毕业设计（论文）变频器PID恒温控制系统设计

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1、课 题 摘 要 本课题的设计是根据工业生产上和社会生活中需要恒温控制的要求，设计了一套基于PID变频调速恒温系统。PID变频恒温系统由PID变频器、风机组、加热装置、温度传感器、信号采集转换电路等构成。本系统的设计是采用变频器实现对三相鼓风机电机的转速进行变频调速，来改变对恒温箱的鼓风大小，利用温度传感器检测恒温箱的当前温度信号，恒温箱中温度发生变化，采集的信号就会发生相应的变化，在经过转换电路把所采集的信号转换成对应的PID输入控制的电流信号，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变鼓风机电机的转速来改变供气量，最终保持系统的温度恒定。该变频恒温系统的设计成果可运用于许多实际的恒温控制系统中

2、，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词 变频调速 恒温供气 PID控制 信号采集 43目 次 1 绪论11.1 恒温控制的意义11.2 变频恒温系统的国内外研究现状21.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状21.2.2 变频恒温系统的研究与现状32 PID变频恒温系统的总体方案设计43 电机调速模块的分析63.1 三相异步电动机的调速原理63.1.1三相异步电动机调速简介63.1.2电动机的调速指标73.1.3 调速时的允许负载93.2离心风机调控方式的分析、选择93.3变频器的分析和选择123.3.1 变频器驱动负载特性的分析123.3.2 变频器容量的计算133.3.3变

3、频器选择注意事项144 三菱变频器的简要介绍164.1 三菱变频器FR-E740简介164.2 三菱变频器FR-E740常规介绍174.2.1 主电路接线端174.2.2 控制电路接线端及端子功能介绍184.2.3 操作面板及其功能介绍215 温度信号处理模块的介绍235.1 温度采集转换电路的设计235.2 电压电流转换电路255.3 温度显示电路265.3.1 数字电压表电路原理265.3.2 ICL7107管脚排列276 PID功能简介及系统的设置与调试286.1 PID控制器的组成及作用296.2 PID基本构成及功能概述306.3 本系统设计的参数设置介绍326.4 PID恒温控制系

4、统接线图346.5 系统的调试35结论36 致谢37 参考文献38 附录A Pt1000分度表39 1 绪论1.1 恒温控制的意义 在工业上，随着国民经济的发展，温度控制是工业生产过程和社会生活中经常遇到的过程控制，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。在日常生活中，人们也经常

5、碰到需要控制温度的问题。例如，冬天做面包时，酵母菌发酵缓慢，甚至不能发酵，这时，人们常采用加热的方法提高发酵温度，但若经验不足，温度提得过高，则容易把酵母菌杀死。又如，有的地区冬天很冷，需要室内取暖，这这样的温度又不能过高，也不能太低，所以需要采用比较可靠的恒温装置。再如，有些家庭喜欢养金鱼，到了冬天，常担心温度太低而使鱼冻死。总之，类似的问题在日常生活中常常碰到。所有这些，如果采用恒温控制装置，就可以得到解决。所以设计一个较可靠的恒温控制电路，是具有非常重要的价值意义的。本课题设计的是一个简单实用的恒温控制器，它可以根据使用者的实际需要，将温度设定在某一范围，当温度低于设定温度时，电路会自动

6、控制变频器的频率使电机转速下降，风力降低，恒温箱的温度升高，当高于设定温度时，电路会自动控制变频器的频率使电机转速上升，风力增大，恒温箱的温度降低。本电路经济、可靠，对于工业生产及日常生活中需要恒温的地方，一般均能适用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法要多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完

7、善，越来越显示出其优越性。虽然现有的温度传感元件大多为模拟器件（如热电耦）体积大、应用复杂、而且不容易实现数字化等缺点，阻碍了应用领域的扩展。但是这些器件相对来说比较经济，在毕业设计中不必要花那么昂贵的电子产品，在此我们采用的是市场上最为常见的铂电阻，通过测温电路来实现了对温度的实时测量与恒定控制。实现恒温控制的方法有很多，传统的控制方法普片是利用PLC自适应控制加热丝实现恒温控制，还有利用模拟PID调节的恒温控制，另外还有基于单片机的恒温控制系统。由于利用PLC还要利用模拟PID调节的恒温控制，其算法需要查表转换，比较复杂，单片机的恒温控制系统电路较为复杂，而且不是很稳定。所以我们采用了变频

