自动化综合实践

李方园课题5离心机控制装置离心机是将液体与固体颗粒混合物进行分离的设备，它一般是工艺流程中的后处理设备，所以直接关系到最终产品的质量。从整体上看，我国离心机及自动控制技术水平与国外先进水平相比存在较大差距。主要表现在：离心机品种、规格少，不能完全满足国内生产需要，特别是分离物料粘度大、精度细的机械，效率高、生产能力大、自动化程度高的离心机绝大多数依赖进口；分离机理和应用技术研究落后，新产品开发速度慢；制造工艺落后，生产效率低，产品可靠性、稳定性较差，技术水平和自动化水平较低；配套设备和材料不能满足离心机产品生产的需要，尤其是产品的质量、可靠性很不稳定。•从离心机的发展来看，交流变频器将替代原来的电磁调速、直流调速、液力偶合调速、多速电动机，而逐步成为分离机械的主要驱动装置；而PLC控制也将逐渐替代原来的手动操作和继电器控制。【课题任务书】•1、任务概述•现有两台离心机（如图5-1所示），一台为双电动机离心机，用以分离洗涤混合物进料，分离出来后的成品（纯净洗涤剂）可以加入到第二台离心机（为水洗离心机）。请根据工艺流程来设计离心机控制装置的解决方案。图5-1离心机控制装置•2、工艺流程•根据图5-1所示，离心机控制装置的工艺流程如下：•（1）先启动双电动机离心机，大约20分钟，操作人员根据现场情况判断是否可以进料；待出料达到一定数量后，开始进入停车程序段，10分钟后停车完成。•（2）自动水洗机的工作流程由进水、进洗涤液、水洗、排水和脱水五个过程组成，其控制是通过水位开关、进水电磁阀、进洗涤液电磁阀、排水电磁阀等配合完成。整个水洗流程为全自动操作。•（3）离心机运行至少四个速度、正反两个方向。•3、控制要求•（1）输入电源为三相380V电源。•（2）电动机功率：M1为3～22KW4极；M2为3～5.5KW4极；M3为3～5.5KW为6极电动机。•（3）双电动机离心机的转速控制为电位器手动控制。•（4）水洗机为全自动操作，水位开关用来控制进水到水洗机内高、中、低水位。进水电磁阀起着通/断水源的作用。进水时，进水电磁阀打开，将水注入；排水时，排水电磁阀打开，将水排出。•（5）水洗机变频可以采用多段速进行，在脱水阶段，根据时间进行4段速控制；在水洗阶段，采用一个速度进行正反转控制。•（6）水洗结束，应该设置一个报警指示。子课题1：离心机双变频控制•一、离心机双变频的组成•1、离心机双变频结构•卧螺离心机用双电动机驱动(图5-2所示)，早在60年代已应用于实验室,判断主、副电动机工作状态的方法是：与主动件相连的电动机处于电动机工作状态,与从动件相连的电动机处于发电动机状态。图5-2双电动机离心机示意图•因此，双电动机离心机中主电动机处于电动机状态，副电动机处于发电动机状态。但这种传动方式几十年来没有在工业上获得广泛应用，究其原因：关键在于副电动机再生的电能在当初的技术条件下，不能合理利用。•一种方法是用普通变频器驱动副电动机,再生能量以热能的形式消耗在制动电阻上.另一种方法是,使用带有能量回馈单元的专用变频器驱动,可将再生的电能回送到交流电网,如富士公司的RHR系列能量回馈装置,ABB公司的ACS611/811系列变频器,但价格贵,只在少数场合获得应用(如轧钢、矿山)。•随着电力电子技术的快速发展,近年来变频器的性能价格比大大提高,共母线双电动机双变频器驱动在卧螺离心机上广泛应用,即主、副电动机各用一台普通变频器驱动,其直流母线用适当的方式并接,较好的解决了这个问题,在能源日益紧缺的今天,有特别重要的意义。双电动机离心机如图5-3所示。VF1-主变频器;VF2-副变频器1-主电动机;2-转鼓;3-螺旋;4-差速器;5-差速器小轴;6-副电动机;图5-3双电动机离心机变频控制•2、双电动机离心机的工作过程•由电动机学知道,电动机处于再生制动状态的基本特征是:电动机的转子转速超过同步转速nn0并且二者方向相同.