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1、关于变频器的组成及其设计第1页，讲稿共60张，创作于星期日 引引 言言 变频器的设计是一个综合运用多学科知识、变频器的设计是一个综合运用多学科知识、解决系统性能指标及可靠性问题的过程，涉及的解决系统性能指标及可靠性问题的过程，涉及的知识面较广。其设计理论涉及电机学、计算机技知识面较广。其设计理论涉及电机学、计算机技术、测试技术、数字电路、电力电子技术、自动术、测试技术、数字电路、电力电子技术、自动控制理论、检测技术、热力学、机械结构设计等控制理论、检测技术、热力学、机械结构设计等多个学科。因此它的设计也是一个复杂的系统工多个学科。因此它的设计也是一个复杂的系统工程问题。程问题。第2页，讲稿共6
2、0张，创作于星期日4 变频器的组成及其设计变频器的组成及其设计本章提要本章提要交交-直直-交交PWM变频器的基本结构及作用变频器的基本结构及作用 变频器常用电力电子开关器件变频器常用电力电子开关器件 开关管缓冲电路设计开关管缓冲电路设计 变频器设计方法变频器设计方法 变频器散热系统设计变频器散热系统设计 第3页，讲稿共60张，创作于星期日4.1 交交-直直-交交PWM变频器的基本结构及作变频器的基本结构及作用用 变变频频器器的的类类型型也也很很多多，其其内内部部结结构构也也各各有有不不同同。本本节节将将以以电电压压型型通通用用变变频频器器为为例例，介介绍绍一一下下变频器的基本结构以及各部分的功
3、能和作用。变频器的基本结构以及各部分的功能和作用。交交-直直-交交PWM变变频频器器都都具具有有类类似似图图4-1所所示示的基本结构。的基本结构。第4页，讲稿共60张，创作于星期日 通用变频器基本结构通用变频器基本结构通用变频器基本结构通用变频器基本结构第5页，讲稿共60张，创作于星期日一、变频器主电路的构成一、变频器主电路的构成 变变频频器器的的主主电电路路是是功功率率变变换换的的执执行行机机构构，相相当当于于是负责承重和出力的是负责承重和出力的“骨骼和肌肉骨骼和肌肉”。变频器的主电路变频器的主电路整流电路整流电路直流滤波电路直流滤波电路逆变电路逆变电路辅助电路辅助电路第6页，讲稿共60张，
4、创作于星期日 整流电路整流电路阻容吸收电路，用作阻容吸收电路，用作过压保护，吸收操作过电压过压保护，吸收操作过电压和浪涌电压。和浪涌电压。交流输入侧并联交流输入侧并联RC阻容吸收电路（星接或角接）阻容吸收电路（星接或角接）或并联集成压敏电阻抑制来自三相电网的浪涌或并联集成压敏电阻抑制来自三相电网的浪涌电压。电压。小功率（小功率（10kVA以下）变频器的整流电路通常只用以下）变频器的整流电路通常只用一个六单元整流模块组成，几十一个六单元整流模块组成，几十kVA的变频器通常的变频器通常用三个两单元二极管模块组成整流电路，上百用三个两单元二极管模块组成整流电路，上百kVA的的变频器通常用多组两单元二
5、极管模块并联组成变频器通常用多组两单元二极管模块并联组成电路。如电路。如Fuji公司生产的公司生产的FRN110G11-4CE型型160kVA变频器整流电路由九个两单元二极管模变频器整流电路由九个两单元二极管模块块DD100HB160组成，每一个桥臂由三个模块并联而组成，每一个桥臂由三个模块并联而成。成。在通用变频器中整流电路常常采用全桥式二极管不控整在通用变频器中整流电路常常采用全桥式二极管不控整流电路。流电路。第7页，讲稿共60张，创作于星期日直流滤波电路直流滤波电路 滤波元件：一般用大容量铝电解电容。滤波元件：一般用大容量铝电解电容。如如Fuji公公司司的的FRN110G11-4CE型型
6、变变频频器器的的滤滤波波回回路路由六只由六只400V/1000F电解电容三三并联后再串联组成。电解电容三三并联后再串联组成。作用：作用：首先是对整流器输出电压滤波。首先是对整流器输出电压滤波。其次是吸收来自逆变电路由于元件换向或负载变化等其次是吸收来自逆变电路由于元件换向或负载变化等原因而产生的纹波电压和电流原因而产生的纹波电压和电流。第8页，讲稿共60张，创作于星期日逆变电路逆变电路逆逆变变部部分分可可采采用用SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IPM、IGCT等器件。等器件。缓冲电路：与逆变电路的功率开关元件并联，用以吸收元件缓冲电路：与逆变电路的功率开关元件并联，用以吸收元件
