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電力電子技術(shù)在鍋爐引風(fēng)機 自動控制的應(yīng)用 學(xué)校： 院系： 專業(yè)： 姓名： 學(xué)號： 日期： 指導(dǎo)老師： 在能源日益緊張的今天，變頻器作為交流調(diào)速的一種主要手段，以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果在工業(yè)鍋爐生產(chǎn)中取得越來越廣泛的應(yīng)用。所以下面我們可以討論利用PLC及變頻技術(shù)實現(xiàn)鍋爐鼓引風(fēng)自動節(jié)能控制，變頻控制系統(tǒng)的節(jié)能原理及控制工藝，變頻系統(tǒng)的控制方式。通過在鍋爐鼓、引風(fēng)機儀表控制方式中利用手操器作變頻器的轉(zhuǎn)速給定裝置，發(fā)揮變頻器內(nèi)在的自動控制功能及變頻器內(nèi)置的PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)爐膛負(fù)壓的閉環(huán)自動控制，最終使鍋爐不僅運行穩(wěn)定，而且能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗，對于安全運行，延長設(shè)備壽命都有著重要意義。 下面著重介紹控制系統(tǒng)的原理。上面已經(jīng)提到，控制系統(tǒng)主要包括一下方面：利用變頻器實現(xiàn)鍋爐鼓引風(fēng)自動節(jié)能控制，爐膛負(fù)壓控制算法原理等。 其一：變頻器控制原理 目前我們應(yīng)用的變頻器都是交-直-交電壓源型變頻器，其工作原理如做圖所示。交變電流經(jīng)過整流器，濾波器，逆變器到發(fā)動機。而通過控制回路 到補償器等。這個過程可先將電源的三相（或單相）交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。其中，變頻的核心部分是“逆變電路”。功率器件為IGBT ,控制核心是單片微處理機或數(shù)字信號處理器(DSP)。 二：引風(fēng)量自動控制系統(tǒng)原理 為了保持爐膛壓力在要求的范圍內(nèi)，引風(fēng)量必須與送風(fēng)量相適應(yīng)。爐膛壓力的高低也關(guān)系著鍋爐的安全和經(jīng)濟運行。爐膛壓力過低會使大量的冷風(fēng)漏入爐膛，將會增大引風(fēng)機的負(fù)荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至?xí)饍?nèi)爆；反之爐膛壓力高且高出大氣壓力的時候，會使火焰和煙氣冒出，不僅影響環(huán)境衛(wèi)生，甚至可能影響設(shè)備和人生安全。引風(fēng)量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是保證一定的爐膛負(fù)壓力，且爐膛負(fù)壓必須控制在允許范圍內(nèi)，一般在-20Pa左右。 控制爐膛負(fù)壓的手段是調(diào)節(jié)引風(fēng)機的引風(fēng)量，其主要的外部擾動是送風(fēng)量。作為調(diào)節(jié)對象，爐膛煙道的慣性很小，無論在內(nèi)擾和外擾下，都近似一個比例環(huán)節(jié)。Rs為爐膛負(fù)壓給定值，S為實測的爐膛負(fù)壓，Q為引風(fēng)量，V為送風(fēng)量。由于爐膛負(fù)壓實際上決定于送風(fēng)量和引風(fēng)量的平衡，故利用送風(fēng)量作為前饋信號，以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另外，由于調(diào)節(jié)對象相當(dāng)于一個比例環(huán)節(jié)，被調(diào)量反應(yīng)過于靈敏，為了防止小幅度偏差引起引風(fēng)機擋板的頻繁動作，可設(shè)置調(diào)節(jié)器的比例帶自動修正環(huán)節(jié)，使得在小偏差時增大調(diào)節(jié)器的比例帶。