变频器硬件设计方案.doc

一设计思路通用型变频器的硬件电路主要由3部分组成:整流电路、开关电源电路以及逆变电路。整流电路将工频交流电整流为直流,并经大电容滤波供给逆变单元;开关电源电路为IPM和计算机控制电路供电;逆变电路是由PM50RSAl20组成。二控制回路1.整流电路整流电路中,输人为380V工频交流电。YRlYR3为压敏电阻,用于吸收交流侧的浪涌电压,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是为了消除电容的离散性而设置的均压电阻,同时还起到放于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。继电器的控制信号SHORT来自于计算机,上电后延时一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电压是由开关电源提供的电压。LVl是电压传感器,用于采集整流电压值,供检测和确定控制算法用。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控制电路。2.开关电路输出电压进行变换,为IPM模块和外接的计算机控制电路提供电源,提供的电压为该电路主要由PWM控制器TL3842P、MOSFETK1317和开关变压器组成,其功能是对整流电路的流15V、+1直2V、+5v。3.IPM的控制电路在电路中,HCPL4504是高速光耦,隔离计算机信号与变频器控制板,LM、UM是算机输入,控制对应的IGBT导通的控制信号,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,表明IPM内部出现错误,通过计算机响应进行错误处理。LA58是电流传感器,用于采集变频器输出U相和W相的电流,为控制算法提供现场数据。在整个电路板中, 与计算机接口信号是通过插排接出的。三变频器电路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）提供驱动信号。对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。同时，一些开发商开发了许多适宜各种换流器件的专用驱动模块。有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块。但是，大部分的变频器采用驱动电路。从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。图二是较常见的驱动电路（驱动电路电源见图2.3）。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电组成。三源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。2、保护电路当变频器出现异常时，为了使变频器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。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复杂性。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、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。图四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、信号放大输出三部分组成。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提供低压电源。图五为富士G11型开关电源电路组成的结构图。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，去控制脉冲调宽电路，以改变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。4、主控板上通信电路当变频器由可编程（PLC）或上位计算机、人机界面等进行控制时，必须通过通信接口相互传递信号。图六是LG变频器的通讯接口电路。频器通信时，通常采用两线制的RS485接口。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接口电路主要是指这部分电路，还有信号的抗干扰电路。5、外部控制电路变频器外部控制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、点动及停止运行控制，多档转速控制。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。其他一些控制通过变频器内输入电路的光耦隔离传递到CPU中四辅助电源1.整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。3.逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。五变频器的容量计算1.连续运转时所需变频器容量的计算由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉运值比工频供电时电流要大，因此需将变频器的容量留有适当的余量，此时，变频繁器应同时满足以下三个条件：PcnkPmnCOSa (kVA) (1)IcnKIm (A) (2)PcnK1.732VmIm1/1000 (kVA) (3)式中：Pm、n、COSa、Vm、Im分别为电动机输出功率、效率（取0.85），功率因素（取0.75），电压（V），电流（A）：K：电流波形的修正系数(PWM方式取1O5 11)；PCN：变频器的额定容量(kVA)；IcN，变频器的额定电流(A)式中IM如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。2.加减速时变频器容量的选择 变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的，一般情况下，对于短时的加减速而言， 变频器允许达到输出电流的130150(视变频 器容量)，因此，在短时加减速时的输出转矩也可以增大；反之，如只需要较小的加减速转矩时，也可降低选择变频器的容量。由于电流的脉运原因，此时 应将变频器的最大输出电流降低10后再进行选定。3.频繁加减速运转时变频器容量的选定根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：Icn=(I1t1+I2t2+I5t5)/(t1+t2+t5)Ko式中：Icn:变频器额定输出电流（A）;I1t1+I2t2+I5t5:各运行状态平均电流(A);t1+t2+t5:各运行状态下的时间;Ko:安全系数（运行频繁时取1.2，其它条件下为1.1）。4.电动机直接起动时所需变频器容量的计算通常，三相异步电动机直接用工频起动时电流 为其额定电流的57倍，对于电动机功率小于 10KW的电机直接起动时，可按下式选取变频器：IcnIk/KgKg：变频器的允许过载倍数Kg=131在运行中，如电机电流不规则变化，此时不易获得运行特性曲线，这时可使电机在输出最大转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进行选定。5.轻载电动机时变频器的选择电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际负载相称的变频器容量。以上介绍的是几种情况下变频器的容量计算与选择方法，具体选择容量时，既要充分利用变频器的过载能力，又要不至于在负载运行时使装置超温。6.变频器的控制电路给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的网络，称为控制回路，控制电路由频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及逆变器和电动机的保护电路等组成。无速度检测电路为开环控，在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。六参数计算与设定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寄存器中的一个3位的CFS字决定。载波频率fCARR由式（1）决定。fCARR=fCLK/(5122 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，CFS=001，实际fCARR=9.766kHz。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=fCARR2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。 3.死区时间（tpdy）tpdy=（63PDY）/（fCARR512）；PDY在063之间，取PDY=37=（100101）B；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，因为时间过短，功率管还没来得及完全打开就关闭了，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=(127PDT)/(fCARR512)；依此公式，若定义最小宽度为3s，实际最小脉宽为tpdtpdy，则tpd=7.959s，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，实际tpd=8.01s，脉冲最小宽度为tpdtpdy=8.01s4.959s=3.051s。5.波形选择SA866AE有三种标准波形供选择，即纯正弦波，正弦波带三次谐波（增强型）和带死区的三次谐波（高效型）。波形采用对称技术保证每个功率管的开通角度相同。本系统选用带三次谐波的正弦波作为调制波，即有：WS=（01）B。6.V/f曲线控制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所提供的线性特性。PED是一个8位参数，用来确定在频率为0时电机上的电压。如果设置PED=255，则VVVF线性特性没用。Pedestal()=PED100/255，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，决定恒转矩区曲线的斜率，根据基频和PED值计算：GRAD=(255PED)fRANGE/（16fbase）；GRAD255，取fbase=50Hz；则有GRAD=15=（1111）B。7.其他参数由于线性曲线中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D转换的零阈值的控制参数ZTH=（00）B；将上述所有参数字经统计得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。由上述计算可得到参数分布表如表1所列。表1 参数分布表ADDRESS MSB(158) LSB(70) 001100 00001111 00011001 001101 10010100 10101010 001110 00101001 00000000 001111 11111110 表中“”表示任意项，在写入时写成01010101