工作点沿着机械特性曲线从第1象限向第2象限移动,这时,电动机产生的电磁力矩的方向和转子转向相反,图5-4中,A点对应的电磁力矩TL是制动力矩,用来使离心机螺旋产生足够的推料力矩,其大小是螺旋推料力矩的i分之一(i是差速器速比).图5-4离心机的机械特性曲线•由于电磁转矩只和主磁通ΦM与转子电流有功分量I2COSφ2的乘积成正比:•TM=KTΦMBI2COSφ2•回馈到电网的定子电流有功分量经图5-3中VD1-VD2全波整流,加到直流母线上,由于主、副变频器的母线并接,该能量就被主电动机利用,使母线电压Vd维持在610V以内.共母线双电动机双变频节能建立在此基础上。•3、差转速的调节a)减少差速b）增加差速图5-5差转速的调节•由于螺旋担负着将沉积在转鼓内壁的干泥推出转鼓的使命,因此,差转速的快慢直接影响到离心机的产量和分离效果.差转速按下式计算•Δn=(n鼓-n臂)/i(1)•式中:Δn—差转速r/min•n鼓—转鼓转速r/min•n臂—差速器小轴转速r/min•i--差速器速比•由上式可以看出,由于转鼓转速和差速器速比一般固定不变,因此,调节转臂转速即可调节差转速.•差转速的调节是通过改变副变频器输出频率实现.调节过程如下:•设要减小差速,则增加输出频率,在频率刚刚增加的瞬间,由于机械惯性的原因,转速不可能突变,但机械特性已由曲线1变为曲线2（如图5-5a）,工作点由A点跳到B点,由于B点制动转矩小于A点,电动机加速,工作点沿着曲线2向左移动,在C点,力矩重新达到平衡,电动机稳定运行在升高的转速上。图5-5中有阴影区域是过渡过程.增加差速的过程见图5-5b.•不难看出,当调速范围较大时,副电动机短期将运行于电动机状态.二、离心机双变频系统的模型分析•1、离心机双变频模型•图5-6为离心机双变频共直流母线方式的配置方案。在共直流母线中，整流器前端回路可以有不同的组成方式，预充电回路的控制方案也有差异，这两者通过直流熔丝与直流电解电容两端连接，因此是共直流母线方式中最不可忽略的关键因素。•交流变频器的整流回路可以是二极管，也可以是晶闸管，如图5-7所示。在二极管整流器前端回路中，根据预充电方式还有两种，即串接在电容组上，如图5-7a）所示；也可以串接在母线上，如图5-7b）所示。而在晶闸管整流前端回路中，其预充电是在一定的时间中通过逐步改变晶闸管的触发角（从180度到0度）来实现的，如图5-7c）所示。因此，当不同类型的交流变频器通过共直流母线互相连接到一起的时候，由于预充电控制的不协调性和整流回路的配置不同，将会大大降低系统的可靠性，而且在变频器预充电、电动机电动或是电动机发电状态时不同变频器之间还有相互反作用。图5-6两台交流变频器的共直流母线方式配置a)b)c)图5-7带预充电回路的整流器前端模型•基于上述因素，要为交流变频器共直流母线方案制定一个统一的通用指导方案将会变得十分困难，而去分析和研究在不同运行模式下可能产生的电流等级将变得十分有必要。因为有了模型分析产生的数据之后，才能针对不同的共母线方案选择合适的部件、合适的母线连接方式，否则将会面临整个系统不稳定因素的干扰、交流变频器的损坏等现象。•2、整流前端和预充电回路的波形•在二极管整流回路中，预充电控制可以通过使用一个可控的电压开关来进行模拟，而晶闸管整流回路则可以通过改变晶闸管的开关脉冲来实现。由于交流变频器的前端压降和其他固有特性将在共直流母线方案中的电流回路和幅值起到支配性的影响，所以有必要对于交流变频器的主回路前端整流回路建立一个精确的模型，这样才能准确地反应实际工作情况。•在一个共直流母线系统中，除了图5-7a）和图5-7c）外，其他不同功率段和不同品牌的交流变频器都可以任意互相连接，尽管他们之间的预充电策略和预充电时间间隔会有所不同。而在带晶闸管整流回路中，其预充电波形将会难免产生电流浪涌。•图5-8和图5-9为典型的二极管整流回路和晶闸管整流回路的预充电波形曲线。在图5-8中，发生在接近末端的电流脉冲是由于预充电回路的电阻切断的瞬间所致。