對于負(fù)壓S的測量信號，也需進行低通濾波，以抑制測量值的劇烈波動。 三：爐膛負(fù)壓控制算法原理 一般采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)并加以前饋的方法進行控制。由手動設(shè)定爐膛負(fù)壓及現(xiàn)場微差壓傳感器反饋電信號經(jīng)計算送給變頻器,變頻器根據(jù)PID輸出值來控制電機轉(zhuǎn)速,進而控制爐膛負(fù)壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。其PID控制原理由下式確定: 式中，U0為控制輸出，K為比例系數(shù)，e為控制偏差，TC為控制周期，Ti為積分時間，TD為微分時間，常規(guī)PID(比例、積分、微分)對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，采用計算機控制實現(xiàn)的數(shù)字PID控制算法，其離散PID控制規(guī)律為: 式中，U(n)、e(n)分別為第n個采樣時刻控制器輸出量(控制量)和輸入量(偏差量)，T為采樣周期，TI、Td分別是積分和微分時間常數(shù)，KP為比例增益。 為了減小系統(tǒng)的靜差同時要抑制積分飽和，本系統(tǒng)采用積分分離(PD-PID-PI)，即在調(diào)節(jié)過程初期，為防止系統(tǒng)飽和非線性特性影響所產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象，而引起系統(tǒng)超調(diào)量的增加，這時積分應(yīng)取弱一些;在過程中期，積分作用應(yīng)適中，不宜過大，以避免對動態(tài)穩(wěn)定性造成影響;對于爐膛負(fù)壓控制回路，Td不應(yīng)取定值，對于這類系統(tǒng)，在其調(diào)節(jié)過程初期，加大微分作用可以減小系統(tǒng)超調(diào);在過程中期，由于調(diào)節(jié)特性對Td的變化較敏感，因此，Td應(yīng)小些，且在這期間保持不變;在調(diào)節(jié)后期，應(yīng)再減小，增加系統(tǒng)對擾動的抑制能力。到過程后期，應(yīng)增強積分作用，以減少系統(tǒng)靜差，從而提高控制精度。其離散算法為: 式中，M、N為邏輯系數(shù)，其大小是根據(jù)控制的過程及偏差的大小來確定的。 接下來，我們該討論控制系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)。其中應(yīng)包括應(yīng)用PLC的鼓，引風(fēng)的自動控制和變頻器閉環(huán)自動控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)。 PLC選用西門子LOGO!可編程序控制器。型號是LOGO!230RCLB11邏輯模塊。它的通用邏輯控制模塊8種基本功能和26種特殊功能，它代替了很多定時器、繼電器、時鐘和接觸器所實現(xiàn)的功能，取代了數(shù)以萬計的繼電器設(shè)備。LOGO! 模塊其特點是：（1）簡單實用，成本低。（DIN導(dǎo)軌安裝，幾乎沒有配線需求 ，編寫和改變程序只需按動按鈕 ，在PC機上快速地編寫和測試用戶程序，用戶友好化設(shè)置 。替代許多傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備 ，縮小控制柜的空間 ，更少的附件 ，更少的放置空間 ，不易于磨損，節(jié)省維護費用。）（2）可以節(jié)省空間 。（只需要占用DIN導(dǎo)軌上4個模塊的空間部件就能替代很多定時器、繼電器、時鐘和接觸器所實現(xiàn)的功能，8個基本功能和26個特殊功能可代替更多的開關(guān)設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)許多復(fù)雜的功能，但不需要額外增加附件和任何裝備。 ）（3）超強的各種性能 。（抗震性能好 ，電磁兼容性能（EMC）超強適用于所有氣候環(huán)境，滿足B級噪音抑制要求。）那么其自動控制原理又是怎樣的呢？其鼓引風(fēng)聯(lián)鎖自動控制的運行過程：LOGO！