多段速度選擇變頻器調速

1、等級:湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 專業(yè)綜合課程設計 課題名稱 多段速度選擇變頻器調速 專 業(yè) 自動化 班 級 1191 學 號 201101029118 姓 名 徐瑞先 指導教師 趙葵銀、李祥來、沈細群等 2014年6月23 日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書 課程名稱 專業(yè)綜合課程設計 課 題 多段速度選擇變頻器調速 專業(yè)班級 自動化 1191 學生姓名 徐瑞先 學 號 201101029118 指導老師 趙葵銀、李祥來、沈細群等 審 批 黃 峰 任務書下達日期 2014年6月23日 任務完成日期 2014年7月4日設計內容與設計要求設計內容：1.使用三菱變頻器FR D-720

2、，控制交流電動機調速。2.確定設計方案。3.采用15段速度控制變頻器的運行。4.正確設置變頻器的參數(shù)。5.正確地在實驗裝置上對變頻器與交流電機進行接線。6.并記錄各段速的變頻器運行頻率。設計要求：1設計思路清晰，給出整體設計框圖；2單元電路設計，給出具體設計思路和電路；3分析所有單元電路與總電路的工作原理，并進行試驗調試。并給出必要的波形分析。4繪制總電路圖， 5寫出設計報告；主 要 設 計 條 件1.設計參數(shù)1）輸入輸出電壓：（AC）220（1+15%）、2）FR-D720變頻器3）DJ16三相鼠籠式異步電機4）變頻調速控制板2.可提供實驗與仿真條件電力電子與運動控制技術訓練室提供實驗條件說

3、 明 書 格 式目 錄1課程設計封面；2任務書；3說明書目錄；4設計總體思路，主電路設計；5控制單元電路設計（各單元電路圖）；6實驗或仿真調試等。7總結與體會；8附錄（完整的總電路圖）；9參考文獻；10、課程設計成績評分表進 度 安 排設計時間分為二周第一周星期一:課題內容介紹和查找資料；星期二:總體電路方案確定星期三:主電路設計星期四:控制電路設計星期五:控制電路設計；第二周星期一: 控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調試及仿真等星期四五:寫設計報告，打印相關圖紙；星期五下午:答辯及資料整理參 考 文 獻參考文獻1王兆安電力電子技術（第5版）機械工業(yè)出版社，20082孫培德現(xiàn)代運動

4、控制技術及其應用電子工業(yè)出版社，20123陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)（第4版）機械工業(yè)出版社，20124曾 毅運動控制系統(tǒng)工程機械工業(yè)出版社，20145劉定建，朱丹霞實用晶閘管電路大全機械工業(yè)出版社，19966劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)校內，1999目 錄第1章 概 論61.1 設計背景61.2 基于FR-D700變頻器的多段調速系統(tǒng)71.2.1 多段速度選擇變頻器調速的特點81.2.2 實際工程意義8第2章 系統(tǒng)總體方案的確定92.1 變頻器直接設置的多段速調速92.2 基于PLC的多段速調速102.3 基于外部電位器方式的變頻器外部電壓/電流調速10第3章 主電路設計113.

5、1變頻器主電路結構設計123.2 變頻器控制電路的設計133.3保護電路設計15第4章 實驗與調試184.1 FR-D720-0.4K變頻器的面板介紹184.2 變頻器的參數(shù)設定步驟194.2.1 設置參數(shù)（例P6）194.2.2 參數(shù)清零194.2.3 查看輸出電流204.3 參數(shù)的設置204.4 多段調速的實現(xiàn)21總 結23附錄（硬件接線實物圖）24參考文獻25第1章 概 論1.1 設計背景 電力電子技術誕生至今已近50年，它對人類的文明起了巨大的推動作用，近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數(shù)字控

6、制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢，交流電機變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段，變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果、適用范圍廣等優(yōu)點，而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。 國內交流變頻調速技術產業(yè)狀況表現(xiàn)如下：（1）變頻器的控制策略的基礎研究與國外差距不大。（2）變頻器的整機技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規(guī)。（3）變頻器產品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。（4）相關配套產業(yè)及行業(yè)落后。（5）產銷量少，可靠性及工藝水平不高。國外交流變頻調速

