第四章 變頻器的組成及其設(shè)計,山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院, 引 言,變頻器的設(shè)計是一個綜合運用多學(xué)科知識、解決系統(tǒng)性能指標(biāo)及可靠性問題的過程，涉及的知識面較廣。其設(shè)計理論涉及電機(jī)學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、測試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電子技術(shù)、自動控制理論、檢測技術(shù)、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等多個學(xué)科。因此它的設(shè)計也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。,4 變頻器的組成及其設(shè)計,本章提要 交-直-交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用 變頻器常用電力電子開關(guān)器件 開關(guān)管緩沖電路設(shè)計 變頻器設(shè)計方法 變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計,4.1 交-直-交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用,變頻器的類型也很多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各有不同。本節(jié)將以電壓型通用變頻器為例，介紹一下變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及各部分的功能和作用。 交-直-交PWM變頻器都具有類似圖4-1所示的基本結(jié)構(gòu)。,通用變頻器基本結(jié)構(gòu),一、變頻器主電路的構(gòu)成,變頻器的主電路是功率變換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于是負(fù)責(zé)承重和出力的“骨骼和肌肉”。,變頻器的主電路,整流電路,直流濾波電路,逆變電路,輔助電路,整流電路,阻容吸收電路，用作過壓保護(hù)，吸收操作過電壓和浪涌電壓。 交流輸入側(cè)并聯(lián)RC阻容吸收電路（星接或角接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來自三相電網(wǎng)的浪涌電壓。,小功率（10kVA以下）變頻器的整流電路通常只用一個六單元整流模塊組成，幾十kVA的變頻器通常用三個兩單元二極管模塊組成整流電路，上百kVA的變頻器通常用多組兩單元二極管模塊并聯(lián)組成電路。如Fuji公司生產(chǎn)的FRN110G11-4CE型160kVA變頻器整流電路由九個兩單元二極管模塊DD100HB160組成，每一個橋臂由三個模塊并聯(lián)而成。,在通用變頻器中整流電路常常采用全橋式二極管不控整流電路。,直流濾波電路,濾波元件：一般用大容量鋁電解電容。 如Fuji公司的FRN110G11-4CE型變頻器的濾波回路由六只400V/1000F電解電容三三并聯(lián)后再串聯(lián)組成。,作用：,首先是對整流器輸出電壓濾波。 其次是吸收來自逆變電路由于元件換向或負(fù)載變化等原因而產(chǎn)生的紋波電壓和電流。,逆變電路,逆變部分可采用SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IPM、IGCT等器件。,緩沖電路：與逆變電路的功率開關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收元件關(guān)斷時的關(guān)斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電容、二極管組成。,快速熔斷器，它只能直接保護(hù)由二極管或晶閘管組成的整流模塊，而對由MOSFET或IGBT等全控型器件組成的逆變電路沒有直接保護(hù)作用。,變頻調(diào)速異步電動機(jī)的制動控制：可以通過降低變頻器輸出頻率來降低電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到使電動機(jī)減速的目的。 在電動機(jī)的減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速往往會低于電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，這時異步電動機(jī)便成為異步發(fā)電機(jī)，負(fù)載機(jī)械和電動機(jī)所具有的機(jī)械能量被饋還給電動機(jī)，并在電動機(jī)中產(chǎn)生制動力矩。