壓風機變頻控制系統設計
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摘要
隨著國民經濟的快速發展，風機的應用日趨廣泛。在火力發電、鋼鐵、化工、煉油、輕紡、水泥。污水處理、礦山、隧道施工、實驗研究等各研究領域以及各類廠房、大廈中，壓風機都起著重要作用。
由電動機直接驅動壓縮機，使曲軸產生旋轉運動，帶動連桿使活塞產生往復運動，引起氣缸容積變化。由于氣缸內壓力的變化，通過進氣閥使空氣經過空氣濾清器（消聲器）進入氣缸，在壓縮行程中，由于氣缸容積的縮小，壓縮空氣經過排氣閥的作用，經排氣管，單向閥（止回閥）進入儲氣罐，當排氣壓力達到額定壓力0.7MPa時由壓力開關控制而自動停機。當儲氣罐壓力降至0.5--0.6MPa時壓力開關自動聯接啟動。
壓風機的工作原理壓風機壓縮氣體，按最終壓力的高低，可由一級壓縮和多級壓縮來完成，但是各級的工作原理是一樣的。作為空氣動力源的壓風機，一般都是兩級壓縮。當活塞從左向右移動時，氣體以壓力進入氣缸；而后活塞從右向左移動是，進入缸內的氣體被活塞壓縮；當氣缸內的壓力達到排氣壓力后，氣體被活塞排出氣缸，周而復始。這個便是壓風機的理論工作原理循環過程。
壓風機多存在于煤礦系統中，用于向井下輸入新鮮風流。其路徑是：通過大巷，到工作面，再由回風到風井到地面，壓風機是礦井系統安全運行的重要保障。
主要用途
1、沖淡和排除井下各種有害氣體和礦塵。
2、創造良好的溫度，濕度，風速等氣候條件。
3、增強礦井的抗災能力，保證礦工的安全健康和正常生產。
由于受工作溫度、壓力、震動等因素的影響，壓風機容易出現滲漏及轉子軸孔磨損等問題。解決上述問題的傳統方法是打卡具或焊補等工藝，但都具有很大的局限性，且有的滲漏受工作環境安全的要求限制，無法現場進行解決。
關鍵詞 壓風機；變頻；設計
目錄
1 壓風機••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.1壓風機的工作原理和力學基礎 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.1.1 壓風機的循環 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.1.2 吸氣過程 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8
1.1.3 封閉及輸送的過程 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.1.4 壓縮及噴油的過程 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.1.5 排氣過程 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.2 壓風機的熱力性能 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.2.1 排氣壓力 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.2.2 排氣量 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.2.3 排氣溫度••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.2.4 功率 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.3 壓風機的作用力 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.3.1 慣性力 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.3.2 氣體力 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.3.3 摩擦力 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.4 壓風機的分類，結構形式和特點 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.4.1 壓風機的分類 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.4.2 結構形式和特點 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.5 壓風機的主要部件 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
1.5.1 機箱 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
1.5.2 曲軸連桿機構 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
1.5.3 氣缸與活塞 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
1.5.4 氣閥 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
1.5.5 滑動密封部件 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14
1.5.6 潤滑系統 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14
1.5.7 冷卻系統 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14
2 異步電動機調速 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.1 改變轉差率S的調速方法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.1.1 調定子電壓調速 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.1.2 轉子串接電阻調速 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.1.3 電磁轉差離合器調速 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.1.4 串級調速通過在轉子回路引入附加電勢的方法 ••••••••••••••••••••••••15
3 壓風機變頻控制系統控制策略 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.1 U/f 恒定控制 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.2 轉差頻率控制 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3.3 矢量控制 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.4 直接轉矩控制 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.5 變頻器的選擇 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.1.5 風機負載 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.2.5 恒轉矩負載 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.6 要求響應快的系統 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.7 動態，靜態指標要求不高系統 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3.8 動態。靜態指標要求較高系統 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3.9 要求控制系統具有良好的動態，靜態性能 •••••••••••••••••••••••••••••••19
3.10 結論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
4 壓風機變頻控制系統控制電路分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
5 壓風機變頻控制系統設計 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
5.1 主要功能及參數 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
5.1.1 主要功能及特點 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
5.1.2 主要工作參數及設定 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
5.1.3 檢測原理及電路實現 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
5.2 各功能模塊概述 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
5.2.1 信號前端 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
5.2.2 下位機處理 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
5.2.3 上位機處理 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
5.3 硬件設計 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
5.4 傳感器 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••26
5.5 報警電路 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••26
5.6 輸入/顯示電路 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
5.7 固態繼電器電路 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
5.8 變頻器設計 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
5.8.1 變頻器選擇 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
5.8.2 VFD-M 系列變頻器選用 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
5.8.3 變頻器參數設置 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
5.8.4 D/A轉換電路 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
5.8.5 電機控制原理 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
5.9 軟件設計 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
5.9.1 PID 調節 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
5.9.2 監測報警 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
5.9.3 聯鎖控制 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.9.4 手動/自動控制 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.9.5 內容查詢修改 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.9.6 通信 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.10 主程序模塊 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.10.1 準備程序 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
5.10.2 鍵分析、鍵服務程序 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
5.10.3 測控程序 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
5.11 采集、計算程序模塊 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••36
5.12 測試及測控效果分析 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
結論 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
致謝 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
參考文獻 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
附錄1 電路總圖 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
附錄2 程序清單 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
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