7、技術高速發(fā)展有以下特點：（1）市場的大量需求，隨著工業(yè)自動化程度不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等的節(jié)能場合，并取得顯著的經濟效益。（2）功率器件的發(fā)展，近年來高電壓、大電流的SCR，GTO，IGBT，IGCT等器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術的發(fā)展應用，使高電壓、大電流變頻器產品的生產及應用成為現(xiàn)實。（3）控制理論和微電子技術的發(fā)展，矢量控制、磁通控制、轉矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎；12位、32位高速微處理器以及信號處理器（DPS）和專用集成電路（ASIC)技術的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高

8、精度、多功能化提供了硬件手段。（4）基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關配套件社會化、專業(yè)化生產。1.2 基于FR-D700變頻器的多段調速系統(tǒng)1.2.1 多段速度選擇變頻器調速的特點選擇變頻器調速是因為它很好設置及控制，只需改變變頻調速控制板的四個開關選擇，及可改變頻率，從而達到改變速度的目的。 1.2.2 實際工程意義變頻調速已被公認為是最理想、最有發(fā)展前途的調速方式之一，采用通用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產成本。1. 變頻調速的節(jié)能 風機、泵類負載的節(jié)

9、能效果最明顯，節(jié)電率可達到20%60%。 2. 軟啟動  工頻狀況下馬達采用的是星三角降壓延時啟動，此時電流是電機額定電流的47倍，若多臺大功率的電機同時啟動，將對電網造成很大沖擊。采用變頻器后，馬達只需在額定電流下就可啟動，電流平滑無沖擊，減少了啟動電流對馬達和電網的沖擊，延長了電機的使用壽命。3. 減少無功功率   無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是因無功功率因素的降低導致電網有功功率的降低。而使用變頻器調節(jié)后由于變頻器內濾波電容的使用，使得功率因素接近為1，增大了電網的有功功率。從而節(jié)省了無功功率消耗的能量。4. 方便控制，使控制系統(tǒng)簡單

10、化    、變頻器很容易實現(xiàn)電機的正、反轉    、加、減速時間及頻率可任意調節(jié)    、變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路  、運行平穩(wěn)  、可進行高速運轉第2章 系統(tǒng)總體方案的確定 多段調速的方法有很多種，每種有每種的優(yōu)缺點，下面就簡單介紹常見的三種：由變頻器直接設置的多段速調速；基于PLC的多段速調速；基于外部電位器方式的變頻器外部電壓/電流調速。2.1 變頻器直接設置的多段速調速

11、功能參數(shù)碼是變頻器基本功能的指令形式，它存儲在變頻器中。若要求變頻器完成一種或幾種控制功能，可通過鍵盤操作鍵將對應的功能參數(shù)碼預置進去，變頻器即可按照預置的功能運行。預置這些功能參數(shù)碼沒有先后順序，只要預置進去后，即被記憶。 多段速及程序控制，此功能參數(shù)碼參照變頻器的參數(shù)功能表。對于FR-D720-0.4K三菱變頻器，P4P6是固定頻率1-3，P24-P27是固定頻率4-7，P232-P239是固定頻率9-15,?？蓪嶋H設計15段速，通過控制板的開關選擇，按下變頻器的RUN觀察電動機的轉速情況。 該方案的優(yōu)點是簡單，容易設置與控制，缺點是轉速不穩(wěn)定，容易設置參數(shù)錯誤，一旦設置好難以更改。2.2