图5-8二极管整流回路的典型预充电波形图5-9晶闸管整流回路的典型预充电波形•3、带二极管整流回路的5.5KW和90KW交流变频器并列运行分析•（1）分析预充电过程•交流变频器处于共直流母线的并列运行中时，每台变频器由于自身的充电时间不同，将导致不同的充电状态，因此必须对此进行分析以确保并列运行中小容量变频器的整流二极管和充电电容的电流有效值不能超过额定值，同时需测定最大的母线熔丝电流值以及有可能存在的变频器环路电流值。•图5-10为两变频器并联后的直流母线电压、母线熔丝电流和直流电容电流。图5-11为两并列变频器的进线A相线电流，从图中可以看出小容量变频器5.5KW的线电流在共母线后的电流有显著的增加。图5-12中可以看出不同的预充电时间将对两直流母线回路的直流电压差、直流熔丝电流产生很大的影响，尤其是在直流熔丝中将产生两个电流浪涌，同时小容量变频器5.5KW的直流电容将产生纹波电流。电流浪涌的产生是由于预充电时的两次瞬变切换所造成的，其浪涌幅值将比各自变频器在独自预充电时要大得多。如果多台并联变频器具有同一种预充电时间，则电流浪涌将会更大，这是因为这些变频器在同一时间进行瞬变切换。如果多台并联变频器具有不同的预充电时间，则电流浪涌会发生在每一台变频器的预充电时间切换点，直至所有的变频器都预充电结束。•在不同变频器并联方案中，如果频繁上电，其预充电回路的累积效果就会造成小容量变频器直流电解电容的额外发热、整流二极管过电流等不利情况。在模拟试验中，电流浪涌有一个幅值达106A的尖峰和大约3ms的持续时间，因此母线熔丝的额定电流应该要与之匹配（I2t），否则就会造成预充电失败。图5-10两变频器并联后的直流母线电压、母线熔丝电流和直流电容电流图5-11两并列变频器的A相线电流图5-12不同预充电时间的影响•在表5-1中，将预充电回路进行定量比较，即比较两台交流变频器5.5KW和90KW在单独上电和共直流母线方案（即并列运行）下的不同电流有效值。对于小容量的交流变频器5.5KW而言，在并列运行方式下比单独上电整流二极管上流过的电流达到了100％的增加，在直流电容上的电流则增加了有26％左右。相反，对于大容量的交流变频器90KW来说二极管整流电流和电容直流电流却下降了24％和19％。•表5-1预充电回路电流比较•在本次分析中，尽管对于小容量变频器来说，其电流的增加值还在其额定范围内，但随着并列方式的复杂性（如共直流母线的交流变频器数量增多或者并列的交流变频器容量更大），这些数据都将会被重新改写，甚至超出额定值。•（2）分析电动和发电状态•图5-13和图5-14是变频器逆变回路和异步电动机的模型结构，这个模型结构对于分析电动机处于电动和发电状态是非常有效的。图5-13PWM变频器主回路模型图5-14异步电动机模型•用与交流变频器同等功率的交流异步电动机进行拖动，这里我们将分析两种情况：（1）两者都处于电动状态；（2）90KW电动机处于发电状态而5.5KW电动机处于电动状态。•图5-15为5.5KW变频电流和正端熔丝电流，图5-16则为90KW变频器电流和负端熔丝电流。图5-155.5KW变频器电流和正端熔丝电流图5-1690KW变频器电流和负端熔丝电流•表5-2中列出的数据是在不同运行模式下变频器的电动机电流、电容直流电流、二极管整流电流和直流熔丝电流，其中包括单独电动、并列电动、并列小容量电动和大容量发电等。很明显，小容量5.5KW变频器的直流母线电容电流Ic在并列模式下两种情况都增长过快（分别为43.75A和44.44A），甚至超过额定范围，这将导致直流熔丝电流Ifuse会居高不下。解决该问题的办法首推背对背的二极管母线连接方式，如图5-17所示，即在直流母线的正端和负端都跨接一对背对背二极管组（图5-17中的D1和D2、D3和D4）。这种背对背并列方式将大幅度降低电容直流电容的电流等级，无论是在哪种方式下（电动或发电），如本例中，下降的幅度如表5-2所示，电容直流电容从43A左右降至16.88A，而直流熔丝电流