變頻器系列文章（一）：主回路設(shè)計和計算

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變頻器概念

對于變頻器大家應(yīng)該都不是很陌生，因為現(xiàn)實生活中很常見。如馬上讓我們無法釋懷的空調(diào)，從以前的定頻空調(diào)到現(xiàn)在的變頻空調(diào)；又如洗衣機、冰箱和電梯，等等這些都涉及到我們今天所要聊的變頻器。

 

變頻器的定義

變頻調(diào)速器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，具有變頻器體積小、重量輕、精度高、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強等優(yōu)點。變頻調(diào)速是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻調(diào)速還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速方式。變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

 

變頻的幾點優(yōu)勢：

?節(jié)能

變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。應(yīng)用變頻調(diào)速可以大大提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。風(fēng)機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到 20%～60%，這是因為風(fēng)機、泵類的耗用功率與轉(zhuǎn)速的 3 次方成正比，當(dāng)需要的平均流量較小時，轉(zhuǎn)速降低其功率按轉(zhuǎn)速的 3 次方下降。

 

?提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量

變頻調(diào)速除了在風(fēng)機、泵類負載上的應(yīng)用以外，還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高企業(yè)的產(chǎn)成品率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡化，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設(shè)備控制水平。

 

?變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢

變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)，只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動大都是從低速開始，頻率較低，加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速時間比較平緩，啟動電流較小，可以進行較高頻率的起停。

 

?變頻家電

除了工業(yè)相關(guān)行業(yè)，在普通家庭中，節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關(guān)注，變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應(yīng)用趨勢，如帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調(diào)等，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪聲、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢。

 

變頻器的組成，宏觀的來看很簡單：

①主電路：整流電路、中間環(huán)節(jié)、逆變電路；

 

②控制電路：主控制電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路；

 

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主電路的設(shè)計和計算

今天我們先來講一講主電路的設(shè)計和計算，內(nèi)容可能有點長，大家可以 mark 起來慢慢看。

 

 

變頻器的主電路如上圖所示，主要包括交流電抗器、輸入壓敏電阻、整流橋、直流電抗器、直流充電電阻、直流電抗器、充電接觸器、直流母線電容、電容均壓電阻、逆變橋、

 

母線浪涌吸收電容，此外還可以安裝制動單元和制動電阻。

 

當(dāng)然，主電路的這些器件也不盡相同，我們這里的足夠用來說明其原理了。

 

★參數(shù)的計算

變頻器的容量：

 

Po=√3UoIo

 

式中 Uo 是輸出電壓，Io 是輸出電流。單位是 VA。

 

平時我們一般都以 W 為功率單位，那么 W 和 VA 之間有什么關(guān)系呢？它們中間需要考慮功率因數(shù)λ（cosθ），只有當(dāng)功率因數(shù)為 1 的時候，1W=1VA，而功率因數(shù)不為 1 的時候，兩者就不相等了。即視在功率 S，有功功率 P 和無功功率 Q 之間的關(guān)系

 

 

S²=P²+Q²，P=Scosθ，Q=Ssinθ；計算時，注意容量和標(biāo)稱功率之間的關(guān)系。

 

直流環(huán)節(jié)電壓平均值：

 

UD=3√2/π*UAC≈1.35UAC

 

式中，UAC 為三相輸入線電壓的有效值。由于母線電容的存在，直流電壓一般認為等于輸入線電壓的幅值

 

UD=√2*UAC≈1.414UAC

 

直流環(huán)節(jié)電流：

 

ID=π/√6*Io≈1.283Io

 

式中 Io 為變頻器額定輸出電流。

 

eg. 對于 15kW 的變頻器，輸出電流為 32A，因此變頻器輸出容量為 Po＝1.732*32*380=21kVA，直流母線電壓為

UD=1.414×380＝536V，母線電流為 ID=1.283*32=41A。

 

★整流橋計算

①電流計算：

流過整流管的電流

 

有效值：

 

IT=ID/√3≈0.577ID

 

平均值：

 

IT(AV120°)=2ID/π≈0.637ID

 

IT(AV120°)為 120°導(dǎo)通的值，整流二極管一般 Datasheet 標(biāo)稱值是 180°的值

 

IT(AV180°)=IT(AV120°)/√3=2ID/√3π≈0.368ID

 

整流二極管電流選型：

 

IVT(AV)=(1~2)*α*0.368*(π/√6)*Io

 

式中：Io 為變頻器輸出額定電流。過載系數(shù)α=1.5~1.8。

 