7、关断时的关断浪涌电压。缓冲电路一般由电阻、电容、二极关断时的关断浪涌电压。缓冲电路一般由电阻、电容、二极管组成。管组成。快速熔断器，它只能直接保护由二极管或晶闸管组成的整流模快速熔断器，它只能直接保护由二极管或晶闸管组成的整流模块，而对由块，而对由MOSFETMOSFET或或IGBTIGBT等全控型器件组成的逆变电路没有等全控型器件组成的逆变电路没有直接保护作用。直接保护作用。第9页，讲稿共60张，创作于星期日 变频调速异步电动机的制动控制：可以通过降变频调速异步电动机的制动控制：可以通过降低变频器输出频率来降低电动机的同步转速，达到低变频器输出频率来降低电动机的同步转速，达到使电动机减速的目
8、的。使电动机减速的目的。在电动机的减速过程中，由于同步转速往往会低于在电动机的减速过程中，由于同步转速往往会低于电动机的实际转速，这时异步电动机便成为异步发电机，电动机的实际转速，这时异步电动机便成为异步发电机，负载机械和电动机所具有的机械能量被馈还给电动机，负载机械和电动机所具有的机械能量被馈还给电动机，并在电动机中产生制动力矩。并在电动机中产生制动力矩。制动电路制动电路第10页，讲稿共60张，创作于星期日制动电路制动电路l容量大于容量大于18kVA的变频器：不再内装制动单元和的变频器：不再内装制动单元和制动电阻，需要时必须外接制动电阻，需要时必须外接制动单元和制动电阻制动单元和制动电阻，利
9、用利用电阻和开关器件电阻和开关器件组成放电回路。组成放电回路。小容量（小容量（0.57-13kVA）变频器；一般内装）变频器；一般内装制动单元和制动单元和制动电阻制动电阻。如果内装制动电阻的热容量不够，则需要。如果内装制动电阻的热容量不够，则需要再外加制动电阻。再外加制动电阻。l对于大、中容量的电压型变频器来说，为了节约能源，对于大、中容量的电压型变频器来说，为了节约能源，一般采用一般采用能量回馈有源逆变装置能量回馈有源逆变装置将能量馈还给供电电将能量馈还给供电电源。源。第11页，讲稿共60张，创作于星期日图4-2 电压型通用变频器控制电路的功能框图RST保护电路变频器保护电动机保护驱动系统保
10、护操作显示电路运行操作参数设置运行状态显示故障显示整流电路逆变电路滤波电路控制电路FUSEC1C2R1R2UVW速度传感器电动机R0检测电路电流检测电压检测速度检测主控制电路输入信号处理 频率（速度）指令 运行/停止信号加减速速率调节电动机控制运算V/f，转差频率转矩电流、励磁电流PWM波形基极（门极）驱动电路电压、电流信号放大绝缘波形整形电源主电路电压检测电流检测运行操作运行指令频率指令J二、二、二、二、变变变变频频频频器器器器控控控控制制制制电电电电路路路路的的的的基基基基本本本本构构构构成成成成及及及及作作作作用用用用 第12页，讲稿共60张，创作于星期日主控制电路主控制电路 主控制电路
11、的核心是一个主控制电路的核心是一个高性能的微处理器，并配以高性能的微处理器，并配以EPROM、RAM、ASIC芯片和芯片和其它必要的辅助电路。主控制电其它必要的辅助电路。主控制电路的硬件相当于变频器的路的硬件相当于变频器的“大脑大脑”，控制策略和软件则相当，控制策略和软件则相当于变频器的于变频器的“灵魂灵魂”。功能：功能：输入信号处理输入信号处理加减速速率调节加减速速率调节电机控制运算电机控制运算PWM波形的生成波形的生成 变频器大部分都带有网络接口，具有与其他设备通信的能力。变频器大部分都带有网络接口，具有与其他设备通信的能力。第13页，讲稿共60张，创作于星期日保护电路保护电路l保护电路是
12、变频器安全可靠运行的保护电路是变频器安全可靠运行的“生命线生命线”，其，其主要作用是根据检测电路得到的各种信号来判断变频器主要作用是根据检测电路得到的各种信号来判断变频器本身或系统是否异常。本身或系统是否异常。l瞬时过电流保护瞬时过电流保护 变频器输出电流过大，有可能超过主电路开关器件的变频器输出电流过大，有可能超过主电路开关器件的容许值，变频器将关断开关器件并停止输出。过电流容许值，变频器将关断开关器件并停止输出。过电流保护的电流峰值通常设为变频器额定电流的保护的电流峰值通常设为变频器额定电流的200%200%第14页，讲稿共60张，创作于星期日保护电路（2）与瞬时过电流保护是两个相关而又完