通電后，循環(huán)泵聯(lián)鎖接點J1和超溫超壓停機信號JPT1已經(jīng)閉合I6，I7有輸入電壓信號。按下鼓，引風(fēng)主回路運行按鈕，I2輸入電壓信號，系統(tǒng)啟動予警鈴響10秒后，Q1輸出電壓信號，1FXX線圈得電，引風(fēng)主接觸器得電閉合，引風(fēng)變頻器上電運行。同時鼓引風(fēng)聯(lián)鎖點1QC閉合，I1輸入電壓信號。系統(tǒng)延時數(shù)秒后Q2輸出電壓信號，1ZJ得電引風(fēng)變頻器產(chǎn)生運轉(zhuǎn)信號，引風(fēng)變頻器啟動完成。同理，鼓風(fēng)變頻器也啟動完成。 PLC控制接線框圖如下 當(dāng)引風(fēng)變頻器發(fā)生報警時，引風(fēng)變頻系統(tǒng)停止，同時鼓，引風(fēng)聯(lián)鎖點QC斷開，I1 無信號輸入，PLC程序使輸出點Q3失電，2FX失電，鼓風(fēng)變頻系統(tǒng)也停止運行。 當(dāng)鍋爐出現(xiàn)水超溫超壓時，由現(xiàn)場顯示儀表控制的超溫超壓停機信號J1，JPT1接點斷開，使I7無信號輸入，PLC無電壓輸出信號，鼓，引風(fēng)變頻系統(tǒng)也停止運轉(zhuǎn)。 變頻器閉環(huán)自動控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)： 1.變頻器及主要控制元件及的選用 （1）變頻器的選用 選用的變頻器是深圳艾默生電氣有限公司的EV2000系列變頻器,型號是EV2000-4T2000P,適配電機185KW。電源輸入:三相380V,50HZ/60HZ。輸入變動容許值:電壓20%;電壓失衡率<3%;頻率5%。輸出電壓:380V正弦波,頻率0-400HZ可調(diào)。 較進口變頻器更能適合我國的電網(wǎng)情況，該產(chǎn)品的特點是： 1、高性能。（它具有優(yōu)化的PWM算法和死區(qū)補償技術(shù)：0.5HZ滿轉(zhuǎn)矩輸出；輸出電流波形好，適合大慣性負(fù)載的直接啟動；；具有檢測電機轉(zhuǎn)速和方向的再啟動功能，特別適合對各種風(fēng)機平滑啟動。） 2、低成本。（內(nèi)置具有7段速度的簡易PLC功能，每段時間最長達(dá)6小時，適合紡織機械等的勻降速控制和周期運行控制；自帶脈沖編碼器（PG）反饋卡，適合高精度速度控制的需求；內(nèi)置PI、直接提供24V電源，方便組成多種閉環(huán)控制系統(tǒng)。） 3、采用先進的工藝。（模塊化的設(shè)計，維護更加方便。中英文液晶操作面板，更符合中國人的操作習(xí)慣。主控板采用表面貼裝（SMT）工藝，外層涂覆三防漆， 防塵、防潮、防霉。采用TI公司最新電機控制專用高速數(shù)字信號處理器（DSP），高效完成電機實時控制算法。主電路采用最新的智能功率模塊（IPM），集驅(qū)動、保護、功率變換于一體，大大提高整機可靠性。變頻器柜設(shè)計時，在可選電器元件配置方面需要注意電抗器的合理配置。電抗器的作用是抑制變頻器輸入、輸出電流中的高次諧波帶來的不良影響。） 變頻器配件包括直流電抗器和交流電抗器。直流電抗器是串接變頻器內(nèi)整流橋和濾波電容器之間的電抗器，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小且濾波效果好。直流電抗器可以改善功率因數(shù)到0.95。而后者分輸入電抗器和輸出電抗器。使用輸入電抗器的主要目的是:改善功率因數(shù)、實現(xiàn)電源和負(fù)載間的功率匹配。安裝在變頻器和電動機之間的電抗器稱作輸出電抗器。輸出電抗器的主要作用是降低諧波電流的不良影響。安裝輸出電抗器可以減少電動機溫升和噪聲，抑制諧波在電動機繞組端部的電壓重復(fù)峰值，降低對繞組絕緣的威脅。 至于手操器，我們選用SWP系列手動動操作器作為調(diào)節(jié)閥門的操作器。SWP系列手動動操作器是一種臺式操作指示儀表。其主要特點是:自動跟隨輸入植進行控制輸出（模擬量控制輸出或開關(guān)量控制輸出）?？蓪崿F(xiàn)自動/手動無擾動切換。手動切換自動時，采用逼近算法，并帶切換限幅功能，以實現(xiàn)手動/自動的平穩(wěn)切換。