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　　基于PLC的變頻器風機控制系統設計

　　蔡學明

　　（煙臺環境設備有限公司，中國煙臺）

　　摘要：風機作為礦山企業必不可少的設備與企業的生產效率緊密相關，隨著能源的日益緊缺，企業中的設備節能問題就顯得尤為重要。本次設計使用PLC來對電鋸開啟數量檢測，進而結合變頻器來控制風機的轉速。從而達到節能的效果。

　　關鍵詞:PLC；變頻器；風機

　　ToDesignofControlSystemforFrequencyConverterFanBasedonMATLAB

　　前言

　　我國是化石能源儲量較少的國家，煤的儲量占世界第3位，石油和天然氣只占世界第10位。因此節能能源是基本國策。據統計，全國發電量的60%通過電機轉換能量。在十一五規劃中，把電機系統節能放到了重要的位置。電機系統節能主要表現在二個方面：一是節能電機，如永磁同步電機。二是電機調速節電。變頻調速體積小、重量輕、轉矩大、精度高、功能強、可靠性高、操作簡單、便于通信等優點。

　　變頻器是利用電力半導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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。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，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

　　變頻器可以從四個方面節電。第一，軟啟動。一般交流電機的啟動電流為電機額定電流的6-7倍。變頻調速后啟動電流不超過電機的額定電流。第二，節省設計冗余。一般設計都按照使用時的極端條件，因而都留有設計冗余，有的冗余量很大，形成大馬拉小車，變頻調速可以把冗余節省下來。第三，是調速節電。按流體力學原理，軸功率正比速度的立方，轉速下降，軸功率變小。這是變頻調速的主要節電原理。第四，系統功率因數高。一般在0.95以上，節省無功，減輕了變壓器的負擔。

　　1、變頻器調速原理及控制方式

　　1.1變頻器調試原理

　　交流電動機的同步轉速表達式位：

　　n＝60f(1－s)/p(1)

　　式中：n為異步電動機的轉速；

　　F為異步電動機的頻率；

　　S為電動機轉差率；

　　P為電動機極對數。

　　由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

　　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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。

　　1.2.2直接轉矩控制（DTC）方式

　　該技術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、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

　　1.2.3矢量控制（VC）方式

　　矢量控制變頻調速方法是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

　　1.2.4正弦脈寬調制（SPWM）控制方式

　　正弦脈寬調制控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，但此控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

　　1.2.5矩陣式交—交控制方式

　　VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。其控制實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是：

　　1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式；

　　2、自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；

　　3、算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制；

　　4、實現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制。

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

　　2、系統硬件設計

　　2.1變頻器的選型

　　由于本次設計中所用的風機為三相380V11KW，因此將選用HLP-A系列HLPA001143B變頻器。此變頻器的特點如下：

　　以大規模電機控制IC+IGBT為核心，具有多種保護功能，整機可靠性高。

　　對進線電壓適應性強，波動可達±20%特別適用于電網質量較差的國家和地區。

　　軟件功能強大，內置有多種控制方式，廣泛應用于各種工業場合的控制要求。

　　內置PID調節器，可方便地構成閉環控制系統。

　　內置簡易PLC，具有牽升、擾動、多段速控制、程序運行等多種功能。

　　高輸出扭矩，1Hz時可達150%，頻率解析度高達0.01Hz。

　　過載能力強，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。

　　2.2PLC的選型

　　根據設計要求，設備中的PLC要求7輸入/4輸出，因此本次設計將選用歐姆龍CPM1A系列進行討論。其特點如下：

　　1.豐富的指令集；2.簡便可靠的安裝；3.小巧緊湊的結構；

　　4.靈活的系統配置；5.強大的模擬量處理能力；6.豐富的模塊種類；

　　7.高性能的運動控制；8.優秀的控制功能；9.獨特的掉電保護；

　　10.實用的離線仿真；11.標準的編程語言；12.較強的通信功能；

　　2.3熔斷器類型的選擇

　　熔斷器類型應根據負載的保護特性和短路電流的大小來選擇。對于保護照明和電動機的熔斷器，一般只考慮它們的過載保護，熔體的熔化系數適當小些。對于大容量的照明線路和電動機，除過載保護外，還應考慮短路時分斷短路電流的能力來選擇。當短路電流較大時，還應采用具有高分斷能力的熔斷器甚至用具有限流作用的熔斷器。此外，還應根據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載大小、負載性質有關。對于負載平穩、無沖擊電流，如一般照明電路、電熱電路可按負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機負載，為達到短路保護的目的，又保證電動機正常起動，對籠型感應電動機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：RL1-40。

　　3、主電路圖

　　本次設計中PLC的主要作用是采集電鋸開關信號、計算以及控制變頻器的輸出頻率。電鋸投入運行信號的采集。

　　用電鋸工作時控制接觸器的一對常開輔助觸點控制一個中間繼電器，中間繼電器要選用最少有倆對常開觸點的。用其中一對接入PLC的一個輸入點，另一對控制一個氣閥，氣閥再帶動氣缸，用氣缸啟閉設備上的風口。這樣就實現了PLC對投入電鋸信號的接收，也實現了風口的自動啟閉，簡單實用。系統的控制總圖如圖1所示。

　　4、軟件系統設計

　　本文所設計系統，通過信號系統，進行數據分析，計算得出啟動不同電機所需風量及系統的耗電量。控制流程圖如圖2所示。

　　5、結論

　　隨著我國經濟的高速發展，微電子技術，計算機技術，自動化控制技術都得到了迅速發展，交流變頻調速技術也已經進入了一個嶄新的時代，其應用越來越多。本文所設計系統應用于一個電鋸車間使用11KW的吸塵風機來清理鋸屑車間中共有五臺電鋸。當電鋸的開啟數量不同時所要求的風量是不同的，即所要求的風機轉速也是不同的。通過PLC控制變頻器輸出，控制風機轉速，從而達到風機節能的效果。