,制動電路,制動電路,容量大于18kVA的變頻器：不再內(nèi)裝制動單元和制動電阻，需要時必須外接制動單元和制動電阻，利用電阻和開關(guān)器件組成放電回路。,小容量（0.57-13kVA）變頻器；一般內(nèi)裝制動單元和制動電阻。如果內(nèi)裝制動電阻的熱容量不夠，則需要再外加制動電阻。,對于大、中容量的電壓型變頻器來說，為了節(jié)約能源，一般采用能量回饋有源逆變裝置將能量饋還給供電電源。,二、變頻器控制電路的基本構(gòu)成及作用,主控制電路,主控制電路的核心是一個高性能的微處理器，并配以EPROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的輔助電路。主控制電路的硬件相當(dāng)于變頻器的“大腦”，控制策略和軟件則相當(dāng)于變頻器的“靈魂”。,功能：,輸入信號處理,加減速速率調(diào)節(jié),電機(jī)控制運算,PWM波形的生成,變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，具有與其他設(shè)備通信的能力。,保護(hù)電路,保護(hù)電路是變頻器安全可靠運行的“生命線”，其主要作用是根據(jù)檢測電路得到的各種信號來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否異常。,瞬時過電流保護(hù),變頻器輸出電流過大，有可能超過主電路開關(guān)器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開關(guān)器件并停止輸出。過電流保護(hù)的電流峰值通常設(shè)為變頻器額定電流的200%,保護(hù)電路（ 2 ）,與瞬時過電流保護(hù)是兩個相關(guān)而又完全不同的概念 。過載保護(hù)是逆變器輸出電流超過額定值且維持流通達(dá)規(guī)定的時間，即“時間長，過電流幅值小”，體現(xiàn)發(fā)熱的概念；過電流保護(hù)是“瞬間電流幅值大”，體現(xiàn)過電流峰值而沒有時間的概念。,對地短路保護(hù),過載保護(hù)（電子熱繼電器）,當(dāng)檢測出變頻器輸出電路對地短路（如電機(jī)繞組絕緣受損），并且短路電流超過變頻器額定輸出電流的50時，該保護(hù)功能將起作用，停止變頻器的輸出。,保護(hù)電路（ 3 ）,過電壓保護(hù),若變頻器直流側(cè)電壓超過一定值，有可能擊穿濾波電容或電力半導(dǎo)體器件，嚴(yán)重時甚至可能殃及變頻器周圍設(shè)備和操作人員。過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)有相似之處，需要根據(jù)過電壓的程度分別處理。 當(dāng)減速時間設(shè)置過短時，容易發(fā)生過電壓保護(hù)，可以適當(dāng)延長制動時間避免大慣量負(fù)載制動時可能出現(xiàn)的過電壓。,當(dāng)變頻器的供電電壓降低時，直流中間電路的電壓將會下降，從而使變頻器輸出電壓過低，并造成電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱。而欠電壓保護(hù)功能的作用就是，在檢測到直流中間電路的電壓過低時使變頻器停止工作。,欠電壓保護(hù),保護(hù)電路（ 4 ）,保護(hù)電路（ 5 ）,（6）散熱器過熱保護(hù),熱敏繼電器將動作，使變頻器停止工作或給出警報信號。,（7）控制電路異常保護(hù),當(dāng)變頻器在自檢過程中或工作過程中檢測到控制電路異常，保護(hù)電路將起作用，并停止變頻器輸出，以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來更大的破壞。,檢測電路,直流電壓檢測電路 電流檢測電路 輸出電壓檢測電路 輸出電流檢測電路 溫度檢測電路 速度檢測電路,霍爾元件,光電編碼器,檢測電路相當(dāng)于是變頻器的“視覺和觸覺”。,外部接口電路,（1）控制指令輸入電路 （2）頻率指令輸入電路 （3）監(jiān)控信號輸出電路 （4）網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路,數(shù)字操作面板,數(shù)字操作面板的作用主要是給用戶提供一個良好的人機(jī)界面 ，使變頻器及控制系統(tǒng)的操作和故障檢測等工作變得更加簡單。,三、驅(qū)動電路,驅(qū)動電路是驅(qū)動主電路開關(guān)元件的電路，它是控制電路與主電路聯(lián)系的“橋梁和媒介”。它將控制電路送往主電路開關(guān)元件的驅(qū)動信號放大、隔離后，控制主電路開關(guān)元件的通斷。,信號隔離是個關(guān)鍵問題，隔離的手段主要有三種：,傳統(tǒng)的電力電子器件的驅(qū)動方法是采用脈沖變壓器，但是脈沖變壓器存在一定的漏感，使輸出脈沖陡度受到限制。,高性能的數(shù)字光耦抗共模干擾能力極強(qiáng)，可以有效地抑制來自功率電路的干擾信號。