變頻器課程設(shè)計(jì)

1、目錄一、變頻器的概述11.1變頻器的發(fā)展前景11.2變頻器的組成與分類11.3變頻器的基本原理2二、變頻器的設(shè)計(jì)要求3三、變頻器的主要參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)43.1交流側(cè)阻容吸收環(huán)節(jié)R、C的選擇43.2整流二極管的選擇53.3平滑濾波電容C的選擇53.4IGBT的選擇7四、變頻器主電路的設(shè)計(jì)8 4.1整流電路和上電緩沖電路84.2逆變電路94.3驅(qū)動(dòng)電路104.4開(kāi)關(guān)電源電路12五、變頻器控制電路的設(shè)計(jì)135.1保護(hù)采樣電路135.2微機(jī)處理芯片電路145.3變頻器的控制方式選擇15六、個(gè)人小結(jié).16七、參考文獻(xiàn). .17一、變頻器的概述1.1變頻器的發(fā)展前景變頻器（Variable-frequen

2、cy Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻

3、器是由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。其中整流電路和逆變電路中均使用了半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，在控制上則采用的是PWM控制方式，這就決定了變頻器的輸入、輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多的高次諧波成分。這些高次諧波成分將會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，產(chǎn)生無(wú)線電干擾電波，它們對(duì)周邊的設(shè)備、包括變頻器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象-電動(dòng)機(jī)帶來(lái)不良的影響。1.2變頻器的組成與分類電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間濾波電路、限流電路、逆變電路、控制電路組成。變頻器總體分為：“交-交變頻器”和“交-直-交變頻器”兩種。還可以分為電壓型或者電流型變頻器。交-交變頻器在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯的中間直流環(huán)節(jié)（或者叫“中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)”、或

4、“中間濾波環(huán)節(jié)”），來(lái)自電網(wǎng)的交流電被直接變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，所以稱為直接式變頻器。交-直-交變頻器有明顯的中間直流環(huán)節(jié)，工作時(shí)，首先把來(lái)自電網(wǎng)的交流電變換為直流電，經(jīng)過(guò)中間直流環(huán)節(jié)之后，再通過(guò)逆變器變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，故又稱為間接式變頻器。所以，深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，對(duì)我們的學(xué)習(xí)工作具有十分積極的意義。1.3變頻器的基本原理變頻器的工作原理是通過(guò)控制電路來(lái)控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流中間電路將直流電進(jìn)行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會(huì)在電路內(nèi)加入CPU等部件，來(lái)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)矩運(yùn)算。圖1 交

5、-直-交變頻器的主電路二、變頻器的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一款1KW的簡(jiǎn)易變頻器的全套硬件電路。 1.輸入三相220V電壓。 2.功能基本達(dá)到要求，接近市面，可以使用。 3.主電路包括：整流電路、上電緩沖電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電源電路。 4. 控制電路包括：母線電壓采樣電路、三相電流采樣電路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路、數(shù)字量輸入輸出電路、模擬量輸入電路、MCU等。三、變頻器的主要參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)在變頻器主電路的設(shè)計(jì)中，主要包括電源側(cè)阻容吸收電路中R、C的選擇，三相整流電路器件的選擇，中間濾波電容的選擇，以及IGBT的電壓、電流定額值的選擇。3.1交流側(cè)阻容吸收環(huán)節(jié)R、C的選擇阻容吸收電路中，C的作用是防止

6、變壓器操作過(guò)電壓和浪涌過(guò)電壓，R的作用是防止電容和變壓器漏抗產(chǎn)生諧振。電源變壓器為Y接法，阻容吸收環(huán)節(jié)采用接法。 電容容量C按下式計(jì)算：。式中，i0是變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)；S是變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）；U2是變壓器次級(jí)相電壓有效值（V） 。 電容C的耐壓計(jì)算：。阻尼電阻R的計(jì)算：。式中，UK是變壓器短路比，一般UK=510。電阻器R的功率計(jì)算：。式中，k13（對(duì)三相橋式電路）；k2900。3.2整流二極管的選擇整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時(shí)流過(guò)變壓器副邊相電流如圖2所示。通過(guò)三相整流橋的每個(gè)整流二極管的電流波形近似為方波，如圖3所示。圖中IM對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載電流的峰值，也決定了方波