8、器PID自动计算控制，集合电子电路来实现恒温控制。1.2 变频恒温系统的国内外研究现状1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我

9、国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。1.2.2 变频恒温系统的研究与现状变频恒温在变频调速技术的发展之

10、后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒温供气系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供气量大小需求不同时，保证温度恒定，需在变频器外部提供温度控制器和温度传感器，对温度进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒温供气系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压恒温供气功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制的基板上，通过设置指令代码实

11、现PLC和PID等电控系统的众多功能，对社会上各式各样的控制系统带来了一个崭新的科技。目前国内有不少公司在做变频控制工程，其中恒温和恒压控制最为普片，大多采用国外的变频器控制风机电机的转速；也有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。该变频器将温度闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供气供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速在恒压恒

12、温控制系统的研究设计中，对于能适应不同的应用场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的兼容性闭环控制研究还不够深入。因此，有待于进一步研究改善变频调速系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。2 PID变频恒温系统的总体方案设计PID控制变频恒温供气系统主要有变频器、温度传感器和现场的热风机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图21所示：图21 PID变频恒温供气系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由三相异步电机鼓风机组成，他的作用是为系统鼓风提供热气，供气的大小和温度的高低跟电

13、动机的转速成正比变化来控制，而电动机的转速由变频调速器控制，可以进行变频调速，用以根据用恒温箱里温度的变化而改变电机的转速，以维持系统的温度恒定。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测系统的温度。把温度变化的信号转换为电压或电流信号进行反馈。当温度升高时，把温度升高的模拟信号采集过来进行A/D转换，把对应的电流信号输入到PID控制器上，让其改变电机的转速，使其温度下降到恒定值。温度下降时效果一样，只是信号反相而已。(3) 控制机构：恒温控制系统一般安装在供气控制系统柜中，包括供气控制器PID变频器和电子电控设备两部分。PID变频控制器是整个变频恒温供气控制系统的核心。PID控制器对采

14、集的信号数据进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器对执行机构进行控制；其跟踪供气控制器送来的控制信号改变运行频率，完成转速控制。作为一个控制系统，系统的安全监控及报警是必不可少的重要组成部分。由于本课题设计的时间、人力和资金关系，所以没有做专门的报警监控电路，在电机维护上做了热继电器做为电动机的过载过热保护，电子线路部分温度监控显示电路和电流监测电流，用于随时监控系统的温度变化和电流值。恒温供气系统通过检测系统的温度变化，并将其转换为420mA的电流信号，此检测信号是实现恒恒温供气的关键参数。将此检测信号与变频器的设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运

15、算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制鼓风机的供气流量和温度，最终使系统的温度恒定，实现PID恒温供气控制。其控制系统框图如图22所示。 图22 变频器恒温控制系统框图 在此次设计中，由于在市场上购买能够供热气的热鼓风机价格昂贵，所以我们在系统的实物设计中对加热这一块做了改变，我们的思路是在恒温箱中直接用热电炉加热，通过鼓风机鼓风的大小来排出箱子中的热气，如果箱子中温度高，变频器频率增大，是电机转速增加鼓风量就加大，使热气排出量加大，温度下降。如果箱子中温度低，变频器控制频率为零或者很小，使鼓风机不用鼓风或者鼓小

16、风，让温度迅速上升。这样设计后的系统基本上是能实现恒温控制的，但不能实现任意的温度控制，因为热电炉加热的温度是固定的，而鼓风排气不成线性，所以不能实现任意温度的控温。3 电机调速模块的分析 3.1 三相异步电动机的调速原理3.1.1三相异步电动机调速简介调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源的输入频率成正比的关系，电机的转速公式为： 式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l)