13、全不同的概念与瞬时过电流保护是两个相关而又完全不同的概念。过载保过载保护是逆变器输出电流超过额定值且维持流通达规定的时间，护是逆变器输出电流超过额定值且维持流通达规定的时间，即即“时间长，过电流幅值小时间长，过电流幅值小”，体现发热的概念；过电流保，体现发热的概念；过电流保护是护是“瞬间电流幅值大瞬间电流幅值大”，体现过电流峰值而没有时间的概，体现过电流峰值而没有时间的概念。念。l对地短路保护对地短路保护 l过载保护（电子热继电器）过载保护（电子热继电器）当检测出变频器输出电路对地短路（如电机绕组绝缘受损），当检测出变频器输出电路对地短路（如电机绕组绝缘受损），并且短路电流超过变频器额定输出电
14、流的并且短路电流超过变频器额定输出电流的50时，该保护功能将时，该保护功能将起作用，停止变频器的输出。起作用，停止变频器的输出。第15页，讲稿共60张，创作于星期日l保护电路（3）过电压保护过电压保护 若变频器直流侧电压超过一定值，有可能击若变频器直流侧电压超过一定值，有可能击穿滤波电容或电力半导体器件，严重时甚至可能穿滤波电容或电力半导体器件，严重时甚至可能殃及变频器周围设备和操作人员。过电压保护和殃及变频器周围设备和操作人员。过电压保护和过电流保护有相似之处，需要根据过电压的程度过电流保护有相似之处，需要根据过电压的程度分别处理。分别处理。当减速时间设置过短时，容易发生过电压保护，当减速时
15、间设置过短时，容易发生过电压保护，可以适当延长制动时间避免大惯量负载制动时可能出可以适当延长制动时间避免大惯量负载制动时可能出现的过电压。现的过电压。第16页，讲稿共60张，创作于星期日 当变频器的供电电压降低时，直流中间电路当变频器的供电电压降低时，直流中间电路的电压将会下降，从而使变频器输出电压过低，的电压将会下降，从而使变频器输出电压过低，并造成电动机输出转矩不足和过热。而并造成电动机输出转矩不足和过热。而欠电压保欠电压保护功能的作用就是，在检测到直流中间电路的电护功能的作用就是，在检测到直流中间电路的电压过低时使变频器停止工作。压过低时使变频器停止工作。欠电压保护欠电压保护 保护电路（
16、4）第17页，讲稿共60张，创作于星期日保护电路（保护电路（5 5）（6）散热器过热保护 热敏继电器将动作，使变频器停止工作或给出警报信号。（7 7）控制电路异常保护）控制电路异常保护 当变频器在自检过程中或工作过程中检测到控制电路异常，当变频器在自检过程中或工作过程中检测到控制电路异常，保护电路将起作用，并停止变频器输出，以免造成主电路损保护电路将起作用，并停止变频器输出，以免造成主电路损坏和给系统带来更大的破坏。坏和给系统带来更大的破坏。第18页，讲稿共60张，创作于星期日检测电路检测电路 直流电压检测电路直流电压检测电路电流检测电路电流检测电路输出电压检测电路输出电压检测电路 输出电流检
17、测电路输出电流检测电路温度检测电路温度检测电路 速度检测电路速度检测电路 霍尔元件霍尔元件 光电编码器光电编码器检测电路相当于是变频器的检测电路相当于是变频器的“视觉和触觉视觉和触觉”。第19页，讲稿共60张，创作于星期日外部接口电路外部接口电路（1）控制指令输入电路）控制指令输入电路（2）频率指令输入电路）频率指令输入电路（3）监控信号输出电路）监控信号输出电路（4）网络通讯接口电路）网络通讯接口电路l 数字操作面板数字操作面板 数字操作面板的作用主要是给数字操作面板的作用主要是给用户提供一个良好的人机界面用户提供一个良好的人机界面，使变频器及控制系统的操，使变频器及控制系统的操作和故障检测
18、等工作变得更作和故障检测等工作变得更加简单。加简单。第20页，讲稿共60张，创作于星期日三、驱动电路三、驱动电路 驱动电路是驱动主电路开驱动电路是驱动主电路开关元件的电路，它是控制电路关元件的电路，它是控制电路与主电路联系的与主电路联系的“桥梁和媒介桥梁和媒介”。它将控制电路送往主电路开关元它将控制电路送往主电路开关元件的驱动信号放大、隔离后，控件的驱动信号放大、隔离后，控制主电路开关元件的通断。制主电路开关元件的通断。第21页，讲稿共60张，创作于星期日l信号隔离是个关键问题，隔离的手段主要有三种：信号隔离是个关键问题，隔离的手段主要有三种：传统的电力电子器件的驱动方法是采用脉传统的电力电子
