都按照使用時(shí)的極端條件，因而都留有設(shè)計(jì)冗余，有的冗余量很大，形成大馬拉小車，變頻調(diào)速可以把冗余節(jié)省下來。第三，是調(diào)速節(jié)電。按流體力學(xué)原理，軸功率正比速度的立方，轉(zhuǎn)速下降，軸功率變小。這是變頻調(diào)速的主要節(jié)電原理。第四，系統(tǒng)功率因數(shù)高。一般在0.95以上，節(jié)省無功，減輕了變壓器的負(fù)擔(dān)。

1、變頻器調(diào)速原理及控制方式

1.1變頻器調(diào)試原理

交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：

n＝60f(1－s)/p(1)

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

F為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

P為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

1.2變頻器控制方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。

1.2.1電壓空間矢量（SVPWM）控制方式

電壓空間矢量控制方式以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。

1.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式

該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

1.2.3矢量控制（VC）方式

矢量控制變頻調(diào)速方法是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對速度，磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

1.2.4正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

正弦脈寬調(diào)制控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，但此控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。

1.2.5矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。其控制實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。具體方法是：

1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式；

2、自動(dòng)識(shí)別（ID）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；

3、算出實(shí)際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

4、實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1變頻器的選型

由于本次設(shè)計(jì)中所用的風(fēng)機(jī)為三相380V11KW，因此將選用HLP-A系列HLPA001143B變頻器。此變頻器的特點(diǎn)如下：

以大規(guī)模電機(jī)控制IC+IGBT為核心，具有多種保護(hù)功能，整機(jī)可靠性高。

對進(jìn)線電壓適應(yīng)性強(qiáng)，波動(dòng)可達(dá)±20%特別適用于電網(wǎng)質(zhì)量較差的國家和地區(qū)。

軟件功能強(qiáng)大，內(nèi)置有多種控制方式，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場合的控制要求。

內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可方便地構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

內(nèi)置簡易PLC，具有牽升、擾動(dòng)、多段速控制、程序運(yùn)行等多種功能。

高輸出扭矩，1Hz時(shí)可達(dá)150%，頻率解析度高達(dá)0.01Hz。

過載能力強(qiáng)，150%（1分鐘），200%（2ms）。

具有良好的通訊制界面，極易組成集中控制系統(tǒng)。

2.2PLC的選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)備中的PLC要求7輸入/4輸出，因此本次設(shè)計(jì)將選用歐姆龍CPM1A系列進(jìn)行討論。其特點(diǎn)如下：

1.豐富的指令集；2.簡便可靠的安裝；3.小巧緊湊的結(jié)構(gòu)；

4.靈活的系統(tǒng)配置；5.強(qiáng)大的模擬量處理能力；6.豐富的模塊種類；

7.高性能的運(yùn)動(dòng)控制；8.優(yōu)秀的控制功能；9.獨(dú)特的掉電保護(hù)；

10.實(shí)用的離線仿真；11.標(biāo)準(zhǔn)的編程語言；12.較強(qiáng)的通信功能；

2.3熔斷器類型的選擇

熔斷器類型應(yīng)根據(jù)負(fù)載的保護(hù)特性和短路電流的大小來選擇。對于保護(hù)照明和電動(dòng)機(jī)的熔斷器，一般只考慮它們的過載保護(hù)，熔體的熔化系數(shù)適當(dāng)小些。對于大容量的照明線路和電動(dòng)機(jī)，除過載保護(hù)外，還應(yīng)考慮短路時(shí)分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰磉x擇。當(dāng)短路電流較大時(shí)，還應(yīng)采用具有高分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥魃踔劣镁哂邢蘖髯饔玫娜蹟嗥鳌４送?，還應(yīng)根據(jù)熔斷器所接電路的電壓來決定熔斷器的額定電壓。

熔體額定電流大小與負(fù)載大小、負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。對于負(fù)載平穩(wěn)、無沖擊電流，如一般照明電路、電熱電路可按負(fù)載電流大小來確定熔體的額定電流。對于有沖擊電流的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，為達(dá)到短路保護(hù)的目的，又保證電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，對籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其熔斷器的額定電流為：INP=（1.5~2.5）INM。由于估算電流為20A，系數(shù)選取2.0。則INP=2.0*20A=40A。因此選擇德力西RL1系列螺旋式熔斷器，型號(hào)：RL1-40。

3、主電路圖

本次設(shè)計(jì)中PLC的主要作用是采集電鋸開關(guān)信號(hào)、計(jì)算以及控制變頻器的輸出頻率。電鋸?fù)度脒\(yùn)行信號(hào)的采集。

用電鋸工作時(shí)控制接觸器的一對常開輔助觸點(diǎn)控制一個(gè)中間繼電器，中間繼電器要選用最少有倆對常開觸點(diǎn)的。用其中一對接入PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，另一對控制一個(gè)氣閥，氣閥再帶動(dòng)氣缸，用氣缸啟閉設(shè)備上的風(fēng)口。這樣就實(shí)現(xiàn)了PLC對投入電鋸信號(hào)的接收，也實(shí)現(xiàn)了風(fēng)口的自動(dòng)啟閉，簡單實(shí)用。系統(tǒng)的控制總圖如圖1所示。

4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過信號(hào)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得出啟動(dòng)不同電機(jī)所需風(fēng)量及系統(tǒng)的耗電量?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

5、結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)都得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，其應(yīng)用越來越多。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)電鋸車間使用11KW的吸塵風(fēng)機(jī)來清理鋸屑車間中共有五臺(tái)電鋸。當(dāng)電鋸的開啟數(shù)量不同時(shí)所要求的風(fēng)量是不同的，即所要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也是不同的。通過PLC控制變頻器輸出，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到風(fēng)機(jī)節(jié)能的效果。