变频器的电位器控制(杨力).docx

等级:湖南工程学院课程设计课程名称专业综合课程设计课题名称变频器的电位器掌握专业自动化班级1191 班学号202301029128姓名杨力指导教师 赵葵银、李祥来、沈细群等2023 年 6 月 23 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称专业综合课程设计课题变频器的电位器掌握专业班级自动化 1191 班学生姓名杨力学号202301029128指导教师赵葵银、李祥来、沈细群等审批黄峰任务书下达日期 2023 年 6 月 23 日任务完成日期 2023 年 7 月 4 日设计内容与设计要求设计内容：1. 使用三菱变频器 FR D-700，掌握沟通电动机调速。2. 确定设计方案。3. 承受外部电位器掌握变频器的运行。4. 正确设置变频器的参数。5. 正确地在试验装置上对变频器与沟通电机进展接线。6. 并记录 2 点电压与变频器输出频率的对应关系。设计要求：1. 设计思路清楚，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析全部单元电路与总电路的工作原理，并进展试验调试。并给出必要的波形分析；4. 绘制系统接触线图；5. 写出设计报告。主 要 设 计 条 件1. 设计参数1 输入输出电压：AC2201+15%、2） FR-D700 变频器3） DJ16 三相鼠笼式异步电机4） 变频调速掌握板2. 可供给试验与仿真条件电力电子与运动掌握技术训练室供给试验条件说 明 书 格 式目录1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书名目；4. 设计总体思路，主电路设计；5. 掌握单元电路设计各单元电路图；6. 试验或仿真调试等。7. 总结与体会；8. 附录完整的总电路图；9. 参考文献；10、课程设计成绩评分表进 度 安 排设计时间分为二周第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路接线方案确定星期三: 总体电路接线方案确定星期四:掌握方式的设定；星期五:参数优化设置； 其次周星期一: 试验数据测试、记录； 星期二：试验数据测试、记录；星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:辩论及资料整理参 考 文 献参考文献1王兆安电力电子技术第 5 版机械工业出版社，2023 2孙培德现代运动掌握技术及其应用电子工业出版社，20233陈伯时电力拖动自动掌握系统第 4 版机械工业出版社，2023 4曾 毅运动掌握系统工程机械工业出版社，20235刘定建，朱丹霞有用晶闸管电路大全机械工业出版社，1996 6刘星平电力电子技术及电力拖动自动掌握系统校内，1999概 述变频调速技术已经成为节能和提高产晶质量的有效措施。变频调速的重要性日益得到国家的重视，在国内推广变频调速技术有着格外重大的现实意义和巨大的经济价值和社会价值。低压变颓器技术已经成熟，在众多解决方案中串联多电平高压变频器，以其在输入与输邀谐波、效率秘输入功率因数等方的明显优势，在实际应用领域中占有一席之地，特别在风机、泵类的行业具有良好的市场前景。异步电机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的沟通调速系统来取代直流调速系统，是沟通调速的主要进展方向。变频调速是以变频器向沟通电机供电， 并构成开环或闭环系统，从而实现对沟通电机的宽范围内无极调速。变频器可把固定电压、固定频率的沟通电压变换为可调电压、可调频率的沟通电。本次课程设计承受基于外部电位器方式的变频器外部电压调速，用变频器+沟通鼠笼式感应电动机组合替代了大局部原先只能用直流电机完成的工作，简洁易懂，缩小了体积，降低了修理率，使本次课程设计的时间大大缩短。目 录第 1 章 设计方案确实定1第 2 章 主电路设计22.1 主电路的工作原理22.2 主电路各局部的设计22.2.1. 交直电路设计22.2.2 直交电路设计32.3 主电路参数计算4第 3 章 掌握单元电路设计53.1 变频器电路原理53.1.1 驱动电路53.1.2 保护电路63.1.3 开关电源电路63.1.4 主控板上通信电路73.1.5 外部掌握电路83.2 变频器掌握电路设计原理93.2.1 整流电路原理93.2.2 开关电源电路原理103.2.3 IPM 掌握电路原理113.3 参数计算与设定11第 4 章 试验调试及结果134.1 变频器参数调试134.2 调试结果14第 5 章 总结与体会15附录：FR-D700 变频器总电路图 16参考文献17课程设计评分表18第1章 设计方案确实定本次课题为变频器的电位器掌握。