電力電子技術在鍋爐引風機的應用.doc

電力電子技術在鍋爐引風機 自動控制的應用學校：院系：專業(yè)：姓名：學號：日期：指導老師：在能源日益緊張的今天，變頻器作為交流調速的一種主要手段，以其卓越的調速性能、顯著的節(jié)電效果在工業(yè)鍋爐生產中取得越來越廣泛的應用。所以下面我們可以討論利用PLC及變頻技術實現鍋爐鼓引風自動節(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、引風機儀表控制方式中利用手操器作變頻器的轉速給定裝置，發(fā)揮變頻器內在的自動控制功能及變頻器內置的PI調節(jié)器，實現爐膛負壓的閉環(huán)自動控制，最終使鍋爐不僅運行穩(wěn)定，而且能夠實現節(jié)能降耗，對于安全運行，延長設備壽命都有著重要意義。 下面著重介紹控制系統(tǒng)的原理。上面已經提到，控制系統(tǒng)主要包括一下方面：利用變頻器實現鍋爐鼓引風自動節(jié)能控制，爐膛負壓控制算法原理等。其一：變頻器控制原理目前我們應用的變頻器都是交-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）交流電經整流橋整流成直流電，又經逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調的三相交流電。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字信號處理器(DSP)。二：引風量自動控制系統(tǒng)原理 為了保持爐膛壓力在要求的范圍內，引風量必須與送風量相適應。爐膛壓力的高低也關系著鍋爐的安全和經濟運行。爐膛壓力過低會使大量的冷風漏入爐膛，將會增大引風機的負荷和排煙損失，爐膛壓力太低甚至會引起內爆；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，甚至可能影響設備和人生安全。引風量控制子系統(tǒng)的任務是保證一定的爐膛負壓力，且爐膛負壓必須控制在允許范圍內，一般在-20Pa左右。 控制爐膛負壓的手段是調節(jié)引風機的引風量，其主要的外部擾動是送風量。作為調節(jié)對象，爐膛煙道的慣性很小，無論在內擾和外擾下，都近似一個比例環(huán)節(jié)。Rs為爐膛負壓給定值，S為實測的爐膛負壓，Q為引風量，V為送風量。由于爐膛負壓實際上決定于送風量和引風量的平衡，故利用送風量作為前饋信號，以改善系統(tǒng)的調節(jié)性能。另外，由于調節(jié)對象相當于一個比例環(huán)節(jié)，被調量反應過于靈敏，為了防止小幅度偏差引起引風機擋板的頻繁動作，可設置調節(jié)器的比例帶自動修正環(huán)節(jié)，使得在小偏差時增大調節(jié)器的比例帶。對于負壓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：爐膛負壓控制算法原理一般采用單回路調節(jié)系統(tǒng)并加以前饋的方法進行控制。由手動設定爐膛負壓及現場微差壓傳感器反饋電信號經計算送給變頻器,變頻器根據PID輸出值來控制電機轉速,進而控制爐膛負壓，達到穩(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，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的數字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，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)，即在調節(jié)過程初期，為防止系統(tǒng)飽和非線性特性影響所產生的積分飽和現象，而引起系統(tǒng)超調量的增加，這時積分應取弱一些;在過程中期，積分作用應適中，不宜過大，以避免對動態(tài)穩(wěn)定性造成影響;對于爐膛負壓控制回路，Td不應取定值，對于這類系統(tǒng)，在其調節(jié)過程初期，加大微分作用可以減小系統(tǒng)超調;在過程中期，由于調節(jié)特性對Td的變化較敏感，因此，Td應小些，且在這期間保持不變;在調節(jié)后期，應再減小，增加系統(tǒng)對擾動的抑制能力。到過程后期，應增強積分作用，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，其大小是根據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。其中應包括應用PLC的鼓，引風的自動控制和變頻器閉環(huán)自動控制方案的設計與實現。 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的功能，取代了數以萬計的繼電器設備。LOGO! 模塊其特點是：（1）簡單實用，成本低。（DIN導軌安裝，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，用戶友好化設置 。替代許多傳統(tǒng)的開關設備 ，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的功能，8個基本功能和26個特殊功能可代替更多的開關設備。能夠實現許多復雜的功能，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？其鼓引風聯鎖自動控制的運行過程：LOGO！通電后，循環(huán)泵聯鎖接點J1和超溫超壓停機信號JPT1已經閉合I6，I7有輸入電壓信號。按下鼓，引風主回路運行按鈕，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，引風主接觸器得電閉合，引風變頻器上電運行。同時鼓引風聯鎖點1QC閉合，I1輸入電壓信號。系統(tǒng)延時數秒后Q2輸出電壓信號，1ZJ得電引風變頻器產生運轉信號，引風變頻器啟動完成。同理，鼓風變頻器也啟動完成。PLC控制接線框圖如下當引風變頻器發(fā)生報警時，引風變頻系統(tǒng)停止，同時鼓，引風聯鎖點QC斷開，I1 無信號輸入，PLC程序使輸出點Q3失電，2FX失電，鼓風變頻系統(tǒng)也停止運行。當鍋爐出現水超溫超壓時，由現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，引風變頻系統(tǒng)也停止運轉。變頻器閉環(huán)自動控制方案的設計與實現：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。較進口變頻器更能適合我國的電網情況，該產品的特點是：1、高性能。