学校名称电力电子技术课程设计报告变频技术的工程应用姓名学号年级专业系（院）指导教师2010年12月31 日变频技术在锅炉控制系统中的应用一、引言:变频技术作为一种电子技术, 它的应用使设备工作效率明显提高,操作更加方便、节约能源、带来可观的经济效益, 所以被广泛地应用到各个领域。

变频技术在锅炉风机控制系统上使用变频器能带来的经济效益与回报, 最后总结了锅炉风机使用变频器的优越性。

变频技术的产生和发展解决了锅炉运行中控制的难题, 不仅节约能源, 降低运行成本, 同时使锅炉对大气的污染大大减轻, 司炉工强度大大改善, 也为实现自动化控制提供了良好的帮助。

变频器是在变频技术上产生的, 它能够应用在大部分的电机拖动场合, 由于它能提供精确的速度控制, 因此可以方便地控制机械传动的升、降和变速运行。

变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中。

由于采用了通讯方式, 可以通过PC 机来方便地进行组态和系统维护, 包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。

简单来讲变频器三绕组输入变压器、整流电路、合成母线、逆变电路、合成滤波电路、控制柜等组成。

多年来, 国家经贸委一直会同国家相关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用, 并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。

本设计是供暖锅炉自动控制系统，设计了一套基于PLC和变频调速技术的供暖锅炉控制系统。

该控制系统由可编程控制器、变频器、压力变送器、温度变送器和泵房组、工控机以及电气控制柜等构成。

系统通过变频器控制电动机的启动、运行和调速。

由于供暖锅炉系统中的风机、水泵负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，采用交流变频调速控制风机、水泵流量代替传统阀门、挡板控制流量，可以大大节省该类负载的驱动电机的耗电量，.达到节能的目的，如果普遍采用交流变频调速，平均节电率在30%左右。

用变频器启动风机、水泵等电动机，由于变频器内部具有矢量转矩控制技术，保证了电机良好的启动性能，实现电机软启动，有效地限制了电机的启动电流，明显降低电机启动噪声。

同时，电机的软启动避免了频繁的工频启动对风机、水泵等大电机的冲击，有效地保护设备，延长设备使用寿命。

采用锅炉的计算机控制和变频控制不仅可大大节约能源，促进环保而且可以提高生产自动化水平，具有显著的经济效益和社会效益。

二、设计任务（1）设计指标内容及要求按照电动机的额定功率，最大使用电机容量，本设计选用三菱FR-F540(L)-SFR-F540L-S系列变频器节能型、一般负载适用FR－F500（L）1、功率范围：75～900KW （3相380V，FR－F540（L）系列）2．采用最佳励磁控制方式，实现更高节能运行。

3．内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能。

4．柔性PWM，实现更低噪音运行。

5．内置RS485通信口。

6．75KW以上随机带DC电抗器（2）设计的任务1、提出系统控制方案。

本文针对供暖锅炉自动控制系统，设计一套基于变频调速技术的锅炉监控系统。

本文提出对锅炉供暖系统中的风机和水泵等通过变频器来调节电机的转速，节省了大量的电能。

本系统中丰位机采用高可靠性的工业控制计算机，对锅炉控制系统统一调度和监控管理，下位机采用西门子公司S7-300可编程控制器，实现锅炉燃烧系统和管网系统的自动控制，控制水平和硬件可靠性大大提高。

键技术，本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用变频调速技术是关，并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。

2、本系统的主要设计任务是锅炉系统的变频改造，变频调速技术是关键技术，因此本文详述变频调速技术在锅炉控制中的应用，并分析变频调速应用在锅炉供暖系统带来的节能效果。

3、阐述供暖锅炉控制的控制原理，提出供暖锅炉系统的控制模型。

简要介绍PID 控制算法，并运用PID控制方式进行系统的补水控制、循环流量控制、燃烧过程控制以及炉膛负压控制。

4、锅炉控制系统的总体设计。

本文讨论了锅炉控制系统的设计日标、功能分析和控制方案。

并详细介绍了整个系统的硬件结构和通讯配置口。

5、下位机控制系统的设计。

本文首先根据系统控制要求确定PLC的选型以及模块的选择;讨论PLC与上位机之间、PLC与变频器之间的通讯配置，制定通信协议;设计PLC控制程序，给出主程序、基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形图程序。

6、上位机监控组态软件设计。

上位机监控系统完成对整个系统的监控管理，本文选用三维力控PCAuto3.6设计，根据用户提出的要求完成了操作界面及控制程序、实现超温超压报警联动、历史数据查询等功能。

三、设计方案选择及论证3.1 变频调速基本原理目前，随着大规模集成电路和微电子技术的发展，变频调速技术己经发展为一项成熟的交流调速技术。

变频调速器作为该技术的主要应用产品经过几代技术更新，已日趋完善，能够适应较为恶劣的工业生产环境，且能提供较为完善的控制功能，能满足各种生产设备异步电动机调速的要求。