12、 基于PLC的多段速調速 PLC調速可分為四種基于PLC控制方式的多段速調速基于PLC通信方式的多段速調速基于PLC通信方式的開環(huán)變頻調速基于PLC模擬量方式的變頻器閉環(huán)調速 總的來說是通過PLC來控制電機轉速。通過程序寫入，打開GX軟件，調出相應的實驗參考程序，選擇“在線”菜單下的“PLC寫入”選項，進行程序的下載(由PC機進入PLC主機)。寫入程序的對話框中三項只需選中“程序MAIN”即可，寫入完畢后PLC主機要斷電一次，以確保參數(shù)的寫入。下載完畢后將主機切換到“RUN”位置。同時通過開關的選擇，觀察電機轉速的變化。 該方案優(yōu)點是控制起來靈活多變，容易更改程序，操作簡單，缺點是前三種不能控

13、制速度的穩(wěn)定，但加入閉環(huán)就很好的反饋了。2.3 基于外部電位器方式的變頻器外部電壓/電流調速通過啟動/停止開關，要求電機轉速能隨外部電位器的調節(jié)而改變，斷開開關，電 機停止轉動。變頻器外部端子控制模式控制變頻器的輸出，使變頻器的輸出隨著外部電流的輸入變化而改變。也就是模擬信號給定方式，通過模擬信號（電壓信號或電流信號）控制變頻器輸入端子來設定輸出頻率的給定方式，變頻器輸出頻率的高低通過模擬量的大小調節(jié)，屬于外部給定。根據(jù)模擬量給定信號的種類不同，可以分為電壓信號給定和電流信號給定。 電壓信號給定優(yōu)點是接線簡單，操作方便。缺點是會產生溫度漂移，抗干擾能力低，安裝距離受到一定的限制，頻率調節(jié)精度稍

14、低。與電壓信號給定方式比較，優(yōu)點是不受傳輸電壓損失影響，可以較遠距離安裝，抗干擾能力較強。缺點是電流信號源電路較復雜，頻率調節(jié)精度稍低。綜合上述及我們此課題所要求的，我們選擇第一個方案，原因是所用的器件最少，然后能實現(xiàn)課題要求，節(jié)省資源，并且此方案操作簡單。 第3章 主電路設計總電路主要由三部分組成：三菱變頻器，變頻調速控制板，三相鼠籠式電動機。如圖3-1所示 圖3-1 變頻器接線圖 該變頻器的輸入為單相交流，輸出為三相交流，且由開關K1，K2,K3，K4，K5的開合控制頻率的變化，從而控制電機的速度。3.1變頻器主電路結構設計 給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分稱為主電路。如圖3-2

15、所示 圖3-2 變頻器主電路圖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（其中工頻電源也可是單相交流），也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流。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。4. 制動回路 異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉

16、差率為負），再生能量存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積累的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用可逆變流器向電源反饋或者設置制動回路把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。3.2 變頻器控制電路的設計 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稱為控制電路。如圖3-3所示，主要由以下電路組成：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保護電路。無速度檢測電路為開環(huán)，有則為穩(wěn)定性好的閉環(huán)，本實驗沒有用到。 圖3-3 變頻器控制電路圖1. 運算

17、電路通過比較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. 驅動電路為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. I/O輸入輸出電路為了變頻器更好人機交互，變頻器具有多種輸入信號的輸入（比如運行，多段速度運行等）信號，還有各種內部參數(shù)的輸出（比如電流，頻率，保護動作驅動等）信號。5. 速度檢測電路以裝在異步電動機軸上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，一般是用于閉環(huán)情況。3.3保護電路設計 由于變頻器涉及的保護電路較多，故特意提取出來講解。檢測主電路的電壓，電流等，當發(fā)生過載或過電壓異常時，為了防止逆變器和異步電動機損

18、壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值?？刂齐娐分械谋Ｗo電路可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，功能如表3-1所示 3-1 保護功能表保護對象保護功能逆變器保護瞬時過電流保護過載保護再生過電壓保護瞬時停電保護接地過電流保護冷卻風機保護異步電動機保護過載保護超頻（超速）保護其他保護防止失速過電流防止失速再生過電壓 1. 逆變器保護瞬時過電流保護 由于逆變電流負載側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。過載保護 逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)通達規(guī)定時間以上，為了防止逆變器器件，電線等損壞要停止運轉。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器等保護。再生過電壓保護

