6ES7214-2BD23-0XB8诚信经营

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    众所周知，变频器已经广泛应用各行各业。但变频控制系统如何设计，变频控制柜设计与制造对实际应用具体要求，是许多及制造商，客户想明确了解的。本章从实际设计及应用案例中，总结设计要点，写出拙见，供**参考。

根据实际及客户要求进行设计

在变频控制系统设计前，一定要了解系统配制，工作方式，环境，控制方式，客户具体要求。
具体系统分新设计系统还是就设备改造系统。
对旧设备改造，应该确切知道如下技术参数及要求。
1． 电机具体参数， 出厂日期， 厂商（国产， 进口）,电机的额定电压， 额定电流， 相数。
2． 电机的负载特性类型， 工作制式。 电机起动方式。
3． 工作环境。如现场的温度， 防护等级， 电磁辐射等级， 防爆等级。
4． 配电具体参数。
变频柜安装位置到电机位置实际距离。（变频柜到电机距离是非常重要的参数）
变频柜拖动电机的数量及方式。
变频柜与旧的电气系统的切换关系。一般为Δ-Y启动与变频工作互为备用，切换保护。
变频柜的外围传感变送器的选用参数及采样地点。
变频控制柜的控制方式，如手动/自动，本地/远程，控制信号的量程。是否通讯组网。
强电回路与弱电回路的隔离。采集及控制信号的隔离。
工作场合的供电质量，如防雷，浪涌，电磁辐射。
对新变频系统，电气工程师应该与机械工程师对传动机械负载特性，深入了解，才能确电机类型，容量。根据电机机械负载特性，容量，选用变频器的类型，容量。

目前，机械负载与电机转矩特性有许多种类，常用有三种。
1． 恒转矩负载。如传送带， 升降机等
用公式表式为 P=T*N/975 P-电机的功率 T-电机转矩 N-电机转速
对恒转矩，系统设计应注意：
（1） 电机应选变频器电机
（2） 变频柜应加装冷却风扇
（3） 增大电机容量，（4） 降低负载特性
（5） 增大变频器的容量
（6） 变频器的容量与电机的容量关系应根据， 一般为1.1~1.5电机的容量。


2． 平方转矩负载。如风机，水泵类
用公式表式为 T=K1*N2 ，P=K2*N3 P-电机的功率 T-电机转矩 N-电机转速
一般，风机，水泵，采用变频节能，理论与实际证明节能为40~50%左右，此类应用占变频器应用30~40%左右。
对平方转矩负载，系统设计应注意：
（1） 电机通常选异步交流电机。根据环境需要，选电机防护等级和方式。
（2） 大于7.5KW变频柜,应加装通风散热设施
（3） 电机，变频器容量关系。


关系系数 国外变频器容量 国产变频器容量
国外电机容量 相等相当电机容量 1.3-1.5电机容量
国产电机 1.2电机容量 1.5-2电机容量

3． 恒功率负载。如卷扬机，机床主轴。
公式：P=T*N/975=CONT。
一般达到特定速度段时，按恒转矩，过特定速度时，按恒功率运转。
恒功率机械特性较复杂。

对于每个变频控制柜，设计是整个系统，能体现产品质量关键环节。对于变频控制柜，
电气设计工程师应在如下设计方面入手。
1. 变频控制系统的原理图设计
2. 电路主路设计。
3. 电路控制路设计。包括常规控制电路， PLC控制接口电路， 变频器联网等。
4. 变频控制柜的工艺设计。包括电气工艺设计， 柜体板金工艺设计。

原理图设计
根据以上所述的原理规则，参照变频控制柜的原理图，根据实际需要，画出原理图。
电路主路设计。按如下顺序选择主回路电器件。
（1） 确定机械负载特性，功率， 扭矩，转速
（2） 确定电机特性， 额定电压， 额定功率， 额定电流，
（3） 根据以上条件， 和实际客户的需要， 对下列电器元件取舍
TR-变压器为可选项，根据电压等级标准，选配。
FU-熔断丝，一般要，选择为2.5-4倍额定变频器电流。注意熔断丝选速熔类。
QA-空开，一般要，选择为1.2倍额定变频器电流
KM-接触器，要，选择为额定变频器电流
LY-防雷浪涌器，要，特别雷暴多发区，以及交流电源尖峰浪涌多发场合，保护变频系统免遭意外破坏。一般配40KVA浪涌器。

