碱赤泥浆流量控制系统中的变频调速系统设计

本科生课程设计（论文）PAGE辽宁工业大学交流调速控制系统（论文）题目：碱赤泥浆流量控制过程中的变频调速系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2013/6/24-2013/7/

课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目碱赤泥浆流量控制过程中的变频调速系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：在某工业过程中，需要将碱赤泥浆原料从化碱池中输送到碱赤泥浆槽中。输送设备采用泵，泵的驱动设备为交流电动机。通过控制电动机的转速来控制碱赤泥浆的流量，设计该控制过程中的变频调速系统。设计任务及要求：1、设计控制系统的结构原理图；2、选择合适的仪表、执行机构、控制系统；3、给出变频器参数设置的步骤；4、给出控制器的算法；5、设计出控制系统监控画面的草图；技术参数：1、化碱池与碱赤泥浆槽的高度差为10米，化碱池与碱赤泥浆槽的地面距离为25米，碱赤泥浆最大流量为200t/h。流量控制系统的稳态误差要求为5%以内。2、碱赤泥浆流量的范围为0-200t/h；3、交流电动机的额定功率35Kw，额定电压380V，额定电流15A，额定转速1450rpm4、速度控制系统的精度在±2%以内。进度计划1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（1天）；3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；4、控制方案设计及实现（4天）；5、撰写课设论文（1.5天）；6、设计结果考核（0.5天）；指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算本科生课程设计（论文）摘要本文讲述的是设计控制变频调速系统，将碱赤泥浆原料从化碱池中输送到碱赤泥浆槽中，输送设备采用泵，泵的驱动设备为交流电动机，通过控制电动机的转速来控制碱赤泥浆的流量。变频器在工业生产领域和民用生活领域都得到了广泛的应用，特别是通用变频器和异步电动机结合起来，实现对生产机械的调速传动控制，简称变频器传动。变频器传动具有它固有的优势，应用到不同的生产机械或设备上，可以体现不同的功能，达到不同的目的，受到相应的效益。变频调速系统通过改变电动机电源频率实现速度调节，是一种理想的高效率、高性能的调速手段，变频调速可以大大地提高工艺的高效性和产品的质量，而交流变频器是实现这一功能的重要装置。关键词：变频调速、变频器传动、变频器。目录第1章绪论 1第2章课程设计的原理 32.1变频调速原理 32.2系统组成原理图 42.3控制系统结构原理图 5第3章变频器的应用 63.1变频器的选择 63.2PLC 73.3流量计 73.4泵 73.5电动机 73.6变频器的参数设置 73.7控制器的运算 13第4章变频器的连线 154.1变频器与主电路接线 154.2变频器与PLC的连线 15第5章控制系统监控画面的草图 18第6章课程设计总结 19参考文献 20PAGE20绪论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控制设备。变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。早期通用变频器如东芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多数为开环恒压比（V／F=常数）的控制方式．其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调这场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电视转矩利用率不高，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。对变频器U／F控制系统的改造主要经历了三个阶段；第一阶段：磁通轨迹法。八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的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，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。第二阶段：矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外．它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。第三阶段：直接转矩控制。1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。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；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。课程设计的原理变频调速原理恒压恒频的交流电转化成电压可调，频率可调的交流电，以满足电机调速的需求，简称变频调速(2.1)：电动机的转速，m/min：电动机的同步转速，r/min：电动机的转差率s=(n-)/=△n/同步转速则主要取决于频率：（2.2）：—输入频率，Hz：电动机的磁极对数可知变频调速技术的基本原理是电机转速与工作电源输入频率成正比：（2.3）在电动机磁极对数不变的情况下，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由（2.4）（：电磁转矩，：主磁通，：转子电流，:转子回路功率因素，：比例系数)，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁心出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。OUOUf1图2-1恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿控制器交流电动机检测装置反馈值（交流电动机转速）电力电子控制器交流电动机检测装置反馈值（交流电动机转速）电力电子装置设定值(交流电机转速)图2-2系统组成原理图控制系统结构原理图化碱池化碱池流量计碱赤泥浆槽PLC变频器电机泵图2-3控制系统结构原理图变频器的应用变频器的选择已知交流电动机的额定功率35Kw，额定电压380V，额定电流15A，额定转速1450rpm。MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。在本次设计中采用三相，交流，（380~480V）±10%，变转矩（VT）：7.50KW~250KW。主要特征：200V-240V