17、改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速

18、。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。3.1.2电动机的调速指标（1）调速范围电动机在满载（电流为额定值）情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即（2）调速方向调速方向指调速后的转速比原来的额定转速（基本转速）高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调 。（3）调速的平滑性调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000 r/min 一下调节到

19、 1500 r/min ，再又调节到1000 r/min 等，两者中间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然比有级调速好。平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数（smooth factor），即 越接近于1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。（4）调速的稳定性调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率（static slip）来表示。其定义为：在某一机械特性上运行时电动机有理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之百分比，即越小，稳定性越好。静差率与机械特

20、性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为越大，转矩变化时，n变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速n0的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，中的n0-nf 相同，由于n0不同，它们的就不同，n0大的，小，n0小的，就大。生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的太大，则该转速的稳定性太差，便难以满足生产机械的要求。（5）调速的经济性这要由调速时的初期投资，调速厚的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。3.1.3 调速时的允许负载电动机在各种不同转速下满载运行

21、时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速方法称为恒转矩调速。不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件转速高，粗加工大切削量时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能。那么对于三相异步电动机来说，由于所以三相异步电动机的调速方法可以分为两大类：一类是通过改变同步转速n0来改变转速n，具体方法有变极调速（改变p）和变频调速（改变f1）；另一类是通过改变转差率s来实现调速，这就需要让

22、电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速（改变U1），转子电路串电阻调速（改变R2），等等。3.1.4变频调速的主要性能（1）.调速方向即可往上调，也可往下调；（2）.平滑性好，可实现无级调速；（3）.调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，静差率小；（4）.调速范围广；（5）.调速的经济性方面，初期投资达，需要专用的变频装置。但运行费用不大；（6）.调速时的允许负载分析如下：f1<fN时为恒转矩调速。由于f1<fN是，U1/f1=常数，m基本不变，因此各种转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本不变。f1<fN时为恒功率调速。由于f1>

23、;fN时，U1=常数，根据，m与f1（既是n）成反比，因此在各种转速下的满载转矩T=CTmI2Ncos2基本上与转速n成反比，两者的乘积基本不变，允许的输出功率基本不变。32离心风机调控方式的分析、选择离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40左右。造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。因此，生产工程中若需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。（1）离心风机的

24、工作原理及特性 ：单级高速离心风机的工作原理是，原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。 从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡

25、。风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。 (2)变频调控原理与特性 :随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。 图31 变频调节时风机的性能曲线变频调节的节能原理：如图31中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，

26、但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2 情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗PHQ2与图中面积BH2H3C成正比。 由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0100，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律： Q1/Q2(n1/n2)，H1/H2(n1/n2)2，P1/P2(n1/n2)3 可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/

27、2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。 根据变频调节这一特性，选择变频器控制鼓风机的的转速是最佳的选择。 (3)不同调控方式的比较 图32 不同调节方式下功率消耗比较图32给出了不同调控方式时风量和轴功率的关系。其中可以看出变频调节的离心鼓风机调节范围很广，在节能上有显著效果，通过对变频调节方式的原理与特点的分析，鼓风机调控方式的选择，从节能方面和对风量、风压要求前提下，从流量变化范围、风机功率大小、调节装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面综合考虑，进行技术经济分析，作出合理的选择。在此系统中我们还考虑到噪声低，价格低的因数，所以购买了低噪声离心鼓风机。 3.3变频器的

28、分析和选择3.3.1 变频器驱动负载特性的分析变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型: 恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。（1） 恒转矩负载负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。（2） 恒功率负载机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产

29、线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL 不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。（3）风机、泵类负载在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内

30、所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的3 次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。3.3.2 变频器容量的计算变频器的容量一般用额定输出电流（A）、额定容量（kVA）、适用电动机功率（KW）表示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值。输出容量指是额定输出电流和额定输出电压乘积的三项视在输出功率适用电动机功率是以2、4极的标准电动机为对象，表示在额定输