其次，光耦的隔離電壓很高。,脈沖變壓器,光電耦合器,光纖,在高壓變頻器中使用,控制電源是控制電路和驅(qū)動電路的“心臟”，為控制電路和驅(qū)動電路提供能源，因而是變頻器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 線性電源 指用于電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的一種直流穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源 利用高頻開關(guān)器件并通過變換技術(shù)而制成的高頻開關(guān)直流電源，簡稱開關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作。,四、控制電源,4.2 變頻器常用電力電子開關(guān)器件,IGBT IGCT,IGBT（IPM）已經(jīng)全面取代了GTR成為通用變頻器逆變電路的主流開關(guān)器件，而綜合了IGBT和GTO優(yōu)點的IGCT則在與IGBT在高壓領(lǐng)域的競爭中占了上風(fēng)。,一、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,具有工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點。 智能型IGBT功率模塊IPM，內(nèi)部集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使用更方便、體積更小、可靠性更高。, IGBT的驅(qū)動和保護(hù),1） 驅(qū)動參數(shù)要求 IGBT的柵電容較大，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯(lián)電阻。 （1）柵極電壓 任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），最佳柵極正向偏置電壓為15V10。 雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但為了減小關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極加一個-5V-15V的反向電壓。,IGBT的驅(qū)動和保護(hù),（2）柵極串聯(lián)電阻RG 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG太小會使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時會使IGBT的dv/dt耐量減小。具體選擇RG時，要參考器件的使用手冊。 （3）驅(qū)動功率的要求 IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗。,柵極驅(qū)動電路的基本形式,柵極驅(qū)動電路分為直接驅(qū)動、變壓器隔離式和光耦隔離式三種形式，如圖4-11所示。,IGBT集成驅(qū)動器,為了減小體積，降低噪音，改善驅(qū)動性能，實現(xiàn)快速保護(hù)，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的IGBT集成驅(qū)動器用于各種IGBT模塊。 常用的集成驅(qū)動器有 富士公司的EXB840、841、850、851系列， IR公司的IR2100系列， Motorola公司的MC35153， Unitrode公司的UC705715、HR065、M57957M57963系列等等。,IGBT的保護(hù),主要包括dv/dt保護(hù)、過流保護(hù)（包括短路保護(hù)）、熱保護(hù)和非工作狀態(tài)保護(hù)等。 （1）dv/dt保護(hù) IGBT的C、E之間能承受的電壓上升率dv/dt是有限的。為了保證dv/dt產(chǎn)生的位移電流不至于使IGBT誤導(dǎo)通，有必要限制C、E之間的dv/dt。 保護(hù)措施：加緩沖電路,IGBT的保護(hù),（2）過流和負(fù)載短路保護(hù) 當(dāng)IGBT集電極或負(fù)載短路時，由其輸出特性可知，其飽和壓降會顯著上升。通過檢測IGBT的導(dǎo)通壓降就可以判定它是否過流和短路。 如果過流，首先削弱驅(qū)動約810s，再加反向驅(qū)動電壓，關(guān)斷IGBT，以免因產(chǎn)生過高的dv/dt和浪涌電壓導(dǎo)致IGBT關(guān)斷失敗而造成損壞。,IGBT的保護(hù),（3）非工作狀態(tài)保護(hù) 由于IGBT的柵極是薄的絕緣柵，在運輸、貯存、測量、裝焊等方面都應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。在任何時候都要小心，防止柵極靜電擊穿。