±10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW；380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-250kW；矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；高过载能力，内置制动单元；三组参数切换功能控制功能：线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；

标准参数结构，标准调试软件；

数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；

独立I/O端子板，方便维护；

采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；

内置PID控制器，参数自整定；

集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；

具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；

可实现主/从控制及力矩控制方式；

在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能；

灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；

快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸；

有直流制动和复合制动方式提高制动性能。PLC采用16位超低功耗的混合信号处理器MSP430，包含两个独特的时钟系统，采用矢量中断，支持十多个中断源可以任意嵌套，主要特点有：超低功耗，有强大的处理能力，高性能模拟技术以及丰富的片上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境等流量计选择COPA-XE电磁流量计，是传感器与信号转换器设计成一体的电磁流量计，可以用于精确测量电导率大于5μS/cm的液体，纸浆和矿浆的流量。流量计口径DN20；公称压力：4.0MPa；最小流量范围：0~7.5L/m；流速0~0.5m/s；最大流量范围0~150L/m；流速0~10m/s。注意：不同的励磁方式的选定、响应时间指标、一体/分离型结构的选取、转换器功能和技术指标，尤其注意流量计的安装位置和妥善接地。泵采用氟塑料耐腐蚀泵，型号为25FSB(L)—18，流量为3/h，扬程为18m，配套电动机功率为35KW，该泵是单级单吸悬臂离心泵，直联式结构，泵的过流部件均为氟塑料制造，泵体的内衬材料为聚全氟乙丙烯，使用温度范围为-20℃~100℃电动机选择交流异步电动机Y系列，它硬件构成先进可靠，软件功能完善灵活，控制功能全面精确，I/O、通信接口丰富完备，电机功率大寿命长变频器的参数设置1．变频器的控制方式它是由负载的力矩特性所决定的，电动机的机械负载转矩特性由下式决定：P=Tn／9550式中：P：电动机功率KW．T：电动机转矩N*M．n：电动机的转速rpm。转矩T与转速n的关系可分为3种：恒转矩，恒功率，变转矩。变转矩即转矩随着转速的变化按照一定的函数关系变化的负载，如风机，泵类等。当参数变频器控制方式P1300-0B~，变频器工作在线性u，F方式，此方式能够适应大多数恒转矩负载。如果负载是风机，泵类~P1300=1。在变频调速的时候系统可能会发生共振现象，从而造成系统工作异常甚至机械损坏，为此变频器提供了可跳转频率的功能，P1091一P1094用于设置跳转频率点PI101用于设置跳频带宽，从而避免共振。当P1300=3时变频器的工作在可编程的u，F控制方式。P1320．P1322．P1324提供了可编程频率坐标，p1321．P1323．P1325提供了可编程的电压坐标，该方式能在某一特定频率下为电动机提供特定的转矩以适应负载的变化。矢量控制是仿照直流电动机的控制思想对异步电动机进行控制，首先将定子三相电流通过坐标换算成励磁电流分量和电枢电流分量并且分别对这2个量进行控制。因此电动机的机械特性是非常硬的而且具有很高的动态响应能力。2.加/减速时间加速时间定义为输出频率从0上升到最大频率所需要的时间，减速时间定义为输出频率从最大下降到O所需要的时间。加／减速时间设置的合理与否对电动机的起动，停止，以及调速系统对速度变化的响应都有很大的影响。加速时间的设置应该把电动机的定子电流限制在变频器的额定电流以内而不使过流保护装置动作。电动机在减速过程中处于再生发电制动状态，其回馈的能量通过逆变器上的续流二极管反送到直流母线的电解电容器上，从而使其起两端的电压升高。因此减速时间的设置是以直流母线的电压不超过过电压报警值即可。加速时间的计算公式：fa=(Jm+J1)*n/(9．56*(Tma-T1))减速时间的计算公式：tb=(Jm+J1)*n/(9．56(Tmb-T1))式中：Jm：电动机惯量J1：负载惯量Tma：电动机的驱动转矩Tmb：电动机的制动转矩Tl：负载转矩．n：电动机转速利用公式加/减速时间就可以计算出来，但是也可以用经验法来进行计算：首先，使拖动系统全速运行(工作频率为5OHz)，然后切断电源使拖动系统处于自由制动状态，用秒表测量。