方案中的K1 为启动/停顿开关，要求电机转速能随外部电位器的调整而转变。其设计思路图如图1-1 所示。图 1-1 变频器外部电压调速设计思路图课题所用的变频器为 FR-D700 系列变频器，它是紧凑型多功能变频器，它的特点有：1. 功率范围：0.47.5KW；2. 通用磁通矢量掌握，1Hz 时 150%转矩输出；3. 承受长寿命元器件；4. 内置 Modbus-RTU 协议；5. 内置制动晶体管；6. 扩大 PID，三角波功能；7. 带安全停顿功能。综上特点：用此型号的变频器是这次课程设计较为抱负的选择。第 1 页第2章 主电路设计2.1 主电路的工作原理变频调速实际上是向沟通异步电动机供给一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两局部组成：主电路和掌握电路， 其中主电路通常承受交-直-交方式，先将沟通电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的沟通电逆变。在本设计中承受图 2-1 的主电路，这也是变频器常用的格式。图2-1 电压型交直交变频调速主电路2.2 主电路各局部的设计2.2.1. 交直电路设计选用整流管VD1VD 组成三相整流桥，对三相沟通电进展全波整流。6整流后的电压为U=1.35U=1.35×380V=513V。dL第 2 页滤波电容CF滤除整流后的电压波浪，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，滤波电容 CF的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻 R ，从而使电容 CLF的充电电流限制在允许的范围内。当 CF充电到一定程度，使SL闭合，将限流电阻短路。在很多下型的变频器中， SL已有晶闸管替代。电源指示灯 HL 除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长数分钟，几百伏的电压会威逼人员安全。因此修理时，要等指示灯熄灭后进展。R 为制动电阻，在变频器的沟通调速中，电动机的减速是通过降低B变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压称泵升电压不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。为了避开消灭这一现象，必需将再生到直流电路的能量消耗掉，R 和VBB的作用就是消耗掉这局部能量。如图 3.1所示，当直流中间电路上电压上升到肯定值，制动三极管 VB馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。2.2.2 直交电路设计导通，将回选用逆变开关管V1- V 组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的6沟通电，逆变管在这里选用 IGBT。续流二极管VD7- VD12的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开头释放，续流二极管供给通道，维持电流在线圈中流淌。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流供给通道，使其回流到直流电源。电阻 R01- R，电容C0601- C，二极管VD0601- VD06组成缓冲电路，来保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 I c 和集电极与第 3 页放射极间的电压Vce的冲击，因此要通过缓冲电路进展缓解。当逆变管关断时， Vce快速上升， Ic快速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电容C- C来减小电压增长率。当逆变0106管开通时， Vce快速下降， Ic快速上升，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流 Ic的增长率，造成 IGBT 的损坏。