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罗茨鼓风机变频调速系统的设计

罗茨鼓风机变频调速系统的设计

山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、罗茨真空泵、回转风机等机械设备公司,位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇,近年来,锦工致力于新产品的研发,新产品双油箱罗茨风机、水冷罗茨风机、油驱罗茨风机、低噪音罗茨风机,赢得了市场好评和认可。

罗茨风机变频调速系统的实现从根本上解决了罗茨风机大启动力矩而配用大功率电机的问题,节能效果非常显著。能够解决罗茨风机低负荷运行,罗茨风机开度当板小而引起的风纪震动问题,使罗茨鼓风机运行更加稳定。闭环控制系统的建立使控制更加稳定装置操作更加平稳;另外罗茨风机转速的降低大大提高了罗茨风机轴承的使用寿命。提高了设备运行时间,延长了设备的检修周期。
2.变频调速装置在罗茨风机上的应用
罗茨风机的流量,运行压力,轴功率这三个基本参数与转速的运算公式极其复杂,同时罗茨风机类负荷随环境变化参数也随之变化。在工程中一般根据罗茨风机的运行曲线,进行大致的参数运算,通过改变罗茨风机的管网特性曲线来实现对罗茨风机的风量的调节;通过改变罗茨风机叶片的角度来实现对罗茨风机的风量调节;通过改变罗茨风机的转速来实现罗茨风机的风量调节。
取代老式的依靠挡板改变流量的方式,达到节能的效果;精确地调节速度和流量,保证工艺质量;接受计算机的模拟或数字信号,进行实时控制;动态性能好,可实现“软”启动。变频装置的特性保证了电机启动和加速时具有消除启动对电机的冲击,可以提高电机和机械的使用寿命。
3.变频调速技术
3.1变频调速的基本原理
对异步电动机进行调速控制时,希望电动机的主磁通Фm保持额定值不变。磁通太弱,电动机带负载能力下降,磁通太强,形成过饱和,将引起励磁电流波形畸变。由上可见,Фm值由e1和fl共同决定,对e1和fl进行适当控制,就可以使气隙磁通Фm保持额定值不变。分两种:基频以下的恒磁通变频调速,即从电机额定频率f调速;基频以上的弱磁通变频调速。
3.2 u/f控制
主电路中逆变器采用BJT,用PWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f和电压指令U,而f和U之间的关系是由U/f曲线发生器决定的。这样经PWM控制之后,变频器的输出频率与输出电压之间的关系就,就是U/f曲线发生器所确定的关系。转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小,即转差率的大小来决定。负载变化时,在f不变的条件下,转子转速将随负载转矩变化而变化,故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较的场合。U/f控制是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路简单,负载可以是通用标准电动机,所以通用性强,经济性好,是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
3.3 转差频率控制
根据速度传感器的检测,可以求出转差频率△f,再把它和速度设定值f相叠加,以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1*,就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比,其调速精度大为提高。但是使用速度传感器求取转差频率,要针对具体电动机的机械特性调整控制参数,因而这种控制方式的通用性差。
4.系统自动控制的实现
4.1控制系统的工作原理
本系统是用单片机控制的变频器实现的罗茨风机调速系统。其主要硬件是MSC8051单片机,变频器,压力变送器,罗茨风机。该系统中单片机起到控制器的作用,变频器和罗茨风机是执行机构。通过设置在罗茨鼓风机负压侧的压力变送器得到系统的反馈信号,并且将其转化成了标准的电流或者电压信号,再经过A/D转换变成数字信号传送到单片机,然后由单片机实现PI压力调节,显示功能。最后输出控制量,作为变频器的模拟量给定信号,由变频器输出SPWM调制的频率可调的电压来控制罗茨风机电动的转速。从而整个系统实现闭环控制。达到准确控制,节能的目的。
4.2 控制器的硬件设计
单片机:选用MCS-8051单片机,由于本系统的设计目的是罗茨风机的简单调速系统,所以系统不要求有复杂的控制功能。因此本系统选用最小系统,不需要对单片机的进行外部存储器的扩展。由于8051单片机的输入输出口数目的限制,所以系统扩展了并行通信口8255A作为A/D,D/A的接口芯片。系统还具有简单的键盘输入和显示作用,通过8279控制键盘和显示器。
变频器:变频器选用西门子公司的Ec01-110k13kw 变频器。
变送器:选用BYD-8系列压力变送器。
键盘显示部分是用单片机控制8279键盘显示电路,由小键盘和6个8段数码LED组成。可以通过键盘对系统的PI的参考量进行预制,这样使系统增加了很的可移植行和方便了系统的调试。本系统还可以随时跟踪显示罗茨风机负压侧的压力,方便了操作人员对系统监控。
4.3系统的软件设计
系统软件是计算机控制系统的一个关键组成部分,软件的质量直接关系到整个控制系统的效率和性能。根据控制系统的目标需求,对控制软件的功能进行合理的划分,再采用模块化的设计原则,确定各个模块所要完成的功能,整个控制软件完成数据的输入,显示以及PI调整功能。整个单片机系统不但起到了控制作用而且充当简单的上下位机作用。
PI控制器可以使原系统更加稳定准确,环节P用来使系统快速的动作,但遗憾的是有余差存在;积分控制可以消除余差,但是容易使系统的控制过程产生震荡,且时间延迟很长,被控变量波动幅度也很大。应用PI控制,可以很好的改善以上单独使用的不足,使系统控制变的准确。虽然PI控制还存在很多不足,但是在本系统中,由于对压力的控制要求不是十分的严格,所以应用PI控制就可以很好的完成控制要求。对于PI控制器的参数整定有多种方法,如:临界比例度法,衰减曲线法,PID归一参数法等方法。但是在工业中最长使用的是经验法。这种方法是工人师傅几十年操作经验的积累,逐步的反复的试凑,最后得到控制器的适合参数。在PI控制器的设计上,本系统采用了积分分离法防止积分的饱和。
5.小结
本文系统的介绍了整个系统的设计过程。首先讨论了各种罗茨鼓风机风量调节方法以及他们各自的特点,而突出了变频调速的优点。然后系统的说明了变频器的原理以及分类,根据各方面的比较选择该系统所用到的电压型变频器,根据所用的频器的基础上,确定变频器的相关参数。最后根据在工业现场采集到的数据进行数学上的仿真,完成控制器的软件设计。

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