其转速下降到Orpm所需要的时间，即可以知道其转动惯量的大小。通常时间常数可选择为按自由制动时间的1/5~1/3。最后重复上述过程，观察变频器有无过流或过压报警，调整加、减速时间的设定值，以无报警为原则确定最佳时间常数。3．转动惯量的设置电动机与所带负载的转动惯量的设置往往被忽视，认为只要加/减速时间设置正确就可以保证系统正常工作，其实如果其设置不当会导致系统震荡或者变频器报警等等。转动惯量公式：J=T/(dω/dt),式中T：电动机转矩,m：电动机角速度,t：时间。电动机与负载转动惯量的获得方法：首先让变频器工作在适当的频率，如：5H10Hz，分别让电动栅空载和带负载运行，读出参数r0333电动机额定转矩和r0345电动机的起动时间，然后设置参数r0341电动机的转动惯量和P0342驱动装置总惯量与电动机惯量之比，这样变频调速系统才能达到令人满意的效果。4．快速调试在使用变频器驱动电动机之前必须进行快速调试。参数P0010=l(开始进行快速调试)；在调试过程当中一定要向变频器正确输入电动机的铭牌参数。当变频器的额定功率大于其所驱动的电动机的额定功率时，应该合理设置参数P0640(电动机的过载因子)以防止电动机因过载而损坏。在有，无传感器反馈的的矢量控制方式下电动机的数据自动检测(P1910)必须处在冷态(常温)下进行。如果电动机运行的环境温度与缺省值(20℃)相差很多时还必须设置P0625(电动机运行的环境温度)为实际温度值。P3900=3(结束快速调试，进行电动机计算单不进行I/复位)则接通电动机进行参数自动检测，当检测完成后报警A0541自动消失，变频器进入“运行准备就绪”状态。5.动态缓冲功能本功能用于定义在电压下降或者瞬时欠电压时变频器自动进行欠压补偿。适当降低频率以发电机模式来运行电动机，通过负载能量回馈并与此能量供给变频器来维持不跳闸运行。首先使参数P2800=1使能动态缓冲功能然后根据公式设定动态缓冲接通电平P1245的值，如果设置过大将会干扰传动装置的正常运行。最后根据P1256选择的对应措施确定动态缓冲的保持速度折算为变频器的输出频P1257。直流电压控制器的配置P1240=2[最大直流电压控制器(动态缓冲使能)]6.负载制动当生产机械要求迅速减速或停车时就会产生电动机再生发电制动能量的消耗的问题，负载的动能由电动机转换成电后能通过逆变器上的续流二极管反送回直流母线。由于直流电能无法通过交一直不可控整流电路回送给交流电网而仅靠直流母线上的电解电容器来吸收，所以在电解电容器上形成“泵升电压”使直流母线的电压升高，而且过高的直流电压将导致变频器产生过电压报警。因此MM440变频器提供了电阻能耗制动功能，利用其内部的制动单元和外部的制动电阻将制动时产生的回馈电能以热能的形式消耗掉，从而保证变频调速系统的可靠制动。我国的电网电压波动较大，故此不能因为电网电压的升高导致使制动单元误动作，制动限值电压所以应该足够高。但是应该尽量使变频器工作在额定电压附近，这样有利于其安全运行所以参数P2172(直流电路的门限电压)必须根据现场的实际情况进行合理设置，然后P1240=1(直流电压控制器的配置：最大直流电压控制器使能动力制动)。停止周期P1237根据负载情况可以选择数值1～5(工作停止周期：5％，10％，20％，50％，100％)。制动电阻阻值和容量的选择应该不小于选型手册中给出的数值，否则将会导致变频器和制动电阻的损坏。7．转矩提升本功能又叫转矩补偿，它是补偿因电动机定子绕组的电阻而引起的在低速时电动机的转矩下降，而把低频率范围的U/F增大的方法。参数P131O继续提升，P1311加速提升，P1312起动提升应该根据负载的机械特性通过试验而确定合适的数值，当P1310，P131l，P13l2一起使用时提升值是各个提升值共同作用的结果，但是这些参数的优先级别为：P1310>P13l1>P1312。P1316(提升结束点的频率)：提升结束频率相对于电动机额定频率的百分比。在参数设置的时候一定要遵循从小到大的原则，否则在负载比较轻的情况下被过分提升了的U/F将使电动机的磁路处于过饱和的状态，此时励磁电流的波形将畸变为峰值很大的尖顶波而引起变频器的过电流跳闸。图3-1操作面板操作过程如下：按I键启动电机，电源投入时监视器开始显示画面。按P键，访问参数。（当Fn+P键时显示AOP菜单）按功能键Fn，可以在各种参数之间切换。在显示任何参数(rxxxx或Pxxxx)时短时按下此键，将立即跳转到r0000。如果需要的语，可以接着改变附加参数。跳转到r0000后，按此键将返回到起始点。此时按“上”或“下”键进行对参数的加减操作。闪烁，参数设置完毕。默认参数配置如下：电动机的额定功率P0307电动机的额定电压P0304电动机的额定电流P0305电动机的额定频率P0310建议采用西门子的标准电动机，满足以下条件：由数字输入端控制通过模拟输入1输入设定值P1000=2感应电动机P0300=1电动机冷却方式为自冷P0335=0电动机的过载系数P0640=150%最小频率P1080=0HZ最大频率P1082=50HZ斜坡上升时间P1120=10s斜坡下降时间P1121=10s线性的V/f特性P1300=0在满足以上条件的情况下进行变频器参数设定并且调试，流程如下：图3-2参数设置流程图控制器的运算PID调节器各校正环节的作用

