羅茨鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場(chǎng)好評(píng)和認(rèn)可。

羅茨風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從根本上解決了羅茨風(fēng)機(jī)大啟動(dòng)力矩而配用大功率電機(jī)的問題，節(jié)能效果非常顯著。能夠解決羅茨風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，羅茨風(fēng)機(jī)開度當(dāng)板小而引起的風(fēng)紀(jì)震動(dòng)問題，使羅茨鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定。閉環(huán)控制系統(tǒng)的建立使控制更加穩(wěn)定裝置操作更加平穩(wěn)；另外羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低大大提高了羅茨風(fēng)機(jī)軸承的使用壽命。提高了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)了設(shè)備的檢修周期。
2.變頻調(diào)速裝置在羅茨風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
羅茨風(fēng)機(jī)的流量，運(yùn)行壓力，軸功率這三個(gè)基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速的運(yùn)算公式極其復(fù)雜，同時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)類負(fù)荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化。在工程中一般根據(jù)羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，進(jìn)行大致的參數(shù)運(yùn)算，通過改變羅茨風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)特性曲線來實(shí)現(xiàn)對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的調(diào)節(jié)；通過改變羅茨風(fēng)機(jī)葉片的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)；通過改變羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。
取代老式的依靠擋板改變流量的方式，達(dá)到節(jié)能的效果；精確地調(diào)節(jié)速度和流量，保證工藝質(zhì)量；接受計(jì)算機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；動(dòng)態(tài)性能好，可實(shí)現(xiàn)“軟”啟動(dòng)。變頻裝置的特性保證了電機(jī)啟動(dòng)和加速時(shí)具有消除啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊，可以提高電機(jī)和機(jī)械的使用壽命。
3.變頻調(diào)速技術(shù)
3.1變頻調(diào)速的基本原理
對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通Фm保持額定值不變。磁通太弱，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力下降，磁通太強(qiáng)，形成過飽和，將引起勵(lì)磁電流波形畸變。由上可見,Фm值由e1和fl共同決定，對(duì)e1和fl進(jìn)行適當(dāng)控制，就可以使氣隙磁通Фm保持額定值不變。分兩種：基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速，即從電機(jī)額定頻率f調(diào)速；基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速。
3.2 u/f控制
主電路中逆變器采用BJT，用PWM方式進(jìn)行控制。逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于頻率指令f和電壓指令U，而f和U之間的關(guān)系是由U/f曲線發(fā)生器決定的。這樣經(jīng)PWM控制之后，變頻器的輸出頻率與輸出電壓之間的關(guān)系就，就是U/f曲線發(fā)生器所確定的關(guān)系。轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要根據(jù)負(fù)載的大小，即轉(zhuǎn)差率的大小來決定。負(fù)載變化時(shí)，在f不變的條件下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而變化，故它常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較的場(chǎng)合。U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。
3.3 轉(zhuǎn)差頻率控制
根據(jù)速度傳感器的檢測(cè)，可以求出轉(zhuǎn)差頻率△f，再把它和速度設(shè)定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1*，就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式。與U/f控制方式相比，其調(diào)速精度大為提高。但是使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率，要針對(duì)具體電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性差。
4.系統(tǒng)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)
4.1控制系統(tǒng)的工作原理
本系統(tǒng)是用單片機(jī)控制的變頻器實(shí)現(xiàn)的羅茨風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。其主要硬件是MSC8051單片機(jī)，變頻器，壓力變送器，羅茨風(fēng)機(jī)。該系統(tǒng)中單片機(jī)起到控制器的作用，變頻器和羅茨風(fēng)機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過設(shè)置在羅茨鼓風(fēng)機(jī)負(fù)壓側(cè)的壓力變送器得到系統(tǒng)的反饋信號(hào)，并且將其轉(zhuǎn)化成了標(biāo)準(zhǔn)的電流或者電壓信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，然后由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PI壓力調(diào)節(jié)，顯示功能。最后輸出控制量，作為變頻器的模擬量給定信號(hào)，由變頻器輸出SPWM調(diào)制的頻率可調(diào)的電壓來控制羅茨風(fēng)機(jī)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速。從而整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。達(dá)到準(zhǔn)確控制，節(jié)能的目的。
4.2 控制器的硬件設(shè)計(jì)
單片機(jī)：選用MCS-8051單片機(jī)，由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是羅茨風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)單調(diào)速系統(tǒng)，所以系統(tǒng)不要求有復(fù)雜的控制功能。因此本系統(tǒng)選用最小系統(tǒng)，不需要對(duì)單片機(jī)的進(jìn)行外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。由于8051單片機(jī)的輸入輸出口數(shù)目的限制，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了并行通信口8255A作為A/D，D/A的接口芯片。系統(tǒng)還具有簡(jiǎn)單的鍵盤輸入和顯示作用，通過8279控制鍵盤和顯示器。
變頻器：變頻器選用西門子公司的Ec01-110k13kw 變頻器。
變送器：選用BYD-8系列壓力變送器。
鍵盤顯示部分是用單片機(jī)控制8279鍵盤顯示電路，由小鍵盤和6個(gè)8段數(shù)碼LED組成?？梢酝ㄟ^鍵盤對(duì)系統(tǒng)的PI的參考量進(jìn)行預(yù)制，這樣使系統(tǒng)增加了很的可移植行和方便了系統(tǒng)的調(diào)試。本系統(tǒng)還可以隨時(shí)跟蹤顯示羅茨風(fēng)機(jī)負(fù)壓側(cè)的壓力，方便了操作人員對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控。
4.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，軟件的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和性能。根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)需求，對(duì)控制軟件的功能進(jìn)行合理的劃分，再采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，確定各個(gè)模塊所要完成的功能，整個(gè)控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及PI調(diào)整功能。整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)不但起到了控制作用而且充當(dāng)簡(jiǎn)單的上下位機(jī)作用。
PI控制器可以使原系統(tǒng)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，環(huán)節(jié)P用來使系統(tǒng)快速的動(dòng)作，但遺憾的是有余差存在；積分控制可以消除余差，但是容易使系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生震蕩，且時(shí)間延遲很長(zhǎng)，被控變量波動(dòng)幅度也很大。應(yīng)用PI控制，可以很好的改善以上單獨(dú)使用的不足，使系統(tǒng)控制變的準(zhǔn)確。雖然PI控制還存在很多不足，但是在本系統(tǒng)中，由于對(duì)壓力的控制要求不是十分的嚴(yán)格，所以應(yīng)用PI控制就可以很好的完成控制要求。對(duì)于PI控制器的參數(shù)整定有多種方法，如：臨界比例度法，衰減曲線法，PID歸一參數(shù)法等方法。但是在工業(yè)中最長(zhǎng)使用的是經(jīng)驗(yàn)法。這種方法是工人師傅幾十年操作經(jīng)驗(yàn)的積累，逐步的反復(fù)的試湊，最后得到控制器的適合參數(shù)。在PI控制器的設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)采用了積分分離法防止積分的飽和。
5.小結(jié)
本文系統(tǒng)的介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。首先討論了各種羅茨鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)方法以及他們各自的特點(diǎn)，而突出了變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。然后系統(tǒng)的說明了變頻器的原理以及分類，根據(jù)各方面的比較選擇該系統(tǒng)所用到的電壓型變頻器，根據(jù)所用的頻器的基礎(chǔ)上，確定變頻器的相關(guān)參數(shù)。最后根據(jù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的仿真，完成控制器的軟件設(shè)計(jì)。

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