19、器件的驱动方法是采用脉冲变压器，但是脉冲变压器存在一定的漏冲变压器，但是脉冲变压器存在一定的漏感，使输出脉冲陡度受到限制。感，使输出脉冲陡度受到限制。高性能的数字光耦抗共模干扰能力极强，高性能的数字光耦抗共模干扰能力极强，可以有效地抑制来自功率电路的干扰信可以有效地抑制来自功率电路的干扰信号。其次，光耦的隔离电压很高。号。其次，光耦的隔离电压很高。l脉冲变压器脉冲变压器l光电耦合器光电耦合器光纤光纤在高压变频器中使用在高压变频器中使用第22页，讲稿共60张，创作于星期日l控制电源是控制电路和驱动电路的控制电源是控制电路和驱动电路的“心脏心脏”，为控，为控制电路和驱动电路提供能源，因而是变频器中
20、的关键制电路和驱动电路提供能源，因而是变频器中的关键环节之一。环节之一。l线性电源线性电源l指用于电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳指用于电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压电源。压电源。l开关电源开关电源l利用高频开关器件并通过变换技术而制成的高频开关直流利用高频开关器件并通过变换技术而制成的高频开关直流电源，简称开关电源。用于电压调整功能的器件始终以开电源，简称开关电源。用于电压调整功能的器件始终以开关方式工作。关方式工作。四、控制电源四、控制电源 第23页，讲稿共60张，创作于星期日第24页，讲稿共60张，创作于星期日4.24.2 变频器常用电力电子开关器
21、件变频器常用电力电子开关器件 lIGBTlIGCT IGBT（IPM）已已经经全全面面取取代代了了GTR成成为为通通用用变变频频器器逆逆变变电电路路的的主主流流开开关关器器件件，而而综综合合了了IGBT和和GTO优优点点的的IGCT则则在在与与IGBT在在高高压压领领域域的的竞竞争争中中占占了了上风。上风。第25页，讲稿共60张，创作于星期日一、绝缘栅双极型晶体管（一、绝缘栅双极型晶体管（一、绝缘栅双极型晶体管（一、绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）具有工作速度快、输入阻抗高、具有工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单的优点驱动电路简单的优点，又包含了又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多
22、项优点。的载流量大、阻断电压高等多项优点。智能型智能型IGBT功率模块功率模块IPM，内部集成了驱动和保，内部集成了驱动和保护电路，使用更方便、体积更小、可靠性更高。护电路，使用更方便、体积更小、可靠性更高。第26页，讲稿共60张，创作于星期日 IGBT的驱动和保护的驱动和保护 1）驱动参数要求驱动参数要求 IGBT的栅电容较大，所以要提高其开关速度，就要有合的栅电容较大，所以要提高其开关速度，就要有合适的栅极正反向偏置电压和栅极串联电阻。适的栅极正反向偏置电压和栅极串联电阻。（1）栅极电压）栅极电压l 任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能
23、超过参数表给出的限定值（一般为给出的限定值（一般为20V），最佳栅极正向偏置电压为），最佳栅极正向偏置电压为15V10。l 虽然栅极电压为零就可使虽然栅极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但为了处于截止状态，但为了减小关断时间，提高减小关断时间，提高IGBT的耐压、的耐压、dv/dt耐量和抗干扰能力，耐量和抗干扰能力，一般在使一般在使IGBT处于阻断状态时，可在栅极加一个处于阻断状态时，可在栅极加一个-5V-15V的反向电压。的反向电压。第27页，讲稿共60张，创作于星期日IGBT的驱动和保护的驱动和保护（2）栅极串联电阻）栅极串联电阻RG 选选择择合合适适的的栅栅极极串串联联电电阻阻RG对
24、对IGBT的的驱驱动动相相当当重重要要。RG太太小小会会使使栅栅极极电电压压产产生生振振荡荡，同同时时会会使使IGBT的的dv/dt耐耐量量减小。具体选择减小。具体选择RG时，要参考器件的使用手册。时，要参考器件的使用手册。（3）驱动功率的要求）驱动功率的要求IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗。的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗。第28页，讲稿共60张，创作于星期日 栅极驱动电路的基本形式栅极驱动电路的基本形式 栅栅极极驱驱动动电电路路分分为为直直接接驱驱动动、变变压压器器隔隔离离式式和和光光耦耦隔隔离离式三种形式，如图式三种形式，如图4-11所示。所示。第29页，讲稿共6
