變頻器的電位器控制楊力

1、等級: 湖南工程學(xué)院課程設(shè)計 課程名稱專業(yè)綜合課程設(shè)計 課題名稱變頻器的電位器控制 專業(yè) 自動化 班級 1191班 學(xué)號201101029128 姓名 楊力 指導(dǎo)教師趙葵銀、李祥來、沈細群等 2014年6月23 日湖南工程學(xué)院 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 課程名稱專業(yè)綜合課程設(shè)計 課 題變頻器的電位器控制 專業(yè)班級 自動化1191班 學(xué)生姓名 楊力 學(xué) 號 201101029128 指導(dǎo)老師趙葵銀、李祥來、沈細群等 審 批 黃峰 任務(wù)書下達日期 2014年6月23日 任務(wù)完成日期 2014年7月4日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：1.使用三菱變頻器FR D-700，控制交流電動機調(diào)速。2.確定設(shè)計

2、方案。3.采用外部電位器控制變頻器的運行。4.正確設(shè)置變頻器的參數(shù)。5.正確地在實驗裝置上對變頻器與交流電機進行接線。6.并記錄2點電壓與變頻器輸出頻率的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計要求：1設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；2單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；3分析所有單元電路與總電路的工作原理，并進行試驗調(diào)試。并給出必要的波形分析；4繪制系統(tǒng)接觸線圖； 5寫出設(shè)計報告。主 要 設(shè) 計 條 件1.設(shè)計參數(shù)1）輸入輸出電壓：（AC）220（1+15%）、2）FR-D700變頻器3）DJ16三相鼠籠式異步電機4）變頻調(diào)速控制板2.可提供實驗與仿真條件電力電子與運動控制技術(shù)訓(xùn)練室提供實驗條件說 明 書 格 式目

3、 錄1課程設(shè)計封面；2任務(wù)書；3說明書目錄；4設(shè)計總體思路，主電路設(shè)計；5控制單元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6實驗或仿真調(diào)試等。7總結(jié)與體會；8附錄（完整的總電路圖）；9參考文獻；10、課程設(shè)計成績評分表進 度 安 排設(shè)計時間分為二周第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二:總體電路接線方案確定星期三: 總體電路接線方案確定星期四:控制方式的設(shè)定；星期五:參數(shù)優(yōu)化設(shè)置；第二周星期一: 實驗數(shù)據(jù)測試、記錄；星期二：實驗數(shù)據(jù)測試、記錄；星期四五:寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙；星期五下午:答辯及資料整理參 考 文 獻參考文獻1王兆安電力電子技術(shù)（第5版）機械工業(yè)出版社，20082孫培德現(xiàn)代運動控制技

4、術(shù)及其應(yīng)用電子工業(yè)出版社，20123陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)（第4版）機械工業(yè)出版社，20124曾 毅運動控制系統(tǒng)工程機械工業(yè)出版社，20145劉定建，朱丹霞實用晶閘管電路大全機械工業(yè)出版社，19966劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng)校內(nèi)，1999概 述變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為節(jié)能和提高產(chǎn)晶質(zhì)量的有效措施。變頻調(diào)速的重要性日益得到國家的重視，在國內(nèi)推廣變頻調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。低壓變頹器技術(shù)已經(jīng)成熟，在眾多解決方案中串聯(lián)多電平高壓變頻器，以其在輸入與輸邀諧波、效率秘輸入功率因數(shù)等方的明顯優(yōu)勢，在實際應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，特別在風(fēng)機、泵類的行業(yè)具有良好

5、的市場前景。異步電機調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，但是效率最高、性能最好、應(yīng)用最廣的是變頻調(diào)速，它可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)來取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對交流電機的寬范圍內(nèi)無極調(diào)速。變頻器可把固定電壓、固定頻率的交流電壓變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電。本次課程設(shè)計采用基于外部電位器方式的變頻器外部電壓調(diào)速，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，簡單易懂，縮小了體積，降低了維修率，使本次課程設(shè)計的時間大大縮短。目 錄第1章 設(shè)計方案的確定1第2章 主電路設(shè)計22.1 主電路的工作