DK-电抗器

电抗器的作用是抑制变频器输入输出电流重高次谐波成份带来的不良影响，而滤波器的作用
是抑制由变频器带来的无线电电波干扰，即电波噪声。
有的变频器内置电抗器，有的场合也可不装电抗器。一般，多大功率变频器配多大电抗器，变频器厂商提供参数。选择电抗器的参数，可由下面公式计算
L=(2%~5%)V/6.18*F*I
V-额定电压 V
I-额定电流 A
F-大频率 HZ

LBI/ LBO 输入输出滤波器，一般应根据频率进行配置
R-制动电阻 计算较复杂，应在变频器柜制造商指导下配置。

电路控制回路设计，按电气工程师知识及变频器要求设计。但应注意
（1） 输入/输出的弱电信号，与PLC、仪表、传感变送器，一定采取信号隔离， 否则控制系统信号混乱， 系统不正常。
（2） 与PLC，常规控制系统接口，一定加装浪涌吸收器。
（3） 控制电源应采用隔离变压器，进行电气隔离。
变频控制柜的工艺设计。
电气工艺设计
电气工程师变频电路设计出来，下一步就是电气工艺设计，包括：
1. 多大功率变频器，配什么类型电缆，多大的线径，配多远。一般可以查表格或计算。
2. 接地配线。
3. 抗干扰布线。是非常重要的。一般强电电缆用带屏蔽电缆，电缆及屏蔽层用金属卡固定安装底板上， 也有的加装屏蔽金属环， 抗干扰。
4. 进出线的电缆管接头配置。

柜体板金工艺设计应根据以下原则设计
1． 变频器的环境
温度：变频器环境温度为-10度-50度，一定要考虑通风散热。
湿度：
震动：
气体：有无暴炸，腐蚀性气体
2． 柜体承载重量。
3． 运输方便性。加装吊装挂钩， 搬运。
4． 柜体的铭牌, 制造商的CI标识。

结论：一个质量较高的变频控制柜，从设计，工艺，制作制造，运输，包装，是实际要求较高的产品，要求各个环节，才能作出较高质量和水平的控制柜。

    采用现代技术、设备，构成全数字交/直流调速系统，并实现单/多机的计算机通信，对进一步提高电力传动系统性能、生产优良产品、提高市场竞争及对传统工业的改造都具有实际意义。
1.全数字直流传动系统
此系统具有一定的通用性，它包括下述3个主要部分。

1.1 功率部分
这部分已成熟定型，包括单相可逆、单相不可逆，三相可逆、三相不可逆等线路及功率部分和动力操作部分。
1.2操作部分
信息输入 由数字键及有关的功能键组成，可输入转速给定值，起动、停止、正转、反转等信息以及随应用场合不同而可自定义的参数。 信息显示 由多位数码及有关功能键组成，可显示转速实际值及上述输人的各种参数。
记录打印 接宽行或窄行打印机，按下打印功能 键即可将系统实际运行的有关数据打印出来。
单/联动 通过功能键操作，可使系统单进行调速，也可接受另一系统的同步联动信号实现转速同步控制。
1.3 控制及检测部分 它以MCS-5单片机为，结合时钟、存贮、驱动、接口、变换、触发以及电源等器件组装成一体。对于直流调速系统这种常规的工业应用，设计中强调了实时性。 高抗扰性以及简便。线路和印刷版均进行精巧的设计和处理，以**一定的通用性和较强的抗干扰能力，并可灵活方便地安装在功率装置或控制台中，以便于现场应用。
1.3.1 电流检测 电流检测电路用两组交流互感器出正、反两组晶闸管交流侧电流信号，经桥式整流，分别得到正、反组电流信号的模拟量。经ADC1210模／数转换器，得到电流信号的数字量。电流检测可以认为是一个比例系数。
1.3.2 转速 系统中为转速备有计数输人通道及模拟输人通道，既可采用光电脉冲发生器也可采用测速电机来转速。光电脉冲发生器由圆周上均匀地刻有光栅的圆盘、脉冲形成和放大电路组成。它联接到电机轴上。当圆盘随电机一起转动时，通过光电元件的作用，一道道光栅变成一个个脉冲。脉冲的频率正比于电机的转速。一个采样周期内脉冲数量就反映了电机的速度值。

2 全数字交流传动系统
       全数字交流传动系统为ABB公司新推出的直接转矩控制（DTC）系统，它代表了交流传动的水平。DTC控制不同于矢量控制，它采用的是控子磁链的方法，即用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转轨采用定子磁场定向，借助离散的Bznd-Bznd控制产生PWM信号并直接对逆变器的开关状态进行控制数学模型的简化处理，不需要对电压、频率分别控制的 PWM调制器，是一种无调，具有高静、动态性能的全数字交流调速方法。DTC的开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度，在不需要光码反馈（或其他反馈）的情况下，从零速开始就可以实现电机控制。这就省去了造纸传动中通常用测速机、光码等反馈器件和电缆引线以及干扰等造系统不稳和维护方面的困难，从而大大提高了系统的性。

