西门子6ES7322-1HH01-0AA0详细说明

西门子6ES7322-1HH01-0AA0详细说明

 概述
在工业企业中，电机是应用面较广和数量较多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时，其运行在低功率因数和低效率的工况下，对电能是较大浪费。
由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求, 在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。
在我厂常*、常二中采用的变频器系统，既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构——调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。
2 变频器调速运行时的节能原理
在实际的生产过程中，各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。图1为典型的泵类负载在不同转速时的特性曲线。
图中H(n1),H(n2)表示调速时的Q=f(H)曲线，R1、 R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，Q2 →Q1， A→B，HA→HB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2→Q1，A→C，HA→HC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。
P=rQH 泵的轴功率
Q 流量 H 扬程 r 液体重度
在B点和C点运行时 PB-PC=Q1(HB-HC)r 这部分就是所节约的电能。
对于泵负载，有如下表达式:
Q1/Q2 = n1/n2
H1/H2 = (n1/n2)2
P1/p2 = (n1/n2)3
由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8， 即功率与转速成3 次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而了原来消耗在泵出口阀上的管压差。
3 变频器系统的控制方案
我厂的常*泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW，转速2982转/分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。如图2所示。
由图可以看出，在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，采用控制出口阀门的方法进行控制，即差压变送器检测流量信号送至PID调节器, 再由PID调节器输出4-20mA控制信号，控制出口调节阀的开度，从而控制出口流量，保持流量稳定。原系统实际运行中，存在以下问题:
(1) 节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。
(2) 控制精度低，出口流量波动较大(约3%)。
(3) 电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。
(4) 电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。
根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则:
a、 保持出口流量稳定;b、 出口流量的控制精度0.5% ;c、电动机的转速范围应在 0～2982转/分;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和可靠性，可以互为备用; g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置;
遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点，专为泵和风机类负载设计。其结构图如图3所示。
FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基较驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路 。
变频器的主电路为典型的“交—直—交”SPWM电压型主电路。
变频器的控制电路:频率给定FRH(即速度给定)经过ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入CPU内，形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。
4 变频器系统的运行情况
1997年7月，我厂在常*泵和常二中泵电机上安装A5P变频器后，运行情况与工频比较，如下所示:
(1) 电机运行参数和节能情况的比较
节电功率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×168))×1.73=16846(W)
节电率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×158))/(39.16×0.82×380)=79%
节电功率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))×1.73=19688 (W)
节电率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))/(44.6×0.8×380)=83%
从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。
(2) 控制精度的比较
在相同的工艺条件下，采用工频和变频运行时，泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。
5 应用效果及经济效益分析
变频器投入运行以来，运行可靠，自动化程度高，节能效果显著，取得了良好的经济效益。
(1) 工艺控制平稳:由于变频器的高精度调节，调节信号有高速传递性，减少了以前仪表控制带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。
(2) 节能效果显著:按年8000小时计算，泵114/1年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间=79%×21.11千瓦×8000小时 =133415千瓦时 泵109/2年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间=83%×23.45千瓦×8000小时 =155708千瓦时 泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量×电价=289123×0.50=144561元 变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右，就可收回投资。
(3) 维护量减少:由于出口阀全开，电动机降速运行，使得管网压力下降，减少了工艺设备的泄漏，降低了机泵磨损，降低了电机的温升，设备维护周期延长。由于变频器代替了调节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，使仪表的维护量减少。
(4) 系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。

一． 节能原理

根据流体力学理论，电机轴功率P和风量Q、压力H之间的关系为： 
P=K*H*Q/η
其中K为常数；
η为效率。 
它们与转速N之间的关系为： 
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=（N1/N2）2
P1/P2=（N1/N2）3

图中曲线1为风机在恒速下压力,H和流量Q的特性曲线，曲线2是管网风阻特性（阀门开度为**）。设风机在设计时工作在A点的效率较高，输出风量Q1为**，此时的轴功率P1=Q1*H1与面积AH10Q1成正比。根据工艺要求，当风量需从Q1减少到Q（例如70%）时，如采用调节阀门的方法相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性变到为曲线3，系统由原来的工况A点变到新的工况B点运行，由图中可以看出，风压反而增加了，轴功率P2与面积BH20Q2成正比，减少不多。 如果采用变频调速控制方式，将风机转速由N1降到N2，根据风机的比例定律，可以画出在转速N2下压力H和流量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3将大幅度降低，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着显著减少，节省的功率△P=△HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。
由流体力学可知，风量Q与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率P与转速的立方成正比，当风量减少，风机转速下降时，起功率下降很多。
例如风量下降到80%，转速也下降到80%时，则轴功率下降到额定功率的51%；如风量下降到50%，功率P可下降到额定功率的13%，当然由于实际工况的影响，节能的实际值不会有这么明显，即使这样，节能的效果也是十分明显的。
因此在有风机、水泵的机械设备中，采用变频调速的方式来调节风量和流量，在节能上是一个较有效的方法。 

二、工作原理

Invt节能控制器采用较新电脑控制技术，利用压力传感器信号及有关电气控制信号，根据供水管道的压力值控制水泵电机转速，将压力维持在所需的压力值上，将平时不必消耗的能量节省下来，从而达到节电的目的。
2、基本工作原理框图：

