周 闖，秦國輝，王玉鵬，羅向東

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027）

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沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的節(jié)能控制研究

周 闖，秦國輝，王玉鵬，羅向東

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027）

針對沼氣發(fā)酵控制系統(tǒng)工作效率低、能耗大的問題，開發(fā)出一種節(jié)能的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將效率高、調(diào)速性能好的永磁無刷直流電動機作為發(fā)酵系統(tǒng)驅(qū)動電機，能夠減小系統(tǒng)能耗，優(yōu)化執(zhí)行性能，設(shè)置完善的故障檢測和保護措施，及時進行故障判別和控制調(diào)整。該系統(tǒng)主要內(nèi)容包括控制方案設(shè)計、硬件電路及軟件設(shè)計等。

節(jié)能控制；發(fā)酵系統(tǒng)；無刷電機；故障檢測

沼氣作為重要的可再生能源，具有很高的經(jīng)濟價值和環(huán)境效益。我國沼氣發(fā)酵已有80多年的生產(chǎn)和研究歷史，發(fā)酵技術(shù)已基本成熟，但是沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展卻比較緩慢，成為了沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中的一個薄弱環(huán)節(jié)。

目前沼氣發(fā)酵控制系統(tǒng)一般以PLC為控制核心，結(jié)合附加的擴展模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。使用的驅(qū)動電機主要是三相異步電動機，雖然價格比較便宜，但是其調(diào)速性能差，效率低、能耗大，工作過程還會產(chǎn)生大量的無功損耗，影響電網(wǎng)的質(zhì)量。在當今能源短缺的背景下，節(jié)約節(jié)省能源是重要的任務(wù)，因此應(yīng)當開發(fā)出一種安全、高效、節(jié)能的控制系統(tǒng)。

1　控制方案設(shè)計

1.1控制核心

圖1　控制系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1　Control system block diagram of the overall program

為了達到快速、準確的控制效果，以數(shù)字信號處理器DSP（TMS320F2812）為控制核心，通過對外部傳感器信號的采集以及電機、閥門的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守運行。利用nRF905無線通信模塊，建立手持無線操控器，實現(xiàn)現(xiàn)場的靈活控制。通過RS232接口與計算機連接，實現(xiàn)人機界面的操控及數(shù)據(jù)的顯示與記錄。如圖1所示。

1.2電機控制方案設(shè)計

圖2　無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Control system block diagram of BLDC

將高效的永磁無刷直流電動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三相異步電動機作為發(fā)酵系統(tǒng)的驅(qū)動電機。電機采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行控制，如圖2所示。外環(huán)是速度環(huán)，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)起主要作用。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，主要負責負載轉(zhuǎn)矩的匹配。在PID調(diào)節(jié)過程中加入“模糊控制”智能算法，對PID參數(shù)進行在線整定，使之調(diào)速性能更好，控制性能更加精確。另外增設(shè)有位置傳感器及無位置傳感器控制的自動切換功能，可以在電機位置傳感器缺失的情況下自動切換為無位置傳感器控制模式繼續(xù)工作，確保電機能夠持續(xù)、安全、可靠地運行。

1.3無線通信方案設(shè)計

采用的無線通信模塊是挪威NordicVLSI公司的無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF905。這種芯片的傳輸距離長，信號穩(wěn)定。nRF905工作于433/868/915MHz這3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間<65μs，最大發(fā)射功率為l0MW，接收靈敏度為460dBm，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為100kb/s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成，片內(nèi)自動完成曼徹斯特編解碼，具有Shock Burst TM工作模式、自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余檢驗）等優(yōu)點，使用SPI接口與DSP通信。

1.4故障處理系統(tǒng)方案設(shè)計

在控制系統(tǒng)中增加故障診斷與保護功能，對預(yù)見的故障進行備注編碼，發(fā)生故障或人為誤操作時，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)故障特點判斷故障類別并做出相應(yīng)處理，將故障損失降至最低。另外，增設(shè)手持無線控制面板，一方面方便操作者在觀察進料情況的同時調(diào)節(jié)進料速度，另一方面也能夠方便操作者對故障的應(yīng)急處理，實現(xiàn)系統(tǒng)保護的雙保險?？刂葡到y(tǒng)采用的是現(xiàn)場優(yōu)先控制，以控制面板發(fā)出的指令為最高級，保證現(xiàn)場操作及維修人員的安全。

圖3　系統(tǒng)故障識別處理框圖Fig.3　Block diagram of fault identificationprocessing system

2　實驗結(jié)果分析

三相異步電動機是靠定、轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)進行能量傳遞的，在建立能力傳輸通路的過程中，會產(chǎn)生一定的無功損耗，致使電機的功率因數(shù)降低。而無刷直流電機的轉(zhuǎn)子是由永磁材料構(gòu)成，永磁體轉(zhuǎn)子自身就能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，省去了定子磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流的無功能耗，因而其功率因數(shù)要明顯高于感應(yīng)電動機。針對不同功率下兩種電機的機械效率測試結(jié)果如圖4所示。以1.1kW進料電機為例，改用無刷直流電機代替感應(yīng)電動機驅(qū)動后，機械效率提高了15.2%。

圖4　無刷直流電機與三相異步電機的機械效率對比圖Fig.4　The mechanical efficiency comparison chartof BLDC motors and three-phase asynchronous motors

3　結(jié)論

以數(shù)字信號處理器DSP為核心的控制系統(tǒng)，相比于PLC控制，其控制成本更低、數(shù)據(jù)處理速度更快、集成的功能也更加完善。采用永磁無刷直流電動機代替三相異步電動機作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，減小了電機的電能損耗，工作效率提高了15.2%。完善了系統(tǒng)的故障判別與處理功能，提高了系統(tǒng)的故障診斷及相應(yīng)速度，生產(chǎn)的安全性得到了可靠保障。

［1］ 涂小濤，辜承林.新型橫向磁通永磁電機無位置傳感器磁鏈自適應(yīng)直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32(27)：45-52.

［2］ 韋鯤，任軍軍，張仲超.三次諧波檢測無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24(5)：163-167.

［3］ 曹寬，萬彥輝，王京鋒.基于三次諧波法的無刷直流電機控制系統(tǒng)建模［J］.微電機，2012，45(12)：45-48.

［4］陳前，劉國海，趙文祥，等.基于三次諧波檢測的直流無刷電機無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真研究［J］.微電機，2011，44(5)：36-40.

［5］ 楊影，阮毅，陶生桂.一種新型無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測方法［J］.電機與控制學(xué)報，2010，14(2)：60-64.

Research of Energy-savingControl of Biogas Fermentation System

ZHOU Chuang,QIN Guo-hui,WANG Yu-peng,LUO Xiang-dong
(Energy&Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150027,China)

An energy-savingcontrol systemis presented for the problemofbiogas fermentation control system with lowefficiencyand high energy consumption in the paper.For reducing energy consumption and optimizing performance,the permanent magnet brush-less DC motor with high efficiency and good speed control performance is used as the drive motor of fermentation system.The perfect fault detection and protective measures is set to identify fault and adjust control in time.The main research contents include the control program design,hardware circuit and software design.

Energysavingcontrol;Fermentation system;Brushless motor;Fault detection

TP273

A

1674-8646（2016）01-0010-02

2015-11-19

黑龍江省科學(xué)院青年基金項目

周闖（1987-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實習(xí)員，主要從事電氣控制研究。