7、的峰值，則流過(guò)二極管的電流有效值為:。 圖2 變壓器副邊近似電壓圖3 整流二極管近似電壓 故二極管的電流額定值為：。二極管的耐壓：，式中，U2lm整流器輸入線電壓峰值。3.3平滑濾波電容C的選擇中間濾波環(huán)節(jié)的電解電容C有兩個(gè)作用：一是對(duì)整流電路的輸出電壓濾波，盡可能保持其輸出直流電壓為恒定值；二是吸收來(lái)自逆變電路由元件換向引起的續(xù)流能量和電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中回饋的能量，防止逆變器過(guò)電壓損壞IGBT。 考慮電解電容用作濾波時(shí)，C和負(fù)載的等效電阻的乘積（時(shí)間常數(shù)）應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相整流橋輸出電壓的脈動(dòng)周期T=0.0033s，則：。取負(fù)載等效電阻RF=0.5?？紤]將C用作吸收異步電動(dòng)機(jī)的回饋能量

8、時(shí)，其容量只能按能量關(guān)系來(lái)近似估計(jì)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)突然停車和減速制動(dòng)時(shí)，電容兩端將產(chǎn)生“泵升”電壓，為保護(hù)IGBT不致?lián)p壞，一般盡量選取大電容值，形成“水池”以使泵升電壓不致太高。另外，逆變器一般要有泵升電壓限制電路。電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械儲(chǔ)能：。漏感的儲(chǔ)能：。電容上的初始電壓為u0，電容的儲(chǔ)能：。u1為能量回饋后引起的電容電壓升高值。假定能量回饋時(shí)不計(jì)其他損耗，電動(dòng)機(jī)驟停時(shí)，機(jī)械儲(chǔ)能與漏感儲(chǔ)能之和等于電容上的儲(chǔ)能，即設(shè)定過(guò)壓系數(shù)K=u1/u0（K1），則若限定K1.3，即允許電容上泵升電壓升高30%，則式（4-28）表明，當(dāng)電壓泵升值一定時(shí)，負(fù)載側(cè)儲(chǔ)能越大，濾波電容的容量也越大。而當(dāng)儲(chǔ)能一定時(shí)，泵升

9、電壓值越低，K越小，所需的電容量也就越大。3.4IGBT的選擇IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見(jiàn)；（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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過(guò)IGBT的集電極電流 （2）要考慮IGBT的是受集電極電流IC的

10、增加而降低的，IC越大，越小。 （3）IGBT的耐壓UCEO至少應(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最大峰值電壓的1.2倍以上，即 四、變頻器主電路的設(shè)計(jì)變頻器主電路包括：整流電路、上電緩沖電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電源電路；4.1整流電路和上電緩沖電路整流電路和上電緩沖電路如圖5所示，采用的是電容濾波的三相橋式不可控整流電路?；驹硎牵涸撾娐分挟?dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓向電容共電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載供電，輸出電壓按指數(shù)規(guī)律下降。上電緩沖電路由充電電阻R1和繼電器S1構(gòu)成，經(jīng)過(guò)三相整流橋整流后的六脈波300HZ的脈動(dòng)直流電壓先經(jīng)

11、過(guò)充電電阻R1對(duì)模塊外接電容進(jìn)行充電，等電容充電到一定的幅值時(shí)，CPU輸出一個(gè)充電繼電器的閉合指令，繼電器S1接通，將R1短接，變頻器隨后才進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。圖5 整流電路和上電緩沖電路4.2逆變電路逆變電路如圖6所示，從電路結(jié)構(gòu)上看三相橋式PWM變頻電路只能選用雙極性控制方式，其工作原理如下：三相調(diào)制信號(hào)URU、URV和URW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號(hào)是共用一個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波UC。UVW相自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件的控制方法相同，以U相為例：在URU>UC的各區(qū)間，給上橋臂IGBTV1以導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而給下臂V4以關(guān)斷信號(hào)，相輸出電壓相對(duì)直流電壓D中性點(diǎn)為UD一半