31、出电流内可以驱动的电动机功率。应注意：6极以上的电动机和变极电动机等特殊电动机的额定电流比标准电流大，不能根据适用电机功率选择变频器容量。因此，用标准2、4极电动机拖动的连续恒转矩负载，变频器的容量可根据适用电动机的功率选择；对于用6极以上和变极电动机拖动的负载、变动负载、断续负载和短路负载，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。跟据电动机电流选择变频器的容量：采用变频器驱动三相异步电动机调速时，在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中可能出现的最大电流来选择。（1）连续运行场合：由于变频器给电动机的是脉动电流，其脉动值比工

32、频供电时的电流要大。因此需将变频器的容量留有适当的裕量。一半令变频器的额定电流（1.051.1）倍的电动机额定电流（铭牌值）或电动机实际运行的最大电流。即： 或 试中，I1NV ：表示变频器的额定输出电流（A）； IN ：电动机的额定电流（A）； Imax ：电动机的实际最大电流（A）。 如按电动机的实际运行中的最大电流来选定变频器时，变频器的容量可以适当减少。（2）加减速时变频器的选择：变频器的最大输出转矩是由变频器的最大输出电流决定的。一般情况下，对于短时间的加减速而言，变频器允许达到额定输出电流的130%150%（依变频器容量而定）。因此，在短时间加减速时输出转矩也可能增大。反之，如只需

33、要较小的加减速转矩时，也可以降低选择变频器的容量。由于电流的脉动原因，此时应将变频器的最大输出电流降低10%以后在进行选择。（3） 频繁加减速运转时变频器容量的选定 :根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定： 式中：I1NV：变频器额定输出电流(A) I1、I2、IN：各运行状态平均电流(A) t1、t2、tN：各运行状态下的时间 (S)K0：安全系数(运行频繁时取1.2，其它条件下为1.1) （4） 一台变频器传动多台电动机，且多台电动机并联运行，即成组传动 用一台变频器使多台电机并联运转时，对于一小部分电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已

34、经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。 3.3.3变频器选择注意事项用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项：选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。变频器若要长电缆运行时，此时应该采

35、取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速

36、容许值。变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小。因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线电动机多用于飞轮力矩GD2较大的场合，在设定加减速时间时应多注意。变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，会降低输出容量1020，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此，应了解工频运行情况，选

37、择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。变频器是本系统控制核心硬件，也是执行机构，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变供气量。变频器的选择必须根据鼓风机电机的功率和电流进行选择。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。鼓风机组系统属风机、泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于购买一台变频器比较昂贵，学校又有两种型号的变频器可以借，其中有三菱变频器和亚

38、泰变频器，都可以用与本系统。我们首选较为熟悉的三菱变频器，他是我们上课所学的一门学科之一，所以怎么运用都叫熟知，不用花太多时间去学习它。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。所以我们采用三菱变频器FR-E740，其输出功率为0.47.5KW

39、，完全适用4 三菱变频器的简要介绍4.1 三菱变频器FR-E740简介 本课题采用的变频器是FR-E700系列的变频器，FR-E700系列变频器是具有变频调速器和经济型高性能的变频器 ，其功率范围：0.115KW ，本系统用的变频器是FR-E740-1.5K-CHT，其外观图如下图4-1所示，FR-E700系列具有如下特点：· 先进磁通矢量控制，0.5Hz时200%转矩输出 · 扩充PID，柔性PWM · 内置Modbus-RTU协议 · 停止精度提高 · 加选件卡FR-A7NC，可以支持CC-Link通讯· 加选件卡FR-

40、A7NL，可以支持LONWORKS通讯· 加选件卡FR-A7ND，可以支持Deveice Net通讯· 加选件卡FR-A7NP，可以支持Profibus-DP通讯图4-1 变频器FR-E700实物图4.2 三菱变频器FR-E740常规介绍4.2.1 主电路接线端4.2.2 控制电路接线端及端子功能介绍（1）控制电路接线端及其变频器上对应的端子排（2）标准输入信号控制电路端子的功能（3）输出信号和通讯部分的端子功能部分的端子可以通过Pr.178Pr.184、Pr.190Pr.192 （输入输出端子功能选择）选择端子功能。请正确设定Pr.267 和电压电流输入切换开关，输入与设