25、0张，创作于星期日 IGBT集成驱动器为为了了减减小小体体积积，降降低低噪噪音音，改改善善驱驱动动性性能能，实实现现快快速速保保护护，现现在在已经有一系列的已经有一系列的IGBT集成驱动器集成驱动器用于各种用于各种IGBT模块。模块。常用的集成驱动器有常用的集成驱动器有富士公司的富士公司的EXB840、841、850、851系列，系列，IR公司的公司的IR2100IR2100系列，系列，MotorolaMotorola公司的公司的MC35153MC35153，UnitrodeUnitrode公司的公司的UC705715UC705715、HR065HR065、M57957M57963M57957
26、M57963系列等等。系列等等。第30页，讲稿共60张，创作于星期日IGBT的保护的保护l主主要要包包括括dv/dt保保护护、过过流流保保护护（包包括括短短路保护）、热保护和非工作状态保护路保护）、热保护和非工作状态保护等。等。l（1）dv/dt保护保护l IGBT的的C、E之之间间能能承承受受的的电电压压上上升升率率dv/dt是是有有限限的的。为为了了保保证证dv/dt产产生生的的位位移移电电流流不不至至于于使使IGBT误误导导通通，有有必必要要限限制制C、E之间的之间的dv/dt。l保护措施：加保护措施：加缓冲电路缓冲电路第31页，讲稿共60张，创作于星期日 IGBT的保护的保护l（2）过
27、流和负载短路保护）过流和负载短路保护l 当当IGBT集电极或负载短路时，由其输出特集电极或负载短路时，由其输出特性可知，其饱和压降会显著上升。通过检测性可知，其饱和压降会显著上升。通过检测IGBT的导通压降就可以判定它是否过流和短路。的导通压降就可以判定它是否过流和短路。l 如果过流，首先削弱驱动约如果过流，首先削弱驱动约810s，再加反向，再加反向驱动电压，关断驱动电压，关断IGBT，以免因产生过高的，以免因产生过高的dv/dt和浪和浪涌电压导致涌电压导致IGBT关断失败而造成损坏。关断失败而造成损坏。第32页，讲稿共60张，创作于星期日 IGBT的保护的保护l（3）非工作状态保护）非工作状
28、态保护l 由由于于IGBT的的栅栅极极是是薄薄的的绝绝缘缘栅栅，在在运运输输、贮贮存存、测测量量、装装焊焊等等方方面面都都应应采采取取相相应应的的保保护护措措施施。在在任任何何时时候候都都要要小小心心，防防止止栅栅极极静静电电击击穿穿。IGBT模模块块在在出出厂厂时时一一般般都都在在控控制制极极与与发发射射极极上上装装有有导导电电泡泡沫沫塑塑料料或或粘粘有有导导电电铜铜箔箔，要要一一直直保保留留到往栅极上压线或进行无静电焊线时再拿下来。到往栅极上压线或进行无静电焊线时再拿下来。第33页，讲稿共60张，创作于星期日二、智能功率模块（智能功率模块（IPM）l特点：特点：保护功能齐全，使用方便保护功
29、能齐全，使用方便l1 1）开关速度快）开关速度快l2 2）低功耗）低功耗l3 3）快速过流保护）快速过流保护l4 4）过热保护）过热保护l5 5）桥臂对管互锁保护）桥臂对管互锁保护l6）优化的栅极驱动电路和保护电路）优化的栅极驱动电路和保护电路l7 7）驱动电源欠压保护。）驱动电源欠压保护。l 第34页，讲稿共60张，创作于星期日三、集成门极换流晶闸管三、集成门极换流晶闸管IGCT的性能和应用的性能和应用 l 9090年年代代中中期期，ABBABB公公司司通通过过优优化化GTOGTO门门极极驱驱动动单单元元和和器器件件外外壳壳设设计计，采采用用集集成成门门极极等等技技术术，大大大大降降低低了了
30、门门极极驱驱动动回回路路中中的的电电感感，并并采采用用负负门门极极电电流流上上升升率率的的方方法法来来缩缩短短贮贮存存时时间间，这这就就是是所所谓谓的的GTOGTO“硬硬驱驱动动”技技术术，从从而而产产生生了了新新型型功功率率器器件件集集成成 门门 极极 换换 流流 晶晶 闸闸 管管Integrated Gate-Commutated ThyristorIGCT），它它将将门门极极换换流流晶晶闸闸管管通通过过印印刷刷电电路路板板与与门门极驱动装置连成一个整体极驱动装置连成一个整体l。l 它它不不仅仅有有与与GTO相相同同的的高高阻阻断断能能力力和和低低通通态态压压降降，而而且且有有与与IGBT