6、原理22.2 主電路各部分的設(shè)計22.2.1.交直電路設(shè)計22.2.2直交電路設(shè)計32.3 主電路參數(shù)計算4第3章 控制單元電路設(shè)計53.1 變頻器電路原理53.1.1 驅(qū)動電路53.1.2 保護電路63.1.3 開關(guān)電源電路63.1.4 主控板上通信電路73.1.5 外部控制電路83.2 變頻器控制電路設(shè)計原理9整流電路原理9開關(guān)電源電路原理103.2.3 IPM控制電路原理113.3 參數(shù)計算與設(shè)定11第4章 實驗調(diào)試及結(jié)果134.1 變頻器參數(shù)調(diào)試134.2 調(diào)試結(jié)果14第5章 總結(jié)與體會15附錄：（FR-D700變頻器總電路圖）16參考文獻17課程設(shè)計評分表18第1章 設(shè)計方案的確定本

7、次課題為變頻器的電位器控制。方案中的K1為啟動/停止開關(guān)，要求電機轉(zhuǎn)速能隨外部電位器的調(diào)節(jié)而改變。其設(shè)計思路圖如圖1-1所示。圖1-1 變頻器外部電壓調(diào)速設(shè)計思路圖 課題所用的變頻器為FR-D700系列變頻器，它是緊湊型多功能變頻器，它的特點有： 1. 功率范圍：0.47.5KW； 2. 通用磁通矢量控制，1Hz時150%轉(zhuǎn)矩輸出； 3. 采用長壽命元器件； 4. 內(nèi)置Modbus-RTU協(xié)議； 5. 內(nèi)置制動晶體管； 6. 擴充PID，三角波功能； 7. 帶安全停止功能。綜上特點：用此型號的變頻器是這次課程設(shè)計較為理想的選擇。第2章 主電路設(shè)計2.1 主電路的工作原理變頻調(diào)速實際上是向交流異

8、步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計中采用圖2-1的主電路，這也是變頻器常用的格式。圖2-1 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路2.2 主電路各部分的設(shè)計2.2.1.交直電路設(shè)計選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35×380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三

9、相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省

10、過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1所示，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。2.2.2直交電路設(shè)計選用逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱訖C線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成

11、緩沖電路，來保護逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損

12、耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。2.3 主電路參數(shù)計算 根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下：1.整流二極管的參數(shù)計算（峰值電流）= =×15.6=22.06A（有效值）= =15.6A二極管額定電流值=（1.52）Id/1.57=14.91A19.88A額定電壓值=（23）=（23）××380=1074.64V1611.96V2.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1××380=591.05V。3.制動部分制動電阻粗略計算為=18.9437.89擊穿電壓：當(dāng)線電壓為3

13、80V時，根據(jù)經(jīng)驗值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計算：=2×591.05/18.94=62.41A第3章 控制單元電路設(shè)計3.1 變頻器電路原理驅(qū)動電路驅(qū)動電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個PWM信號，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)動信號。對驅(qū)動電路的各種要求，因換流器件的不同而異。同時，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)動模塊。有些品牌、型號的變頻器直接采用專用驅(qū)動模塊。但是，大部分的變頻器采用驅(qū)動電路。從修理的角度考慮，這里介紹較典型的驅(qū)動電路。圖3-1是較常見的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路由隔離放大電路、驅(qū)動放大電路和

14、驅(qū)動電路電源組成。三個上橋臂驅(qū)動電路是三個獨立驅(qū)動電源電路，三個下橋臂驅(qū)動電路是一個公共的驅(qū)動電源電路。圖3-1 驅(qū)動電路圖3.1.2 保護電路當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時，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。每個品牌的變頻器都很重視保護功能，都設(shè)法增加保護功能，提高保護功能的有效性。在變頻器保護功能的領(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電路的多樣性和復(fù)雜性。有常規(guī)的檢測保護電路，軟件綜合保護功能。有些變頻器的驅(qū)動電路模塊、智慧功率模塊、整流逆變組合模塊等，內(nèi)部都具有保護功能。圖3-2所示的電路是較典型的過流檢測保護電路。由電流取樣、信號隔離放大、信號放大輸出三