并且可同時顯示外給定信號及閥位反饋信號的測量，并有二路模擬量輸出（可任意設(shè)定），四路開關(guān)量控制輸出，適用于各種測量控制場合。而測量儀表選用1151DP電容式差壓變送器差壓變送器用來將差壓，流量，液位等被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號或數(shù)字信號，以實現(xiàn)對這些參數(shù)的顯示，記錄或自動控制。選用1151DP電容式差壓變送器用于測量爐膛負(fù)壓，提供給控制儀表模擬信號。 下面介紹變頻器EV2000內(nèi)置PI工作原理： 工作原理如圖所示： 變頻器PI 功能是指從外部變換器輸入的模擬信號(4-20mA,0-10V)反饋輸入到變頻器,并取得與變頻器設(shè)定頻率指令之間的偏差,根據(jù)P(比例)I(積分)進行控制,從而使負(fù)載一側(cè)的動作跟隨指令值變化的一種控制功能.它的功能是用于V/F模式的功能.因此,在由于負(fù)載變化而引起的轉(zhuǎn)速下降等問題的情況下,利用傳感器測得的模擬反饋信號依據(jù)在閉環(huán)中進行PI控制,在負(fù)載發(fā)生變化時,也能一直跟隨指令值而始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。PI原理圖中閉環(huán)給定量,反饋量,偏差極限和積分參數(shù)的定義和普通的PI調(diào)節(jié)意義相同。 在鍋爐送、引風(fēng)機變頻器控制中，使用手操器、差壓變送器和變頻器置的PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了引風(fēng)機的閉環(huán)自動控制。通過變頻器實現(xiàn)自動跟蹤來調(diào)節(jié)引風(fēng)電機的轉(zhuǎn)速，保持爐膛壓力穩(wěn)定。 引風(fēng)變頻控制系統(tǒng)接線圖如下所示： 電路中轉(zhuǎn)換開關(guān)SA用于實現(xiàn)自動、手動控制方式的切換;配電器的作用是將差壓變送器輸出的一路4～20mA負(fù)壓信號變換成兩路信號輸出;一路4～20mA信號，輸入給控制臺負(fù)壓表顯示負(fù)壓值;另一路2～10V信號，作為反饋信號接入變頻器VCI端子，實現(xiàn)閉環(huán)控制。手操器SC的輸出接變頻器端子CCI，作為手動控制時的轉(zhuǎn)速給定信號;變頻器端子A01輸出的4～20mA轉(zhuǎn)速信號接入手操器的閥門位置反饋端子，手操器上的電流表(閥門開度表)指示風(fēng)機運行的轉(zhuǎn)速。 調(diào)試步驟與方法:首先將變頻器設(shè)在開環(huán)運行模式檢測差壓變送器反饋信號是否正常.然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA轉(zhuǎn)向手動位置便于手操器調(diào)節(jié)引風(fēng)風(fēng)量,使?fàn)t膛燃燒達(dá)到最佳狀態(tài).待系統(tǒng)穩(wěn)定后,將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA轉(zhuǎn)向自動位置使引風(fēng)變頻器進入閉環(huán)自動控制狀態(tài).調(diào)整參數(shù)F5.05數(shù)字頻率給定量使?fàn)t膛負(fù)壓在-25P附近.增加參數(shù)F5.12比例增益直至系統(tǒng)開始振蕩,然后取振蕩是的增益1/2來設(shè)定,增加參數(shù)F5.13積分增益直至系統(tǒng)開始振蕩然后取振蕩增益的1/2來設(shè)定.根據(jù)系統(tǒng)反映時間的快慢調(diào)整F5.14采樣周期時間和F3.15偏差極限.這樣反復(fù)調(diào)整以上參數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,最終使?fàn)t膛負(fù)壓穩(wěn)定、電動機運行電流穩(wěn)定，實現(xiàn)引風(fēng)機爐膛負(fù)壓閉環(huán)控制。