3.传动系统的网络化设计
3.1全数字交/直流传动系统构成
        全数字交／直流调速装置采用具有流调速器，控制电机由交流电机（或直流电机）组成，变送装置由光码（或测速发电机）组成。测速机将转速交换成模拟量信号（光电编码将转速变换成数字量）并反馈给控制装置。
3.2网络化设计 包括直流传动系统和交流传动系统。

4.结语
         运用工业PC、PLC和网络通信技术以及全数字交／直流传动装置，可对生产电力传动进行诊断与监控，通过计算机控制，可以对每个传动点的转速、电流、电压，启、停、加/减速等参数进行在线修改，并保持线速度同步，负荷分配；同时，可通过历史曲线和现行曲线的显示，监控系统的运行情况；并可以随时了解生产情况的好坏，为生产优良的产品提供了。

电气机车辅助系统中有劈相机、空气压缩机、通风机及制动风机等各种类型的电机。运行中为了防止出现短路、过流等异常情况而烧毁电机，通常配置辅助保护系统，起到及时监测电机故障并加以处理的作用。目前电力机车上安装的辅保系统都是模拟电路装置，系统硬件复杂，又不方便司机使用和维修。因此，设计一种实时性高、性能的智能辅保系统替代原有的模拟电路装置势在必行。本文将介绍笔者开发的用于韶山型电力机车的智能辅助保护系统的设计及实现。

1 系统的主要功能与设计思想

1.1 系统的主要功能

（1）辅机保护功能，即在机车运行过程中，对辅助系统内的各电机出现的短路故障能及时给出故障状态显示，在规定的持续时间内，故障若不消失，对该电机能够实现二次保护控制。

（2）机车辅助系统内的各电机若出现了过流或单相故障，能及时给出相应故障状态显示。在规定的过流或单相故障持续时间内，检测其故障是否消失，如果故障一直未消失消失，对该电机进行一次保护控制。

（3）在对电机一次保护后的规定时间内，若电机故障仍然未，则立即控制主接触器断开，实现对该电机的二次保护控制。

（4）辅助系统的劈相电机出现启动电阻甩不开的故障时，能够控制主接触器断开，以实现对该电机的二次保护。

（5）在启动辅助系统各电机之前，能够进行检查系统状态显示、输出控制等功能的实验，确保系统硬件电路性及性。

（6）对辅助系统各电机进行实时故障检测的各故障持续的延时时间可以根据实际情况进行相应调整，但不影响系统功能。

1.2 系统的设计思想

以微控制器为构成智能化辅保系统，符合电力机车发展的方向，既可充分发挥软件的功能，又能简化硬件构成，无论在功能上还是在性及性上，都可替代目前广泛使用的模拟电路辅保装置。

1.2.1 系统的微控制器芯片AT90S8535

美国ATMEL公司推出的90系列单片机是增强RISC内载Flash的八位单片机，通称为AVR单片要同[1～2]，设计上采用低功耗CMOS技术，而且在软件上有效支持C(用IAR系统的ICC90C编译器编译)及汇编语言（用AVR汇编器编译）。

其中，AT90S8535是功能较强的一种型号，它有40引脚PDIP和44引脚PLCC、TQFP等多种封装形式，具有以下主要特征：

（1）其片内带有一个8通道的A/D转换器及一个模拟比较器。

（2）两个带预分频及比较模式的8位定时器/计数器T/C0、T/C1；一个16位的带预分频及比较模式、捕获模式及双工8位、9位或10位的PWM输出的定时器/计数器T/C1；而且定时器/计数器T/C2可作为带单晶振的RTC使用。

（3）32条通用I/O线及32个通用8位寄存器R0～R31，64个I/O寄存器。

（4）片内有8K字节可下载的Flash存储器，程序下载采用其SPI串行接口，使用寿命为1000次。

（5）有512字节的EEPROM（使用寿命为10万次）及512字节的内部SRAM。

（6）带片内晶振器的可编程定时器；并有三种可通过软件选择的电源节电模式；闲置模式、掉电模式及省电模式。

（7）供电电压Vcc为4.0～6.0V，可以全静态工作，范围为0～8MHz；具有118条功能强大的指令，大多数执行时间为单时钟周期，指令仅为125ns。

（8）提供16种不同的内、外中断源（其中有两个外部中断源）。

（9）可编程的全双工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。

以AT90S8535嵌入式微控制器构成智能化辅保系统的主控制电路，外扩多通道A/D转换器及程序存储器、数据存储器，大大简化了系统的硬件。尤其是其内部又有硬件电路及相应的指令控制，提高了系统的性及性，选型相对以往的AT89系列单片机，在性能上要强得多，而且开发手段为方便。