15、部分組成。圖3-2 過流檢測保護電路3.1.3 開關(guān)電源電路開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動電路及風(fēng)機等電路提供低壓電源。圖3-3富士G11型開關(guān)電源電路組成的結(jié)構(gòu)圖。圖3-3 開關(guān)電源電路圖直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級端，開關(guān)調(diào)整管串接脈沖變壓器另一個初級端后，再接到直流高壓N端。開關(guān)管周期性地導(dǎo)通、截止，使初級直流電壓換成矩形波。由脈沖變壓器耦合到次級，再經(jīng)整流濾波后，獲得相應(yīng)的直流輸出電壓。它又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。3.1.4 主控板上通信電路當(dāng)變頻器由可程序設(shè)計（PLC）或上位計算機、人機界面等進行控制時，必須通過通信界

16、面相互傳遞信號。圖3-4是LG變頻器的通訊界面電路。圖3-4 變頻器通訊電路圖頻器通信時，通常采用兩線制的RS485界面。西門子變頻器也是一樣。兩線分別用于傳遞和接收信號。變頻器在接收到信號后傳遞信號之前，這兩種信號都經(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界面電路主要是指這部分電路，還有信號的抗干擾電路。3.1.5 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)、點動及停止運行控制，多檔轉(zhuǎn)速控制。頻率設(shè)定電壓（電流）輸入信號通過變頻器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路進入CPU。其他一些控制通過變頻器內(nèi)輸入電路的光耦

17、隔離傳遞到CPU中。3.2 變頻器控制電路設(shè)計原理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和計算機控制電路供電;逆變電路是由PM50RSAl20組成,對于逆變電路主要闡述其控制電路的設(shè)計。整流電路原理整流電路中,輸人為380V工頻交流電。YRlYR3為壓敏電阻,用于吸收交流側(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)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)電源單元的電源。R2和R3是為了消除電容

18、的離散性而設(shè)置的均壓電阻,同時還起到放電的作用。發(fā)光二極管用于指示變頻器的工作狀態(tài)。Rl是啟動過程中的限流電阻,由于E1E4容量較大,上電瞬間相當(dāng)于短路,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SHORT來自于計算機,上電后延時一定時間計算機發(fā)出該信號將電阻切除。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應(yīng)懸空。電路中的+5V、+12V和±15V電壓是由開關(guān)電源提供的電壓。LVl是電壓傳感器,用于采集整流電壓值,供檢測和確定控制算法用。UDCM是電壓傳感器的輸出信號。通過外接插排連

19、接至外接計算機控制電路。整流電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5 整流電路原理圖開關(guān)電源電路原理該電路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFETK1317和開關(guān)變壓器組成,其功能是對整流電路的直流輸出電壓進行變換,為IPM模塊和外接的計算機控制電路提供電源。圖3-6為開關(guān)電源電路圖。圖3-6 開關(guān)電源電路圖3.2.3 IPM控制電路原理這里只給出了其中一個ICBT的控制電路,圖3-7為IPM控制電路圖。在電路中,HCPL4504是高速光耦,隔離計算機信號與變頻器控制板,LM、UM是算機輸入,控制對應(yīng)的IGBT導(dǎo)通的控制信號,VNI、WN、F0、VNC為對應(yīng)IGBT的信號引腳。P52l是光電隔

