變頻器硬件設計方案.doc

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一設計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,并經大電容濾波供給逆變單元;開關電源電路為IPM和計算機控制電路供電;逆變電路是由PM50RSAl20組成。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,用于吸收交流側的浪涌電壓,以免造成變頻器損壞。輸人電源經二極管整流橋6R130G-160整流為直流,并經電的作用。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ElE4大電容濾波后成為穩(wěn)定的直流電壓,再經電感和電容濾波后作為逆變單元和開關電源單元的電源。R2和R3是為了消除電容的離散性而設置的均壓電阻,同時還起到放于E1E4容量較大,上電瞬間相當于短路,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懸空。電路中的+5V、+12V和15V電壓是由開關電源提供的電壓。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。通過外接插排連接至外接計算機控制電路。2.開關電路輸出電壓進行變換,為IPM模塊和外接的計算機控制電路提供電源,提供的電壓為該電路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFETK1317和開關變壓器組成,其功能是對整流電路的流15V、+1直2V、+5v。3.IPM的控制電路在電路中,HCPL4504是高速光耦,隔離計算機信號與變頻器控制板,LM、UM是算機輸入,控制對應的IGBT導通的控制信號,VNI、WN、F0、VNC為對應IGBT的信號引腳。P52l是光電隔離器件,其輸出信號FOUT是錯誤信號,表明IPM內部出現(xiàn)錯誤,通過計算機響應進行錯誤處理。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)場數(shù)據(jù)。在整個電路板中, 與計算機接口信號是通過插排接出的。三變頻器電路1.驅動電路驅動電路是將主控電路中CPU產生的六個PWM信號，經光電隔離和放大后，作為逆變電路的換流器件（逆變模塊）提供驅動信號。對驅動電路的各種要求，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動模塊。有些品牌、型號的變頻器直接采用專用驅動模塊。但是，大部分的變頻器采用驅動電路。從修理的角度考慮，這里介紹較典型的驅動電路。圖二是較常見的驅動電路（驅動電路電源見圖2.3）。驅動電路由隔離放大電路、驅動放大電路和驅動電路電組成。三源個上橋臂驅動電路是三個獨立驅動電源電路，三個下橋臂驅動電路是一個公共的驅動電源電路。2、保護電路當變頻器出現(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。有些變頻器的驅動電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等，內部都具有保護功能。圖四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、信號放大輸出三部分組成。3、開關電源電路開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電路及風機等電路提供低壓電源。圖五為富士G11型開關電源電路組成的結構圖。直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級端，開關調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。開關管周期性地導通、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，再經整流濾波后，獲得相應的直流輸出電壓。它又對輸出電壓取樣比較，去控制脈沖調寬電路，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變頻器由可編程（PLC）或上位計算機、人機界面等進行控制時，必須通過通信接口相互傳遞信號。圖六是LG變頻器的通訊接口電路。頻器通信時，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定電壓輸入，頻率設定電流輸入、正轉、反轉、點動及停止運行控制，多檔轉速控制。頻率設定電壓（電流）輸入信號通過變頻器內的A/D轉換電路進入CPU。其他一些控制通過變頻器內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成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。2.平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，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，以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 （1）運算電路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，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）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。 （4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 （5）保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。五變頻器的容量計算1.連續(xù)運轉時所需變頻器容量的計算由于變頻器傳給電動機的是脈沖電流，其脈運值比工頻供電時電流要大，因此需將變頻器的容量留有適當?shù)挠嗔?，此時，變頻繁器應同時滿足以下三個條件：PcnkPmnCOSa (kVA) (1)IcnKIm (A) (2)PcnK1.732VmIm1/1000 (kVA) (3)式中：Pm、n、COSa、Vm、Im分別為電動機輸出功率、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如按電動機實際運行中的最大電流來選擇變頻器時，變頻器的容量可以適當縮小。2.加減速時變頻器容量的選擇 變頻器的最大輸出轉矩是由變頻器的最大輸出電流決定的，一般情況下，對于短時的加減速而言， 變頻器允許達到輸出電流的130150(視變頻 器容量)，因此，在短時加減速時的輸出轉矩也可以增大；反之，如只需要較小的加減速轉矩時，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈運原因，此時 應將變頻器的最大輸出電流降低10后再進行選定。3.頻繁加減速運轉時變頻器容量的選定根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(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:各運行狀態(tài)平均電流(A);t1+t2+t5:各運行狀態(tài)下的時間;Ko:安全系數(shù)（運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1）。4.電動機直接起動時所需變頻器容量的計算通常，三相異步電動機直接用工頻起動時電流 為其額定電流的57倍，對于電動機功率小于 10KW的電機直接起動時，可按下式選取變頻器：IcnIk/KgKg：變頻器的允許過載倍數(shù)Kg=131在運行中，如電機電流不規(guī)則變化，此時不易獲得運行特性曲線，這時可使電機在輸出最大轉矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內進行選定。5.輕載電動機時變頻器的選擇電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際負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算與選擇方法，具體選擇容量時，既要充分利用變頻器的過載能力，又要不至于在負載運行時使裝置超溫。6.變頻器的控制電路給異步電動機供電(電壓、頻率可調)的主電路提供控制信號的網絡，稱為控制回路，控制電路由頻率、電壓的運算電路、主電路的電壓、電流檢測電路、電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅動電路以及逆變器和電動機的保護電路等組成。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，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環(huán)控制。六參數(shù)計算與設定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/(5122 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=9.766kHz。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)時間（tpdy）tpdy=（63PDY）/（fCARR512）；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)經調制后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)/(fCARR512)；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扇定律，本系統(tǒng)設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8位參數(shù)，用來確定在頻率為0時電機上的電壓。如果設置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal()=PED100/255，本系統(tǒng)的初始值設定為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)，決定恒轉矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計算：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轉換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經統(tǒng)計得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。由上述計算可得到參數(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，在寫入時寫成01010101