IGBT模塊在出廠時一般都在控制極與發(fā)射極上裝有導(dǎo)電泡沫塑料或粘有導(dǎo)電銅箔，要一直保留到往柵極上壓線或進(jìn)行無靜電焊線時再拿下來。,二、智能功率模塊（IPM）,特點：保護(hù)功能齊全，使用方便 1）開關(guān)速度快 2）低功耗 3）快速過流保護(hù) 4）過熱保護(hù) 5）橋臂對管互鎖保護(hù) 6）優(yōu)化的柵極驅(qū)動電路和保護(hù)電路 7）驅(qū)動電源欠壓保護(hù)。,三、集成門極換流晶閘管IGCT的性能和應(yīng)用,90年代中期，ABB公司通過優(yōu)化GTO門極驅(qū)動單元和器件外殼設(shè)計，采用集成門極等技術(shù)，大大降低了門極驅(qū)動回路中的電感，并采用負(fù)門極電流上升率的方法來縮短貯存時間，這就是所謂的GTO“硬驅(qū)動”技術(shù)，從而產(chǎn)生了新型功率器件集成門極換流晶閘管Integrated Gate-Commutated ThyristorIGCT），它將門極換流晶閘管通過印刷電路板與門極驅(qū)動裝置連成一個整體 。 它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它綜合了GTO和IGBT兩者的優(yōu)點。,應(yīng) 用,目前，IGBT 和IGCT占領(lǐng)了大功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域。就功率裝置的電流和電壓而言，這兩種器件具有很大的互補(bǔ)性。 在實際應(yīng)用中：電壓較低時選用IGBT，電壓較高時選用IGCT。根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)不同，在18003300V之間，兩種器件交叉使用，IGBT較適于功率較小的裝置，而IGCT則更適用于功率較大的裝置。,4.3 變頻器設(shè)計方法,4.3 變頻器設(shè)計方法,一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的一般性方法 （1）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計，明確系統(tǒng)的總體要求。 （2）設(shè)計主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定逆變器件類型； （3）確定控制策略和控制方式； （4）選擇主控制芯片； （5）選擇各物理量的傳感器和檢測電路； （6）系統(tǒng)硬件設(shè)計，軟件設(shè)計,1. 選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),（1）普通三相變頻器 通常也稱為二電平變頻器，即第二章中所講的交-直-交型變頻器，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，為了獲得大功率可采用器件的串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)。,根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實際要求選擇合理的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,1. 選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),（2）交-交變頻電路 主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。 （3）高-低-高電路 這是高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)之一。,1. 選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),（4）直接高壓變頻調(diào)速 在高壓大功率的場合，采用三電平技術(shù)直接獲得高壓輸出，或采用多重化技術(shù)將多個低壓逆變橋并聯(lián)/串聯(lián)起來獲得大電流/高電壓，再加上一定的相移，可得到接近正弦的電壓輸出。,2. 確定控制系統(tǒng)方案,確定控制系統(tǒng)方案 根據(jù)系統(tǒng)的要求: 首先確定系統(tǒng)是通用型的，還是高性能的，還是有特殊要求的； 其次要確定系統(tǒng)的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，還是采用直接轉(zhuǎn)矩控制等； 第三要確定是采用單機(jī)控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。,3.選擇傳感器和檢測電路,在確定總體方案時，必須首先選擇好傳感器和檢測電路，它是影響控制精度的重要因素之一。主要測量電壓、電流、溫度、速度等物理量。 4. 選擇CPU和輸入/輸出通道及外圍設(shè)備 5.