变频器的设计论文

变频器的设计论文内容摘要：

而将功率变换电路与触发控制电路，缓冲电路，检测电路的组合在一起的复杂模块。 6 整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。 它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。 整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。 直流中间电路的作用是对整流电路的输出平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。 此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。 逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。 它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。 由于逆变器的负载为一步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率总不会为 1。 因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠之间直流环节的储能元件来缓冲。 它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都可任意调的交流电源。 逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电机的调速控制。 变频器的控制电路构成 包括主控电路，信号检测电路，门极驱动电路，外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。 控制电路的好坏决定了变频器的好坏。 控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。 控制算法 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展， 70年代后期发展起来的脉宽调制（ PWM）技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。 PWM 控制利用了采样控制理论中的一个重要理论：冲量相等而形状不 同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同。 冲量即窄波脉冲的面积。 这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。 根据这个原理，可以用一系列等幅 而不等宽的脉冲来近似正旋波，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 SPWM。 SPWM 各脉冲的宽度和间隔可以准确地计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 SPWM 波形。 但这种计算很繁琐。 较为常用的方法是 7 采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过对载波的调制剂即可得到 SPWM 波形。 通常采用等腰三角波作为载 波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值得脉冲，这正好符合 SPWM 控制的要求。 三角载波的频率和正弦调制波的频率之比称为载波比。 用生成的 SPWM 波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出的电压。 正弦旋调制波的频率即是逆变器的输出频率。 三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制的幅值就改变了矩形载波的面积，由此实现输出电压幅值的改变。 变频调速的基本原理 当一台 三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。 当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。 当使三相异步电机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将产生改变。 因此，电动机的转向也将发生改变。 交流电动机的转速为： n=60f(1s)/p f频率 p极对数 s转差率 由转速 公式可见，改变三相异步电机电源的频率可以改变旋转磁通势的同步转速。 达到调速的目的。 额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调（恒功率调速），也可以从基频向下调（恒转矩调速）。 因此变频调速方式比改变极对数 p 和转差率 s 两个参数简单多。 变频调速的优点 变频技术是一门综合性的技术，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，实现速度的精确控制。 容易实现电动机的正反转切换， 8 可以进行高额度的起停运转，可以进行电器制动，可以对电动机进行高速驱动。 电机在带较大负载启动时，会 有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。 完善的保护功能：变频器的保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别，并立即封锁输出电压。 这种功能，不但保护了变频器，还保护了电机不易损坏。 VSV616G5 变频器的性能介绍 VSV616G5 作为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动，并且及其精确的运行，它的自动调速功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。 VS— 616G5 将四种控制方式融为一体，包括磁通矢量和传统的 V/F 控制。 VS616G5 在精密机械及驱动多台电机的任何应用中，都可实现极佳的驱动效果。 它是改善品质和提高生产效率特别理想的选择。 优点： （ 1）低速大转矩和全频域平稳加速和减速。 （ 2）驱动普通电机能达到极佳的控制效果。 （ 3）操作简单灵活。 （ 4）具有扩展功能，即可单机使用，也可联网使用。 （ 5）设计平均无故障时间 250， 000 小时。 特点： （ 1）矢量控制使任何类型的负载都可在低速下平稳启动。 VS616G5 具有全频域磁通电流矢量控制的特点。 它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神经网络控制 技术，直接控制电机的转矩。 它在低速下即使不采用 PG 反馈，也可提高启动转矩和无故障运行，当增加 PG控制时，可以实现零速高转矩控制。 （ 2）可靠的力矩控制。 VS616G5 是通过精确的力矩控制功能来控制输出力矩的。 万一发生故障时也能无冲击安全运行。 （ 3）宽调速范围的精确控制。 VS616G5 即使在负载变动条件下，也具有全速范围高精度运行的特点。 （ 4）优秀的伺服响应。 带 PG反馈时需要选用 PG速度控制卡，对负载波动有很强的实用性。 9 2 PLC 可编程控制器 可编程控制器，因为早期主要应用于开关量的控制 ，因此也称 PLC，即可编程控制器。 现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集中的新兴工业控制装置，使计算机技术与工业控制技术相结合的产品。 