第四章 变频器的组成及其设计

第四章变频器的组成及其设计山东大学崔纳新4变频器的组成及其设计本章提要•交-直-交PWM变频器的基本结构及作用•变频器常用电力电子开关器件•开关管缓冲电路设计•变频器设计方法•变频器散热系统设计二、智能功率模块（IPM）特点：保护功能齐全，使用方便1）开关速度快2）低功耗3）快速过流保护4）过热保护5）桥臂对管互锁保护6）优化的栅极驱动电路和保护电路7）驱动电源欠压保护。三、集成门极换流晶闸管IGCT的性能和应用90年代中期，ABB公司通过优化GTO门极驱动单元和器件外壳设计，采用集成门极等技术，大大降低了门极驱动回路中的电感，并采用负门极电流上升率的方法来缩短贮存时间，这就是所谓的GTO“硬驱动”技术，从而产生了新型功率器件集成门极换流晶闸管IntegratedGate-CommutatedThyristorIGCT），它将门极换流晶闸管GCT通过印刷电路板与门极驱动装置连成一个整体。它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它综合了GTO和IGBT两者的优点。集成门极换流晶闸管IGCT应用目前，IGBT和IGCT占领了大功率器件的应用领域。就功率装置的电流和电压而言，这两种器件具有很大的互补性。在实际应用中：电压较低时选用IGBT，电压较高时选用IGCT。根据应用和设计的标准不同，在1800~3300V之间，两种器件交叉使用，IGBT较适于功率较小的装置，而IGCT则更适用于功率较大的装置。4.3变频器设计方法一、变频调速系统设计的一般性方法（1）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求。（2）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；（3）确定控制策略和控制方式；•（4）选择主控制芯片；•（5）选择各物理量的传感器和检测电路；•（6）系统硬件设计，软件设计1.选择主电路拓扑结构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。（1）普通三相变频器通常也称为二电平变频器，即第二章中所讲的交-直-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来实现。1.选择主电路拓扑结构（2）交-交变频电路交-交直接变频电路省去了中间直流环节，效率高，主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中。（3）高-低-高电路这是高压变频器的典型结构之一。（4）直接高压变频调速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/串联起来获得大电流/高电压，再加上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出，详见本书第五章。2.确定控制系统方案确定控制系统方案根据系统的要求，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；其次要确定系统的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，还是采用直接转矩控制等；第三要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统等。3.选择传感器和检测电路选择传感器和检测电路在确定总体方案时，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因素之一。主要测量电压、电流、温度、速度等物理量。4.选择CPU和输入/输出通道及外围设备5.画出整个系统原理图二、变频器主电路设计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图4-24所示。•整流二极管（VD1~VD6）的选择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4-25所示。二、变频器主电路设计则流过二极管的电流有效值为故二极管的电流定额值为m3202mVD31)d(21ItIImVDed72.2157.1/III二极管的耐压ml2DV)3~2(UU式中，U2lm—–整流器输入线电压峰值。二、变频器主电路设计平滑滤波电容（C’）的选择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压的脉动周期T=0.0033s（即为3.3ms），则)μF(100033.0*3'6fRC其中Rf为负载等效电阻。二、变频器主电路设计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容上的储能，即设过压系数K=u1/u0（K＞1），则22D20212121)(21LIJuuC20222D1uKLIJC上式表明，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，K越小，所需的电容量也就越大。二、变频器主电路设计IGBT（VT1~VT6）的选择（1）要根据负载的最严重情况选择IGBT，如要适当考虑异步电动机的启动电流，要考虑交流电流的峰值。因此，通过IGBT的集电极电流（2）IGBT的耐压Uceo至少应为实际承担的最大峰值电压的1.2倍以上，即mc2~2.1II）（dceo2~2.1UU）（（二）11.2kVA变频器设计举例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16~750r/min，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。