所以增加电阻 R- R，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，0106该电阻又会阻挡电容的充电，为了解决这个冲突，在电阻两端并联二极管VD- VD，使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通0106过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。2.3 主电路参数计算2依据前面所给出的原始参数，主电路各局部的计算如下： 1.整流二极管的参数计算I峰值电流=2I=2mN×15.6=22.06AI 有效值= I/dm=15.6A二极管额定电流值 I=1.52Id/1.57=14.91A19.88A2e额定电压值U =23U=23×em2. 滤波电容×380=1074.64V1611.96V2系统承受三相不控整流，经滤波后U=1.1×d3. 制动局部×380=591.05V。制动电阻粗略计算为 RB2U=d INUIdN=18.94 W 37.89 WV 击穿电压：当线电压为 380V 时，依据阅历值选 1000V。bV集电极最大电流 IBcm：依据正常电压流经 RB电流的两倍来计算：d RI³ 2U=2×591.05/18.94=62.41ACMb第 4 页第3章 掌握单元电路设计3.1 变频器电路原理3.1.1 驱动电路驱动电路是将主控电路中 CPU 产生的六个 PWM 信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件逆变模块供给驱动信号。对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。同时，一些开发商开发了很多适宜各种换流器件的专用驱动模块。有些品牌、型号的变频器直接承受专用驱动模块。但是，大局部的变频器承受驱动电路。从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。图3-1 是较常见的驱动电路。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。图 3-1 驱动电路图第 5 页3.1.2 保护电路当变频器消灭特别时，为了使变频器因特别造成的损失削减到最小， 甚至削减到零。每个品牌的变频器都很重视保护功能，都设法增加保护功能，提高保护功能的有效性。在变频器保护功能的领域，厂商可谓使尽解数，作好文章。这样，也就形成了变频器保护电路的多样性和简单性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、才智功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。图 3-2 所示的电路是较典型的过流检测保护电路。由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三局部组成。图 3-2 过流检测保护电路3.1.3 开关电源电路开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路供给低压电源。图 3-3 富士 G11 型开关电源电路组成的构造图。第 6 页图 3-3 开关电源电路图直流高压 P 端加到高频脉冲变压器初级端，开关调整管串接脉冲变压器另一个初级端后，再接到直流高压N 端。开关管周期性地导通、截止， 使初级直流电压换成矩形波。由脉冲变压器耦合到次级，再经整流滤波 后，获得相应的直流输出电压。它又对输出电压取样比较，去掌握脉冲调宽电路，以转变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。3.1.4 主控板上通信电路当变频器由可程序设计PLC或上位计算机、人机界面等进展掌握时，必需通过通信界面相互传递信号。图 3-4 是 LG 变频器的通讯界面电路。第 7 页图 3-4 变频器通讯电路图频器通信时，通常承受两线制的 RS485 界面。西门子变频器也是一样。两线分别用于传递和接收信号。变频器在接收到信号后传递信号之 前，这两种信号都经过缓冲器A1701、75176B 等集成电路，以保证良好的通信效果。所以，变频器主控板上的通信界面电路主要是指这局部电路， 还有信号的抗干扰电路。3.1.5 外部掌握电路变频器外部掌握电路主要是指频率设定电压输入，频率设定电流输入、正转、反转、点动及停顿运行掌握，多档转速掌握。频率设定电压电流输入信号通过变频器内的A/D 转换电路进入 CPU。其他一些掌握通过变频器内输入电路的光耦隔离传递到 CPU 中。