1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。1、利用内部PID增量式算法作为控制器的主要算法，基本公式为：（3.1）2、控制器第k个采样时刻输出值为：（3.2）3、控制器第（k-1）个采样时刻输出值为：（3.3）4、将两式相减得增量式PID控制算法公式为：（3.4）其中，位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：（3.5）这就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由求出控制量。图3-3PID流程图变频器的连线变频器与主电路接线变频器输入（R、S、T）输出（U、V、W），如下图所示：图4-1变频器与主电路连接示意图变频器与PLC的连线在现在生产条件下，当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是需要采用PLC和变频器相配合使用，例如轴承清洗、包装纸印刷、PCB板制作等。PLC可通过输出点或由通讯提供各种控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统主要由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程部分。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，故将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点：

（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

（2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器、电抗器和能降低噪音用的器件等，另外，若有必要，在变频器输入一侧也应采取相应的措施。

（3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。

（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。PLC在与变频器连接使用时应注意以下问题，以免导致可编程控制器或变频器的误动作或损坏，给自身和生产造成不必要的影响。图4-2PLC与变频器连接示意图变频器的端子总连线图PLC的模拟量输出0~5V电压或者4~20mA电流，将其有变频器的模拟电压或者模拟电流输入端输入，对于西门子440变频器，需要将其接入选件接口端子5。电源使用内部电源，端子10-5之间输出5V直流，PR.73设定为0时，为5直流电0~5V输入；设置PR.73为1时，则为直流电0~10V输入。当电流输入时，将调解器的输出信号0~20mA输入到端子4-5之间就可以实现自动运行。用4-20mA运行时，需要把信号AU-SD短接。在多段信号被输入的情况下，电流输入无效。具体如下图4-3。图4-3变频器端子接线图控制系统监控画面的草图图5-1监控草图I：启动电动机，按此键启动变频器