31、相同的开关性能，即它综合了相同的开关性能，即它综合了GTO和和IGBT两者的优点。两者的优点。第35页，讲稿共60张，创作于星期日第36页，讲稿共60张，创作于星期日第37页，讲稿共60张，创作于星期日应应 用用l 目目前前，IGBT 和和IGCT占占领领了了大大功功率率器器件件的的应应用用领领域域。就就功功率率装装置置的的电电流流和和电电压压而而言言，这这两两种种器件具有很大的互补性。器件具有很大的互补性。l 在在实实际际应应用用中中：电电压压较较低低时时选选用用IGBT，电电压压较较高高时时选选用用IGCT。根根据据应应用用和和设设计计的的标标准准不不同同，在在18003300V之之间间，
32、两两种种器器件件交交叉叉使使用用，IGBT较较适适于于功功率率较较小小的的装装置置，而而IGCT则则更更适适用用于于功功率率较较大大的的装置。装置。第38页，讲稿共60张，创作于星期日4.34.3 变频器设计方法变频器设计方法第39页，讲稿共60张，创作于星期日4.34.3 变频器设计方法变频器设计方法 l一、变频调速系统设计的一般性方一、变频调速系统设计的一般性方法法 l（1）控制系统总体方案设计，明确系统的总）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求。体要求。l（2 2）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；型；l（3 3）确定控制策略和控制方式；）确定
33、控制策略和控制方式；（4 4）选择主控制芯片；）选择主控制芯片；（5 5）选择各物理量的传感器和检测电路；）选择各物理量的传感器和检测电路；（6 6）系统硬件设计，软件设计）系统硬件设计，软件设计 第40页，讲稿共60张，创作于星期日1.选择主电路拓扑结构选择主电路拓扑结构 l（1 1）普通三相变频器）普通三相变频器 通常也称为二电平变频器，即通常也称为二电平变频器，即第二章中所讲的交第二章中所讲的交-直直-交型变频器，这种拓扑结构比交型变频器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率可采用器件的串并联的方法较简单，为了获得大功率可采用器件的串并联的方法来实现。来实现。l根据系统容量的大小以及实际
34、要求选择合理的变根据系统容量的大小以及实际要求选择合理的变频调速系统主电路拓扑结构。频调速系统主电路拓扑结构。第41页，讲稿共60张，创作于星期日1.选择主电路拓扑结构选择主电路拓扑结构l（2）交交-交交变变频频电电路路 主主要要用用于于500kW或或1000kW以以上上的的大大功率、低转速的交流调速电路中。功率、低转速的交流调速电路中。l（3 3）高）高-低低-高电路高电路 这是高压变频器的典型结构之一。这是高压变频器的典型结构之一。第42页，讲稿共60张，创作于星期日1.选择主电路拓扑结构选择主电路拓扑结构l（4）直接高压变频调速）直接高压变频调速 l 在高压大功率的场合，采用三电平技术直
35、接获得高压输出，在高压大功率的场合，采用三电平技术直接获得高压输出，或采用多重化技术将多个低压逆变桥并联或采用多重化技术将多个低压逆变桥并联/串联起来获得大电串联起来获得大电流流/高电压，再加上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出。高电压，再加上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出。第43页，讲稿共60张，创作于星期日第44页，讲稿共60张，创作于星期日2.确定控制系统方案确定控制系统方案 l确定控制系统方案确定控制系统方案 根据系统的要求根据系统的要求:l首先首先确定系统是通用型的，还是高性能的，还是有特殊要求的；确定系统是通用型的，还是高性能的，还是有特殊要求的；l其次其次要确定系统的控制
