變頻器硬件設(shè)計(jì)方案

1、一. 設(shè)計(jì)思路通用型變頻器的硬件電路主要由 3部分組成：整流電路、開關(guān)電源電路以及 逆變電路。整流電路將工頻交流電整流為直流，并經(jīng)大電容濾波供給逆變單元；開關(guān)電源電路為IPM和計(jì)算機(jī)控制電路供電；逆變電路是由PM50RSAl2(fi成。二. 控制回路1. 整流電路整流電路中，輸人為380VX頻交流電。YRlYR3為壓敏電阻,用丁吸收交流 側(cè)的浪涌電壓，以免造成變頻器損壞。輸人電源經(jīng)二極管整流橋6R130G-160整流 為直流,并經(jīng)電的作用。發(fā)光二極管用丁指示變頻器的工作狀態(tài)。Rl是啟動(dòng)過程中的限流電阻，由ElE4大電容濾波后成為穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)電感和電容濾 波后作為逆變單元和開關(guān)電源單元的

2、電源。R2和R3是為了消除電容的離散性而設(shè)置的均壓電阻，同時(shí)還起到放丁 E1E4容量較大,上電瞬間相當(dāng)丁短路,電流 很大,尺l可以限制該電流大小，電路正常狀態(tài)后由繼電器 RLYl將該電阻短路以 免增加損耗。繼電器的控制信號(hào) SHOR咪自丁計(jì)算機(jī)，上電后延時(shí)一定時(shí)間計(jì)算 機(jī)發(fā)出該信號(hào)將電阻切除。R1應(yīng)選擇大功率電阻，本電路中選擇的是20W的水泥 電阻，而且為了散熱該電阻安裝時(shí)應(yīng)懸:空。 電路中的+5U +12 V和土 15V電壓是由 開關(guān)電源提供的電壓。LVl是電壓傳感器，用丁采集整流電壓值，供檢測和確定控 制算法用。UDCM電壓傳感器的輸出信號(hào)。通過外接插排連接至外接計(jì)算機(jī)控 制電路。2. 開

3、關(guān)電路輸出電壓進(jìn)行變換，為IPM模塊和外接的計(jì)算機(jī)控制電路提供電源，提供的 電壓為土該電路主要由 PW僦制器TL3842P MOSFETK131和開關(guān)變壓器組成 其功能是對整流電路的流15V、+1直2V、+5v。m33.IPM的控制電路在電路中，HCPL4504是高速光耦，隔離計(jì)算機(jī)信號(hào)與變頻器控制板，LM、UM 是算機(jī)輸入，控制對應(yīng)的IGBT導(dǎo)通的控制信號(hào)，VNI、WN F0、VNC為對應(yīng)IGBT 的信號(hào)引腳。P52I是光電隔離器件，其輸出信號(hào)FOU形錯(cuò)誤信號(hào)，表明IPM內(nèi)部 出現(xiàn)錯(cuò)誤，通過計(jì)算機(jī)響應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)誤處理。LA58是電流傳感器，用丁采集變頻器 輸出U相和 州目的電流，為控制算法提供現(xiàn)

4、場數(shù)據(jù)。在整個(gè)電路板中，與計(jì)算機(jī) 接口信號(hào)是通過插排接出的。 r . *三. 變頻器電路1. 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中CPLT生的六個(gè)PWM!號(hào)，經(jīng)光電隔離和放大后， 作為逆變電路的換流器件（逆變模塊）提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對驅(qū)動(dòng)電路的各種要求，因換流器件的不同而異。同時(shí)，一些開發(fā)商開發(fā)了 許多適宜各種換流器件的專用驅(qū)動(dòng)模塊。 有些品牌、型號(hào)的變頻器直接采用專用 驅(qū)動(dòng)模塊。但是，大部分的變頻器采用驅(qū)動(dòng)電路。從修理的角度考慮，這里介紹 較典型的驅(qū)動(dòng)電路。圖二是較常見的驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電路電源見圖2.3）。驅(qū)動(dòng)電路由隔離放大電路、驅(qū)動(dòng)放大電路和驅(qū)動(dòng)電路電組成。 三源個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)電路 是三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源