第 8 页3.2 变频器掌握电路设计原理通用型变频器的硬件电路主要由 3 局部组成:整流电路、开关电源电路以及逆变电路。整流电路将工频沟通电整流为直流,并经大电容滤波供给逆变单元;开关电源电路为 IPM 和计算机掌握电路供电;逆变电路是由PM50RSAl20 组成,对于逆变电路主要阐述其掌握电路的设计。3.2.1 整流电路原理整流电路中,输人为 380V 工频沟通电。YRlYR3 为压敏电阻,用于吸取沟通侧的浪涌电压 ,以免造成变频器损坏。输人电源经二极管整流桥6R130G-160 整流为直流,并经ElE4 大电容滤波后成为稳定的直流电压, 再经电感和电容滤波后作为逆变单元和开关电源单元的电源。R2 和 R3 是为了消退电容的离散性而设置的均压电阻,同时还起到放电的作用。发光二极管用于指示变频器的工作状态。Rl 是启动过程中的限流电阻,由于 E1E4 容量较大,上电瞬间相当于短路,电流很大,尺l 可以限制该电流大小, 电路正常状态后由继电器 RLYl 将该电阻短路以免增加损耗。继电器的掌握信号 SHORT 来自于计算机,上电后延时肯定时间计算机发出该信号将电阻切除。R1 应选择大功率电阻,本电路中选择的是 20W 的水泥电阻,而且为了散热该电阻安装时应悬空。电路中的+5V、+12V 和±15V 电压是由开关电源供给的电压。LVl 是电压传感器,用于采集整流电压值,供检测和确定掌握算法用。UDCM 是电压传感器的输出信号。通过外接插排连接至外接计算机掌握电路。整流电路原理图如图 3-5 所示。第 9 页图 3-5 整流电路原理图3.2.2 开关电源电路原理该电路主要由 PWM 掌握器 TL3842P、MOSFETK1317 和开关变压器组成, 其功能是对整流电路的直流输出电压进展变换,为 IPM 模块和外接的计算机掌握电路供给电源。图 3-6 为开关电源电路图。图 3-6 开关电源电路图第 10 页3.2.3 IPM 掌握电路原理这里只给出了其中一个 ICBT 的掌握电路,图 3-7 为 IPM 掌握电路图。在电路中 ,HCPL4504 是高速光耦 , 隔离计算机信号与变频器掌握板,LM、UM 是算机输入,掌握对应的 IGBT 导通的掌握信号,VNI、WN、F0、VNC 为对应 IGBT 的信号引脚。P52l 是光电隔离器件,其输出信号 FOUT 是错误信号,说明 IPM 内部消灭错误,通过计算机回应进展错误处理。LA58 是电流传感器,用于采集变频器输出U 相和W 相的电流,为掌握算法供给现场资料。在整个电路板中, 与计算机界面信号是通过插排接出的。图 3-7 IPM 掌握电路图3.3 参数计算与设定1、载波频率(CFS)载波频率是外接时钟频率和一个倍率系数 N 的函数，N 的十进制值由初始化存放器中的一个 3 位的 CFS 字打算。载波频率fCARR 由式1打算。fCARR=fCLK/(512×2 n1)1式中：fCLK 为时钟输入频率，本系统所选用的晶振为 20MHz。取n=1，CF S=001，实际 fCARR=9.766kHz。第 11 页2、输出电源频率范围(FRS)频率范围给出了输出频率的上限值。频率范围 fRANCE=fCARR×2m/384，取 m=1，即 FRS=(001)B。3、死区时间tpdytpdy=63PDY/fCARR×512；PDY 在 063 之间，取PDY=37=100101B；则实际的tpdy=(26/26.2144)5s= 4.959s。4、脉冲取消时间(PDT)经调制后 SPWM 的脉宽可以很小，但实际上， 过小的脉宽没有用，由于时间过短，功率管还没来得及完全翻开就关闭了，只增加了功率管的损耗，降低了系统的效率。脉冲取消时间tpd=(12 7PDT)/(fCARR×512)；依此公式，假设定义最小宽度为 3s，实际最小脉宽为 tpdtpdy，则 tpd=7.959s，可得 PDT=85.272，取 PDT=85=1 010101B，因此，实际 tpd=8.01s，脉冲最小宽度为 tpdtpdy=8.01 s4.959s=3.051s。5、波形选择 SA866AE 有三种标准波形供选择，即纯粹弦波，正弦波带三次谐波增加型和带死区的三次谐波高效型。波形承受对称技术保证每个功率管的开通角度一样。本系统选用带三次谐波的正弦波作为调制波，即有：WS=01B。6、V/f 曲线掌握 FC 用来确定是线性定律还是风扇定律，本系统设定工作在线性曲线状态，即 FC=0。图 4 为 SA866AE/AM 所供给的线性特性。PED 是一个 8 位元参数，用来确定在频率为 0 时电机上的电压。