风机变频调速

姓 名：学 号：系 部：班 级：指导老师： 交流变频器调速

二0一0年十一月

内容摘要

交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有重要意义。但是，过去由于各种原因，如变频器的价格、质量、容量等因素的约束，没有得到广泛应用。近年来随着IC 产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，可靠性增强，容量增大（已达到400KW ），变频器的使用已成倍增长。

本文介绍风机的变频调速发展和技术现状，并从变频器在风机上的应用展开探讨。

关键字：异步电机、变频器、变频调速、三菱plc

目录

内容摘要 . ............................................................................................................................................................. I I 关键字 . ................................................................................................................................................................. I I

引言 . ..................................................................................................................................................................... 1

第1章 绪论 . ..................................................................................................................................................... 2

1.1 采用变频器对风机调速的意义 ........................................................................................................... 2

1．2风机调速的特点 ................................................................................................................................. 2

1.2.1 风机调速方案讨论 .................................................................................................................... 2

1.2.2 风机变频调速的实现 ................................................................................................................ 4

1.3 变频调速应用 . ...................................................................................................................................... 4

第2章 硬件选型与安装 . ................................................................................................................................... 5

2.1 FR-S500系列变频器基本结构和工作原理 . ........................................................................................ 5

2.1.1 变频器的基本构成 .................................................................................................................... 5

2.1.2 变频器的调速原理 .................................................................................................................... 6

2.1.3 变频器的额定值和频率指标 .................................................................................................... 6

2.1.4变频器参数整定 ......................................................................................................................... 7

2.2 可编程控制器 . ...................................................................................................................................... 7

2.2.1三菱PLC-FX2N 简介 ............................................................................................................... 7

2.2.2 三菱PLC-FX2N 功能 ............................................................................................................... 8

第3章 软件组态 . ............................................................................................................................................. 13

3.1 组态王6.5.2的组态 ........................................................................................................................... 13

3.1.1软件配置 . .................................................................................................................................. 13

3.1.2创建新画面 ............................................................................................................................... 14

3.1.3 创建数据库 .............................................................................................................................. 16

3.1.4画面命令语言 ........................................................................................................................... 16

3.2 plc组态 ................................................................................................................................................ 18

3.2.1 plc语言（梯形图） ................................................................................................................. 18

3.2.2 plc控制 ..................................................................................................................................... 18

第4章 总结 . ..................................................................................................................................................... 20

致谢 . ................................................................................................................................................................... 20

参考文献 . ........................................................................................................................................................... 20

引言

在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%~25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

第1章 绪论

1.1 采用变频器对风机调速的意义

通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。本文从我国中小型工厂风机的使用现状出发，设计出了一套基于plc 变频调速风机控制系统。

1．2风机调速的特点

风机调速是指根据生产需要风速进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，这样不仅满足生产的需求又节约了能源。

1.2.1 风机调速方案讨论

风机多为交流异步电机拖动，当电机转速降低时，即可节约能源，经济效益十分显由异步（1-1）（1-2）：

（1-1）

式中：

n 0 : 异步电动机的同步转速

n : 异步电动机转子的转速

p ：电动机的磁极对数

f : 电源频率

s ：转差率

(1-2)

因此改变，电动机的磁极对数p 、改变转差率s 及改变电源频率f 都可以改变转速。 ○1变磁极对数调速

在电源频率一定的情况下，电动机的同步专属与磁极对数成反比，改变电动机磁极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕组的接线方法来改变磁极对数以改变电动机一相绕组为例，电流方向都是一致的，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数p 如果是P=1,2,3等，就可以得到n0=3000,1500,1000r/min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效益显著，效率高，但需要专门的变级电机，是有极调速，而且级差比较大，只适合于特定转速的生产机器。

○2变频调速

变频调速是将电网交流点经过变频器变成电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可以在变速的情况下运行。改变电动机定子频率f 可以平滑地调节同步转速n0 ，相应地也改变转子转速n ，而转差率s 可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电动机堵转；频率减小，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实际应用中，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交—直—交变频器，交—交变频器。

◆ 交—直—交变频器

◆ 交--交变频器

它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过交频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。

1.2.2 风机变频调速的实现

变频器调速是指靠改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在风机变频调速系统中，通过变频器来改变电源的频率f 来改变电机的转速n0改变风机的转速，可以使风机的性能曲线改变，达到调节风机工况目的。

1.3 变频调速应用 煤矿、油田、化工、电厂、机床等等各行各业。

基本上用到电机的行业都是可以使用变频器。

一个是工艺要求，很多地方需要电机转速比工频时快些或者慢些。

另一个是节能效果显著，电机消耗功率与电机转速的三次方成正比，你可以计算下，即使只降低几个频率也是可以省很多电的，尤其大电机。还有就是控制方便，可以远程调节电机的转速。