畫出整個系統(tǒng)原理圖,二、變頻器主電路設(shè)計,整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時流過變壓器副邊的相電流如圖4-24所示。,整流二極管（VD1VD6）的選擇,通過三相整流橋的每個整流二極管的電流波形近似為方波，如圖4-25所示。,則流過二極管的電流有效值為,二、變頻器主電路設(shè)計,故二極管的電流定額值為,二極管的耐壓,式中，U2lm整流器輸入線電壓峰值。,二、變頻器主電路設(shè)計,平滑濾波電容（C）的選擇 考慮電解電容用作濾波時，和負(fù)載的等效電阻的乘積（時間常數(shù)）應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相整流橋輸出電壓的脈動周期T=0.0033s（即為3.3ms），則,其中Rf為負(fù)載等效電阻。,二、變頻器主電路設(shè)計,考慮將用作吸收異步電動機(jī)的回饋能量時，其容量只能按能量關(guān)系來近似估計。電動機(jī)驟停時，機(jī)械儲能與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即 設(shè)過壓系數(shù)K=u1/u0（K1），則,上式表明，當(dāng)電壓泵升值一定時，負(fù)載側(cè)儲能越大，濾波電容的容量也越大。而當(dāng)儲能一定時，泵升電壓值越低，K越小，所需的電容量也就越大。,二、變頻器主電路設(shè)計,二、變頻器主電路設(shè)計,IGBT（VT1VT6）的選擇 （1）要根據(jù)負(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇IGBT，如要適當(dāng)考慮異步電動機(jī)的啟動電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過IGBT的集電極電流 （2）IGBT的耐壓Uceo至少應(yīng)為實際承擔(dān)的最大峰值電壓的1.2倍以上，即,（二） 11.2kVA變頻器設(shè)計舉例,某雙面銑組合機(jī)床的機(jī)械滑臺，由原來的齒輪變速改造成變頻調(diào)速。要求速度變化范圍為16750r/min，以滿足工作進(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計變頻器。 已知被控對象的原始數(shù)據(jù)： 異步電動機(jī)型號：Y132M26 額定功率：5.5kW 額定電壓：380V 額定電流：12.6A 額定轉(zhuǎn)速：960r/min 系統(tǒng)能提供2倍的額定轉(zhuǎn)矩。,設(shè)計步驟：,決定變頻器的工作方式 由設(shè)計要求可知，調(diào)速范圍為1:47，低速性能要求高，故選用雙極性IGBT-SPWM工作方式。 設(shè)計變頻器的主電路 由于采用雙極性IGBT-SPWM變頻器，變頻器的主電路如圖2-18所示。,變頻器的功率開關(guān)管的計算 （1）計算通過IGBT的峰值電流Im Im由系統(tǒng)工作的最嚴(yán)重情況決定。由題意要求可知，系統(tǒng)要具有2倍額定電流的電磁轉(zhuǎn)矩，再考慮交流電流的峰值，則 （2）選用IGBT的電流定額值 由式（4-26）得出IGBT的集電極電流 選用Ic50A的電流定額值。,（3）選用IGBT的電壓定額值 變頻器輸出交流電壓為380V。為此，必須用線電壓為380V的交流電直接整流，直流側(cè)整流電壓 Ud=1.35380V=513V 由式（4-27），IGBT的耐壓 選用Uceo1200V的IGBT。,4）由Uceo，Ic決定IGBT的型號 由Ic50A，Uceo1200V，選用日本富士公司生產(chǎn)的兩單元IGBT模塊組件，型號為2MBI50L/N-120。 變頻器的容量 變頻器的額定電流Ie應(yīng)大于異步電動機(jī)的額定電流。,4、整流二極管的計算,（1）計算整流二極管的電流定額Ied 由式（4-17）得 考慮濾波電容的充電電流的影響，需留有較大的電流余量，選用Ied60A。 （2）計算整流二極管的電壓定額UVD 由式（4-18）得： 則，選用UVD1600V。,（3）決定整流二極管型號 由Ied60A和UVD1600V選用整流二極管?？紤]減小變頻器體積，故選用三相整流橋模塊組件（DF60AA160）。,5、平波濾波電容器的計算 由式（4-19），取負(fù)載等效電阻Rf45得：,由于直流電壓Ud513V，而220F的理想電容的最高耐壓為450V，實際中電解電容值應(yīng)考慮10倍的余量，選用四只2200F/450V電容兩兩并聯(lián)再串聯(lián)，以提高耐壓，獲得大容量。,交流電網(wǎng)側(cè)阻容吸收環(huán)節(jié)的設(shè)計 由式（4-12）決定電容C的大小： 電容的耐壓，取UC=630V。 阻尼電阻由式（4-14）決定： 電阻的功率計算，由式（4-15）得： 取功率為25W。,