36、策略，是采用要确定系统的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，控制、矢量控制，还是采用直接转矩控制等；还是采用直接转矩控制等；l第三第三要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统等。要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统等。第45页，讲稿共60张，创作于星期日3.选择传感器和检测电路选择传感器和检测电路 l在确定总体方案时，必须首先选择好传感在确定总体方案时，必须首先选择好传感器和检测电路，它是影响控制精度的重要器和检测电路，它是影响控制精度的重要因素之一。主要测量电压、电流、温度、因素之一。主要测量电压、电流、温度、速度等物理量。速度等物理量。l4.4.选择选择CPU和输入和输入/输出通道及
37、外输出通道及外围设备围设备 l5.5.画出整个系统原理图画出整个系统原理图 第46页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二、变频器主电路设计 l整流器输出接滤波电容，稳定工整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器副边的相电流如作时流过变压器副边的相电流如图图4-24所示。所示。l整流二极管（整流二极管（VD1VD6）的选择）的选择 通过三相整流桥的每个整流二极通过三相整流桥的每个整流二极管的电流波形近似为方波，如图管的电流波形近似为方波，如图4-254-25所示。所示。l则流过二极管的电流有效值为则流过二极管的电流有效值为第47页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二
38、、变频器主电路设计l故二极管的电流定额值为故二极管的电流定额值为 二极管的耐压二极管的耐压 式中，式中，U2lm整流器输入线电压峰值。整流器输入线电压峰值。第48页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二、变频器主电路设计l平滑滤波电容（平滑滤波电容（C）的选择）的选择l考虑电解电容用作滤波时，和负载的等效电阻的考虑电解电容用作滤波时，和负载的等效电阻的乘积（时间常数）应远远大于三相整流桥输出电乘积（时间常数）应远远大于三相整流桥输出电压的脉动周期压的脉动周期T T=0.0033s=0.0033s（即为（即为3.3ms3.3ms），则），则 其中其中Rf为负载等效电阻。为负载等效电阻
39、。第49页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二、变频器主电路设计l考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只能按能量关考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只能按能量关系来近似估计。电动机骤停时，机械储能与漏感储能之和等于电系来近似估计。电动机骤停时，机械储能与漏感储能之和等于电容上的储能，即容上的储能，即 l设过压系数设过压系数K=u1/u0（K1），则），则 上式表明，上式表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，滤波电容当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，滤波电容的容量也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，的容量也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，K越小，越
40、小，所需的电容量也就越大。所需的电容量也就越大。第50页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二、变频器主电路设计第51页，讲稿共60张，创作于星期日二、变频器主电路设计二、变频器主电路设计lIGBT（VT1VT6）的选择）的选择l（1 1）要要根根据据负负载载的的最最严严重重情情况况选选择择IGBTIGBT，如如要要适适当当考考虑虑异异步步电电动动机机的的启启动动电电流流，要要考考虑虑交交流流电电流流的的峰峰值值。因因此此，通通过过IGBTIGBT的集电极电流的集电极电流l（2）IGBT的的耐耐压压Uceo至至少少应应为为实实际际承承担担的的最最大大峰峰值值电电压压的的1.2倍以上