12、。在URUC的各區(qū)間，給V1以關(guān)斷信號(hào)，V4為導(dǎo)通信號(hào)，輸出電壓為UD一半。電路中六個(gè)二極管是為負(fù)載換流過(guò)程提供續(xù)流回路，其他兩相的控制原理與相相同。圖6 逆變電路4.3驅(qū)動(dòng)電路本次變頻器的驅(qū)動(dòng)電路利用PC923芯片和PC929芯片分別來(lái)驅(qū)動(dòng)上下臂，PC923管腳圖如圖8所示，PC929管腳圖如圖9所示。PC923內(nèi)部電路為一只光耦合器，為互補(bǔ)電壓跟隨器輸出，有400mA的電流輸出能力，完全可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)小功率IGBT模塊而無(wú)需外置放大器。圖8 PC923的管腳圖PC923的引腳功能;1、4腳為空腳；2、3腳為信號(hào)輸入端，2腳內(nèi)接光耦合器發(fā)光二極管的陽(yáng)極，3腳內(nèi)接發(fā)光二極管的陰極；8、7腳為正負(fù)

13、電源供電端，8、5腳短接以使內(nèi)部輸出和控制回路共用正電源，典型應(yīng)用值為22-24V；6腳為信號(hào)輸出端，內(nèi)接互補(bǔ)電壓跟隨器的輸出中點(diǎn)。PC929內(nèi)部除一路光耦合器外，另有IGBT導(dǎo)通管壓降檢測(cè)電路和SC信號(hào)輸出電路、SC故障自鎖電路，對(duì)IGBT具有快速保護(hù)功能。圖9 PC929管腳圖PC929引腳功能：1、2腳內(nèi)部已短接，2、3腳為信號(hào)輸入端，2腳內(nèi)接光耦合器發(fā)光二極管的陽(yáng)極，4、5、6、7為空腳；8為模塊故障信號(hào)輸出腳，內(nèi)部晶體管射極接負(fù)供電，基極受故障信號(hào)檢測(cè)電路所控制；9腳為模塊故障信號(hào)檢測(cè)輸入腳；10、14腳為負(fù)電源供電腳；12、13腳為正電源供電腳；11腳為驅(qū)動(dòng)脈沖輸出腳。上下各有三個(gè)

14、驅(qū)動(dòng)臂，如圖10所示：圖10 驅(qū)動(dòng)電路整體圖以上臂驅(qū)動(dòng)電路為例，經(jīng)R18、D16、C5穩(wěn)壓和濾波，變?yōu)?15V和7.5V正負(fù)電源，Z4的負(fù)極為零電位點(diǎn)，引出至逆變模塊中U相上臂IGBT的發(fā)射極；從CPU來(lái)的激勵(lì)脈沖信號(hào)，經(jīng)R15輸入到U6的2、3腳之間。在正向脈沖到來(lái)時(shí)，PC923內(nèi)部光耦合器開(kāi)通，U6的6腳輸出為15V的驅(qū)動(dòng)電壓，經(jīng)R15送入逆變模塊中U相上臂IGBT柵極，使其快速開(kāi)通；在無(wú)脈沖或負(fù)向脈沖期間，U6的6腳輸出電壓幅值為7.5V的截止負(fù)壓，使所驅(qū)動(dòng)的IGBT迅速截止和維持截止?fàn)顟B(tài)。4.4開(kāi)關(guān)電源電路開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)

15、用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。另外，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源電路采用FLYBACK拓?fù)洌珼由輸入濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流/濾波電路和輸出電壓保護(hù)電路以及保護(hù)電路組成。圖11 F