已知被控对象的原始数据：异步电动机型号：Y132M2—6额定功率：5.5kW额定电压：380V额定电流：12.6A额定转速：960r/min系统能提供2倍的额定转矩。设计步骤：1）决定变频器的工作方式由设计要求可知，调速范围为1：47，低速性能要求高，故选用双极性IGBT-SPWM工作方式。2）设计变频器住电路交-直-交变频器主电路见图2-18。3）整流二极管的计算4）变频器功率开关管的计算5）平波滤波电容器的计算第6章通用变频器的使用与维护山东大学控制学院崔纳新现代交流调速系统引言通用变频器是相对于某些有特殊要求的专用变频器而言的，它有两层含义:(1)这种变频器可以用于驱动通用型交流电动机，而不一定要求使用专用变频电机；(2)通用变频器具有各种可供选择的功能，以适应不同性质的负载机械。目前市场上流行的通用变频器主要有富士、三菱、安川、日立、三垦、ABB、西门子、施耐德、VACON（瓦控）、丹佛斯等进口品牌以及国产的森兰、佳灵、阿尔法、康沃等。引言通用变频器的发展趋势是：容量的不断扩大化；体积和结构的小型化；功能的多样化、智能化；应用领域的广泛化等。6.1通用变频器的铭牌及标准规格图6-1FRN30G11S-4CX变频器的铭牌一、通用变频器铭牌6.1通用变频器的铭牌及标准规格图6-2通用变频器FRN30G11S-4CX型号说明电源电压系列：4400V系列名称：G11S或P11S标准适配电动机容量：3030kW产品型号：FRENIC5000FRN30G11S-46.1通用变频器的铭牌及标准规格额定输入参数（SOURCE）：额定输入参数一般包括电源输入相数、电压、频率、允许的电压幅值及频率波动范围、额定输入电流等。额定输出参数（OUTPUT）：额定输出参数一般包括通用变频器的额定容量、相数、额定输出电压、额定输出电流、过载能力和输出频率范围等。6.1通用变频器的铭牌及标准规格生产序列号（SER.NO.）：除了变频器的型号、容量信息外，生产序列号还包含通用变频器的生产时间方面的详细信息。二、通用变频器的标准规格和频率指标（一）输入侧的额定值输入侧的额定值主要是电压和相数。我国的中小容量变频器输入电压的额定值有以下几种（均为线电压）：三相380V/50Hz，绝大多数都属于这种情况；三相200~230V/50Hz或60Hz，主要用于某些进口设备中；单相200~230V/50Hz，主要用于精细加工和家用电器。输入电压额定值一般是以一定的适用电压范围形式给出的，如200V等级的208~240V，400V等级的380~480V等。二、通用变频器的标准规格和频率指标（二）输出侧的额定值（1）输出电压UN变频器在调频的同时也要调压，输出电压的额定值是指最大输出电压。大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。（2）输出电流IN（A）最能代表变频器输出能力的参数是额定输出电流。它是指在容许温度和额定交流电压条件下，能够连续输出的电流值，不受输出电压、频率的影响。变频器的容量选择，主要就是依据这个参数。二、通用变频器的标准规格和频率指标（3）输出容量SN（kVA）SN与UN和IN的关系为（4）配用电动机容量PN（kW）变频器说明书中规定的配用电动机容量，通常是指最大适配电机的容量(kW)。3NNN103IUS二、通用变频器的标准规格和频率指标电动机的kW值是指其额定输出功率，变频器的kVA值是指电动机可以获得的输入视在功率，二者相差甚远。一般SN值为PN值的1.5左右，其差别来自所驱动电动机的功率因数及效率等因素。选择变频器容量时，除了考虑变频器和电动机的特性外，还必须考虑负载的性质和启动要求。二、通用变频器的标准规格和频率指标（5）过载能力能够在规定的时间段内提供的最大输出电流。变频器所允许的过载电流通常以额定电流的百分数和允许的时间来表示。一般变频器的过载能力为150％IN，持续60s（小容量型也有120s）、130％IN，持续60s或者180％IN，持续0.5s。如果瞬时负载超过了变频器的过载耐量，即使变频器与电机的额定容量相符，也应该选择大一档的变频器。（三）频率指标（1）频率范围通用变频器的输出频率范围，即变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率为0.1~1Hz，最高频率则因变频器性能指标而异，其范围一般在120~650Hz。二、通用变频器的标准规格和频率指标（2）频率精度指变频器输出频率的准确程度。由变频器的实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示.例如，富士G11S的频率精度为±0.01%，是指在-10~+50℃环境下数字设定所能达到的最高频率精度。三、通用变频器的参数调试（1）基本频率：根据电机的铭牌数据，匹配变频器与电机的电压等级。（2）上限频率：在满足工艺要求的前提下，注意轻载使用。（3）下限频率：在满足工艺要求的前提下，注意长期低速运行时的过热问题。三、通用变频器的参数调试（4）加速时间：在满足工艺要求的前提下，在重载使用时要注意加长加速时间，否则会出现过流现象。（5）减速时间：在满足工艺要求的前提下，在重载使用时要注意加长加速时间，否则会出现过流现象。三、通用变频器的参数调试（6）开关频率：开关频率越大，电机的噪声会越小，但是会产生较强的无线电干扰，对电机的绝缘要求也就越高；且开关频率越高，变频器的开关损耗越大，所以开关频率不能太高。（7）扭矩补偿功能：根据负载的类型进行补偿，但是不能过补偿，否则铁损增大，效率低；启动时冲击大，运行电流高。