20、離器件,其輸出信號FOUT是錯誤信號,表明IPM內(nèi)部出現(xiàn)錯誤,通過計算機回應(yīng)進行錯誤處理。LA58是電流傳感器,用于采集變頻器輸出U相和W相的電流,為控制算法提供現(xiàn)場資料。在整個電路板中, 與計算機界面信號是通過插排接出的。圖3-7 IPM控制電路圖3.3 參數(shù)計算與設(shè)定1、載波頻率(CFS)載波頻率是外接時鐘頻率和一個倍率系數(shù)N的函數(shù)，N的十進制值由初始化寄存器中的一個3位的CFS字決定。載波頻率fCARR由式（1）決定。fCARR=fCLK/(512×2 n1)（1）式中：fCLK為時鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20MHz。取n=1，CFS=001，實際fCARR=9.766

21、kHz。2、輸出電源頻率范圍(FRS)頻率范圍給出了輸出頻率的上限值。頻率范圍fRANCE=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。3、死區(qū)時間（tpdy）tpdy=（63PDY）/（fCARR×512）；PDY在063之間，取PDY=37=（100101）B；則實際的tpdy=(26/26.2144)5s=4.959s。4、脈沖取消時間(PDT)經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小，但實際上，過小的脈寬沒有用，因為時間過短，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。脈沖取消時間tpd=(127PDT)/(fCARR×

22、512)；依此公式，若定義最小寬度為3s，實際最小脈寬為tpdtpdy，則tpd=7.959s，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實際tpd=8.01s，脈沖最小寬度為tpdtpdy=8.01s4.959s=3.051s。5、波形選擇SA866AE有三種標準波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波（增強型）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=0。圖4為SA866AE

23、/AM所提供的線性特性。PED是一個8位元參數(shù)，用來確定在頻率為0時電機上的電壓。如果設(shè)置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal()=PED×100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10，可得PED=25.5，取25，實際的Pedestal()=9.8。GRAD為一個8位二進制數(shù)字，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計算：GRAD=(255PED)×fRANGE/（16×fbase）；GRAD255，取fbase=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。第4章 實驗調(diào)試及結(jié)果4.1 變頻器參數(shù)調(diào)試1.按“PU/EXT”模式選擇按鈕，將變

24、頻器運行模式切換至“PU”模式；2.按“MODE”鍵，進入?yún)?shù)設(shè)定模式，此時顯示“P 0”； 3.旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定旋鈕，調(diào)至p340參數(shù)； 4.按“SET”鍵，顯示p340參數(shù)的當(dāng)前值；5.繼續(xù)旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定旋鈕，把p340參數(shù)值調(diào)至0，設(shè)完后斷電保存參數(shù)（從第三步重復(fù)操作依次 改p160=0,p79=0,p73=0)；設(shè)完后斷電保存參數(shù)。 6.閉合K1，調(diào)節(jié)電位器旋鈕，觀察電機轉(zhuǎn)速的變化情況。 序 號變頻器參數(shù)出廠值設(shè)定值功能說明1P15050上限頻率（50Hz）2P200下限頻率（0Hz）3P755加速時間（5S）4P855減速時間（5S）5P900.35電子過電流保護（0.35A）6P1609

25、9990擴張功能顯示選擇7P7904操作模式選擇8P73110-5V輸入4.2 調(diào)試結(jié)果輸入電壓(V)頻 率（Hz）轉(zhuǎn)速（r/min）00014.712529.6267314.9411419.8563524.9702629.9842735.192584.021094945.211979.8149.31273 從Ui-f曲線可以看出電機頻率和轉(zhuǎn)速近似看成與電壓大小成線性關(guān)系，且當(dāng)電壓一定時，P0760=100的轉(zhuǎn)速或者電壓是P0760=50轉(zhuǎn)速或者電壓的2倍。第5章 總結(jié)與體會 在做課程設(shè)計時，其實我是沒有底的，因為之前對變頻器了解太淺，就連怎么使用都不知道，本來想到時候借同學(xué)的報告改一下就可以了，但是我想：自己在學(xué)校學(xué)習(xí)的時間就這兩個星期了，能學(xué)點是點吧。就這樣，通過兩星期耐心的學(xué)習(xí)，自己最后竟然成功了！ 剛開始看FR-D700變頻器的使用說明書時，看得眼都花了，內(nèi)容太多，知