西门子模块6ES7223-1PH22-0XA8介绍说明

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一、中央空调节能最佳方法 

    由于中央空调主要设备是风机水泵，所以节能最佳方法就是采用变频器。目前大多数中间空调还采用以往旧的控制方式，即：通过改变压缩机机组、水泵、风机启停台数，以达到调节温度的目的。

    该调节方式缺点集中表现为如下几点：

● 设备长时间全开或全闭，轮流运行，浪费电能惊人。

● 电机直接工频启动，冲击电流大，严重影响设备使用寿命。

● 温控效果不佳。当环境或冷热负荷发生变化时，只能通过增减冷热水泵的数量或使用挡风板来调节室内温度，温度波动大，舒适感差。

中央空调采用变频器后有如下优点：

● 变频器可软启动电机，大大减小冲击电流，降低电机轴承磨损，延长轴承寿命。

● 调节水泵风机流量、压力可直接通过更改变频器的运行频率来完

成，可减少或取消挡板、阀门。

● 系统耗大下降，噪声减小。

● 若采用温度闭环控制方式，系统可通过检测环境温度，自动调节风量，随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。

● 系统可通过现场总线与中央控制室联网，实现集中远程监控。

二、供水系统变频节能改造

    无论是化锂机组或电制冷（氟利昂）机组的中央空调系统，主机自身的能量消耗有机组控制，机外的电力消耗组不能控制，而这部分的成本是相当高的，却通常被人忽视了。尤其是化锂机组，在额定状态制冷运用行时，机外水泵、冷却塔的电机耗电量约占总体能源消耗成本的30%（以每公斤油2元、每度电1元计算）。无论从环境保护角度还是用户切身利益角度，都应将中央空调系统设计成最节能的系统。采用变频器来控制机外水泵电机、冷却塔电机是最简单、最有效的节能措施。一般情况节电20%～50%，每年可节省机组及系统总运行费用的12%～20%，十分惊人。

1、 冷却水泵变频控制

    中央空调的冷却水泵的功率是根据空调冷冻机组的压缩机满负荷工作设计的，当环境温度及各种外界因素，冷冻机组不需要开启全部压缩机组，此时空调的冷凝系统所需要的冷却量也相应地减小，这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速，降低冷却水的循环速度及流量，使冷却水的冷负荷被冷凝系统充分利用，从而达到节能目的。从我公司对中央空调的变频节能改造得出以下的数据，其冷却水泵、冷温水泵在低流量运行时，可以大幅度节省电力，尤其针对直燃机冷却水流量曲线的特点，采用变频控制，意义更大，从远大BZ型直燃机中央空调系统采用海利普变频器控制。

水泵测试数据为例：

当制冷量75%时，机组所需冷却水流量34%，水泵电耗约20%；

当制冷量50%时，机组所需冷却水流量22%，水泵电耗约15%。

2、 冷温水泵变频控制

    中央空调的冷媒水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的，当宾馆、酒店、大厦需要的冷量或热量没有达到空调的满负荷，这时就可以通过变频器调速器来调节冷媒水泵的转速，降低冷媒水的循环速度，使冷量和热量得到充分利用，从而达到节能目的。如果制冷、采暖共用一台水泵，则冬季水泵流量只需50%，自然可大大节省电力；即使是冬夏分泵运行，也可在低负荷季节适当降低流量，如流量时，电耗约75%。

3、 冷却塔风机变频控制
   
    风机功率一般都较小，节电不如水泵明显。但风机采取变频控制能极大地有助于冷却水恒温，这对于机组制冷恒温极为关键；且能使机组溶液循环稳定，获得最大限度的节省燃料。冷却塔风扇低转速运行还能大幅度减少漂水，节省水源、水质劣化、减少水雾对周围的影响。

4、 采用变频器的其他益处

    由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式，能电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。

    由于电机经常处于低负荷运行，能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命，同时因没有启动、停止的冲击，加上流量的减少，管路承压及所受冲击力减小，故对管道、阀门、末端设备也起到了保护作用。另一方面，设备噪音、震动均减小，保护了环境。

5、 中央空调机组外变频器的控制方式

● 根据冷却水出/入口的温度改变水泵转速，调整流量；

● 根据冷却水入口温度改变冷却塔风机转速，调整水温；

● 根据冷温水出/入口的温差改变水泵转速，调整流量；

● 根据冷却水出水的温度改变水泵转速，调整流量；

●根据冷媒水的回水温度改变水泵转速，调节税流量；

三、中央空调末端设备—变风量机组变频控制 
   
    变风量机组也是中央空调系统重要的组成部分，其性能指标（风量、冷量、噪音、用电量）的优劣，除了变风量机组本身的性能外，更重要的还取决于控制的模式、控制器的性能、品质。