变频 调 速 技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：()p s f n -=160 其中n 表示电机转速; f 为电动机工作电源频率; s 为电机转差率; p 为电机磁极对数。

通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

3.2 出于节能的迫切需要和对供暖质量不断提高的要求，加之采用变频调速器〔简称变频器)易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

用变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。

它的优点是:调速的机械特性好，调速范围广，调整特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可获得显著的节能效果。

3.3 变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明显。

本节将以风机节能为例，详细分析其节能效果。

由流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n 与流量Q ，压力H 以及轴功率P 具有如下关系:,n Q ∝ ,2n H ∝ 3n P ∝即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

图2-1给出了风机中风门调节和变频调速二种控制方式下风路的压力-风量()Q H -关系及功率-风量()Q P -关系。

其中，曲线1是风机在额定转速下的QH -曲线，曲线2是风机在某一较低速度下的Q H -曲线，曲线3是风门开度最大时的Q H -曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的Q H -曲线可以看出当实阮工况风量由1Q 下降到2Q 时，如果在风机以额定转速运转的条件调节风门开度，则工况点沿曲线1由A 点移到B 点;如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线3由A 点移到C 点。

显然，B 点与C 点的风量相同，但C点的压力要比B 点压力小得多。

因此，风机在变频调速运行方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。

压力P 功率PH H P H P 21e 图2-1变频调速在风机中的节能分析曲线5为变频控制方式下的Q P -曲线，曲线6为风门调节方式下的Q P -曲线。

可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示:()[]e e e P Q Q Q Q P 36.04.0-+=∆其中Q 为风机运行时实际风量；e Q 为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量；e P 为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。

假设有一台lO h t 的热水锅炉:引风机:55KW ，鼓风机:22KW ，共7KW 则由变频调节与风门调节相比较可知: 80%风量时每小时节能()[]e e e P Q Q Q Q P 36.04.0-+=∆=28.366KW60%风量时每小时节能()[]e e e P Q Q Q Q P 36.04.0-+=∆=41.888KW如果按全年运行7000小时计算，其中80%风量运行5000小时:60%风量运行2000小时，则全年节能h KW ⋅=⨯+⨯225456888.412000366.285000由此可见，其节能效果非常显著。

目前，变频调速技术己逐渐为许多企业所认识和接受，随着这项技术的不断发展和完善，它必将得到更加广泛的应用，也必将为认识和接受它的企业带来可观的经济效益。

四、总体电路设计本系统属于热水锅炉供暖系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为燃烧控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。

本系统采用集中控制，分为三层，系统结构框图下图所示:管理层: 系统采用两台工控机作为上位机，其中一台作为主控机，另一台为辅控机，构成双机冗余系统。

通过MPI多点接口与下位机PLC进行通讯，对现场锅炉的运行进行集中监控、统一调度，实现对锅炉的远程控制。

操作人员也随时可以通过计算机，了解现场每台锅炉的运行状况，并对风机、水泵等电机进行启停控制和参数设定。

另一方面，关于锅炉运行及网管系统的各种历史数据，则存储在计算机的数据库中。

在需要的时候，可以在计算机显示器上显示，或由打印机打印出来。

现场控制层: 该层以西门子S7-300系列可编程控制器为核心，一方面通过MPI多点接口与上位机通讯，接收上位机管理层的控制命令。

另一方面运用RS-485总线与各变频器进行通信，分别对鼓、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，即使PLC与上位机通讯故障，系统仍能正常运行。

现场数据采集与变送层: 这一层是集散控制系统的最底层，主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。

这些数据主要包括锅炉的出水温度、出水压力、锅筒压力、炉膛温度、炉膛压力以及总出水温度、总出水压力、总回水压力等。

变送器将采集的温度、压力等物理量转换成电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。

五、各功能模块电路设计1、硬件系统：5.1.1 系统主电路模块根据本设计的要求，本系统风机和循环泵采用变频启动和调速。

变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，虽然变频器本身就有欠压、过压，过流、过载等保护功能，但是对于有工频运行的水泵电动机，还需要在工频电源下面接入相应的热继电器，来实现电机的过流过载保护。

图5-1控制系统的主回路本系统采用4台变频器连接4台电动机，其中1号变频器控制引风电机，功率为90KW，变频工作方式，电机通过一个接触器和变频器输出电源相联，2号变频器控制鼓风机，功率为37KW，变频工作方式，电机通过一个接触器与变频输出电源连接。

3号变频器控制一台循环泵，4号变频器控制一台循环泵，功率都为75KW，一台作为备用，均采用变频工作方式。