41、定相符的模拟信号。若将电压电流输入切换开关设为“I”（电流输入规格）进行电压输入，若将开关设为“V”（电压输入规格）进行电流输入，可能导致变频器或外部设备的模拟电路发生故障。4.2.3 操作面板及其功能介绍（1）变频器的面板及功能介绍:变频器所有参数设置都是在操作面板上进行,下图就是操作面板的各部分的名称及功能介绍。（2）变频器变更参数的设定值：以变更Pr.1上限频率为例，看如下操作。具体的参数变更值请参考说明书。5 温度信号处理模块的介绍5.1 温度采集转换电路的设计 由于本设计课题是恒温控制，涉及到温度测试电路，为了与我们课程设计相结合，把我们所做的课程设计应用到实际中来，所以我们采用了大

42、一时课程设计的电路，铂电阻测温电路，并且从控制范围、精度和测试范围上考虑都可以达到要求，而且还有现成的电路板可以使用，所以从各方面考虑都是最佳的选择。温度信号采集电路模块如图下图51所示。电路中铂电阻用Rt(PT1000)，是作为温度信号输入的，也就是所说的温度传感器，其测温范围可以达到0500，本电路的输出电压范围0.000V5.000V，温度与电压变化的关系是10mV/，根据温度的变化，输出端Vo发生相应的正比例变化。 图51 温度采集转换电路图5-1电路共由五部分组成，第一部分是由2V稳压管和可调电位器构成的恒流源，为此电路提供1V的恒定输入电压，从LM324的U1A的反相输入端输入，经

43、过放大电路组成的跟随器后，电压变成-1V的电压。第二部分是由铂电阻Rt与电阻R1经过运放LM324的U1B构成的线性放大电路，本电路的关键电路就在这里。由于铂电阻的阻值和温度之间存在非线性关系(尤其在高温段更为明显) ，因此，对检测数据进行非线性校正是高精度测温不可缺少的环节。铂电阻的非线性特征是一条不规则的非线性曲线。铂电阻阻值与温度之间的关系是： （1）在0630.74范围内可用下式表示RT=R0(1+A*T+B*T2)（2）在-2000的温度范围内为RT=R0(1+A*T+B*T2+C*(T-100)T3)式中：R0和RT分别为在0和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，有实验确

44、定， R0=100,A=3.90802e-3-1，B=-5.80195e-7-2,C=-4.27350e-12-4。铂电阻广泛应用于-200850范围内的温度测量，工业中通常在600以下。 由于铂电阻的阻值和温度之间存在非线性关系，所以需要非线性校正电路，运放U1C与R2、R3、R4、VR2共同构成非线性校正电路，经过校正后可以使放大电路的输出电压与温度的变化呈线性。当温度为0，输出电压不为0时，则需要设置调零电路，所以第四部分调零电路，调零电路的原理是，当温度为零时，铂电阻的阻值为零，即放大器的放大增益为-1V，所以，放大器的输出电压为+1V，只要调节VR2使VR2的阻值加R6的阻值为10K

45、，此时加法器前面的电压+1和-1相互抵消，所以输出电压为零。第四部分是加法器，是对两个信号进行求和比较，此电路中是将经铂电阻反向放大电路放大后的电压，与放大前的标准电压进行求和比较，再把比较的差值线性放大，来反映温度的变化，即U0的输出电压多少就是反应温度的变化大小。电路的调节：本电路的调节，首先是调节电位器VR4使运放2脚的输入电压为+1V，然后用一个电桥进行其他电位器，把电桥调到1K，然后将两端接到原本接铂电阻的两个端子上，然后调节VR1是输出电压为零为止，再调节电桥，让其电阻为500时的电阻2.809K，调节VR2、VR3使输出电压为5V。调节好后方可装上铂电阻温度传感器。5.2 电压电