    随着中央空调的不断普及，变风量机组调节控制器已经经历了三个发展阶段：

    第一阶段：风阀调节。能起到调节风量的作用，但电能量消耗大、噪音大。

    第二阶段：可控硅调压调速。能起到调节风量、冷量、节能的作用，对变风量机组的噪音有一定的改良作用，其缺点是体积大、可靠性稳定性低、故障。

    第三阶段：变频调节。能最大限度的满足变风量机组对风量、冷量、噪音的调节要求，节能效果更明显，体积小，可靠性稳定性高。

    目前，变频控制器以其特有的优势，正被中央空调业内人士所青睐。

一、引言

    中国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。根据统计，截至到2006年底，地区已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW（以完成整机吊装作为统计依据）。已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等16个省区。根据电监会公布的数据，截至2006年底,中国发电装机容量达到62200万kW，风力发电占全国总装机容量的0.42%。截至到2006年底，全世界总风电装机容量已经达到7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居世界第一，中国2006年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印度和西班牙，列第五位；总装机容量列世界第六位。因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。

    风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%～150％之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。

    本文将从变速恒频异步风力系统的拓扑结构及其控制技术两个方面对变频技术在风力发电中的应用进行综述，以反映变频技术在风力发电中的发展情况。

    二、变速恒频异步风力发电系统拓扑

    采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑结构包括交流励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。

    1.交流励磁结构

    交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。

    交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然交交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。

    矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。

    交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。电压型交直交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。

    此外，还有一种并联的交直交逆变器拓扑结构。这种结构的主要思想是通过一个交直交电流型和一个交直交电压型变频器并联，电流型逆变器作为主逆变器负责功率传输，电压型逆变器作为辅逆变器负责补偿电流型逆变器谐波。这种结构主逆变器有较低的开关频率，辅逆变器有较低的开关电流。同上面提到的交直交电压型逆变器相比较，该拓扑结构具有低开关损耗，整个系统的效率比较高。其缺点也是显而易见的，大量电力电子器件的使用导致成本的上升以及更加复杂的控制算法，另外该种结构电压利用率比较低。

    2.斩波调阻结构

    上个世纪90年代中期丹麦的Vestas公司采用了一种转子电流控制结构（OptiSlip），也称为斩波调阻结构，如图1所示。这种结构的基本思想是采用一个可控电力电子开关，以固定载波频率的PWM方法控制绕线电机转子回路中附加电阻接入时间的长短，从而调节转子电流的幅值，控制滑差约在10%的范围之内。该结构依靠外部控制器给出的电流基准值和电流的测量值计算出转子回路的电阻值，通过电力电子器件的导通和关断来调整转子回路的电阻值。这种结构电力电子装置的机构相对简单，但是其定子侧功率因数比较低，且只能在发电机的同步转速以上运行，是一种受限制的变速恒频系统

  3.混合结构

    为了降低变流器的成本并且能够实现风力发电系统的宽转速范围运行，有文献提出一种基于双馈电机斩波调阻与交流励磁控制策略多功能变流器拓扑结构，将整流器、斩波器和逆变器结合在一起，该结构的巧妙之处在于斩波器和逆变器共用了一组可控的电力电子开关，但是由于引入了四个接触器型的受控开关，导致该结构的主回路结构复杂，很难实现同步速切换过程的过渡，而且在高于同步速运行情况下难以改善发电机的功率因数。此外，还有文献提出了新型转子电流混合控制的电路拓扑结构及其控制策略，该控制方法兼备交流励磁控制和转子斩波调阻法的优点，能显著降低转子变流器的硬件成本以及控制技术的复杂性，并且可以实现发电机的宽转速范围运行，无需在同步速点过渡，在整个允许的速度范围内都可以进行定子输出有功、无功功率独立调节，同时发电机输出功率因数可控，缺点是输入侧功率因数低，风能转换效率低。

 三、基本控制算法

    交流励磁结构即双馈变速恒频风力发电系统得到了非常广泛的应用，在其发展过程中出现了很制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接功率控制等。

    1.矢量控制

    德国工程师F.Blashke在上世纪七十年代提出的矢量控制原理，使得交流调速技术发生了一次质的飞跃，应用在双馈调速上，获得了令人振奋的动静态性能。矢量控制的理论基础是磁场定向原理，通过引入坐标变换，将原来复杂的双馈电机模型等效为d-q模型的基础上，对坐标轴的交叉耦号进行有效的补偿，可以得到类似直流调速的效果。

    双馈系统的矢量控制结构通常将转子交流量分解成有功分量和无功分量，并对之进行闭环控制。通常为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量之间的复杂关系，需要使坐标轴定向在某个矢量上。一般的，在双馈系统可以选择的定向矢量为定子磁链、气隙磁链、定子电压以及转子电流等。其中，比较常用的是以定子磁链和气隙磁链为定向矢量的控制方法。