1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理

AT90S8535的优越性在于其片内有一个8通道的10位ADC，ADC与一个模拟多路转换器相连，还包含一个采样保持器。该器件的A口的每一引脚（PA0～PA7）均可作为ADC的模拟输入端，A口不用作模式输入的个别引脚又可作为数字输入使用。

ADC有两个单的模拟供电引脚AVCC和AGND。使用时，AGND和GND相连，AVCC和Vcc的电压保持±0.3V的不同，并通过RC网络相连。外部参考基准电压通过AREF引脚加入。

ADC通过内部预分频器ADCPS**将系统时钟频率转化为50～200kHz之间的ADC可接受牟时钟频率。ADC一般至少需要13个时钟周期完成一次转换，因此转换时间范围为65～260μs。ADC为用户提供了内部中断方式的处理，可以满足实时性的要求。每次转换完成时，ADC转换器完成中断就可以被。

ADC还有一个噪音器，通过正确的使用，确保在闲置模式转换过程中减少包括从CPU核中出来的噪音。

ADC被使能后，可以选择单一转换和自由运行两种模式之一工作。要单一转换模式下，每次转换由用户触发；在自由运行模式下，ADC连续取样，并新ADC的数据寄存器。建议用户使用单一转换模式。ADC产生的10位结果保存在数据寄存器ADCL和ADCH中，其内部特殊数据保护逻辑要求读取数据时，先读ADCL，后读ADCH。

1.3 系统监测对象

本系统完成监测对象主要有：（1）劈相机三相信号；（2）通风机电机三相信号；（3）制动风机电相三相信号；（4）各种电机接触器信号。系统通过输入电路完成对这些信号的调理，向系统主控制电路提供6模拟量输入及5路数字开关量输入，还提供5路条件标志。


经实验可知，当检测到各路电机对应的模拟量输入电压在0.69V～4.5V之间时，可认为电机发生了过流故障，而且规定的过流故障持续的时间随输入电压范围不同又分为多个不同区段，软件应**按不同的时间区段对电机进行一次保护；输入电压若在4.5V以上，可以为电机发生了短路故障，在0.5秒的持续时间内，故障一直未，则对电机立即实施二次保护控制，防止电机实施二次保护控制，防止电机被烧毁；5路数字开关量通道的某路输入出现高电平时，则认为该路电机发生了单相故障，在3秒故障持续时间内故障一直不消失，对电机实施一次保护控制 。无论单相还是过流故障，在对电机一次保护后的0.5秒持续时间内故障仍未，则实施二次保护控制。通过上述手段，能起到监测电力机车辅助系统中的各电机是否正常工作、当出现故障时及时发现并对电机加以保护的作用。

2 系统的硬件和软件设计

2.1 系统的硬件设计

系统主要由输入调理电路、控制输出部分及显示电路、系统主控制电路组成。输入信号的调理电路为系统主电路提供多路模拟量及数字开关量输入通道，设计中主要考虑了信号与现场的隔离和抗干扰。输出电路完成对各电机接触器及主接触器的控制，即能对出现故障的电机实现一次保护或二次保护，并提供各通道电机故障的显示，确保电机的。

图1给出了系统的主电路组成图。图中所示的各路信号分别表示输出通道、故障显示通道、开关数字量输入通道及条件标志输入通道

RFID技术作为一项的自动识别和数据采集技术，被认为是21世纪重要技术之一，在生产制造、公共等领域有着广阔的应用前景。随着技术性和可用性的提高，它已经逐渐成为提高物流与供应链管理水平，降低生产成本，提高公共管理信息化水平，增强竞争力的一项的技术手段和工具。

RFID技术是一种直接继承了雷达概念，并由此发展起来的具有性的自动识别技术。进入21世纪，随着几家大型零售商W aIMart、Metro、Tesco等为了提高供应链的透明度和效率，相继宣布了各自的RFID计划，并得到了供应商的支持。从此，RFID技术打开了一个新的的市场。随着成本的不断降低和标准的统一，RFID技术还将在无线传感器网络、实时、防伪、个人健康、产品全生命周期管理等领域开拓新的市场。