PLC 自问世以来，已经成为最受欢迎的工业控制类产品。 它之所以高速发展，除了工业自动化的客观条件外，还有许多独特的优点。 它较好的解决了工业控制领域中的普遍关心的可靠，灵活，安全，方便，经济等问题。 PLC 的基本组成及各部分的作用 PLC 的基本组成 PLC 是一种通用的工业控制装置，其组一的微机系统基本相同。 按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组 合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元（ CPU），存储器，输入单元，输出单元，电源，通信接口等组装成一体，构成主机。 另外还有独立的 I/O扩展单元 与主机配合使用。 主机中 CPU 是 PLC 的核心， I/O 单元是连接 CPU 与现场设备的接口电路，通信接口用于 PLC 与可编程控制器和上位机 等外部设备的连接。 组合式 PLC 将 CPU 单元，输入单元，输出单元，智能 I/O 单元，通信单元等分别做成相应的通信板块或电路板，各板块插入板底上，板块之间通过底板上的总线相互联系。 装在CPU 单元的底板称为 CPU底板，其它称为扩展底板。 CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m。 无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 PLC 各部分的作用 10 1中央处理器（ CPU） CPU 在 PLC 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 PLC 的运算，控制中心。 它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务： （ 1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 （ 2）诊断电源， PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。 （ 3）用扫描的方式接收输入信号，送入 PLC的数据寄存器保存起来。 (4) PLC 进入运行状态后，根据存放 的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各项操作。 (5)将用户程序的执行结果送至输出端子。 2 存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3种： (１ )系统程序存储器： 和各种计算机一样， PLC 也有其固定的程序，解释程序，它们决定了 PLC 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。 系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 ROM或 EPROM。 （ 2）用户程序存储器 : 用户根据控制功能要求而编制的应用程序称用户程序，用户程序存放在用户程 序存储器中。 由于用户程序需要经常改动，调试，故用户程序存储器多为可随时读写的 ROM。 由于 PAM 掉电会丢失数据，因此使用 RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。 当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改变是，可将用户程序写入 EPROM。 目前较先进的 PLC（如欧姆公司的 CP1H 型 PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需要用后备电池保护。 （ 3）工作数据存储器 :工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。 这部分数据存储在 RAM 中，以适应随机存取的要求。 在 PLC的工作数 据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。 元件映象寄存器用来存储 PLC的开关量输入 /输出和定时器。 计数器、辅助继电器等内部继电器的 ON/OFF 状态。 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。 它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 它还用来存放 An3转换得到的数字和数学运算的结果等。 根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。 3 I/0 单元 I/0 单元也称为 UO模块。 PLC 通过 I/0单元与工业生产过程现场相联 系。 输入单元 11 接收操作指令和现场的状态信息，加控制按钮、操作开关和限位开关，光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成 CPU 能够接收和处理的信号。 输出单元将 CPU 送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。 A/D 和 D/A 转换概念 A/D 和 D/A 原理 模拟量转换成数字量的基本原理 :输入信号是现场物理参数 (如温度、压力和流量等 )经传感器检测变成电信号 (弱信号 )，再经过放大、滤波之后成为连续变化的波形。 根据事先确定的频率对波形采样，假定采样四次将每次的采样值 (如模拟电压值 )送给 A/D变换器，则对应每次采样的电压值转换成的数字信号 (H进制数字 )。 将数字信号转换成为模拟量的原理 :首先将数字信号并行输入给 D/A转换器，经转换后输出一个矩形波，经过放大滤波之后即变成一个连续变化的模拟量输出信号。 模拟量输入输出系统 模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟星，再通过一定的运算 (如 PID)后控制生产过程达到一定的目的 (如恒温等 )。 模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号 l 一 5V、一 10~10V、 0~10V 的直流电压信号。 输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成 8位或 10位或 12位的二进制数字信号 (最大值分别为 251023 或 4095)，送给中央处理器进行处理。 因此，模拟量输入模块又叫 D/A转换输入模块。 模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号 (如 4095等 )转换成 4~20mA 的电流输出信号或 0~10V、 1~SV 的直流电压输出信号，以提供给执行机构。 因此， 模拟量输出模块又叫 A/D 转换输出模块。 12 输入输出数据的处理 在扫描读入模拟量值时，处理器从模拟量输入模块读入模拟量并转换成数字信号值，再将其送入用户指明的位置。 一般地，模拟量输入模块提供不止一个通道的输入，因而只要信号兼容或类型相同 (电压、电流 )，就能连接几个或十几个输入信号。 对于这些信号，不同的 PLC 有不同的处理方式。 一般有两种方式，一是使用指令充分利用多通道一次性将几个或十几个值放入寄存器数据区中，称为块转移输入。 这种指令可以使用户将值放置于任意数据区。 模块的区。 模块的地址反映于块转移指令 的配置中，而输入的数据本身在存贮时不受地址的约束。 另一种处理方法则跟离散量数据输人存贮方。