    2.多标量控制

    基于多标量模型的双馈电机控制方法通过多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中，利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值的平方，定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量，并根据上述四个标量电机的微分方程，在忽略定子电阻的情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机的有功功率以及无功功率可以解耦控制。

    3.直接功率控制

    矢量控制的双馈系统结构复杂，性能受电机参数影响，受到异步电机直接转矩控制的启发，有的学者致力于研究变速恒频发电系统的直接功率控制。应用在变速恒频发电系统的直接功率控制不同于传统的直接转矩控制，它通过检测定子端的量来控制转子端的开关动作，但控制方法不使用转子PWM电压的积分，因此可以稳定工作在零频率附近，而且该方法不要位置传感器以及对参数鲁棒性强。不同于矢量控制技术，直接功率控制不需要复杂的坐标变换，而是通过控制转子磁链的幅值和相对于定子磁链位置，继而可以通过有功功率和无功功率的PI调节器跟踪参考值来控制发电机输出的有功功率和无功功率。

    四、其他研究热点

    除了上面提到的一些双馈异步风力发电系统基本控制策略以外，双馈变速恒频异步风力发电系统还有许多研究热点包括：

    1.风力发电系统的软并网软解列研究

    软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要部分。一般的，当电网容量比发电机的容量大得多的时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经发展到兆瓦级水平，所以必须要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。

    2.无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的研究

    近年，双馈电机的无位置以及速度传感器控制成了风力发电领域的一个重要研究方向，在双馈异步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，但是速度以及位置传感器的采用提高了成本并且带来了一些不便。理论上可以通过电机的电压和电流实时计算出电机的转速，从而实现无速度传感器控制。在风力发电系统中，无传感器控制带来了以下优点：采用无传感器使发电机和逆变器之间连线，降低了系统成本，增强了控制系统的抗干扰性和可靠性，另外可以减少了电机的轴向尺寸，降低硬件复杂性、总成本以及维护要求。

    3.电网故障状态下风力发电系统不间断运行等方面

    并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中，各种原因引起的电网电压波动，跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制策略的研究是目前研究热点。

    此外，双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限方面也是目前研究的热点。

    五、QHVERT-DFIG-1500B风力发电用变流器

目前，电气控制新技术已经广泛应用于国产单张纸平版印上，如PLC、触摸屏、变频器等。这些新型单张纸平版印与若干年前旧型的设备相比，具有可靠性高、节能、功能完善等优点，而在当前许多印刷企业里，老旧型号的单张纸平版印仍拥有相当大的数量。如果对它们改造，将PLC、触摸屏全部使用上，需更改大量的线路，几乎相当于重新制作电气控制系统。若只针对单张纸平版印主传动部份使用变频器去改造，线路变动小，工作量少。既保留了原有继电接触控制简单、实用的特点，又充分发挥了变频器可靠、节能的优势，改造的性价比高。以下就变频器在国产单双色单张纸平版印改造中的应用，谈一些体会。

    2 印刷机运转控制的工艺特点

    要使得变频器驱动变频电机能良好地应用于印，满足生产工艺的要求，首先要清楚印刷机运转控制的工艺特点，它对变频器的功能提出什么样的要求，然后选择何种型号的变频器，以及如何具体地改造对接原有的线路。

    单张纸平版印的运转是由电机通过皮带传动、齿轮传动、链传动带动整机的，各滚筒、牙排、机构之间由机械的连接配合协调动作，所以控制了主传动的电动机就控制了全机的运行状态。在机械调节、检查、安装拆卸PS版和橡皮布、清洁机器时，都需要以手动点车方式控制机器正反向运转，大约4r/min的速度比较合适。在印刷暂停期间，为了保证PS版不损坏，墨不干燥，要使机器以相同的速度长车运转。机器开始正式印刷生产时，有一个初始速度，约3000转/小时。当输纸机开始输纸后可以加速，使机器以较高的速度生产，一般是6000～8000转/小时。为了适应不同的生产速度要求，可通过一个调速电位器对高速进行调节，速度的实际值可以通过速度表指示出来。从印刷的高速降到初始印刷速度，有两种情况。一是手动按钮降速，另一是印刷过程中检测到纸张故障，如歪张、无纸、双张等使印刷机自动减速运行，各部分相应地做出协调动作，如离压、停水、离墨、停止输纸等。在生产结束时，按下停车按钮，机器相应地以自由停车方式平缓地停止运转。此外，为了保证人身安全，在印刷机的危险部位安装有安全保护开关或急停按钮，只要这些开关动作，机器无论处于何种状态，都要立即停止，全机紧急制动。

