电力电子课程设计---变频技术.doc

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 徐 程 学 号 233090133 年 级 D自集成091 专 业 自动化（系统集成） 系（院） 工程基础实验与训练中心 指导教师 吴京秋 2011年 12 月 1 日 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34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%，是一笔不少的生产费用开支。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成了现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术，它使得电动机以及它所拖动的负载在无需任何改动的情况下即可按照生产要求调整所需输出转速，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、显著的节能效果，改善现有设备的运行工作情况，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三种；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，是将直流电变换为频率可调的交流电，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. 1-10uF的电容进行滤波, 另外在每块芯片的电源到地之间并联0. 01-1uF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0.1uF 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。由于本系统中一共用了两片MCU 及GP32、JB8, 所以在此统一规定, 下文中的MCU 是特指GP32。1.系统框架图2中央空调变频节能控制框架图WCCAC 变频节能控制系统以Freescale 公司的MC68HC908GP32 微控制器为核心, 包括给系统供电的电源模块、数据采集模块、通过继电器控制的风机模块、与MCU 实现数据传输的JB8模拟并口通信模块、控制变频器运行的RS485通信模块及指示系统状态的指示灯模块。在设计中充分考虑采用硬件防干扰来保证变频节能系统中的信号稳定。WCCAC 变频节能控制系统主要由中央空调系统(包括水泵、冷却塔、冷水机组等设备)、节能控制板( GP32图3 M CU 输入输出分析和JB8)、变频器、继电器和后台监控计算机组成, 如图2所示。后台监控计算机的主要功能是给JB8通信芯片发送命令, 接收JB8通信卡返回的相应信息并显示, 使用户实时了解中央空调系统当前的运行情况, 及时处理故障; 另外, 计算机还能够对数据进行处理, 并通过USB 接口发送数据给JB8通信模块。GP32一方面通过RS485的MODBUS协议与变频器通信, 取得水泵(冷却泵、冷冻泵)的实时数据, 另一方面通过风机控制模块、控制继电器获得风机实时运行数据, 并采用并口和JB8通信, 与后台监控计算机进行交互; 同时, GP32的主要任务还包括实时采集中央空调运行时主要的压力、温度参数, 并通过内部自动控制逻辑, 生成对整个变频流程的命令控制, 调节变频器(水泵)和继电器(风机)的运行, 从而实现对设备的变频处理, 最终实现最大限度降低中央空调能耗的目的。2.输入输出分析分析中央空调节能系统的实际应用状况可知, 整个系统的输入输出路数如图3所示。只有保证输入输出的正确性才能尽量避免设计硬件电路出现错误。其中的风机状态I/O输入本来可以设计为I/O 开关量输入, 但是在本系统中为了稳定性考虑, 则将其直接接到AD采集芯片的引脚上。当风机状态为关时候, AD 采集引脚输入电压为低电平, 反之为高电平, 所以通过分析采集结果为高或者低电平, 即可以得到当前风机的开关状态。3.控制功能先确定冷却水泵变频器工作的最小工作频率(15HZ)及最大工作频率(48HZ),将其设定为下限频率和上限频率并锁定; 变频冷却水泵的频率是取冷却水塔的出水温度信号进行调节,当冷却水出水温度高于设定值时, 频率优先无极上调, 当冷却水出水温度低于设定值时,频率无极下调;按温度变化来调节频率,出水温度越高,变频器的输出频率越高,出水温度越低,变频器的输出频率越低。冷却水塔出水温度由温度传感器PT1003850RPM/ 电压型温度传感器采集,将温度变化反映到相应的电阻变化,通过电阻的变化改变电压并送到变频器的输入2 、5 脚, 达到实现温度控制的目的。