变频器的电位器控制(杨力)

湖南工程学院

课 程 设 计

课题名称

专 业

班 级 学 姓 名

指导教师

2014年6月23 日

湖南工程学院

课 程 设 计 任 务 书

课程名称专业综合课程设计 课 题变频器的电位器控制

专业班级 自动化1191班

学生姓名 杨力

学 号 201101029128

指导老师 赵葵银、李祥来、沈细群等

审 批

任务书下达日期 2014年6月23日

任务完成日期 2014年7月4日

设计内容与设计要求设计内容：1.使用三菱变频器 FR D-700,控制交流电动机调速。 2.确定设计方案。 3.采用外部电位器控制变频器的运行。 4.正确设置变频器的参数。 5.正确地在实验装置上对变频器与交流电机进行接线。 6.并记录 2 点电压与变频器输出频率的对应关系。

设计要求：1.设计思路清晰，给出整体设计框图； 2.单元电路设计，给出具体设计思路和电路； 3.分析所有单元电路与总电路的工作原理，并进行试验调试。并给出 必要的波形分析； 4.绘制系统接触线图； 5.写出设计报告。

主 要 设 计 条 件1.设计参数1) 输入输出电压： (AC)220(1+15%) 、 2) FR-D700 变频器 3) DJ16 三相鼠笼式异步电机 4)变频调速控制板

2.可提供实验与仿真条件电力电子与运动控制技术训练室提供实验条件

说 明 书 格 式目 录

1. 课程设计封面； 2. 任务书； 3. 说明书目录； 4. 设计总体思路，主电路设计； 5. 控制单元电路设计(各单元电路图); 6. 实验或仿真调试等。 7. 总结与体会； 8. 附录(完整的总电路图); 9. 参考文献； 10、课程设计成绩评分表

进设计时间分为二周 第一周

度

安

排

星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路接线方案确定 星期三: 总体电路接线方案确定 星期四:控制方式的设定； 星期五:参数优化设置； 第二周 星期一: 实验数据测试、记录； 星期二：实验数据测试、记录； 星期四~五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理

参参考文献

考

文

献

[1]王兆安.电力电子技术(第 5 版) .机械工业出版社，2008 [2]孙培德.现代运动控制技术及其应用.电子工业出版社，2012 [3]陈伯时. 电力拖动自动控制系统 (第 4 版) ) . 机械工业出版社， 2012 [4]曾 毅.运动控制系统工程.机械工业出版社，2014 [5]刘定建，朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社，1996 [6]刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内，1999

