沼氣發酵系統的節能控制研究

周 闖，秦國輝，王玉鵬，羅向東

（黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150027）

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沼氣發酵系統的節能控制研究

周 闖，秦國輝，王玉鵬，羅向東

（黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150027）

針對沼氣發酵控制系統工作效率低、能耗大的問題，開發出一種節能的控制系統。該系統將效率高、調速性能好的永磁無刷直流電動機作為發酵系統驅動電機，能夠減小系統能耗，優化執行性能，設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整。該系統主要內容包括控制方案設計、硬件電路及軟件設計等。

節能控制；發酵系統；無刷電機；故障檢測

沼氣作為重要的可再生能源，具有很高的經濟價值和環境效益。我國沼氣發酵已有80多年的生產和研究歷史，發酵技術已基本成熟，但是沼氣發酵系統的控制技術發展卻比較緩慢，成為了沼氣發酵系統中的一個薄弱環節。

目前沼氣發酵控制系統一般以PLC為控制核心，結合附加的擴展模塊實現系統的控制功能。使用的驅動電機主要是三相異步電動機，雖然價格比較便宜，但是其調速性能差，效率低、能耗大，工作過程還會產生大量的無功損耗，影響電網的質量。在當今能源短缺的背景下，節約節省能源是重要的任務，因此應當開發出一種安全、高效、節能的控制系統。

1　控制方案設計

1.1控制核心

圖1　控制系統整體方案框圖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，實現系統的無人值守運行。利用nRF905無線通信模塊，建立手持無線操控器，實現現場的靈活控制。通過RS232接口與計算機連接，實現人機界面的操控及數據的顯示與記錄。如圖1所示。

1.2電機控制方案設計

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

將高效的永磁無刷直流電動機代替傳統的三相異步電動機作為發酵系統的驅動電機。電機采用轉速和電流雙閉環調速系統進行控制，如圖2所示。外環是速度環，對轉速調節起主要作用。內環是電流環，主要負責負載轉矩的匹配。在PID調節過程中加入“模糊控制”智能算法，對PID參數進行在線整定，使之調速性能更好，控制性能更加精確。另外增設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工作，確保電機能夠持續、安全、可靠地運行。

1.3無線通信方案設計

采用的無線通信模塊是挪威NordicVLSI公司的無線數據收發芯片nRF905。這種芯片的傳輸距離長，信號穩定。nRF905工作于433/868/915MHz這3個ISM頻段，頻道轉換時間<65μs，最大發射功率為l0MW，接收靈敏度為460dBm，最大數據傳輸速率為100kb/s。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成，片內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（循環冗余檢驗）等優點，使用SPI接口與DSP通信。

1.4故障處理系統方案設計

在控制系統中增加故障診斷與保護功能，對預見的故障進行備注編碼，發生故障或人為誤操作時，控制系統能夠根據故障特點判斷故障類別并做出相應處理，將故障損失降至最低。另外，增設手持無線控制面板，一方面方便操作者在觀察進料情況的同時調節進料速度，另一方面也能夠方便操作者對故障的應急處理，實現系統保護的雙保險。控制系統采用的是現場優先控制，以控制面板發出的指令為最高級，保證現場操作及維修人員的安全。

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

2　實驗結果分析

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

以數字信號處理器DSP為核心的控制系統，相比于PLC控制，其控制成本更低、數據處理速度更快、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的執行機構，減小了電機的電能損耗，工作效率提高了15.2%。完善了系統的故障判別與處理功能，提高了系統的故障診斷及相應速度，生產的安全性得到了可靠保障。

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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

黑龍江省科學院青年基金項目

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