第2章 硬件选型与安装

FR-S500系列 如图2-1所示

图2-1 变频器FR-S500

2.1 FR-S500系列变频器基本结构和工作原理

2.1.1 变频器的基本构成

变频器分为交一交和交一直一交两

种形式。交—交变频器可将工频交流直接

转换成频率、电压均可控制的交流，交一

直一交变频器则是先把工频交流通过整

流器转换成直流，然后再把直流转换成频 图2-10 交--直--交变频器的基本构成 率、电压均可控制的交流，其基本构成如图2-10所示。主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。

整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流转换成任意频率的三相交流；中间环节又叫中间储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。

2.1.2 变频器的调速原理

因为三相异步电动机的转速公式（1-1）

对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。如何实现磁通不变？根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值为

E 1=4. 44f 1N 1Φm

式中 f 1——电动机定子频率，单位为Hz ；

N 1——定子相绕组有效匝数；

Φm ——每极磁通量，单位为Wb 。

从公式可知，对E 1和f 1进行适当控制即可维持磁通量不变。

因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。

2.1.3 变频器的额定值和频率指标

①输入侧的额定值

输入侧的额定值主要是电压和相数。在我国的中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种：380V/50Hz，200~230V/50Hz或60Hz 。

②输出侧的额定值

◆输出电压U N ，由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。

◆输出电流I N ，是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。 ◆ 输出容量（KV A ），S N 与U N 、I N 的关系为S N =U N I N 。

◆ 配用电动机容量（kw ）P N ，变频器说明书中规定的配用电动机容量，仅适合于长期连续负载。

◆ 过载能力，变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150%I N 、60s ，180%I N 、0.5s 。

③频率指标

◆ 频率范围，即变频器能够输出的最高频率f max 和最低频率f min 。各种变频器规定的频率范围不尽一致，通常，最低工作频率为0.1Hz~1Hz，最高工作频率为120Hz~650Hz。

◆ 频率精度，指变频器输出频率的准确程度。在变频器使用说明书中规定的条件下，由变频器的实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。

频率分辨率，指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种。

2.1.4变频器参数整定

变频器内部存在一个电源模块，断电后数据仍不会丢失所以在做参数设置之前要先将变频器内部的参数清零（恢复出厂设置）方法如下：

① 参数清零

在PU 运行模式下

s30为1—set （显示全部参数）

clr 为10—set （清零所有）

参数清零完成

② 参数设置

在PU 运行模式下

s30为1--set （显示全部参数）

p79为3--set （接收4~20ma信号且仅当Au 为on 时）

◆ s60为4--set

2.2 可编程控制器

2.2.1三菱PLC-FX2N 简介

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运

算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。FX2n 系列是FX 系列PLC 家族中最先进的系列。如图3.2.1所示。由于FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。如图2-1所示：

图2-1三菱PLC FX2N

PLC 实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基

◆中央处理单元（◆存储器

◆输入、输出（I/O◆电源部件 ◆编程器

2.2.2 三菱PLC-FX2N 功能

○1数字量模块

模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J 和K 型热电偶或Pt 传感器开发了温度模块。对每一个FX2n 主单元可配置总计达8个特殊功能模块。

内置式24V 直流电源 24V 、400mA 直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。

图2-2三菱PLCFX2N 硬件结

快速断开端子块 因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。

时钟功能和小时表功能 在所有的FX2NPLC 中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。

持续扫描功能 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。

输入滤波器调节功能 可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。 注解记录功能 元件注解可以记录在程序寄存器中。

在线程序编辑 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。 RUN/STOP 开关 面板上运行/停止开关易于操作。

远程维护 远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 密码保护 使用一个八位数字密码保护您的程序 ○2模拟量模块FX0N-3A

1、特殊功能模块FX0N-3A 的主要性能

FX0N-3A 是具有两路输入通道和一路输出通道，最大分辨率为8位的模拟量I/O模块，模拟量输入和输出方式均可以选择电压或电流，取决于用户接线方式。

FX0N-3A 输入通道主要性能见表2-1，输出通道主要性能见表2-2。

表2-1 FX0N-3A 输入通道主要性能表

表2-2 FX0N-3A 输出通道主要性能表

使用FX0N-3A 时尚需注意：

①模块的电源来自PLC 主单元的内部电路，其中模拟电路电源要求为24VDC ±10%，90mA ，数字电路电源要求为5VDC 30mA。

②模拟和数字电路之间光电耦合器隔离，但模拟通道之间无隔离。 ③在扩展母线上占用8个I/O点（输入或输出） 2、 接线

模拟输入和输出的接线原理图分别如图2-3、2-4所示。接线时要注意，使用电流输入时，端子[Vin]与[Iin]应短接；反之，使用电流输出时，不要短接[VOUT]和[IOUT]端子。