概 述

变频调速技术已经成为节能和提高产晶质量的有效措施。变频调速的

重要性日益得到国家的重视，在国内推广变频调速技术有着非常重大的现

实意义和巨大的经济价值和社会价值。低压变颓器技术已经成熟，在众多

解决方案中串联多电平高压变频器，以其在输入与输邀谐波、效率秘输入

功率因数等方的明显优势，在实际应用领域中占有一席之地，特别在风机、

泵类的行业具有良好的市场前景。

异步电机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广

的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系

统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，

并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无极调速。变频

器可把固定电压、固定频率的交流电压变换为可调电压、可调频率的交流

电。本次课程设计采用基于外部电位器方式的变频器外部电压调速，用变

频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成

的工作，简单易懂，缩小了体积，降低了维修率，使本次课程设计的时间

大大缩短。

目 录

第1章 设计方案的确定 ......................................... 1

第2章 主电路设计 ............................................. 2

2.1 主电路的工作原理 ...................................... 2

2.2 主电路各部分的设计 .................................... 2

2.2.1.交直电路设计 ..................................... 2

2.2.2直交电路设计 ..................................... 3

2.3 主电路参数计算 ........................................ 4

第3章 控制单元电路设计 ....................................... 5

3.1 变频器电路原理 ........................................ 5

3.1.1 驱动电路 ......................................... 5

3.1.2 保护电路 ......................................... 6

3.1.3 开关电源电路 ..................................... 6

3.1.4 主控板上通信电路 ................................. 7

3.1.5 外部控制电路 ..................................... 8

3.2 变频器控制电路设计原理 ............................... 9

3.2.1整流电路原理 ..................................... 9

3.2.2开关电源电路原理 ................................ 10

3.2.3 IPM控制电路原理 ................................ 11

3.3 参数计算与设定 ....................................... 11

第4章 实验调试及结果 ........................................ 13

4.1 变频器参数调试 ....................................... 13

4.2 调试结果 ............................................. 14

第5章 总结与体会 ............................................ 15

附录：（FR-D700变频器总电路图） .............................. 16

参考文献 ..................................................... 17

课程设计评分表 ............................................... 18

第1章 设计方案的确定

本次课题为变频器的电位器控制。方案中的K1为启动/停止开关，要

求电机转速能随外部电位器的调节而改变。其设计思路图如图1-1所示。

图1-1 变频器外部电压调速设计思路图

课题所用的变频器为FR-D700系列变频器，它是紧凑型多功能变频

器，它的特点有：

1. 功率范围：0.4~7.5KW；

2. 通用磁通矢量控制，1Hz时150%转矩输出；

3. 采用长寿命元器件；

4. 内置Modbus-RTU协议；

5. 内置制动晶体管；

6. 扩充PID，三角波功能；

7. 带安全停止功能。

综上特点：用此型号的变频器是这次课程设计较为理想的选择。

第2章 主电路设计

2.1 主电路的工作原理

变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实

现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，

其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤

波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。

在本设计中采用图2-1的主电路，这也是变频器常用的格式。

图2-1 电压型交直交变频调速主电路

2.2 主电路各部分的设计

2.2.1.交直电路设计

选用整流管VD1 VD6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。

整流后的电压为Ud=1.35UL=1.35×380V=513V。

滤波电容CF滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。

当变频器通电时，滤波电容CF的充电电流很大，过大的冲击电流可

能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电

阻RL，从而使电容CF的充电电流限制在允许的范围内。当CF充电到一

定程度，使SL闭合，将限流电阻短路。

在许多下新型的变频器中，SL已有晶闸管替代。

电源指示灯HL除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指

示。由于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电

压会威胁人员安全。因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。

RB为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低

变频器的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率

下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流

电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电

压保护动作，切断变频器的输出。为了避免出现这一现象，必须将再生到

直流电路的能量消耗掉，RB和VB的作用就是消耗掉这部分能量。如图3.1

所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管VB导通，将回

馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。

2.2.2直交电路设计

选用逆变开关管V1 V6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的

交流电，逆变管在这里选用IGBT。

续流二极管VD7 VD12的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，

虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的

电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。另外，当

电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。

电阻R01 R06，电容C01 C06，二极管VD01 VD06组成缓冲电路，来

保护逆变管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和集电极与

发射极间的电压Vce的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关

断时，Vce迅速上升，Ic迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，

所以通过在逆变管两端并联电容（C01 C06）来减小电压增长率。当逆变

管开通时，Vce迅速下降，Ic迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电

压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流Ic的增长率，造成IGBT的损

坏。所以增加电阻R01 R06，限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时，

该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管

（VD01 VD06），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。放电时，通

过电阻放电，实现缓冲功能。这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适

用于中小功率变频器。因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用

此种缓冲电路。

2.3 主电路参数计算

根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下：

1.整流二极管的参数计算

Im（峰值电流）

N=2×15.6=22.06A

Id（有效值）

= Im二极管额定电流值Ie=（1.5～2）Id/1.57=14.91A～19.88A

Um=额定电压值Ue=（2～3）（2～3）×2×380=1074.64V～1611.96V

2.滤波电容

系统采用三相不控整流，经滤波后Ud=1.1×2×380=591.05V。

3.制动部分 2Ud制动电阻粗略计算为RB N～UdIN=18.94 ～37.89

Vb击穿电压：当线电压为380V时，根据经验值选1000V。

ICM

VB集电极最大电流 cm：按照正常电压流经RB电流的两倍来计算：U=2×591.05/18.94=62.41A 2db

第3章 控制单元电路设计

3.1 变频器电路原理

3.1.1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3-1是较常见的驱动电路。驱动电路由隔离放

大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三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。

图3-1 驱动电路图

3.1.2 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、智慧功率模块、整流逆变

组合模块等，内部都具有保护功能。

图3-2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。

图3-2 过流检测保护电路

3.1.3 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3-3富士G11型开关电源电路组成的结构图。

图3-3 开关电源电路图

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。

3.1.4 主控板上通信电路

当变频器由可程序设计（PLC）或上位计算机、人机界面等进行控制

时，必须通过通信界面相互传递信号。图3-4是LG变频器的通讯界面电

路。

图3-4 变频器通讯电路图

频器通信时，通常采用两线制的RS485界面。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界面电路主要是指这部分电路，

还有信号的抗干扰电路。

3.1.5 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。

3.2 变频器控制电路设计原理

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,对于逆变电路主要阐述其控制电路的设计。

3.2.1整流电路原理

整流电路中,输人为380V工频交流电。YRl～YR3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El～E4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,由于E1

～E4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。整流电路原理图如图3-5所示。

图3-5 整流电路原理图

3.2.2开关电源电路原理

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直流输出电压进行变换,为IPM模块和外接的计算

机控制电路提供电源。图3-6为开关电源电路图。

图3-6 开关电源电路图

3.2.3 IPM控制电路原理

这里只给出了其中一个ICBT的控制电路,图3-7为IPM控制电路图。

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,通过计算机回应进行错误处理。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

场资料。在整个电路板中, 与计算机界面信号是通过插排接出的。

图3-7 IPM控制电路图

3.3 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/(512×2 n＋1)（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，CF

S=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=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。

3、死区时间（tpdy）tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）；PDY在0

～63之间，取PDY=37=（100101）B；则实际的tpdy=(26/26.2144)5μs=

4.959μs。

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=(12

7－PDT)/(fCARR×512)；依此公式，若定义最小宽度为3μs，实际最小

脉宽为tpd－tpdy，则tpd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1

010101）B，因此，实际tpd=8.01μs，脉冲最小宽度为tpd－tpdy=8.01

μs－4.959μs=3.051μs。

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位元参数，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(％)=PED×100/255，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位二进制数字，决定恒转矩区曲线的斜率，根据基频和

PED值计算：GRAD=(255－PED)×fRANGE/（16×fbase）；

fbase=50Hz；则有GRAD=15=（1111）B。

，取

第4章 实验调试及结果

4.1 变频器参数调试

1.按“PU/EXT”模式选择按钮，将变频器运行模式切换至“PU”模式；

2.按“MODE”键，进入参数设定模式，此时显示“P 0”；

3.旋转频率设定旋钮，调至p340参数；

4.按“SET”键，显示p340参数的当前值；

5.继续旋转频率设定旋钮，把p340参数值调至0，设完后断电保存参

数（从第三步重复操作依次 改p160=0,p79=0,p73=0)；设完后断电保存参

数。

6.闭合K1，调节电位器旋钮，观察电机转速的变化情况。

4.2 调试结果

从Ui-f曲线可以看出电机频率和转速近似看成与电压大小成线性关系，且当电压一定时，P0760=100的转速或者电压是P0760=50转速或者电压的2倍。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6b61.html