在引風(fēng)機閉環(huán)控制狀態(tài)中，當(dāng)調(diào)節(jié)送風(fēng)機轉(zhuǎn)速時，引風(fēng)機會自動跟隨調(diào)節(jié)仍然保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。當(dāng)系統(tǒng)信號受到外界干擾時.可以調(diào)整F5.O3給定通道濾波及F5.04反饋通道濾波參數(shù)以消除運轉(zhuǎn)過程中的干擾現(xiàn)象。需要從自動控制轉(zhuǎn)向手動控制時，只要調(diào)節(jié)手操器使給定速度表指針接近變頻器輸出速度表的指針相對位置，再轉(zhuǎn)換SA到“自動”運行位置，就能實現(xiàn)“自動”,“手動”的無擾動切換。 本系統(tǒng)的優(yōu)點：1.改善了啟動性能，提高了控制精度.(由于采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機進行變頻調(diào)速，電機的起停都是軟起、軟停方式，無級調(diào)速，起動電流很小，對電網(wǎng)無沖擊。系統(tǒng)采用了閉環(huán)智能PID控制, 通過改變頻率控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量，調(diào)整方便。變頻器調(diào)整的最小幅度為Δf＝1.5Hz，使鍋爐的燃燒調(diào)整更加穩(wěn)定,降低能量損失,使消耗的電能遠(yuǎn)低于額定值。)2.調(diào)速范圍廣，節(jié)能效果顯著.(由于使用變頻器，風(fēng)機電動機的運行頻率為20－47 Hz，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩小，這樣提高了運行設(shè)備的安全系數(shù)，有利于機組的長期安全運行，也延長了風(fēng)機、電動機等設(shè)備的使用壽命。由于變頻器內(nèi)的濾波電容作用，使其具有功率因數(shù)補償功能，使功率因數(shù)cosφ≈1，從而減少了無功功率損耗，減小了電流，也減少了線損和設(shè)備的發(fā)熱，提高了設(shè)備的有功出率。)3.提高鍋爐運行的經(jīng)濟性，安全性、可靠性.(采用西門子的PLC控制，不僅簡化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，同時也大幅地提高了燃燒能的熱效率。由于采用PLC自動控制使鼓，引風(fēng)實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，使系統(tǒng)運行中周邊設(shè)備發(fā)生異常時運行參數(shù)如爐堂溫度、排煙溫度、爐堂負(fù)壓、出水溫度、出水壓力超過允許值提供聲光報警或自動停爐等應(yīng)急自動處理。通過引入PI智能控制及變頻器控制鼓、引風(fēng)機和爐排轉(zhuǎn)速，改變鼓風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量，使?fàn)t膛負(fù)壓、出水壓力、出水溫度控制在預(yù)定范圍內(nèi)，保證鍋爐在最佳的風(fēng)、煤比下燃燒，在最節(jié)能條件下運行。) 經(jīng)對比考慮， PLC，變頻調(diào)速全自動鍋爐供暖系統(tǒng)，是一項具有高科技含量的自動化程度很高的新型的調(diào)速控制方法，為鍋爐的自動控制提供了一個全新的控制方法和理念。是一種高效節(jié)能的控制方式，是值得推廣應(yīng)用的技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。 綜合考慮，該設(shè)計成本小，投資少，結(jié)構(gòu)簡單，充分考慮發(fā)揮變頻器的自帶功能。另外，引風(fēng)機實現(xiàn)自動運行后，不但減輕了鍋爐運行人員的勞動強度，而且還提高了鍋爐運行的安全程度，有利于鍋爐穩(wěn)定運行。 參考文獻(xiàn) [1] EV2000系列通用變頻器說明書[Z]. 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