一般整流橋很少過載，而且現(xiàn)在的整流管過載能力都比較強，從成本上考慮，所以選取的整流器件甚至可以略小于計

算出的電流值。

 

②電壓計算

整流管電壓額定值 URRM：

 

URRM≥UAC*√2*1.1*β

 

式中β為電壓安全系數(shù)，一般取 2。目前整流管額定電壓選取為單相 800V，三相 1600V。

 

多個整流元件并聯(lián)

很多時候我們會并聯(lián)器件來滿足所需的電流等級，器件的并聯(lián)必須降低電流額定值使用，可以參照下面式子選擇：

 

ITa=(1.7~2.5)I/np

 

式中，I 為允許過載時一組橋臂的平均電流，np 為并聯(lián)支路數(shù)。

 

并聯(lián)需要注意的事項：

 

?挑選伏安特性曲線較為一致的器件；

 

?注意連線的結(jié)構(gòu)處理；

 

 

?必要時可采用均流變壓器；

 

 

?并聯(lián)的器件工作溫度盡量一致，在散熱器上盡量靠近。

 

★逆變橋計算

隨著功率半導(dǎo)體的發(fā)展，IGBT 已經(jīng)成為當(dāng)下中大功率變頻器逆變電路開關(guān)管選取的最佳選擇。再選擇 IGBT 時我們要注意以下幾點：

 

①首先根據(jù)變頻器載頻工作范圍及熱設(shè)計的要求選擇一種合適的類型。選擇三種類型 IGBT 中的一種：

 

?極低的通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗大；

 

?高通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗??；

 

?中等通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗較小；

 

魚和熊掌不可兼得，根據(jù)自己的需求擇優(yōu)選取。

 

②根據(jù)體積、結(jié)構(gòu)是否易于并聯(lián)、維護成本及結(jié)構(gòu)設(shè)計的壓力等要求決定采用那一種封裝形式。

 

③計算所選 IGBT 的電流等級、電壓等級，該步驟同時也影響了吸收電路的形式選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。

 

關(guān)于逆變元件耐壓和電流的選擇：

考慮到瞬間過電壓，IGBT 的耐壓通常為直流母線電壓的兩倍。瞬間過電壓受回路雜散電感和 IGBT 開關(guān)速度的影響，所以實際耐壓的選擇要視回路的雜散電感而定。

 

①額定電壓

方法一：URRM≥(√2UAC*β+150)*α

 

方法二：URRM≥√(（Ic*n)²*Ls/Cx+VPN²)

 

式中，UAC 是變頻器輸入電源電壓，β為電源電壓的波動系數(shù)，α為安全系數(shù)，Ic 為 IGBT 的額定電流，n 為短路時電流沖擊的倍數(shù)，Ls 為雜散電感大小，Cx 為吸收電容的大小，VPN 為正常工作時母線電壓。

 

就目前而言，通用 380V 變頻器 IGBT 都是 1200V 耐壓。

 

②電流選擇

電流的選擇與最大工作頻率，總功耗、冷卻方式及環(huán)境溫度范圍都有關(guān)系，實際上，Datasheet 中給出的電流參數(shù)常常在一兩種條件下定義，因此總的來講并不準(zhǔn)確適合實際應(yīng)用，有時會偏差很大。

 

電流額定值的選擇：

 

確定過載能力

 

k√2 Io≤Ic

 

式中，k 為電流的過載倍數(shù)，Io 為變頻器的額定輸出電流，Ic 為 IGBT 標(biāo)稱電流值(連續(xù) DC)。

 

確定抗電流沖擊能力

 

m√2Io≤Ic(1ms)

 

式中，m 為硬件電流保護倍數(shù)，Io 為變頻器額定輸出電  流，Ic(1ms)為 1ms 標(biāo)稱電流。

 

一般而言，模塊的選取主要根據(jù)是溫升，只要溫升能夠滿足要求，載流能力可以適當(dāng)放寬。

 

IGBT 的并聯(lián)

由于單只 IGBT 模塊電流容量有限，為了提高載流能力需要對 IGBT 并聯(lián)。由于 IGBT 具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時導(dǎo)通壓降會增大，因此本身具有自動均流的特性，并聯(lián)使用一般不會導(dǎo)致嚴重的均流問題。

 

由于 IGBT 參數(shù)分散性，并聯(lián)使用時需要放大 IGBT 的容量，IGBT 電流需乘以 1 個降額系數(shù)，降額系數(shù)按照下式計算：

 

 