41、，即倍以上，即 l 第52页，讲稿共60张，创作于星期日（二）（二）11.2kVA变频器设计举例变频器设计举例 l某双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改造成变频某双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改造成变频调速。要求速度变化范围为调速。要求速度变化范围为16750r/min，以满足工作进给，以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。试设计变频器。和快速返回的加工工艺要求。试设计变频器。l已知被控对象的原始数据：已知被控对象的原始数据：l 异步电动机型号：异步电动机型号：Y132M2Y132M26 6l 额定功率：额定功率：5.5kW5.5kWl 额定电压：额定电压：380V380
42、Vl 额定电流：额定电流：12.6A12.6Al 额定转速：额定转速：960r/min960r/minl 系统能提供系统能提供2 2倍的额定转矩。倍的额定转矩。第53页，讲稿共60张，创作于星期日设计步骤：l决定变频器的工作方式决定变频器的工作方式 由设计要求可知，调速范围为由设计要求可知，调速范围为1:47，低速性能要求高，故选用，低速性能要求高，故选用双极性双极性IGBT-SPWM工作方式。工作方式。l设计变频器的主电路设计变频器的主电路 由于采用双极性由于采用双极性IGBT-SPWM变频器，变频器的主电路如图变频器，变频器的主电路如图2-18所示。所示。第54页，讲稿共60张，创作于星期
43、日变频器的功率开关管的计算变频器的功率开关管的计算（1）计算通过）计算通过IGBT的峰值电流的峰值电流Im Im由系统工作的最严重情况决定。由题意要求可知，系统要具有由系统工作的最严重情况决定。由题意要求可知，系统要具有2倍倍额定电流的电磁转矩，再考虑交流电流的峰值，则额定电流的电磁转矩，再考虑交流电流的峰值，则（2）选用IGBT的电流定额值 由式（4-26）得出IGBT的集电极电流 选用Ic50A的电流定额值。第55页，讲稿共60张，创作于星期日l（3）选用）选用IGBT的电压定额值的电压定额值 变频器输出交流电压为变频器输出交流电压为380V。为此，必须用线电压为。为此，必须用线电压为38
44、0V的交的交流电直接整流，直流侧整流电压流电直接整流，直流侧整流电压 Ud=1.35380V=513V 由式（由式（4-27），），IGBT的耐压的耐压 选用选用Uceo1200V的的IGBT。第56页，讲稿共60张，创作于星期日l4）由）由Uceo，Ic决定决定IGBT的型号的型号 由由Ic50A，Uceo1200V，选用日本富士公司生产的两单元，选用日本富士公司生产的两单元IGBT模模块组件，型号为块组件，型号为2MBI50L/N-120。变频器的容量变频器的容量变频器的额定电流变频器的额定电流Ie应大于异步电动机的额定电流。应大于异步电动机的额定电流。第57页，讲稿共60张，创作于星期日
45、4、整流二极管的计算（1）计算整流二极管的电流定额）计算整流二极管的电流定额Ied 由式（由式（4-17）得）得 考虑滤波电容的充电电流的影响，需留有较大的电流余量，选考虑滤波电容的充电电流的影响，需留有较大的电流余量，选用用Ied60A。（2）计算整流二极管的电压定额）计算整流二极管的电压定额UVD 由式（由式（4-18）得：）得：则，选用则，选用UVD1600V。第58页，讲稿共60张，创作于星期日（3）决定整流二极管型号）决定整流二极管型号 由由Ied60A和和UVD1600V选用整流二极管。考虑减小变频器体积，选用整流二极管。考虑减小变频器体积，故选用三相整流桥模块组件（故选用三相整流桥模块组件（DF60AA160）。）。5、平波平波滤滤波波电电容器的容器的计计算算 由式（由式（4-19），取），取负载负载等效等效电电阻阻Rf45得：得：由于直流由于直流电压电压Ud513V，而，而220F的理想的理想电电容的最高耐容的最高耐压为压为450V，实际实际中中电电解解电电容容值应值应考考虑虑10倍的余量，倍的余量，选选用四只用四只2200F/450V电电容两两并容两两并联联再串再串联联，以提高耐，以提高耐压压，获获得大容量。得大容量。第59页，讲稿共60张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第60页，讲稿共60张，创作于星期日