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专 业 综 合 课 程 设 计 实 习 报 告
学生姓名 赵国智 学 号 1007030249
教学院系 电气信息学院
专业年级 自动化 10 级
指导教师 张培志 王艳
完成时间 2013 年 12 月 12 日
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目录
目录... 2
摘要... 3
第一章 绪论... 3
1.1 课题概述... 3
1.2变频器概况... 4
1.2.1 变频器的发展现状...4
1.2.2 变频器技术的发展趋势...5
1.3课题研究的目的与意义...6
1.4本课题研究的主要内容...7
第二章 设计课题... 7
2.1设计课题... 7
2.2 设计的目的和意义...7
第三章 变频器... 8
3.1 frno.4e1s-7c变频器...8
3.2端子配置图和螺钉规格...8
3.3控制电路端子...9
3.4主电路端子和接地端子的功能说明...9
第四章 变频调速控制系统概述...10
4.1硬件部分... 10
4.2实验室操作台部分...10
4.3变频器调速基本原理... 11
第五章 基于富士变频器的实验项目开发...11
5.1实验项目一... 11
5.2实验项目二... 11
5.3实验项目三... 12
第六章 实验总结... 14
6.1 小组成员及学号...14
6.2 心得体会... 14
6.3 谢辞... 15
参考文献... 16
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摘要
近年来,交流异步电动机的变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传 动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流 电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。
本次设计应用闭环 PID 控制算法实现了异步电动机的转速控制，通过对富士 变频器进行设定，控制电机的启动电流，实现电机的正反转以及调速。并且可以 通过在 PC机上建立人机界面，经过对可编程控制器PLC 进行程序编辑从而控制 变频器工作情况，进而实现对交流异步电动机运行过程的实时监督控制，实现远 程控制功能和生产实践的自动化。具有结构简单、运行可靠、操作方便、设备体 积小、功能强大、节约资源等优点，具有广阔的发展前景。
关键词：
三相异步电动机； 富士变频器； 变压变频调速第一章 绪论
1.1 课题概述
本次设计是基于富士变频器的交流异步电动机正反转及转速控制。本文的课 题源于市场上通用的变频器及交流异步电动机。调速系统的快速性、准确性、稳 定性及良好的动态性能是工业自动化生产的基本要求。在科学研究和生产实践等 诸多领域中有重要的地位，特别是在国防、冶金、机械、汽车、航天、石油等工 业中，具有举足轻重的作用。调速系统的工艺过程复杂多变，因此对系统的要求 更为严格。
目前在控制领域中，虽然逐步采用了计算机这一先进工具，特别是石油化工 企业多数采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占主动地位的任然 是 PID 控制。PID 结构简单、稳定性好、工作可靠，不用弄清具体的数学模型，
使用方便。
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变频调速技术 是一种以改变交流电动机的供电频 率来达到交流电动机调速 目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。
从大的范围来分，电机有直流电机和交流电机。由于直流机调速容易实现，性能 好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流机固有的缺点：由于采用 直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大 的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电机也像直流电动机那样调 速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速 等交流调速方式。当然也出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。随着 电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它一出现 就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为 电气传动的中枢。变频调速已被公认为是最理想、最具用发展前景的异步电动机 调速方法之一。变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。但如何得到一个单 独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。
20 世纪 60 年代中期，随着普通的晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频 装置，它是将三相的工频电源经变换后，得到频率可调的交流电。这个时期的变 频装置，多为分立元件，它体积大、造价高，大多是为特定的控制对象而研制的，
容量普遍偏小，控制方式也很不完善，调速后电动机的静、动态性能还有待提高，
特别是低速的性能不理想，因此仅用于纺织、磨床等特定场合。
本设计所设计的题目属于直接变频调速技术。直接通过对变频器参数的设定 来控制异步电动机的转速控制。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保 护部分等。逆变环节为三相 SPWM 逆变方式。
1.2 变频器概况
1.2.1 变频器的发展现状
进入 90 年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工 业领域及家电产品中得到迅速推广。此外，变频技术和变频器制造己经从一般意 义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强 占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力，使 之目前己经进入了高新技术行业。就变频技术而言，目前日本、美国及法国、荷 兰、丹麦等国家可以说是齐头并进，不分伯仲。在这一领域的研制、生产方面，
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220KW 功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断，如德国的西门子(SIEMEN)、
丹佛斯( DANFOSS)，美国的 AB.OE 公司、欧洲的 ABB 等。中小容量的变频器 85%
为日本产品和台湾产品所占领，如富士(FUJI),三垦(SAMCO )、东芝(TOSHIBA)、
松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及台湾的台达。由于这些国家、
地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强，所以他们生产的变频器适应 范围广，生产己经初具规模变频器应用普及率在 85%以上。我国的变频器深圳华 为电气(现己经改名安圣电气)、伴灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器 研究、开发、生产的高新技术企业，拥有雄厚的技术实力，相信不久的将来可以 取代国外品牌，创建我们自己的国产名牌。
1.2.2 变频器技术的发展趋势
在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从Si（硅）变换为SiC（碳 化硅）,使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点；并制造出体积 小、容量大的驱动装置；永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的 迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝 以下几个方面发展[2]：