5、電路,三個(gè)下橋臂驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)公共的驅(qū)動(dòng)電源電路。圖二驅(qū)動(dòng)電路圖圖2.3驅(qū)動(dòng)電路電源圖2、保護(hù)電路當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，為了使變頻器因異常造成的損失減少到最小， 甚至減 少到零。每個(gè)品牌的變頻器都很重視保護(hù)功能， 都設(shè)法增加保護(hù)功能，提高保護(hù) 功能的有效性。在變頻器保護(hù)功能的領(lǐng)域，廠商可謂使盡解數(shù)，作好文章。這樣，也就形成 了變頻器保護(hù)電路的多樣性和復(fù)雜性。 有常規(guī)的檢測保護(hù)電路，軟件綜合保護(hù)功 能。有些變頻器的驅(qū)動(dòng)電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等，內(nèi)部都 具有保護(hù)功能。由電流取樣、信號(hào)隔離放大、信圖四所示的電路是較典型的過流檢測保護(hù)電路。號(hào)放大輸出三部分組成。四電流檢測保護(hù)電路(U)

6、相3、開關(guān)電源電路開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動(dòng)電路及風(fēng)機(jī)等電路提供低壓電源。 圖五為富士 G11型開關(guān)電源電路組成的結(jié)構(gòu)圖。1HJM* I05?： ：無 圖五開關(guān)電路結(jié)鞫圖直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級(jí)端，開關(guān)調(diào)整管申接脈沖變壓器另一 個(gè)初級(jí)端后，再接到直流高壓 N端。開關(guān)管周期性地導(dǎo)通、截止，使初級(jí)直流電 壓換成矩形波。由脈沖變壓器耦合到次級(jí)，再經(jīng)整流濾波后，獲得相應(yīng)的直流輸 出電壓。它乂對輸出電壓取樣比較，去控制脈沖調(diào)寬電路，以改變脈沖寬度的方 式，使輸出電壓穩(wěn)定。4、主控板上通信電路當(dāng)變頻器由可編程（PLQ或上位計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面等進(jìn)行控制時(shí)，必須通 過通信接口相互傳遞信號(hào)。圖

7、六是 LG變頻器的通訊接口電路。圖六變頻器通迅接口頻器通信時(shí)，通常采用兩線制的 RS485接口。西門子變頻器也是一樣。兩 線分別用丁傳遞和接收信號(hào)。變頻器在接收到信號(hào)后傳遞信號(hào)之前，這兩種信號(hào) 都經(jīng)過緩沖器A1701、75176B等集成電路，以保證良好的通信效果。所以，變頻 器主控板上的通信接口電路主要是指這部分電路，還有信號(hào)的抗干擾電路。5、外部控制電路變頻器外部控制電路主要是指頻率設(shè)定電壓輸入， 頻率設(shè)定電流輸入、正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)及停止運(yùn)行控制，多檔轉(zhuǎn)速控制。頻率設(shè)定電壓(電流)輸入信號(hào)通 過變頻器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入CPU其他一些控制通過變頻器內(nèi)輸入電路的光 耦隔離傳遞到CPU中四.

8、 輔助電源1. 整流器最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。 也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由丁其功率方向可逆，可以進(jìn) 行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感 和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器 件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。3. 逆變器同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率， 以所確定的時(shí)間使 6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形?？刂?/p>

9、電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電(電壓、頻率可調(diào))的主電路提供控制 信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢 測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大 的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。(1) 運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號(hào) 進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。(2) 電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。(3) 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件 導(dǎo)通、關(guān)斷。(4) 速度檢測電路：以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器(tg、plg等) 的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)

10、算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。(5) 保護(hù)電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常 時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。五. 變頻器的容量計(jì)算1. 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需變頻器容量的計(jì)算由丁變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的是脈沖電流，其脈運(yùn)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此需將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔?此時(shí)，變頻繁器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件:Pcn» kPnZ nCOSa(kVA)(1)Icn > KIm(A)(2)Pcn» K1.732VmIrm< 1/1000 (kVA)式中：Pm n、COSa Vm Im分別為電動(dòng)

11、機(jī)輸出功率、效率（取 0.85）,功 率因素（取0.75）,電壓（V）,電流（A）:K:電流波形的修正系數(shù)（PW町式取1.。只1 . 1）;PCN變頻器的額定容量（kVA） ; IcN，變頻器的額定電流（A）式中IM如按電動(dòng)機(jī) 實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來選擇變頻器時(shí)，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。2. 加減速時(shí)變頻器容量的選擇變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定的，一般情況下，對于短時(shí)的加減速而言，變頻器允許達(dá)到輸出電流的130%150%（視變頻 器容量），因此，在短時(shí)加減速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以增大；反之,如只需要較小的加 減速轉(zhuǎn)矩時(shí)，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈運(yùn)原因，此時(shí) 應(yīng)將