具体控制方案:1) 先合KM1 起动1 号泵,单台变频运行;2) 当1 号泵的工作频率上升到48HZ 上限切换频率时,1 号泵将切换到KM2 工频运行, 然后再合KM3 将变频器与2 号泵相接,并进行软启动,此时1 号泵工频运行,2 号泵变频运行;3) 当2 号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率15HZ 时,则将KM2 断开,1 号泵停机, 此时由2 号泵单台变频运行;4) 当2 号泵的工作频率上升到48HZ 上限切换频率时,2 号泵将切换到KM4 工频运行, 然后再合KM5 将变频器与3 号泵相接,并进行软启动,此时2 号泵工频运行,3 号泵变频运行;5) 当3 号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率15HZ 时,则将KM4 断开,2 号泵停机, 此时由3 号泵单台变频运行;6) 当3 号泵的工作频率上升到48HZ 上限切换频率时,3 号泵将切换到KM6 工频运行, 然后再合KM1 将变频器与1 号泵相接,并进行软启动,此时3 号泵工频运行,1 号泵变频运行;7) 当1 号泵的工作频率下降到设定的下限切换频率15HZ 时, 则将KM6 断开,3 号泵停机, 此时由1 号泵单台变频运行; 如此循环运行;8) 水泵投入工频运行时,电动机的过载由热继电器保护, 并有报警信号指示;9) 每台泵的变频接触器和工频接触器外部电气互锁及机械联锁;10) 变频与工频切换的过程:首先MRS 接通(变频器输出停止)延时0.2 秒后断开变频接触器 延时0.5 秒后合工频接触器,再延时0.5 秒合下一台变频接触器断开M R S 触点, 实现从变频到工频的切换;11) 变频与工频切换的条件:由变频器的上限切换频率( F U ) 和下限切换频率(SU)控制。 I/O 端口分配表 PLC输入、输出分配表4 .控制综合接线图:(见图2)5 .变频器参数设置:Pr.42=48HZ(上限切换频率FU 信号);Pr.50=48HZ(下限切换频率FU2 信号);Pr.191=5(标记为SU 端子的功能为FU2 信号);Pr.76=2(报警代码选择);Pr.79=2(操作模式为外部操作)6. 软件设计3(见图3、4)根据控制要求进行软件编程,下面给出参考程序顺控图图3程序补充说明:在程序设计中为避免变频器在启动过程中S U 信号动作,使T10、T11、T12 的定时时间大于变频器加速时间。 图4冷却水泵节能控制程序顺控图采用变频器、PLC 对中央空调冷却水泵的改造, 使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行, 从而达到节能的目的, 其节电效率可达40% 左右。由于冷却水泵采用变频器软启动、软制动, 大大降低了起动电流、避免了对电机和电网的冲击, 使用电环境得到改善。由于水泵大多数时间运行在额定转速以下, 电机运行噪音减小、温升降低、震动减少、负载运行顺滑平衡, 电气故障比原来降低, 电机的使用寿命也相应延长。利用PLC、变频器实现各种逻辑控制、变频器启动控制及手动/ 自动, 工频/ 变频转换和故障自动切换等功能, 使系统控制灵活方便, 功能更加完善。六、总体电路七、总结 中央空调变频节能控制系统适用性强, 可用于不同类型的冷水机组的变频改造。采用该方案, 在苏州某单位现场调试, 空调系统连续运行40h, 累计比同期耗电量减少30%。另一方面, 中央空调变频节能控制系统大大提高了中央空调水系统的智能化, 降低了水泵、风机等设备的日常磨损, 减少了日常运行维护费用, 延长了WCCAC 中各运动部件的使用寿命, 对系统的主要设备起到了安全保护的作用。 通过课程设计使我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际课程设计完美的结合大大的锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，和解决实际问题的能力，同时也大大提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对课程设计整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了很好的锻炼，使我的经验得到了极大地丰富，并且意志品质力大为提高，抗压能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的，也正是我们进行课程设计的目的所在。在课程设计过程中一些电路图非常难绘制让我不知如何是好，其原因是由于我自己本身对一些专业知识的了解程度还不够高，正是基于这种考虑我深深的意识到：要