羅茨鼓風機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉風機等機械設備公司，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)品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。

羅茨風機變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)從根本上解決了羅茨風機大啟動力矩而配用大功率電機的問題，節(jié)能效果非常顯著。能夠解決羅茨風機低負荷運行，羅茨風機開度當板小而引起的風紀震動問題，使羅茨鼓風機運行更加穩(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)；另外羅茨風機轉速的降低大大提高了羅茨風機軸承的使用壽命。提高了設備運行時間，延長了設備的檢修周期。
2.變頻調(diào)速裝置在羅茨風機上的應用
羅茨風機的流量，運行壓力，軸功率這三個基本參數(shù)與轉速的運算公式極其復雜，同時羅茨風機類負荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化。在工程中一般根據(jù)羅茨風機的運行曲線，進行大致的參數(shù)運算，通過改變羅茨風機的管網(wǎng)特性曲線來實現(xiàn)對羅茨風機的風量的調(diào)節(jié)；通過改變羅茨風機葉片的角度來實現(xiàn)對羅茨風機的風量調(diào)節(jié)；通過改變羅茨風機的轉速來實現(xiàn)羅茨風機的風量調(diào)節(jié)。
取代老式的依靠擋板改變流量的方式，達到節(jié)能的效果；精確地調(diào)節(jié)速度和流量，保證工藝質(zhì)量；接受計算機的模擬或數(shù)字信號，進行實時控制；動態(tài)性能好，可實現(xiàn)“軟”啟動。變頻裝置的特性保證了電機啟動和加速時具有消除啟動對電機的沖擊，可以提高電機和機械的使用壽命。
3.變頻調(diào)速技術
3.1變頻調(diào)速的基本原理
對異步電動機進行調(diào)速控制時，希望電動機的主磁通Фm保持額定值不變。磁通太弱，電動機帶負載能力下降，磁通太強，形成過飽和，將引起勵磁電流波形畸變。由上可見,Фm值由e1和fl共同決定，對e1和fl進行適當控制，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方式進行控制。逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時受控于頻率指令f和電壓指令U，而f和U之間的關系是由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系就，就是U/f曲線發(fā)生器所確定的關系。轉速的改變是靠改變頻率的設定值來實現(xiàn)的。電動機的實際轉速要根據(jù)負載的大小，即轉差率的大小來決定。負載變化時，在f不變的條件下，轉子轉速將隨負載轉矩變化而變化，故它常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較的場合。U/f控制是轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準電動機，所以通用性強，經(jīng)濟性好，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 轉差頻率控制
根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉差頻率△f，再把它和速度設定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1*，就實現(xiàn)了轉差補償。這種實現(xiàn)轉差補償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉差頻率控制方式。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差頻率，要針對具體電動機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性差。
4.系統(tǒng)自動控制的實現(xiàn)
4.1控制系統(tǒng)的工作原理
本系統(tǒng)是用單片機控制的變頻器實現(xiàn)的羅茨風機調(diào)速系統(tǒng)。其主要硬件是MSC8051單片機，變頻器，壓力變送器，羅茨風機。該系統(tǒng)中單片機起到控制器的作用，變頻器和羅茨風機是執(zhí)行機構。通過設置在羅茨鼓風機負壓側的壓力變送器得到系統(tǒng)的反饋信號，并且將其轉化成了標準的電流或者電壓信號，再經(jīng)過A/D轉換變成數(shù)字信號傳送到單片機，然后由單片機實現(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，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機電動的轉速。從而整個系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。達到準確控制，節(jié)能的目的。
4.2 控制器的硬件設計
單片機：選用MCS-8051單片機，由于本系統(tǒng)的設計目的是羅茨風機的簡單調(diào)速系統(tǒng)，所以系統(tǒng)不要求有復雜的控制功能。因此本系統(tǒng)選用最小系統(tǒng)，不需要對單片機的進行外部存儲器的擴展。由于8051單片機的輸入輸出口數(shù)目的限制，所以系統(tǒng)擴展了并行通信口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控制8279鍵盤顯示電路，由小鍵盤和6個8段數(shù)碼LED組成。可以通過鍵盤對系統(tǒng)的PI的參考量進行預制，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)還可以隨時跟蹤顯示羅茨風機負壓側的壓力，方便了操作人員對系統(tǒng)監(jiān)控。
4.3系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)軟件是計算機控制系統(tǒng)的一個關鍵組成部分，軟件的質(zhì)量直接關系到整個控制系統(tǒng)的效率和性能。根據(jù)控制系統(tǒng)的目標需求，對控制軟件的功能進行合理的劃分，再采用模塊化的設計原則，確定各個模塊所要完成的功能，整個控制軟件完成數(shù)據(jù)的輸入，顯示以及PI調(diào)整功能。整個單片機系統(tǒng)不但起到了控制作用而且充當簡單的上下位機作用。
PI控制器可以使原系統(tǒng)更加穩(wěn)定準確，環(huán)節(jié)P用來使系統(tǒng)快速的動作，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，且時間延遲很長，被控變量波動幅度也很大。應用PI控制，可以很好的改善以上單獨使用的不足，使系統(tǒng)控制變的準確。雖然PI控制還存在很多不足，但是在本系統(tǒng)中，由于對壓力的控制要求不是十分的嚴格，所以應用PI控制就可以很好的完成控制要求。對于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)中最長使用的是經(jīng)驗法。這種方法是工人師傅幾十年操作經(jīng)驗的積累，逐步的反復的試湊，最后得到控制器的適合參數(shù)。在PI控制器的設計上，本系統(tǒng)采用了積分分離法防止積分的飽和。
5.小結
本文系統(tǒng)的介紹了整個系統(tǒng)的設計過程。首先討論了各種羅茨鼓風機風量調(diào)節(jié)方法以及他們各自的特點，而突出了變頻調(diào)速的優(yōu)點。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)所用的頻器的基礎上，確定變頻器的相關參數(shù)。最后根據(jù)在工業(yè)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學上的仿真，完成控制器的軟件設計。

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