电力电子课程设计---变频技术

电力电子技术课程设计报告题目变频技术的工程应用姓名刘晶学号 0916040111年级专业结构09-1目录一.引言 (1)二.课程设计内容 (1)三.设计方案选择及论证 (2)四.硬件各功能模块设计 (3)五.软件部分变频器选择与设计 (6)六.总体电路 (11)七.总结 (11)八.参考文献 (12)一、引言针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。

但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。

对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。

[1]其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。

水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。

再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。

二、设计任务1.确定控制方案，论证其工作原理的可行性，选择节能的环节。

2.画出线路原理图，介绍各环节工作原理。

3.设计软件控制要求。

4.选择PLC和变频器。

5.总结设计。

三、设计方案选择及论证风机和水泵的应用范围非常广泛，其电能消耗和相关设备的节流损失及维护维修费用占到生产成本的7%~25%，是一笔不消的生产费用开支。

随着经济改革的不断深入，节能降耗已成为降低生产本、提高产品质量的重要手段之一。

而20 世纪80 年代初发展起来的变频调速技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术，它使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电动机功耗达到系统高效运行的目的。

目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。

卓越的调速性能、显著的节电效果，善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

它顺应了工业生产自动化的要求，开创了一个全新的智能电机时代。

1.交流变频调速原理三相异步电动机可用下式表示：n = n1 (1 - s) =60f / p (1 - s)式中：n—电动机转速，r/min ；n1—电动机的同步转速，r/min ；p —磁极对数；f—电源频率，Hz ；s—转差率。

由上式可以得出，三相异步电动机的调速方法有 3 种，分别是：变极调速、变转差率调速和变频调速。

但是前两种方法有许多缺点，若变极调速，则调速范围较小，不能实现无级调速；若变转差率调速，低速时转差率大，转差损耗也大，则效率低；若用变频调速，从高速到低速均可保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。

所以，我们认为交流变频调速是三相异步电动机调速的一种理想方式。

交流异步电动机变频调速可以分为两大类：交—直—交变频调速与交—交变频调速。

我们主要介绍应用比较广泛的交—直—交变频调速原理。

交—直—交变频器的主回路由整流器ZS、中间滤波环节以及逆变器ZN 三部分组成。

如图1 所示。

整流器为晶闸管三相桥式整流电路，它的作用是将交流电变成可调的直流电源作为逆变器的供电电源。

中间滤波环节为LC 滤波，它的作用是把整流出来的直流电滤除交流成分，变成平滑的直流电源。

逆变器也是晶闸管三相桥式电路，但它的作用与整流器相反，是将直流电变换为可调的交流电，并用来供给三相异步电动机进行调速。

2.节能原理如图2 所示，水泵的正常工作点A，当水量需要从Q1 到Q2 时，采用阀门调节，管网特性曲线由R1（阀门全开）变为R2（阀门关小），其工作点调至B 点，其功率为OQ2BHB 所围成的面积，其功率变化很小，但其效率却随之降低。

当采用变频调速时，可按需要改变电动机的转速，图2 中从n1（额定转速）降为n2，其工作点调至C 点，其功率为OQ2CHC 所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，但仍然工作在高效区。

图2 中HCCBHB 所围成的面积则为变频调速实际节约的能耗。

变频技术主要从以下几方面进行节能：1）调速节能，通过流体力学的基本定律可知，轴功率正比于速度，转轴下降，轴功率变小；2）软启动，一般三相异步电动机的启动电流为额定电流的6~7 倍，变频调速后启动电流不超过电动机的额定电流；3）功率因数较高，一般在0.95 以上，减轻了变压器的负担；4）节省设计冗余。

四、硬件各功能模块电路设计控制系统功能模块设计整个中央空调变频节能控制过程的硬件设计, 包括电源模块、风机控制模块、JB8 模拟并行通信模块、RS485通信模块。

1. 电源模块电源模块必须保证能提供稳定的电压, 本系统的工作电压为5V, 为了得到稳定的5V 输出电压, 所以使用了12V作为输入电压, 通过一个稳压芯片LM2575??5得到稳定的5V输出。

这一点在A /D 采集电路中尤为重要, 因为如果电源不稳定, 同样的物理量得到的A /D 值会不一样。

电源模块原理图如图4所示。

2.风机控制模块风机工作需要380V、5A左右的交流电, 所以I /O 管脚的电流驱动能力无法满足其要求, 因此采用了图5所示的控制电路来控制风机, 即通过I /O 管脚控制三极管的开关, 进而控制继电器的吸合和断开, 最终把一个常开的触点(开关)留给了外部的380V 高压风机供电电路, 从而实现了对风机的控制。

