變頻器硬件設(shè)計(jì)方案.doc

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(kāi)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(kāi)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PM50RSAl20組成。二控制回路1.整流電路整流電路中,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)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(dòng)過(guò)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(kāi)關(guān)電源單元的電源。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(hào)SHORT來(lái)自于計(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+5V、+12V和15V電壓是由開(kāi)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(cè)和確定控制算法用。UDCM是電壓傳感器的輸出信號(hào)。通過(guò)外接插排連接至外接計(jì)算機(jī)控制電路。2.開(kāi)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,提供的電壓為該電路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFETK1317和開(kāi)關(guān)變壓器組成,其功能是對(duì)整流電路的流15V、+1直2V、+5v。3.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(duì)應(yīng)的IGBT導(dǎo)通的控制信號(hào),VNI、WN、F0、VNC為對(duì)應(yīng)IGBT的信號(hào)引腳。P52l是光電隔離器件,其輸出信號(hào)FOUT是錯(cuò)誤信號(hào),表明IPM內(nèi)部出現(xiàn)錯(cuò)誤,通過(guò)計(jì)算機(jī)響應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)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(chǎng)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(guò)插排接出的。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CPU產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號(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(duì)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(kāi)發(fā)商開(kāi)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(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電路電源見(jiàn)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。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(cè)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。圖四所示的電路是較典型的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)電路。由電流取樣、信號(hào)隔離放大、信號(hào)放大輸出三部分組成。3、開(kāi)關(guān)電源電路開(kāi)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(kāi)關(guān)電源電路組成的結(jié)構(gòu)圖。直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級(jí)端，開(kāi)關(guān)調(diào)整管串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(kāi)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。它又對(duì)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（PLC）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(guò)通信接口相互傳遞信號(hào)。圖六是LG變頻器的通訊接口電路。頻器通信時(shí)，通常采用兩線制的RS485接口。西門(mén)子變頻器也是一樣。兩線分別用于傳遞和接收信號(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(guò)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(guò)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(guò)變頻器內(nèi)輸入電路的光耦隔離傳遞到CPU中四輔助電源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，由于其功率方向可逆，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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間和電壓波形。 控制電路是給異步電動(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(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)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(cè)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(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)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(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)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(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)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)算由于變頻器傳給電動(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：PcnkPmnCOSa (kVA) (1)IcnKIm (A) (2)PcnK1.732VmIm1/1000 (kVA) (3)式中：Pm、n、COSa、Vm、Im分別為電動(dòng)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)(PWM方式取1O5 11)；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(lái)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(duì)于短時(shí)的加減速而言， 變頻器允許達(dá)到輸出電流的130150(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(duì)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：IcnIk/KgKg：變頻器的允許過(guò)載倍數(shù)Kg=131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(guò)載能力，又要不至于在負(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、電流檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)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(wú)速度檢測(cè)電路為開(kāi)環(huán)控，在控制電路增加了速度檢測(cè)電路，即增加速度指令，可以對(duì)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/(5122 n1)（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=9.766kHz。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=fCARR2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。 3.死區(qū)時(shí)間（tpdy）tpdy=（63PDY）/（fCARR512）；PDY在063之間，取PDY=37=（100101）B；則實(shí)際的tpdy=(26/26.2144)5s=4.959s。4.脈沖取消時(shí)間(PDT)經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小，但實(shí)際上，過(guò)小的脈寬沒(méi)有用，因?yàn)闀r(shí)間過(guò)短，功率管還沒(méi)來(lái)得及完全打開(kāi)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=(127PDT)/(fCARR512)；依此公式，若定義最小寬度為3s，實(shí)際最小脈寬為tpdtpdy，則tpd=7.959s，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實(shí)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(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(duì)稱技術(shù)保證每個(gè)功率管的開(kāi)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(lái)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/AM所提供的線性特性。PED是一個(gè)8位參數(shù)，用來(lái)確定在頻率為0時(shí)電機(jī)上的電壓。如果設(shè)置PED=255，則VVVF線性特性沒(méi)用。Pedestal()=PED100/255，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。GRAD為一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計(jì)算：GRAD=(255PED)fRANGE/（16fbase）；GRAD255，取fbase=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。7.其他參數(shù)由于線性曲線中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D轉(zhuǎn)換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經(jīng)統(tǒng)計(jì)得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。由上述計(jì)算可得到參數(shù)分布表如表1所列。表1 參數(shù)分布表ADDRESS MSB(158) LSB(70) 001100 00001111 00011001 001101 10010100 10101010 001110 00101001 00000000 001111 11111110 表中“”表示任意項(xiàng)，在寫(xiě)入時(shí)寫(xiě)成01010101