式中 n 為并聯(lián)器件數(shù)目，x 與器件耐壓有關(guān)，600V 器件：x＝0.1；1200V 器件：x＝0.15；1700V 器件：x＝0.2。

 

例如，常用的 1200V 的器件，有

 

n=2：降額系數(shù)＝0.87

 

n=3：降額系數(shù)＝0.826

 

n=4：降額系數(shù)＝0.80

 

n=5：降額系數(shù)＝0.79

 

n=6：降額系數(shù)＝0.78

 

n=7：降額系數(shù)＝0.776

 

對于 IGBT 的并聯(lián)，原則上和二極管并聯(lián)差不多，在驅(qū)動電路方面有更高的要求，希望并聯(lián)的各個開關(guān)管驅(qū)動信號一致以保證管子的同時開通和關(guān)斷。對此要求各并聯(lián)的驅(qū)動線長

 

度相同，在各個管子上加裝 GE 板，對驅(qū)動信號進行就近調(diào)理。下面給出一個并聯(lián)驅(qū)動的例子，大家可以參考一下：

 

 

RE 為防止環(huán)流電阻，強電端 A 點和 B 點通過導(dǎo)線連接，電勢有可能不完全相等，這樣將在并聯(lián)驅(qū)動電路中產(chǎn)生環(huán)流，RE 的作用就是限制短路環(huán)流，一般取值為 0.33Ω。一般我們都會在柵射極并個電阻 RGE，RGE 都不能省略，其作用是防止 IGBT 柵極電荷積累，一般取值是 10k～100k。

 

★主回路元器件的保護

整流橋的保護

輸入側(cè)必須設(shè)計浪涌吸收電路，吸收元件一般采用壓敏電阻、氣體放電管或安規(guī)電容等，整流橋的輸出就近安裝一只高頻無感電容（MKP 或 CBB81）。主回路電路圖中的的 Yd 和 Cr，壓敏電阻的耐壓值一般選為 820V，整流橋的輸出吸收電容 Cr 與變頻器功率有關(guān)，一般容值為 0.22～2uF，耐壓為 1600V。

 

增加快熔?？烊鄣娜蹟鄷r間可達 3~5ms 比較適合整流橋的保護，并能防止故障的擴大及非常嚴重的后果（如燒毀變頻器等）。但對于是否增加快熔不同廠商有不同看法，大家可以根據(jù)實際需求來做抉擇。

 

逆變橋元器件的保護

電流保護：一般采用電流檢測保護（要求整個保護環(huán)節(jié)響應(yīng)速度滿足元件的規(guī)格要求），如快速霍爾電流檢測保護，VCE 保護等。

 

霍爾電流檢測保護可以在軟件中處理，也可以采用硬件比較電路實現(xiàn)。

 

VCE 保護是對 IGBT 最底層的保護，給出一個原理圖，大家參考一下：

 

 

驅(qū)動脈沖 WG3＃低電平有效時，B 點為低電平。當(dāng) IGBT 正常開通時，CE 間電壓較低（一般為 1.7～3V），W 點電位較低，C 點是 15V 的高電平，則 A 點經(jīng) 3k 和 510 歐電阻分壓得到 1 個電壓約為 5V(2＋0.7+2)，該電壓不足以導(dǎo)致反向器翻轉(zhuǎn)，點 F 保持高電平，三極管不導(dǎo)通，F(xiàn)O 為高電平；若 IGBT 發(fā)生短路故障，CE 間電壓 VCE 增大，導(dǎo)致 A 點電平升高，達到反向器的翻轉(zhuǎn)電平，從而使 F 點為低，三極管導(dǎo)通，F(xiàn)O 輸出為低，從而產(chǎn)生故障信號，同時 B 點也變成高電平，將該 IGBT 驅(qū)動脈沖封鎖，達到保護 IGBT 的目的。D 點到 B 點的反饋起個增強穩(wěn)定的作用，去掉影響也不大。

 

電壓保護：一般而言，變頻器對瞬時超過模塊耐壓的過電壓沒有好的防止方法，超過模塊耐壓的瞬時過電壓很容易導(dǎo)致模塊電壓擊穿損壞。對母線瞬時過電壓一般在母線上并高頻吸收電容保護模塊。如主回路電路圖中的電容 C。其他的吸收形式如 RC 吸收、RCD 吸收在變頻器中都不常用。

 

慎重選擇吸收電路的形式并仔細選擇吸收電容的型號、容量、耐壓及廠家。一般耐壓選為 1600V 的 CBB 電容，電容量跟變頻器容量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，0.47~10uF，大小不等。