46、流转换电路 PID电路中需要420mA的电流输入，温度采集电路得到的电压经过电压电流转换电路把得到的0.21V的电压转换成420mA，这里采用有2个运算放大器构成的电压电流转换，如下图52所示，输出电流极性与输入电压极性相同，其输出电流由下式决定： 设计思路，根据常温下温度为20左右，检测出加热箱的加热温度最高为近100，所有集合上节所说的铂电阻测温电路，可以设计成温度在20100变化，即电路的输出电压为0.21V，由上式可以算出输入电压0.21V时，输出420mA的各电阻值，如下图52所示也标出其阻值。 图52 电压电流转换电路5.3 温度显示电路5.3.1 数字电压表电路原理温度显示电路采

47、用的是数字电压表电路原理，主要由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。ICL7107 是双积型的A/D 转换器，还集成了A/D 转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快， ICL7107 的一个周期为用4000 个计数脉冲时间作为A/D 转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3 个阶段。内部逻辑控制电路不断

48、地重复产生AZ、INT、DE 3 个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T，即：VIN 的数值=T 的数值或Vin=Vref(T/1000) 式中：1000 为积分时间（1000 个脉冲周期）；T 为反积分时间（满度时为2000）。ICL7107的数字电路显示如图5-3所示。图5-3 ICL7107的数字电路显示如图5.3.2 ICL7107管脚排列管脚1和26是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN、UREF端短接。TEST是测试端，该端经内部500电阻接数

49、字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称做数字地。该端有两个功能：作测试指示，将它接U时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。a1g1、a2g2、a3g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。UR

50、EF、UREF分别为基准电压的正、负端，利用片内UCOM之间的2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。CREF、CREF是外接基准电容端。IN、IN为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。芯片ICL710的实物图如图5-4所示。图54 芯片ICL7107的和实物图6 PID功能简介及系统的设置与调试6.1 PID控制器的组成及作用当今的自动控制技术都是基

51、于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器， PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其中：比例（P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节

52、，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情

53、况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可，在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 6.2 PID基本构成及功能概述（1）PID控制基本构成如图6-1所示。图6-1 PID控制基本构成(2) PID动作概要PI动作：由于PI动作由比例动作（P）和积分动作（I）组合而成，因此可以得到符合偏差大小及

54、时间变化的操作量。测量值阶跌变化时的动作示例如图6-2所示。图6-2 测量值阶跌变化时的动作示例图PD动作：由于PD动作是由比例动作（P）和微分动作（D）组合而成，因此会以与偏差的速度相符的操作量进行动作，以改善过渡特性。测量值按比例变化时的动作示例如下图6-3所示。图6-3 测量值按比例变化时的动作示例PID动作：由于PID动作是由PI动作和PD动作组合而成，即就是P和I及D动作的合成动作，因而可以实现集各项动作之长的控制。PID动作合成示意图如图6-4所示。图6-4 PID动作合成示意图 负作用：当偏差X （目标值测量值）为正时，增加操作量（输出频率），如果偏差为负，则减小操作量。空调里制

55、暖时的反馈信号与目标信号负作用原理如图6-5所示。图6-5 空调制暖时的反馈信号与目标信号负作用原理正作用：当偏差X （目标值测量值）为负时，增加操作量（输出频率），如果偏差为正，则减小操作量。空调里制冷时的反馈信号与目标信号正作用原理如图5-5（a）所示，偏差与操作量（输出频率）之间的关系如图6-5（b）所示。图6-5（a）空调制冷时的反馈信号与目标信号正作用原理图6-5（b）偏差与操作量之间的关系63 本系统设计的参数设置介绍在PID控制中，参数设置是最重要的一步，如果参数设置不对，PID控制是控制不起来的，这些参数有常规的参数和PID专用的功能参数，两部分参数需综合设置才能实现此PID的

56、功能。表6-2列出了本次设计的相关参数的设置。除此以外的其他参数都直接选用变频器的默认值。表6-2 PID恒温控制的参数设置参数号参数名称设定范围设定值设定理由Pr1上限频率0120Hz50HZ输出频率的上限值，限制电机的速度上限。Pr2下限频率0120Hz0 HZ输出频率的下限值，使电机的速度最低可以达到停机。Pr7加速时间0360S5S电机加速时间,根据变频器容量不同而不同,3.7K以下的设为5SPr8减速时间0360S5S电机加速时间,根据变频器容量不同而不同,3.7K以下的设为5SPr9电子过电流保护0500A0电机使用外部热继电器时，为了不使电子过电流工作，Pr.9 设定为“0”。（