19、 采用逆變器是電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值，可以采取停止逆變器運轉或停止快速減速的方法，防止過電壓。瞬時停電保護 對于數(shù)毫秒以內的瞬時停電，控制電路工作正常，但瞬時停電如果達數(shù)10ms以上時，通常不僅控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉。接地過電流保護 逆變器負載接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能，但為了確保人身安全，需要裝設漏電斷路器。冷卻風機異常有冷卻風機的裝置，當風機異常時裝置內溫度將上市，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。2. 異步電動機的保護過載保護 過載檢出裝置與逆變器保護共

20、用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度檢出器，動作頻繁時，可以考慮減輕電動機負載，增加電動機及逆變器容量等。超額（超速）保護 逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，防止逆變器運轉。3. 其它保護防止失速過電流 急加速時，如果異步電機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。防止失速再生過電壓 減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓電路保護動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止不能運轉（失速）第4章 實驗與調試4.1 FR-D720-0.4K變頻器的面板介

21、紹 單位顯示運行模式監(jiān)視器顯示參數(shù)設定模式運行模式顯示運行模式顯示運行模式切換停止運行 旋鈕模式切換各設定的確定啟動指令 圖4-1 操作面板顯示圖4.2 變頻器的參數(shù)設定步驟 使用變頻器的操作面板，設置參數(shù)，參數(shù)清零，或查看輸出電流等4.2.1 設置參數(shù)（例P6）P6步驟1. 按鍵，選擇PU操作模式 2. 按MODE鍵，進入參數(shù)設定模式 3. 撥動旋鈕，選擇參數(shù)號碼P6 4. 按SET鍵，讀出當前的設定值 5. 撥動旋鈕，把設定值變?yōu)?0 6. 按SET鍵，完成設定4.2.2 參數(shù)清零操作步驟 1. 按鍵，選擇PU操作模式 2. 按MODE鍵，進入參數(shù)設定模式 3. 撥動旋鈕，選擇參數(shù)號碼AL

22、LC 4. 按SET鍵，讀出當前的設定值 5. 撥動旋鈕，把設定值變?yōu)? 6. 按SET鍵，完成設定注意：無法顯示ALLC時，將P160設為“1”，無法清零時將P79設為“1”。4.2.3 查看輸出電流 按MODE鍵，顯示輸出頻率 按住SET鍵，顯示輸出電流 放開SET鍵，回到輸出頻率顯示模式4.3 參數(shù)的設置 本實驗主要是變頻器的參數(shù)功能設置，對于多段速調速功能的參數(shù)設置主要如下表4-1 表4-1 參數(shù)功能表序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P112050上限頻率2P200下限頻率3P755加速時間4P855減速時間5P900.35電子過電流保護6P16099990擴張功能顯示選擇7P79

23、03操作模式選擇8P179618多段速運行指令9P18000多段速運行指令10P18111多段速運行指令11P18222多段速運行指令12P45050固定頻率113P53030固定頻率214P61010固定頻率315P24999940固定頻率416P25999950固定頻率517P26999945固定頻率618P27999935固定頻率719P232999930固定頻率820P233999948固定頻率921P234999936固定頻率1022P235999910固定頻率1123P236999925固定頻率1224P237999918固定頻率1325P238999938固定頻率1426P239

24、999950固定頻率15將上面的功能參數(shù)輸入到變頻器中4.4 多段調速的實現(xiàn) 三菱FR-D720變頻器多段調速是通過STR（REX),RH,RM和RL端子設置來設定15種頻率速度，而外部端子STF（只能正轉）是用來啟動和停止電機的轉動。實現(xiàn)15種調速是通過STR ，RH,RM和RL端子的組合而來，如表4-2所示 表4-2 開關與頻率對應表速度段K2(STR)K3(RH)K4(RM)K5(RL)設定頻率（Hz）101005020010303000110400114050101506011045701113581000309100148101010361110111012110025131101181411103815111150結果如預期所想，在做實驗時，需要考慮的是參數(shù)值的