变频器课程设计

目录一、变频器的概述...........................................................................................................................11.1变频器的发展前景.............................................................................................................11.2变频器的组成与分类.........................................................................................................11.3变频器的基本原理.............................................................................................................2二、变频器的设计要求...................................................................................................................3三、变频器的主要参数的选取和设计...........................................................................................33.1交流侧阻容吸收环节R、C的选择..................................................................................33.2整流二极管的选择.............................................................................................................43.3平滑滤波电容C’的选择..................................................................................................53.4IGBT的选择.......................................................................................................................6四、变频器主电路的设计...............................................................................................................74.1整流电路和上电缓冲电路.................................................................................................74.2逆变电路.............................................................................................................................84.3驱动电路.............................................................................................................................94.4开关电源电路...................................................................................................................11五、变频器控制电路的设计.........................................................................................................125.1保护采样电路...................................................................................................................125.2微机处理芯片电路...........................................................................................................145.3变频器的控制方式选择...................................................................................................15六、个人小结..................................................................................................................................16七、参考文献..................................................................................................................................171一、变频器的概述1.1变频器的发展前景变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWM控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。1.2变频器的组成与分类电压型变频器主电路包括：整流电路、中间滤波电路、限流电路、2逆变电路、控制电路组成。变频器总体分为：“交-交变频器”和“交-直-交变频器”两种。还可以分为电压型或者电流型变频器。交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。所以，深入了解交流传动与控制技术的走向，对我们的学习工作具有十分积极的意义。1.3变频器的基本原理变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。图1交-直-交变频器的主电路3二、变频器的设计要求设计一款1KW的简易变频器的全套硬件电路。1.输入三相220V电压。2.功能基本达到要求，接近市面，可以使用。3.主电路包括：整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路。4.控制电路包括：母线电压采样电路、三相电流采样电路、过压过流保护电路、数字量输入输出电路、模拟量输入电路、MCU等。三、变频器的主要参数的选取和设计在变频器主电路的设计中，主要包括电源侧阻容吸收电路中R、C的选择，三相整流电路器件的选择，中间滤波电容的选择，以及IGBT的电压、电流定额值的选择。3.1交流侧阻容吸收环节R、C的选择阻容吸收电路中，C的作用是防止变压器操作过电压和浪涌过电压，R的作用是防止电容和变压器漏抗产生谐振。电源变压器为Y接法，阻容吸收环节采用∆接法。电容容量C按下式计算：。式中，i0％是变压器励磁电流百分数；S是变压器每相平均计算4容量（VA）；U2是变压器次级相电压有效值（V）。电容C的耐压计算：。阻尼电阻R的计算：。式中，UK％是变压器短路比，一般UK％=5~10。电阻器R的功率计算：。式中，k1＝3（对三相桥式电路）；k2＝900。3.2整流二极管的选择整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器副边相电流如图2所示。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3所示。图中IM对应于电动机最大负载电流的峰值，也决定了方波的峰值，则流过二极管的电流有效值为:。图2变压器副边近似电压图3整流二极管近似电压5故二极管的电流额定值为：。二极管的耐压：，式中，U2lm—–整流器输入线电压峰值。3.3平滑滤波电容C’的选择中间滤波环节的电解电容C’有两个作用：一是对整流电路的输出电压滤波，尽可能保持其输出直流电压为恒定值；二是吸收来自逆变电路由元件换向引起的续流能量和电动机在制动过程中回馈的能量，防止逆变器过电压损坏IGBT。考虑电解电容用作滤波时，C’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，则：。取负载等效电阻RF=0.5Ω。考虑将C’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。当异步电动机突然停车和减速制动时，电容两端将产生“泵升”电压，为保护IGBT不致损坏，一般尽量选取大电容值，形成“水池”以使泵升电压不致太高。另外，逆变器一般要有泵升电压限制电路。电动机轴上的机械储能：。漏感的储能：。电容上的初始电压为u0，电容的储能：。u1为能量回馈后引起的电容电压升高值。6假定能量回馈时不计其他损耗，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，即设定过压系数K=u1/u0（K＞1），则若限定K＝1.3，即允许电容上泵升电压升高30%，则式（4-28）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。3.4IGBT的选择IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；（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7（2）要