16、LYBACH拓?fù)鋱D五、變頻器控制電路的設(shè)計(jì)5.1保護(hù)采樣電路保護(hù)采樣電路分為母線電壓檢測(cè)電路和三相電流檢測(cè)電路分別如圖12、13所示。圖12 母線電壓檢測(cè)電路圖檢測(cè)原理：從PN端采樣電壓通過(guò)U9和RC濾波送到A7840，經(jīng)過(guò)放大器處理后將放大的信號(hào)送入MCU中，經(jīng)過(guò)MCU的分析處理與所設(shè)值比較來(lái)判斷母線是否過(guò)壓。圖13 三相電流檢測(cè)電路圖檢測(cè)原理：有兩只外接電流互感器HR1和HR2來(lái)完成。電流互感器為四線制元件，由開(kāi)關(guān)電源提供15V和15V的工作電源，兩路電流采樣信號(hào)經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)處理成三路IU、IV、IW信號(hào)送入CPU主板電路，由后續(xù)電流信號(hào)處理電路放大處理后再輸入到CPU，完成保護(hù)報(bào)警、輸出控

17、制等功能。5.2微機(jī)處理芯片電路 控制器為Intel公司出品的16位微控制器，因其功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)，在變頻器產(chǎn)品中被得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)部電路包括算術(shù)邏輯部件（RLU）、寄存器、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、事件處理陣列（EPA）、三相到補(bǔ)SPWM輸出發(fā)生器、以及看門狗、時(shí)鐘及中斷控制電路等。變頻器電源/驅(qū)動(dòng)板功能是提供整機(jī)用的控制電源對(duì)CPU來(lái)的六路PWM脈沖電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，而CPU主板則以單片機(jī)為中心，匯聚了變頻器數(shù)字/模擬控制的輸入輸出信號(hào)處理電路、操作顯示的通信電路、各種電流電壓檢測(cè)電路和故障保護(hù)電路等。S87C196的69、70腳外接16MHz晶振，與內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生程序工作所需的

18、時(shí)鐘脈沖；22腳復(fù)位端與15V電源短接。變頻器的輸入輸出端子直接與單片機(jī)通過(guò)15-20引腳進(jìn)行通信聯(lián)系。圖14 S87C196管腳圖S87C196MH（MC）微控制器采用CHMOS工藝，工作溫度-40ºC-85ºC，支持16KB 的EPROM，當(dāng)晶體振蕩頻率為16MHz時(shí)，完成16位乘16位的乘法只需要1.75s。適和控制系統(tǒng)的快速性要求。有7個(gè)I/O口，每個(gè)端口引腳都為多功能的。 寄存器陣列有512B，分為低256B和高256B，低256B在ALU運(yùn)算過(guò)程中可以當(dāng)作256個(gè)累加器使用，高256B用作寄存器RAM，也可以通過(guò)特有的窗口技術(shù)，將高256B切換成具有累加器功能的

19、256B。微控制器內(nèi)部自帶13路10位/8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間可以設(shè)置在1.3940.2s之間，A/D也可以作為可編程比較器，在輸入跨過(guò)一個(gè)門檻電平時(shí)產(chǎn)生中斷。5.3變頻器的控制方式選擇變頻器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有線性v/f控制、拋物線特性v/f控制。將變頻器參數(shù)p1300設(shè)為0，變頻器工作于線性v/f控制方式，將使調(diào)速時(shí)的磁通與勵(lì)磁電流基本不變。適用于工作轉(zhuǎn)速不在低頻段的一般恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速對(duì)象。 將 p1300設(shè)為2，變頻器工作于拋物線特性v/f控制方式，這種方式適用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。這類負(fù)載的軸功率n近似地與轉(zhuǎn)速n的3次方成正比。其轉(zhuǎn)矩m 近似地與轉(zhuǎn)速n的平方成正比。對(duì)于這種負(fù)載，如果變頻器的v/f特性是線性關(guān)系，則低速時(shí)電機(jī)的許用轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而造成功率因數(shù)和效率的嚴(yán)重下 降。為了適應(yīng)這種負(fù)載的需要，使電壓隨著輸出頻率的減小以平方關(guān)系減小，從而減小電機(jī)的磁通和勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。六、個(gè)人小結(jié)本次1KW簡(jiǎn)易變頻器的設(shè)計(jì)可以說(shuō)是綜合性比較強(qiáng)的一次大作業(yè)，需要將所學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，可以說(shuō)是綜合性比較強(qiáng)的，尤其是開(kāi)關(guān)電源那一塊，各種電路的拓?fù)洌@次則采