    3 对变频器的功能的要求

    （1）要有三段速度控制、方向控制功能，以满足正反点车、正向低速、印刷初始速度、高速的要求;

    （2）高速运转的速度值可变，最好是通过手调电位器方式进行无级调速，以适应不同工艺要求;

    （3）机器运转要有速度指示，使操作者明确当前运转状态;

    （4）机器的加、减程要平稳，快慢适当，做到速度变换时及时平滑无冲击，变频器本身有故障时也要使全机停止运转。

    4变频器的参数选择

    根据这些要求可知，绝大多数变频器都可满足，针对所用的场合，选择通用型变频器。电压容量的选择根据所接电源和原机所用的电机。此处使用400V等级，单色机用5.5kW、双色机用11kW的变频器，市场上变频器的种类繁多，一般选择品质优良的主品，如三菱A540系列、安川G5、台达等，这些产品虽然价格较高，但质量有保证。对于一台印刷机上电气核心部件来讲，宁肯一次性投入较大，避免日后经常故障带来的麻烦。当然，如果对变频器其它的品牌质量、性能指标有把握，也可以选择，这样可以节省一些。有了变频器硬件以后，要设定其内部参数。就速度方面的参数来讲，可将点动频率设为2.5Hz，初始印刷速度25Hz，高速60Hz左右。以下以三菱变频器A540系列400V、11kW产品为例，描述一下它的具体接线及与旧型印刷机的改造连接，两者线路如附图所示，相关的注意事项如下。

  （1）原印刷机的主传动装置是电磁调速（滑差）电机、低速电机及离合器、制动器等机构都拆除不用，用一台上海通太电机公司生产的变频调速专用电机代替，该机11kW/380V自带三相断电制动器及冷却风扇。原电机的安装底座可以利用，原电机的皮带轮也可拆下装在新电机轴上。

    （2）因原主电机、低速电机已拆，所以配电箱内的接触器KM1，KM2，KM3主触点的接线可以拆除。将其余的可用触点按照新线路加以利用，作为变频器控制信号的开关触点。因为原来继电器的触点可能会存在使用时间较长，接触不良的状况，最好予以换新。变频器正向输入端STF，反向输入端STR，中速端RM，低速端RL，复位端MRS，公共端SD接线需将相关触点串并联进行组合，以满足三段调速要求。

    （3）原有的电磁调速器ZLK-11也拆除，正好可以利用其安装位置制作一个合适的调速显示盒，利用一个1KΩ/ZW的绕线电位器接入模拟信号输入端口——10E，2.5，用一只满量程10V的直流电压表并联在2.5端，变换一下表盘内的指示单位，可指示变频器的指令速度。

    （4）将变频器内部的报警常闭触点B、C连接端串入原控制线路KA1的串联回路，使其动作后具有整机急停的功能。

    （5）控制主电机的接触器KMa并接在原线路KA1旁。若有报警即释放，断开主电机回路，同时KA1常闭触点闭合，复位变频器，禁止输出。冷却风扇，电磁刹车的接触器KMb线圈的连通有两条支路，一是串入KMa常开触点与KMa并联，另一路是与电源之间串入盘车安全开关的常闭触点。正常时该支路断开，在需要手动摇车时，电源经过安全开关也使KMb通电，刹车松开可摇车。

    （6）变频器的安装位置有两种方式。一是另外制作一只控制箱，放置在飞达输纸板下部适当位置，另一种是如果控制柜离墙或柱子较近，可交将控制箱固定在墙或柱上，通过线束穿管与原控制柜连接。

    5结束语

    经过以上步骤，笔者成功改造了一台旧式J2205单张纸双色平版印，改造后机长反映速度稳、调速准、节能，维修人员也感觉可靠性高，几乎不需格外维护。我们实际测量了改造前后印刷机生产时所消耗的电流，做出比较测算，得出至少节能30%以上的结论。如附表所示:以每天生产20小时，1年以280天计算，一年可省电16800kWh，以每千瓦小时电0.7元计，一年仅电费就可省下11760元，此外，以前低速离合与制动使用的电磁离合器由于工作环境差，易损坏。以每年更换4个，每个250元计，又可节省1000元。我们购买变频器花费7800元，变频电机8000元，加上所需的一些电线、继电器等总计约16000元。投入与产出一比，不到一年半就可收回全部投资。当然，这还不包括改造后生产率提高，印刷品质量改善所带来的间接效益。

    综上所述，在老、旧型的单张纸平版印上应用变频器对主传动进行改造是一项简单易行，实用经济的好革新，即推广了新技术的应用，又符合当前所倡导的构建节约型社会的潮流，值得大力推广。

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