（它具有優(yōu)化的PWM算法和死區(qū)補償技術：0.5HZ滿轉矩輸出；輸出電流波形好，適合大慣性負載的直接啟動；具有檢測電機轉速和方向的再啟動功能，特別適合對各種風機平滑啟動。）2、低成本。（內置具有7段速度的簡易PLC功能，每段時間最長達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），集驅動、保護、功率變換于一體，大大提高整機可靠性。變頻器柜設計時，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整流橋和濾波電容器之間的電抗器，其結構簡單、體積小且濾波效果好。直流電抗器可以改善功率因數到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、實現電源和負載間的功率匹配。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量控制輸出）?？蓪崿F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（可任意設定），四路開關量控制輸出，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，液位等被測參數轉換為標準統(tǒng)一信號或數字信號，以實現對這些參數的顯示，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壓，提供給控制儀表模擬信號。下面介紹變頻器EV2000內置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,并取得與變頻器設定頻率指令之間的偏差,根據P(比例)I(積分)進行控制,從而使負載一側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,在由于負載變化而引起的轉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在閉環(huán)中進行PI控制,在負載發(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的定義和普通的PI調節(jié)意義相同。 在鍋爐送、引風機變頻器控制中，使用手操器、差壓變送器和變頻器置的PI調節(jié)器實現了引風機的閉環(huán)自動控制。通過變頻器實現自動跟蹤來調節(jié)引風電機的轉速，保持爐膛壓力穩(wěn)定。 引風變頻控制系統(tǒng)接線圖如下所示：電路中轉換開關SA用于實現自動、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420mA負壓信號變換成兩路信號輸出;一路420mA信號，輸入給控制臺負壓表顯示負壓值;另一路210V信號，作為反饋信號接入變頻器VCI端子，實現閉環(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速給定信號;變頻器端子A01輸出的420mA轉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)指示風機運行的轉速。 調試步驟與方法:首先將變頻器設在開環(huán)運行模式檢測差壓變送器反饋信號是否正常.然后將轉換開關SA轉向手動位置便于手操器調節(jié)引風風量,使爐膛燃燒達到最佳狀態(tài).待系統(tǒng)穩(wěn)定后,將轉換開關SA轉向自動位置使引風變頻器進入閉環(huán)自動控制狀態(tài).調整參數F5.05數字頻率給定量使爐膛負壓在-25P附近.增加參數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來設定,增加參數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來設定.根據系統(tǒng)反映時間的快慢調整F5.14采樣周期時間和F3.15偏差極限.這樣反復調整以上參數，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,最終使爐膛負壓穩(wěn)定、電動機運行電流穩(wěn)定，實現引風機爐膛負壓閉環(huán)控制。在引風機閉環(huán)控制狀態(tài)中，當調節(jié)送風機轉速時，引風機會自動跟隨調節(jié)仍然保持爐膛負壓穩(wěn)定在設定值上。當系統(tǒng)信號受到外界干擾時.可以調整F5.O3給定通道濾波及F5.04反饋通道濾波參數以消除運轉過程中的干擾現象。需要從自動控制轉向手動控制時，只要調節(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，再轉換SA到“自動”運行位置，就能實現“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.(由于采用了變頻調速系統(tǒng)對電機進行變頻調速，電機的起停都是軟起、軟停方式，無級調速，起動電流很小，對電網無沖擊。系統(tǒng)采用了閉環(huán)智能PID控制, 通過改變頻率控制風機轉速來控制風量，調整方便。變頻器調整的最小幅度為f1.5Hz，使鍋爐的燃燒調整更加穩(wěn)定,降低能量損失,使消耗的電能遠低于額定值。)2.調速范圍廣，節(jié)能效果顯著.(由于使用變頻器，風機電動機的運行頻率為2047 Hz，轉速低，轉矩小，這樣提高了運行設備的安全系數，有利于機組的長期安全運行，也延長了風機、電動機等設備的使用壽命。由于變頻器內的濾波電容作用，使其具有功率因數補償功能，使功率因數cos1，從而減少了無功功率損耗，減小了電流，也減少了線損和設備的發(fā)熱，提高了設備的有功出率。)3.提高鍋爐運行的經濟性，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，引風實現聯鎖控制，使系統(tǒng)運行中周邊設備發(fā)生異常時運行參數如爐堂溫度、排煙溫度、爐堂負壓、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急自動處理。通過引入PI智能控制及變頻器控制鼓、引風機和爐排轉速，改變鼓風量、引風量、給煤量，使爐膛負壓、出水壓力、出水溫度控制在預定范圍內，保證鍋爐在最佳的風、煤比下燃燒，在最節(jié)能條件下運行。) 經對比考慮， PLC，變頻調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，是值得推廣應用的技術，應用前景廣闊。綜合考慮，該設計成本小，投資少，結構簡單，充分考慮發(fā)揮變頻器的自帶功能。另外，引風機實現自動運行后，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1 EV2000系