57、但是变频器的输出晶体管的保护功能（E.THT）工作。）Pr14适用负载选择031风机类负载应该属于低转矩负载，所以选择1Pr73模拟量输入选择0/1/10/111端子2输入，05V无极性Pr77参数写入选择020仅限于停止时可以写入，防止在运行状态下误写入参数Pr78反转防止选择021不可反转，因为鼓风机只有正转才能正常鼓风Pr79运行模式选择074外部PU组合运行模式2，由面板启动，外部调节运行。Pr83电机额定电压选择01000V380V鼓风机电机额定电压（V）Pr128PID动作选择0/20/21/4043/50/51/60/6121选择PID正作用，测量值输入（端子4）目标值由（端子2

58、或Pr.133）Pr129PID比例带0.11000%/9999100%比例带狭窄（参数的设定值小）时，测量值的微小变化可以带来大的操作量变化随比例带的变小，响应灵敏度（增益）会变得更好，但可能会引起振动等、降低稳定性增益Kp1比例带Pr130PID积分时间0.13600s/99992s在偏差步进输入时，仅在积分（I）动作中得到与比例（P）动作相同的操作量所需要的时间（Ti）随着积分时间变小，到达目标值的速度会加快，但是容易发生振动现象Pr131PID上限0100%/9999100%上限值:反馈量超过设定值的情况下输出FUP信号测量值（端子4）的最大输入（20mA/5V/10V）相当于100%

59、Pr132PID下限0100%/999910%下限值:测定值低于设定值范围的情况下输出FDN信号测量值（端子4）的最大输入（20mA/5V/10V）相当于100%Pr133PID动作目标值0100%/99999999PID控制，端子2输入电压为目标值Pr134PID微分时间0.0110.00s/99992s在偏差指示灯输入时，仅得到比例动作（P）的操作量所需要的时间（Td）随微分时间的增大，对偏差变化的反应也越大Pr183MRS端子功能选择05/7/8/10/12/1416/18/24/25/62/6567/999914PID控制有效端子,用以启动PID控制Pr267端子4输入选择020选择端

60、子4输入电流420mA，即外部检测信号输入端6.4 PID恒温控制系统接线图 如图5-1是PID恒温控制的接线图，变频器主电路部分，电源输入端R/S/T接的是交流380V电压，输出端U/V/W接热风机电机。控制电路正转端子STF接正传启动开关，反转端子STR没有接开关，PID控制选择用不常用的MRS端子，在MRS端子与SD之间接一个开关，用以控制PID的启动与停止。端子10/2/5各端按下图所示接一个电位器，用以设定目标值，端子4是420mA电流输入端，实物接线参考下图6-1即可。 图6-1 PID恒温控制接线图6.5 系统的调试 本次设计的实物图如图6-1所示，首先合上右上角左边的交流接触器

61、，给变频器通380V交流电源，然后按上节所说的参数进行设计，设置好参数后，在合上右上角右边的交流接触器，给控制电路提供电源。按下启动按钮，同时给线路板和热电炉上点，当线路板显示温度上升到50左右时，按下变频器面板上的RUN按钮，然后再调节电位器，设置好目标频率，再把开关合上，以启动PID自动控制系统，PID启动完成。 启动完成后，进入自动监视控制，只需要目测显示部分，能够在某个温度上下波动就实现了恒温控制，然后在调节一下电位器，使目标值改变，再重新达到另一个恒定温度，这样重复几次后，调试就算完成了。 停止过程没有特别要求，但最好是首先断开PID启动开关，然后按下停止按钮，断开电子线路和热电炉的电源，待箱内温度下降到常温后，再按下变频器的停止按钮PU/EXT，最后断开两个交流接触器，拔掉电源插头。图6-1 PID恒温控制系统实物图结 论经过两个月的毕业设计，基本上完成了PID恒温控制的课题，本课题完全实现了温度显示和恒温控制，经过检验，控制显示的温度，与实际的温