RFID系统由以下几部分组成：① 电子标签，由芯片和标签天线组成，通过电感偶合或电磁反向散射原理与读写器进行通信。② 读写器，是读／写标签信息的设备，作为数据采集的终端，读写器还需要与中间件进行数据交换。③ 天线，是为标签和读写器提供射频信号空间传播的设备。④ 中间件，
是连接RFID设备和企业应用程序的纽带，也是RFID应用系统的。其原理是：给电子标签中的芯片写入代表产品特性的信息，此信息被存入服务器的数据库。产品流通过程中当其接近读写器时，读写器发射电磁波给电子标签提供能量使其芯片，芯片将产品信息通过天线传递给读写器，读写器将接到的信息通过中间件传递给服务器，服务器经过处理再将信息传递给读写器从而完成对产品的确认。

RFID的原理就决定了其性，因为标签的数据只是一个编码，可以不加密，与这个编码对应的代表特殊意义的数据存储于数据库中。当读取标签数据后，读写器将标签编码发送至服务器，服务器对该请求进行验证后，搜索数据库并调出所需数据，数据由服务器加密后发送给读写器。这样，只要攻击者不能进入数据库，的代码资料是没有任何意义的，不通过验证将得不到任何有用的信息，产品内容从而得到保护。RFID 和条形码比较．条形码信息是可视化的，容易被复制。由于RFID承载的是电子信息，从而不容易被复制。

目前上的防伪产品，所采用的防伪技术绝大部分仍然是在纸基材料上做文章，常见的防伪技术有：全息图案、变色墨水、产品和包装上面的隐蔽标记。这些技术不具备性和占性，往往致使一种防伪产品或技术出现后很快就会被复制，造成对防伪技术的，防不胜防，也不能起到真正的防伪作用。RFID技术应用与防伪技术，其电子标签内植芯片并且内含的代码或商品编码信息，该编码只能被授权的读写所识别，同时标签内信息与读写器编码一起通过通信网络发送到防伪数据库服务器进行认，另外，当标签被损坏后，信息将无法被读取，这将保护标签内内容不被，从而达到防伪目的。

瑞士钟表业防伪就采用了RFID技术。瑞士W inwatch公致力于开发与申请智能化财产特许和将RFID技术运用于各种瑞士名表的解决方案特许权，考虑到金属表壳对天线频率接收所造成的影响，Wfinwatch公司将RFID标签镶入手表表面玻璃中进行手表的防伪、识别和追踪。这项技术在2003年已经得到了瑞士的认证。

在生产过程中及产品生产时，通过手工或自动化的方法在产品的相对位置放置RFID 防伪标签，或者将标签放在产品包装盒内。成品出厂前，在防伪RFID标签内写入该产品的订单号，生产日期，产品型号等有的信息，与RFID标签的ID号码结合，产生产品的信息，同时可以进行加密处理，防止其他读写设备改标签内的信息。布置在仓库门口的RFID 系统自动数据，记录该批产品何时发往何地。这样，产品实现正常销售，通过销售商或分销商，终到达顾客手中。因为标签内信息在出厂写入过程中进行了加密处理，所以只有用厂家授权的读写设备才能读取标签内的加密信息。如果出现了伪劣产品在市场上进行销售的活动，销售人员使用手持式销售稽查PDA读取产品标签内的信息， 即可确定该产品是否是该公司生产的产品，及时制止产品流入销售网络。如：利用RFID技术实现的酒类防伪系统，是利用RFID技术软硬结合的方法实现防伪的，此种系统可用于带有瓶盖的容器商品防伪，通过瓶体结构设计和后台认证系统实现商品的防伪。系统有瓶盖内嵌的射频芯片，通过RFID读写器、通信网络和防伪数据库服务器，获得商品信息。防伪数据库服务器把芯片编码对应的生产日期、生产厂家、查询次数以及读写器编码对应的注册者等信息返回给RFID 读写器，达到防伪的目的。后当酒瓶被开启时，位于酒瓶瓶口的切割装置将切断天线和芯片的连接，致使RFID读写器无法读取该酒瓶盖部芯片的编码，而无法再被复制，从而有效地实现此类商品的防伪。

我国的防伪技术经过了十几年发展，特别是近几年的迅猛发展，已经达到了百亿元的市场规模，其数值已经相当大了。但是，从行业产品伪劣带来的危害来说，对防伪技术产品的需求量还将继续增长。防伪技术种类很多，主要有印刷防伪技术、化学材料防伪技术、物理防伪技术、数码信息防伪技术、结构与包装防伪技术、人体和生物特征防伪技术，这些技术都已广泛应用于各个领域，尤其是在货币、有价、证件、印章、、食品、化妆品、服装、农资产品、汽车配件、软件及电脑芯片等、侵权较多的领域。RFID在件和防伪技术方面的应用将越来越多，终形成RFID产业的重要领域。