12、變 頻器的最大輸出電流降低10%后再進(jìn)行選定。3. 頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變頻器容量的選定根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值，按下式確定:Icn=（I1t1+I2t2+, +I5t5）/（t1+t2+, +t5）Ko式中：Icn:變頻器額定輸出電流（A）;I1t1+I2t2+ , +I5t5:各運(yùn)行狀態(tài)平均電流（A）;t1+t2+ , +t5:各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間；Ko:安全系數(shù)（運(yùn)行頻繁時(shí)取1.2，其它條件下為1.1）。4. 電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)所需變頻器容量的計(jì)算通常，三相異步電動(dòng)機(jī)直接用工頻起動(dòng)時(shí)電流為其額定電流的57倍，對于電動(dòng)機(jī)功率小于10KW的電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，可按下式選取變頻器：Ic

13、n > Ik/KgKg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg=1. 31.在運(yùn)行中，如電機(jī)電流不規(guī)則變化，此時(shí)不易獲得運(yùn)行特性曲線，這時(shí)可使 電機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進(jìn)行選定。5. 輕載電動(dòng)機(jī)時(shí)變頻器的選擇電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載比電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率小時(shí)，多認(rèn)為可選擇與實(shí)際負(fù)載相稱的變頻器容量。以上介紹的是幾種情況下變頻器的容量計(jì)算與選擇方法，具體選擇容量時(shí)， 既要充分利用變頻器的過載能力,乂要不至于在負(fù)載運(yùn)行時(shí)使裝置超溫。6. 變頻器的控制電路給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)，稱為控 制回路，控制電路由頻率、電壓的運(yùn)算電路、主電路的電壓、電流檢

14、測電路、電動(dòng)機(jī)的速度檢測電路，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路以及逆變器和 電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路等組成。無速度檢測電路為開環(huán)控，在控制電路增加了速度檢 測電路，即增加速度指令，可以對異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行更精確的閉環(huán)控制。六. 參數(shù)計(jì)算與設(shè)定1. 載波頻率(CFS)載波頻率是外接時(shí)鐘頻率和一個(gè)倍率系數(shù) N的函數(shù)，N的十進(jìn) 制值由初始化寄存器中的一個(gè) 3位的CFS字決定。載波頻率fCARR由式(1)決 定。fCARR=fCLK/(512X 2 n + 1) (1)式中：fCLK為時(shí)鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為 20MHz取n=1, CFS=001 實(shí)際 fCARR=9.766kHz2. 輸出

15、電源頻率范圍(FRS)頻率范圍給出了輸出頻率的上限值。頻率范圍 fRANCE=fCARR2m/384,取 m=1 即 FRS=(001)Bo3. 死區(qū)時(shí)間(tpdy ) tpdy= (63 PDY / (fCAFRX 512) ; PDY 063之間， 取 PDY=37=( 100101) B;則實(shí)際的 tpdy=(26/26.2144)5s=4.959 s。4. 脈沖取消時(shí)間(PDT)經(jīng)調(diào)制后SPWIW脈寬可以很小，但實(shí)際上，過小的脈寬沒 有用，因?yàn)闀r(shí)間過短，功率管還沒來得及完全打開就關(guān)閉了， 只增加了功率管的 損耗，降低了系統(tǒng)的效率。脈沖取消時(shí)間 tpd=(127 PDT)/(fCARRX

16、 512);依此 公式，若定義最小寬度為3 s,實(shí)際最小脈寬為tpd - tpdy，則tpd=7.959從s, 可得 PDT=85.272 取 PDT=85=( 1010101) B,因此,實(shí)際 tpd=8.01 卜 s,脈沖最 小寬度為 tpd tpdy=8.01 口 s 4.959 口 s=3.051 口 s。5. 波形選擇SA866AEW三種標(biāo)準(zhǔn)波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波(增強(qiáng)型)和帶死區(qū)的三次諧波(高效型)。波形采用對稱技術(shù)保證每個(gè)功率管的開 通角度相同。本系統(tǒng)選用帶三次諧波的正弦波作為調(diào)制波，即有：WS=(01) B。6. V/f曲線控制FC用來確定是線性定律還是風(fēng)扇定律，本系統(tǒng)設(shè)定工作在線性 曲線狀態(tài)，即FC=。圖4為SA866AE/A晰提供的線性特性。PED一個(gè)8位參 數(shù)，用來確定在頻率為0時(shí)電機(jī)上的電壓。如果設(shè)置 PED=255則VVVFW性特 性沒用。Pedestal( %)=PEA 100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10%,可得 PED=25.5,取25,實(shí)際的Pedestal( %)=9.8。GRA的一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),決定 包轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和 PED值計(jì)算：GRAD=(255PED fRANGE/(16Xfbase) ; GRAD 255,取 fbase=50Hz；則有 GRAD=15=1111) B。