如果电压输入/输出方面出现较大的电压波动或有过多的电噪声，要在相应图中的位置并联一个约25V ，0.1至0.47μF 的电容。

图2-3 模拟输入接线图

图2-4 模拟输出接线图

3、编程与控制

可以使用特殊功能模块读指令FROM （FNC78）和写指令TO （FNC79）读写FX0N-3A 模块实现模拟量的输入和输出。

FROM 指令用于从特殊功能模块缓冲存储器（BFM ）中读入数据，如图2-5（a ）所示。这条语句是将模块号为m1的特殊功能模块内，从缓冲存储器（BFM ）号为m2开始的n

个数据读入PLC ，并存放在从D 开始的n 个数据寄存器中。

图2-5 特殊功能模块读和写指令

TO 指令用于从PLC 向特殊功能模块缓冲存储器（BFM ）中写入数据，如图3-6（b ）所示。这条语句是将PLC 中从[S•]元件开始的n 个字的数据，写到特殊功能模块m1中编号为m2开始的缓冲存储器（BFM ）中。

模块号是指从PLC 最近的开始按No.0→No.1→No.2……顺序连接，模块号用于用于以FROM/TO指令指定那个模块工作。

特殊功能模块是通过缓冲存储器（BFM ）与PLC 交换信息的，FX0N-3A 共有32通道的16位缓冲寄存器（BFM ），如表2-3所示。

表2-3 FX0N-3A 的缓冲寄存器（BFM ）分配

其中#17通道位含义：

b0=0,选择模拟输入通道1；b0=1,选择模拟输入通道2. b1从0到1，A/D转换启动

b2从1到0，D/A转换启动

图2-6是实现D/A转换的例程，图2-7是实现A/D转换的例程 例1： 写入模块号为0的FX0N-3A 模块，D2是其D/A转换值。

图2-6 D/A转换编程示例

例2 ： 读取模块号为0的的FX0N-3A 模块，其通道1的A/D转换值保存到 D0，通道2的A/D转换值保存到D1。

图2-7 A/D转换编程示例

第3章 软件组态

3.1 组态王6.5.2的组态

3.1.1软件配置

北京亚控科技组态王6.5.2工程浏览器如图3-1所示：

图3-1 组态王工程浏览器的界面

3.1.2创建新画面

建立画面：在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，左右侧视图中双击“新建”图标，弹出新建画面对话框，

新建画面属性设置如下： 画面名称：风机监控中心 对应文件：pic00001.pic 画面风格：覆盖式 画面边框：粗边框 画面位置：

左边：0 顶边：0 显示宽度：800 显示高度：600 画面宽度：800 画面高度：600 标题杆：无效 大小可变：无效

在对话框中单机“确定”生成一幅名为“风机监控中心”的画面，如图3-2：

图3-2风机监控中心

3.1.3 创建数据库

在对话框中添加变量如下： 变量名：转速 变量类型I\O整型 变化灵敏度：0 初始值：0 最小值：0 最大值：100 最小原始值：0 最大原始值：100 转换方式：线性 连接设备：PLC 寄存器：D0 数据类型：SHORT 采集频率：500毫秒 读写属性：只写

用类似的方法建立其他属性的变量。 定义的变量如图

3-3

图3-3 数据词典中定义的变量

3.1.4画面命令语言

可以在画面显示时、隐含时或在画面存在期间定时执行画面民命令语言在定义画面的各种图素的动画连接时，可以进行命令语言的连接。

在画面的任意位置单机鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“画面属性”命令，在画

面属性对话框中选择“命令语言”选项，弹出命令语言对话框，如图3-4所示：

图3-4 画面命令语言 在对话框中输入命令语言如下： if(\\本站点\Y0==1) 给Y0赋值为1 {

if(\\本站点\Y1==1) 给Y1赋值为1

{\\本站点\转动数据=\\本站点\转动数据+\\本站点\转速; if(\\本站点\转动数据>=1000) \\本站点\转动数据=0;} if(\\本站点\Y2==1) 给Y2赋值为1

{\\本站点\转动数据=\\本站点\转动数据-\\本站点\转速; if(\\本站点\转动数据

if(\\本站点\Y0==0) 给Y0赋值为0

{\\本站点\Y1=0;\\本站点\Y2=0;}} Y1和Y2都为0 3.1.5建立关联

分别双击画面上的开关、正转、反转、游标、转速、风机建立关联 如表3-1所示： 表3-1 原件与变量关联

3.2 plc组态

3.2.1 plc语言（梯形图）

PLC 梯形图见图3-5：

图3-5 PLC 梯形图 3.2.2 plc控制

◆点击菜单栏上的plc 在下拉菜单中选择遥控运行/停止 如图3-6所示：

图3-6遥控plc 遥控运行/停止

将plc 停止后，给plc 注入程序

◆点击菜单栏上的plc 在下拉菜单中选择传送下拉菜单里的写出 如图3-7所示：

图3-7 程序写入plc

然后在范围设置步终止中输入500 如图3-8所示：

图3-8 范围设置

◆遥控运行 如图3-6所示

第4章 总结

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。

致谢

本论文是在导师祝骅的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从开题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

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