在本系统中为了保护主控芯片, 在主控芯片和继电器之间增加了光电隔离芯片( 4N25)对MCU 的I/O管脚和外面的大电流电路进行隔离。

为了实现真正的隔离, 防止通过地线传电流, 4N25两端的接地( 2脚和4脚)必须用磁珠隔离。

3.JB8模拟并行通信模块JB8通过自带的USB1. 1模块和PC通信, 同时把数据通过模拟并行口发送到GP32, 在系统的设计当中,GP32是电源供电, JB8是PC 通过USB提供电源, 这样在JB8设备连接到USB 上的时候PC 可以通过这个电压的变换情况来正确地检测到JB8设备。

用一组PTB 口来做数据线, 这样一次可以传输一个字节的数据。

为了防止两个芯片互相干扰, 在系统初始化的时候, 两端的MCU 都要把数据口定义为输入或者输出, 在发送数据的时候把数据口定义为输出, 在接收数据的时候再把数据口定义为输入。

也就是说在同一较短时间单位上是单方向进行数据传输, 但在较长中央空调水系统变频节能的硬件开发时间(相对于MCU周期)上看, MCU 两方都可以既发送数据又接收数据, 即双向通信。

4. RS485通信模块(变频器通信模块)系统中的主控MCU 需要和多台变频器通信, 变频器的通信接口是RS485接口, 使用RS485总线标准通信, 所以主控MCU 和多台变频器之间的通信方式必然为RS485主从式。

由于变频器使用的通信协议是MODBUS(这是一种主从式通信协议) , 整个网络只有一台能主动发送数据的主设备, 其余设备都是被动接收的从设备, 只有当主设备要求从设备发送数据时, 它才能占用总线发送数据, 否则只能被动地接收数据。

本系统中的主机即为主控MCU, 实现一台主控MCU 和多台变频器之间的单主多从机通信。

本系统中使用的RS485传输芯片是TI公司的SN65176, 它是一种半双工串行通信芯片。

这一点很重要,因为半双工决定了编程时不能同时收发数据, 也即收发数据的操作必须要分开, 实验中发现发送接收数据不能使用中断方式处理, 只能通过查询实现。

RS485通信模块在本系统中的接法如图6所示。

5.指示灯模块在本系统中, 指示灯的主要作用是正常运行指示及故障指示。

硬件系统抗干扰设计1. 晶振电路的抗干扰晶振电路是一个很强的噪声源, 由于其工作频率高, 对系统其他电路容易产生干扰, 同时晶振电路也容易受其他电路的干扰。

所以, 在PCB板布线时, 应保证晶振电路部分的走线尽可能短, 并将晶振电路尽量靠近GP32芯片的EXTAL引脚。

此外, 将晶振电路模块接地, 尽量增强晶振电路的抗干扰能力。

2. 电源电路的抗干扰考虑到系统中有+ 5V 的电源电压和+ 12V 输入电压, 采用的是共地的接线方式, 系统运行过程中很容易由电流的突变产生干扰信号。

故在电源进入电路板处并入多个几十微法和0. 1~ 1??F的电容进行滤波, 另外在每块芯片的电源到地之间并联0. 01~ 1??F的电容, 如图7所示。

信号线的抗干扰在系统硬件的调试过程中, 很大一部分问题出现在信号干扰上。

虽然信号量在数据处理板处已经得到增强, 但是从信号处理板到MCU 之间的信号线也比较长, 并且系统运行过程中的电流变化比较大, 所以在系统运行的过程中有些关键信号可能会被干扰, 导致系统程序结果不确定。

故将控制系统电路和其他电路之间的连线以及串口线全部改为屏蔽线, 且在一些关键的信号线上, 添加0.1 F 的电容来过滤毛刺, 以便最大程度地减少外界信号干扰。

五.软件部分变频器选择与设计在嵌入式产品设计中, 硬件选型是一个重要的环节, 它直接影响着产品的性能以及产品后续的开发。

根据系统的功能需求, 需要考虑到芯片内部的集成功能模块、通用的I/O 引脚数目、RAM 及Flash大小、芯片以及开发环境的熟悉程度、芯片的可购买性等。

在开发本项目开始, 采用了8位MCU, 选取了42 引脚封装的MC68HC908GP32(以下简称GP32)为中央空调变频节能控制系统的主控芯片。

同时, 用44 脚的MC68HC908JB8(以下简称JB8)作为通信芯片。

其中JB8使用自带的USB1. 1模块和PC通信, 使用模拟并口和GP32通信, 从而间接地实现了PC和GP32之间的USB通信。