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障 自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可 以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一体化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵 用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除 此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以 使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。 21世纪的电力拖动装置应 着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、
电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居
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上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样 的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技 术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这 种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结 构的小型化一些方面。
1.3 课题研究的目的与意义
在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，
是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求 就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产 的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直 流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但 是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解 决的问题。
随着交流传动电动机 调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频 器)性 能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调 速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调 速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命 力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断 的门极可关断晶闸管 GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工 作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功 率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大 功率开关器件，又有 各种驱 动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块 IPM 等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容 易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论 的进一步发展。
能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号 的专用集成电路以及 各种单 片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大 量 问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理 论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现 PWM 控制的变频技术，通 过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的
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变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。
总之，交流电机调速技术的发展，特别是变频器传动本身固有的优势，必将 使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到 相应的效益。因此，本论文通过对变频器的研究，对于交流变频调速系统理论的 应用，有着实际的意义和一定的应用价值。
1.4 本课题研究的主要内容
本课题是采用富士变频器来对异步电动机进行正反转及其变压变频调速控制，具 体的实验内容有：
1.了解日本富士变频器的工作原理、线路组成及各部分功能。
2.掌握日本富士变频器的安装、连接及应用。
3. 认识异步电动机基于变频器的变压调速系统的基本特性。
第二章 设计课题
2.1 设计课题
单闭环交流异步电动机变频调速系统设计
2.2 设计的目的和意义
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交 流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场 历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已 成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质 量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制 动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被 国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，
具有十分积极的意义．
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第三章 变频器
3.1 frno.4e1s-7c 变频器
frno.4e1s-7c变频器主面板如图2.1
图 3.1
3.2 端子配置图和螺钉规格
如表3.1
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表 3.1 参照如图3.2
图 3.2
3.3 控制电路端子
如图2.3
图 3.3
3.4 主电路端子和接地端子的功能说明
如表3.2
表 3.2
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第四章 变频调速控制系统概述
4.1 硬件部分
1.三相鼠笼式异步电动机 型号：DJ26
电压：380V 电流：1.12A 接法：三角形接法 转速：1430r/min 容量：180W 频率：50HZ 绝缘等级：E
生产厂家：浙江天煌科技实业有限公司 2.富士变频器
型号：frno.4e1s-7c
电源额定值：3PH 380-480V 50/60HZ 输出额定值：3PH 380-460V 0.1-400HZ
1.1KVA .5A 50% min 生产序号：WF74A123A001
生产厂家：
4.2 实验室操作台部分
操作台是系统日常的操作界面，包括用于控制交流调速的各种指令开关、按 钮和指示灯，以及连接到PLC各输入输出模块的大量开关、旋钮、表计和测试 插孔。台子上装有各种指示灯、按钮、电压表，电流表，频率显示仪表等，便于 学员观察和记录。
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4.3 变频器调速基本原理
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关 系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差 率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
第五章 基于富士变频器的实验项目开发
根据富士frno.4e1s-7c变频器可开发实验项目，各实验项目如下：
5.1 实验项目一
变频器参数设置
一、任务描述
了解富士frno.4e1s-7c变频器的特点和主要功能，能设置变频器的工作模式、
运行频率和多段速运行等参数。
二、训练目标
1．了解富士frno.4e1s-7c变频器的主要功能；
2．能设置变频器的工作模式；
3．能设置变频器的运行频率；
4．能设置变频器多段速运行的频率；
5．能对出现的问题进行分析和讨论，通过共同协作完成规定任务。
三、实验过程
四、小结
5.2 实验项目二