3、 Invt节能控制器特点：
l 保留原有控制程序不变，安装简便。采用市电/节能控制方式，以备故障时不影响生产。
l 利用电气控制，可将原有开、关式压力控制改为连续压力控制，压力控制更精确，供水压力更平稳。
l 软起动装置，无级调速控制，可避免启动电流冲击。
l 系统功率因数大大提高，几乎没有无功损耗。
l 操作方便，的计算机控制，故障率几乎为零。同步运行，不需任何调节。 

三、节电效果预测

Invt节能控制器可较大程度上降低水泵的耗电量，由于实现了无级调速控制，水泵的耗电量就与设备使用情况密切相关。经加装Invt节能控制器进行节电改造后，我们预计总体上的节电效果一般可达到25%～65%，有些可达到更高的水平。 

１降低产品成本是提高企业市场竞争力的有效手段。

    对于摩托车零件机加工部门而言，减少消耗，特别是进口昂贵消耗，是降低加工成本的一个重要方面。在材料、工件材料、加工尺寸、冷却条件不变的情况下，切削速度对耐用度的影响较大，而且比较容易改变。 

在我们车间的缸头生产线中，加工气门导管和座圈的底孔有两个工位，都使用复合精镗。双主轴箱带动两把，分别加工进气门和排气门。每一把上各有两个片，该片为MAPAL公司生产，价格为800元/片。原来每个片一般只能加工零件3000个左右，而片的标定加工孔数为8000孔/片，显然片利用率比较低。为此，我们采用变频器调整主轴转速，以寻求获得经济合理的主轴转速。 

2 采用变频器控制主轴转速 

现以其中一个工位为例，介绍具体过程。 

硬件选择 

原主轴电机型号Y90S-2。它的相关参数如下：功率为1.5kW，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，接法为Y。为了减少改动，保留原来主轴电机不变，选用富士FAN5000G9S系列变频器控制。该型变频器具有功能强、噪音低、操作方便等优点。根据主轴电机的参数，选择额定容量与之相匹配的FRN1.5G9S-4JE型变频器（额定容量为2.8kVA，额定电流为3.7A）。 

参数设定 

   为了防止损坏变频器和电机，为充分发挥变频器的功能，一定要正确设定变频器的功能参数。 

频率设定 

选用键盘面板设定方式，具体频率值由X1、X2、X3端子ON/OFF组合来选择，本文是X2、X3端子断开，PLC输出只控制X1端子，所以只需设定X1端子对应的功能参数F20即可（频率不能**过电机的频定频率）。

加速/减速时间的设定 

    加速/减速时间的选择决定了调速系统的快速性，如果选择较短的加速/减速时间会提高生产率；但是如果选择加速时间太短，系统可能无法启动或者过电流跳闸；如果减速时间太短，频率下降太快，电动机会进入制动状态，可能发生过电压跳闸，因此应该在不影响加工的条件下，合理选择加速/减速时间值。 

过载电流设定 

过载电流为变频器电子热过载继电器动作值，为了保护电机，应设定为电机的额定电流或稍小于额定值。 
瞬时停电后自动再启动 

为了安全起见，该参数应设为瞬时停电后不可以自动再启动方式。 

电机较数的设定 

为了能显示正确的电动机同步转速，应正确设定该参数。因为异步电动机额定转差率较小，根据ne＝2840r/min，可以判断出电机的同步转速n1＝3000r/min，电机较数为2。 

安全保护 

富士5000G9S系列变频器的自诊断功能报警且保护功能齐全，一旦变频器内部保护功能动作而导致停机状态时，有继电器开（闭）信号输出，为了防止故障的扩大，把变频器报警常闭触点串联在变频器电源输入侧的交流接触器控制电路中。 

3 改变切削速度试验 

我们对电机转速进行了调整（即调整的切削速度），并对切削效果、寿命（指在实际加工中，每把片所加工工件的数量）做了详细的记录。经过几个月的试验，得出在现有的工况条件下，转速与零件表面粗糙度、转速与寿命的大致曲线。 

试验表明：切削速度在1700～1900r/min之间时，零件的表面质量和片的使用寿命的综合指标较好，同时也能满足生产率要求。我们把速度定在1800r/min工作，反映出来的切削效果比较好，而且很稳定。 

4 经济效益对比 

在实际机床改造中，为了节约，把变频器拆掉，用改变同步齿形皮带轮直径的方法来降低主轴转速，使之达到试验中确定的较佳速度。 
以年产30万件缸头计算： 
改造前（n=2840r/min）： 
消耗片数量：（30万件÷3000件/片）×4＝400片 
消耗金额：400片×800元/片＝32万元 
改造后（n＝1800r/min）：消耗片数量：（30万件÷4000件/片）×4＝300片 
消耗金额：300片×800元/片＝24万元 

显然，以年产30万件缸头计算，仅这个工位每年就节约资金8万元，而更换同步齿形带皮带轮只需100元左右。我们用同样的方法对加工另外一对气门导管和座圈底孔的主轴速度进行了调整，确定切削速度在1400r/min时切削效果较好，每片可加工工件3800个左右。 

我们在近10台设备上运用变频器试验方法调整主轴转速，提高片的使用寿命，一年为公司节约资金近30万元，获得了显著的经济效益。近两年的实践证明：使用的工况条件不同，其合理的切削速度也不一样。用变频器来改变切削速度，选定经济效益较佳切削速度。速度选择好之后，用改变皮带轮直径和（或）更换电机的方法来改变切削速度，既经济又方便，是机械加工提高加工质量、降低加工成本的一种行之有效的方法。