沼气发酵系统的节能控制研究

周 闯，秦国辉，王玉鹏，罗向东

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150027）



沼气发酵系统的节能控制研究

周 闯，秦国辉，王玉鹏，罗向东

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150027）

针对沼气发酵控制系统工作效率低、能耗大的问题，开发出一种节能的控制系统。该系统将效率高、调速性能好的永磁无刷直流电动机作为发酵系统驱动电机，能够减小系统能耗，优化执行性能，设置完善的故障检测和保护措施，及时进行故障判别和控制调整。该系统主要内容包括控制方案设计、硬件电路及软件设计等。

节能控制；发酵系统；无刷电机；故障检测

沼气作为重要的可再生能源，具有很高的经济价值和环境效益。我国沼气发酵已有80多年的生产和研究历史，发酵技术已基本成熟，但是沼气发酵系统的控制技术发展却比较缓慢，成为了沼气发酵系统中的一个薄弱环节。

目前沼气发酵控制系统一般以PLC为控制核心，结合附加的扩展模块实现系统的控制功能。使用的驱动电机主要是三相异步电动机，虽然价格比较便宜，但是其调速性能差，效率低、能耗大，工作过程还会产生大量的无功损耗，影响电网的质量。在当今能源短缺的背景下，节约节省能源是重要的任务，因此应当开发出一种安全、高效、节能的控制系统。

1　控制方案设计

1.1控制核心

图1　控制系统整体方案框图Fig.1　Control system block diagram of the overall program

为了达到快速、准确的控制效果，以数字信号处理器DSP（TMS320F2812）为控制核心，通过对外部传感器信号的采集以及电机、阀门的控制，实现系统的无人值守运行。利用nRF905无线通信模块，建立手持无线操控器，实现现场的灵活控制。通过RS232接口与计算机连接，实现人机界面的操控及数据的显示与记录。如图1所示。

1.2电机控制方案设计

图2　无刷直流电机控制系统框图Fig.2　Control system block diagram of BLDC

将高效的永磁无刷直流电动机代替传统的三相异步电动机作为发酵系统的驱动电机。电机采用转速和电流双闭环调速系统进行控制，如图2所示。外环是速度环，对转速调节起主要作用。内环是电流环，主要负责负载转矩的匹配。在PID调节过程中加入“模糊控制”智能算法，对PID参数进行在线整定，使之调速性能更好，控制性能更加精确。另外增设有位置传感器及无位置传感器控制的自动切换功能，可以在电机位置传感器缺失的情况下自动切换为无位置传感器控制模式继续工作，确保电机能够持续、安全、可靠地运行。

1.3无线通信方案设计

采用的无线通信模块是挪威NordicVLSI公司的无线数据收发芯片nRF905。这种芯片的传输距离长，信号稳定。nRF905工作于433/868/915MHz这3个ISM频段，频道转换时间<65μs，最大发射功率为l0MW，接收灵敏度为460dBm，最大数据传输速率为100kb/s。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和GFSK调制器组成，片内自动完成曼彻斯特编解码，具有Shock Burst TM工作模式、自动处理字头和CRC（循环冗余检验）等优点，使用SPI接口与DSP通信。

1.4故障处理系统方案设计

在控制系统中增加故障诊断与保护功能，对预见的故障进行备注编码，发生故障或人为误操作时，控制系统能够根据故障特点判断故障类别并做出相应处理，将故障损失降至最低。另外，增设手持无线控制面板，一方面方便操作者在观察进料情况的同时调节进料速度，另一方面也能够方便操作者对故障的应急处理，实现系统保护的双保险。控制系统采用的是现场优先控制，以控制面板发出的指令为最高级，保证现场操作及维修人员的安全。

图3　系统故障识别处理框图Fig.3　Block diagram of fault identificationprocessing system

2　实验结果分析

三相异步电动机是靠定、转子之间的电磁感应进行能量传递的，在建立能力传输通路的过程中，会产生一定的无功损耗，致使电机的功率因数降低。而无刷直流电机的转子是由永磁材料构成，永磁体转子自身就能产生转子磁场，省去了定子磁场在转子中产生感应电流的无功能耗，因而其功率因数要明显高于感应电动机。针对不同功率下两种电机的机械效率测试结果如图4所示。以1.1kW进料电机为例，改用无刷直流电机代替感应电动机驱动后，机械效率提高了15.2%。

图4　无刷直流电机与三相异步电机的机械效率对比图Fig.4　The mechanical efficiency comparison chartof BLDC motors and three-phase asynchronous motors

3　结论

以数字信号处理器DSP为核心的控制系统，相比于PLC控制，其控制成本更低、数据处理速度更快、集成的功能也更加完善。采用永磁无刷直流电动机代替三相异步电动机作为控制系统的执行机构，减小了电机的电能损耗，工作效率提高了15.2%。完善了系统的故障判别与处理功能，提高了系统的故障诊断及相应速度，生产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

黑龙江省科学院青年基金项目

周闯（1987-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，研究实习员，主要从事电气控制研究。