变频器驱动电机运行
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一、实验任务
变频器带一台电动机，通过变频器控制电机的启动和停止，在变频器上改变 变频器的输出频率，从而改变电机的运行速度。
二、训练目标
1．理解变频器的输入和输入端子功能，能正确的接线；
2．能通过变频器控制电机的启动和停止；
3．能通过变频器控制调节电机的转速。
三、实验过程
(画出主电路和控制电路，简要说明工作原理) 四、小结
5.3 实验项目三
变频器控制电机正反转运行
一、实验任务
1．掌握变频器实现电动机正反转运行的继电控制电路。
2．了解掌握报警输出端子30A、30B、30C的功能，及报警复位端子RST 的功能。
二、实验原理 1．正反转控制
由继电器组成正反转控制电路：允许按钮控制变频器接通电源；正转按钮控 制正转继电器给变频器FWD端子发送正转信号；反转按钮控制反转继电器给变 频器REV端子发送反转信号；变频器有内部报警信号输出时，复位按钮控制变 频器进行复位。
2．报警输出端子(30A、30B、30C)
报警输出端子在变频器发生任何故障时，保护功能动作，变频器停止工作，
输出报警信号(报警输出端子30C—30B之间的常闭接点断开，端子30C—30A之 间的常开接点闭合)。 3) 报警复位端子(RST) 变频器报警跳闸后，端子RST
—CM之间瞬间接通(≥0.1秒)，能控制变频器报警复位。
三、实验设备及仪器 1．变频器 1．电动机
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2．按钮 3．电位器
4．接触器和继电器 四、实验内容及步骤
1．电动机正反转控制电路如实验图4.1所示。
图4.1 REV：正传
FWD：反转 2．控制操作过程
按下按钮SB2，接触器KM动作，变频器通电，允许正反转运行；
按下按钮SB4，正转继电器KA1动作，控制电动机的正转运行；
按下按钮SB3，正转继电器KA1复位，控制电动机的正转运行停止；
按下按钮SB6，反转继电器KA2动作，控制电动机的反转运行；
按下按钮SB5，反转继电器KA2复位，控制电动机的反转运行停止；
按下按钮SB1，接触器KM复位，变频器断电。
在正反转运行期间， 继电器KA1，KA2的触点 并联在 动断按钮SB1上，
用以防止电动机在运行状态下通过KM直接停机，因为只有正转或反转停止后，
继电器KA1或KA2的触点才能复位，这时 ，动断 按钮SB1才能起作用。 在 控制过程中，若变频器报警保护动作，报警输出端子30C—30B之间断开，导致 继电器KA1，KA2均复位，变频器停止工作，电动机减速停止，分析解决故障 原因，按下复位按钮SB7，使变频器报警复位。
五、实验注意事项
1．若不能进行正反转运行，或某一方向不运行，用万用表检查是否电路有 断路点，或报警输出端子是否接线错误。
2．并联到动断按钮SB1上的继电器KA1和KA2的触点不要与接到变频器
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FWD和REV端子上的共用。
六、实验报告 分析阐述实验中出现的问题的原因，写出实验过程。
第六章 实验总结
6.1 小组成员及学号
王盼盼 1007030202 肖涛 1007030224 郑超 1007030252 钟耀辉 1007030253 赵国智 1007030249
6.2 心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，
也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在 设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会 了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职 业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深 体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈 开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
我们这次的课 题是单闭环交流异 步电动机变频调速系统设计。由于以前的 PLC 没学好，一开始的控制理论这块儿就要令我抓狂了。在后来几天几夜的努力，
终于有了头绪。首先，在老师的帮助下，我们找到了一些相关的参考书，上网查 了大量的资料，在这些资料的帮助下了解到了单闭环交流异步电动机变频调速系 统设计的各种方法。接下来就是在实验室里接线以实现整个系统了。没想到这项 看起来不需要多少技术的工作却是非常的劳心劳力。最终，在老师同学们的帮助 下，经过反复的修改和调试，我们终于实现了整个系统，完成了预定的实验项目。
看着自己做的系统，自己又欣慰又难过，欣慰的是自己终于把它做出来了，
而且，做的还好，难过的是自己知道还有很多的不足，但是，由于认识的有限，
无法去完善，才知道“书到用时方恨少”！
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此次单闭环交流异步电动机变频调速系统设计，从选题到定稿，从理论到实 践，在这两个星期里，学到了很多的东西。同时不仅巩固了以前所学过的知识，
而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了 理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论 知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自 己的实际动手能力和独立思考的能力。这次的课程设计还让我学会了如何去培养 我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计 过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃。
在此感谢我们的张培志老师和王艳老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一 直是我们工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无 尽的启迪；这次单闭环交流异步电动机变频调速系统设计的每个实验细节和每个 数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够 很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的 帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
6.3 谢辞
本文得以顺利完成，是指导老师的细心教导和同学的热心帮助的结果。在此，
特别感谢我的指导老师张培志和王艳老师，他们严肃的科学态度，严谨的治学精 神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。是你们的指导得以使我顺利 完成专业综合课程设计，并且为毕业设计打下良好的基础。
感谢在文中引用文献的作者们，是他们的辛勤劳动成果使得我在设计工作中 的困难得以解决，从而使我完成这篇论文。
当然还要感谢其它老师，他们用心的上课、孜孜不倦的教导和平时的答疑让 我学习了很多知识，对我的论文有了很大的帮助。
最后，也要感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感 受到同学的友谊。
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参考文献
[1] 何超.交流变频调速技术[M]. 北京航空航天出版社.2006.1.6
[2] 周 志 敏 、 周 纪 海 、 纪 爱 华 . 变 频 调 速 系 统 设 计 与 维 护 [M]. 中 国 电 力 出 版 社.2008
[3] 王兆安、黄俊.电力电子技术（第四版）[M].机械工业出版社.2000 [4] 郑琼林、耿学文.电力电子技术精选[M].机械工业出版社.1996
[5] 姜泓、赵洪恕.电力拖动交流调速系统[M].华中科技大学出版社.2003 [6] 李华德、白晶、李志明.交流调速控制系统[M].电子工业出版社.2003.3 [7] 王占奎.交流电机变频调速的应用[M].电工技术杂志.2004.3
[8] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社.2001 [9] 张永惠.高压变频器技术的比较[J].变频器世界.2000
[10] 韩安荣.通用变频器及其应用（第四期）[M].北京机械工业出版社.2004 [11] 吴忠智、吴加林.变频器应用手册[Z]. 北京机械工业出版社.1995 [12] 柴肇基.电力传动与调速系统[M]. 北京航空航天出版社.1992
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