假设设置PED=255，则 VVVF 线性特性没用。Pedestal()=PED×100/255，本系统的初始值设定为 10，可得 PED=25.5，取 25，实际的 Pedestal()=9. 8。GRAD 为一个 8 位二进制数字，打算恒转矩区曲线的斜率，依据基频和PED 值计算：GRAD=(255PED)×fRANGE/16×fbase；GRAD fbase=50Hz；则有 GRAD=15=1111B。第 12 页255，取第4章 试验调试及结果4.1 变频器参数调试1. 按“PU/EXT”模式选择按钮，将变频器运行模式切换至“PU”模式；2. 按“MODE”键，进入参数设定模式，此时显示“P 0”；3. 旋转频率设定旋钮，调至p340 参数；4. 按“SET”键，显示p340 参数的当前值；5. 连续旋转频率设定旋钮，把p340 参数值调至0，设完后断电保存参数从第三步重复操作依次 改p160=0,p79=0,p73=0)；设完后断电保存参数。6. 闭合K1，调整电位器旋钮，观看电机转速的变化状况。序 号变频器参数出厂值设定值功能说明1P15050上限频率50Hz2P200下限频率0Hz3P755加速时间5S4P855减速时间5S5P900.35电子过电流保护0.35A6P16099990扩张功能显示选择7P7904操作模式选择8P73110-5V 输入第 13 页9.8149.312734.2 调试结果输入电压(V)频率Hz转速r/min00014.712529.6267314.9411419.8563524.9702629.9842735.192584.021094945.21197频率/ HZUi-f 曲线6040P0760=100P0760=502000 1 2 3 4 5 6 7 8 9输入电9压/ V从 Ui-f 曲线可以看出电机频率和转速近似看成与电压大小成线性关系，且当电压肯定时，P0760=100 的转速或者电压是 P0760=50 转速或者电压的 2 倍。第 14 页第5章 总结与体会在做课程设计时，其实我是没有底的，由于之前对变频器了解太浅， 就连怎么使用都不知道，原来想到时候借同学的报告改一下就可以了，但是我想：自己在学校学习的时间就这两个星期了，能学点是点吧。就这样， 通过两星期急躁的学习，自己最终竟然成功了！刚开头看 FR-D700 变频器的使用说明书时，看得眼都花了，内容太多， 学问涉及的面也很广，不知道哪些内容才是本次课程设计需要的。但通过我们组同学的细心指导，使我渐渐明白自己该把握的细节，这使我更有信念去完成后续的任务。在了解到主电路的原理、各掌握单元电路的原理后， 感觉下来不是很懂，但是已经对这些电路有了整体的概念，知道了各单元电路的工作机理，这也无形之中加强了我对理论学问的学习。就这样，我最终完成了这次的课题。通过这次课程设计我也觉察了自身存在的缺乏之处，虽然感觉理论上已经把握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生乐观的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论学问与实践相结合的重要意义，学会了坚持、急躁和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的典范。最终，我得感谢在为我们这次课程设计细心指导的李教师和赵教师，是他们的付出才使得我们有现在的进步，感谢教师，您们辛苦了!第 15 页附录：FR-D700 变频器总电路图第 16 页参考文献1王兆安电力电子技术第 5 版机械工业出版社，2023 2孙培德现代运动掌握技术及其应用电子工业出版社，20233陈伯时电力拖动自动掌握系统第 4 版机械工业出版社，2023 4曾 毅运动掌握系统工程机械工业出版社，20235刘定建，朱丹霞有用晶闸管电路大全机械工业出版社，1996 6刘星平电力电子技术及电力拖动自动掌握系统校内，1999第 17 页评价项目优良中及格差设计方案合理性与制造性10%主电路设计完成状况10%掌握电路设计完成状况10%试验调试或仿真调试结果*(10%)设计说明书质量(20%)辩论状况(10%)完成任务状况(10%)独立工作力量(10%)出勤状况(10%)综 合 评 分课程设计评分表指导教师签名： 日期： 注：表中标*号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最终一页。课程设计说明书装订挨次：封面、任务书、名目、正文、评分表、附件非 16K 大小的图纸及程序清单。第 18 页