 

★上電緩沖及實現(xiàn)

緩沖電阻的選擇及特點：上電緩沖電阻（主回路中 Rc）要求抗沖擊能力強。必須確認電阻的沖擊曲線并反復(fù)實驗驗證。阻值大小由整流橋的型號和濾波電容的容量決定。阻值大小一般可按流過電阻的電流為整流管電流額定值的 2~3 倍選取。

 

緩沖電阻旁路元件的選擇及特點：上電時對電容充電結(jié)束后需要將充電電阻旁路，旁路器件有兩種：

 

①接觸器，實現(xiàn)簡潔，成本低，功耗小，可靠性較差。目前的大功率變頻器多采用該方案。

 

②可控硅，功耗大（1~2V 導(dǎo)通電壓），效率低，可靠性高。

 

通用變頻器通常采用交流接觸器，一般而言，接觸器是按一定的導(dǎo)通電流有效關(guān)斷的條件下設(shè)計的，在變頻器的應(yīng)用中，接觸器一般是在沒有電流的情況下閉合和斷開，因此工作條件比標(biāo)稱條件更好，所以在容量的選取方面可以比較放寬一點。一般情況，三相并聯(lián)等于直流環(huán)節(jié)電流即可。

 

★電源側(cè)交流電抗器

電壓型通用變頻器電網(wǎng)電壓交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鹘?jīng)整流后都經(jīng)電容濾波，電容器的使用使輸入電流呈尖峰脈沖狀，當(dāng)電網(wǎng)阻抗小時，這種尖峰脈沖電流極大，會造成很大的諧波干擾，并使變頻器整流橋和電容器易損壞。

 

當(dāng)變壓器容量大于變頻器容量 10 倍以上，電網(wǎng)配電變壓器和輸電線的內(nèi)阻不能阻止尖峰脈沖電流時，當(dāng)同一電源上有晶閘管設(shè)備或開關(guān)方式控制功率因數(shù)補償裝置時，三相電源不平衡度大于 3%時，都要對輸入側(cè)功率因數(shù)作提高和抑制干擾，都需使用電源側(cè)交流電抗器。

 

一般而言，電壓源逆變器、電源側(cè)交流電抗器的電感量，采用 3% 阻抗即可防止突變電壓造成接觸器跳閘，使總諧波電流畸變下降到原先的 44%。實際使用中為了節(jié)省費用，常采用 2%阻抗的電感量，但這對環(huán)保而言是不好的。比較好的場合應(yīng)使用 4% 阻抗或更大的電抗器。一般常選用 2~4%的壓降阻抗，這個 % 是對相電壓而言，即：

 

 

其中 ∇U：電壓降落

 

        UP：相電壓

 

        UN：線電壓

 

輸入側(cè)交流電抗器電感值

 

三相時，

 

 

其中 ILmax：電感流過的最大電流。

 

對于使用者，需考慮電感值和電流值兩方面，電流值一定要大于等于額定值，電感值略有大小問題不大，偏大有利于減少諧波，但電壓降落會超過 3%，使用者還要考慮電源內(nèi)部

 

阻抗，電源變壓器功率大于 10 倍變頻器功率，而且線路很短的場合，電源內(nèi)阻小，不僅需要使用輸入側(cè)交流電抗器，而且要選擇較大的電感值，例如選用 4~5% 阻抗的電感量。

 

★直流電抗器計算

直流電抗器接在濾波電容前，它阻止進入電容的整流后沖擊電流的幅值，并改善功率因數(shù)、降低母線交流脈動。直流電抗器在變頻器功率大于 22KW 時建議都要采用，當(dāng)變頻器功

 

率越大，越應(yīng)該使用，因為沒有直流電抗器時，變頻器的電容濾波會造成電流波形嚴重畸變和進而使電網(wǎng)電壓波形嚴重畸變，而且非常有害于變頻器的整流橋和濾波電容壽命。

 

直流電抗器能有效降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)。電感大小選擇合理，電感越大，改善功率因素的效果越好，但電感太大，也會增大基波電流的電壓降，減小變頻器的輸入電壓，減小了變頻器的最大輸出功率。

 

直流電抗器的電感值的選擇一般為同樣變頻器輸入側(cè)交流電抗器 3% 阻抗電感量的 2-3 倍，最少要 1.7 倍），即

 

LDC=(2~3)LAC

 

此外還有一種利用經(jīng)驗公式來計算直流電抗器電感量大?。?/div>