第十六講 變頻器的設(shè)計(jì)

1、第四章第四章 變頻器的設(shè)計(jì)變頻器的設(shè)計(jì)山東大學(xué)山東大學(xué)4 變頻器的設(shè)計(jì)變頻器的設(shè)計(jì)本章提要本章提要交交-直直-交交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用變頻器的基本結(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(jì)開關(guān)管緩沖電路設(shè)計(jì) 變頻器設(shè)計(jì)方法變頻器設(shè)計(jì)方法 變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和步驟一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和步驟（1）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)的總體要求及技術(shù)條件。包括系）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)的總體要求及技術(shù)條件。包括系統(tǒng)的基本功能、控制方案選擇以及性能指標(biāo)（響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)精度、通統(tǒng)的基本功能、控

2、制方案選擇以及性能指標(biāo)（響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)精度、通信接口）等；信接口）等；（2）設(shè)計(jì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定逆變器件類型；）設(shè)計(jì)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；）確定控制策略和控制方式；（4）選擇主控制芯片；）選擇主控制芯片；（5）選擇各物理量的傳感器和檢測(cè)電路；）選擇各物理量的傳感器和檢測(cè)電路；（6）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括主電路模塊、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，與）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括主電路模塊、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，與CPU相關(guān)的相關(guān)的電路、外圍設(shè)備、接口電路、邏輯電路及鍵盤顯示模塊；電路、外圍設(shè)備、接口電路、邏輯電路及鍵盤顯示模塊；（7）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、管理以及監(jiān)控程序

3、的設(shè)計(jì)；）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、管理以及監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)；（8）在各單元軟硬件調(diào)試合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)調(diào)階段。）在各單元軟硬件調(diào)試合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)調(diào)階段。變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制開發(fā)過程如圖變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制開發(fā)過程如圖4-22所示。所示。 圖圖4-22 變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)過程變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)過程研究系統(tǒng)要求確定主電路結(jié)構(gòu)元器件參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)確定控制策略進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是硬件與軟件作用分工結(jié)束實(shí)驗(yàn)調(diào)試性能測(cè)試是否滿足要求？否軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)CPU芯片選擇二、變頻器主電路設(shè)計(jì) v 整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時(shí)流過變壓器副邊的相電工作

4、時(shí)流過變壓器副邊的相電流如圖流如圖4-24所示。所示。v 通過三相整流橋的每個(gè)整流二通過三相整流橋的每個(gè)整流二極管的電流波形近似為方波，極管的電流波形近似為方波，如圖如圖4-254-25所示。所示。 1 1、整流二極管（、整流二極管（VD1VD6VD1VD6）的選擇）的選擇 二、變頻器主電路設(shè)計(jì)v 則流過二極管的電流有效值為則流過二極管的電流有效值為v 故二極管的電流定額值為故二極管的電流定額值為 m3202mVD31)d(21ItIImVDed72. 2157. 1/IIIv 二極管的耐壓二極管的耐壓 ml2DV)32(UU式中，式中，U2lm整流器輸入線電壓峰值。整流器輸入線電壓峰值。 二

5、、變頻器主電路設(shè)計(jì)v 考慮電解電容用作濾波時(shí)，考慮電解電容用作濾波時(shí)， C和負(fù)載的等效電阻的乘和負(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)周期動(dòng)周期T=0.0033s（即為（即為3.3ms），則），則 )F(100033. 0*36fRC其中其中Rf為負(fù)載等效電阻。為負(fù)載等效電阻。 2、平滑濾波電容（、平滑濾波電容（C）的選擇）的選擇v 中間濾波環(huán)節(jié)的電解電容中間濾波環(huán)節(jié)的電解電容C有兩個(gè)作用：一是對(duì)整流電有兩個(gè)作用：一是對(duì)整流電路的輸出電壓濾波；二是吸收來自逆變電路由元件換向路的輸出電壓濾波；二是吸收來自逆變電路由元件換向

6、引起的續(xù)流能量和電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中回饋的能量。引起的續(xù)流能量和電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中回饋的能量。 二、變頻器主電路設(shè)計(jì)v 考慮將用作吸收異步電動(dòng)機(jī)的回饋能量時(shí)，其容量只能按考慮將用作吸收異步電動(dòng)機(jī)的回饋能量時(shí)，其容量只能按能量關(guān)系來近似估計(jì)。電動(dòng)機(jī)驟停時(shí)，機(jī)械儲(chǔ)能與漏感儲(chǔ)能量關(guān)系來近似估計(jì)。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，即能之和等于電容上的儲(chǔ)能，即222210D111()222C uuJLI 22D2201JL ICKu v 上式表明，當(dāng)電壓泵升值一定時(shí)，負(fù)載側(cè)儲(chǔ)能越大，上式表明，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)，泵升電濾波電容的容量

7、也越大。而當(dāng)儲(chǔ)能一定時(shí)，泵升電壓值越低，壓值越低，K越小，所需的電容量也就越大。越小，所需的電容量也就越大。 v設(shè)過壓系數(shù)設(shè)過壓系數(shù)K=u1/u0（K1），則），則 二、變頻器主電路設(shè)計(jì)v （1）要根據(jù)負(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇）要根據(jù)負(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇IGBT，如要適當(dāng)考慮，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，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，通過通過IGBT的集電極電流的集電極電流v （2）IGBT的耐壓的耐壓Uceo至少應(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最大峰值電壓至少應(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最大峰值電壓的的1.2倍以上，即倍以上，即 mc22 . 1II）（dceo22 . 1

8、UU）（3、IGBT（VT1VT6）的選擇）的選擇（二） 11.2kVA變頻器設(shè)計(jì)舉例 v 某雙面銑組合機(jī)床的機(jī)械滑臺(tái)，由原來的齒輪變速改造成某雙面銑組合機(jī)床的機(jī)械滑臺(tái)，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變頻調(diào)速。要求速度變化范圍為16750r/min，以滿足工作，以滿足工作進(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計(jì)變頻器。進(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計(jì)變頻器。v 已知被控對(duì)象的原始數(shù)據(jù)：已知被控對(duì)象的原始數(shù)據(jù)： 異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)：異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Y132M26 額定功率：額定功率：5.5kW 額定電壓：額定電壓：380V 額定電流：額定電流：12.6A 額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速：96

9、0r/min 系統(tǒng)能提供系統(tǒng)能提供2倍的額定轉(zhuǎn)矩。倍的額定轉(zhuǎn)矩。 設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)步驟：v 決定變頻器的工作方式 由設(shè)計(jì)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。v 設(shè)計(jì)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。VT1BCAUdCVT4 VT3VT5VT6VT2M3 變頻器的功率開關(guān)管的計(jì)算變頻器的功率開關(guān)管的計(jì)算（1）計(jì)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

10、IGBT的集電極電流 選用Ic50A的電流定額值。35.63AA6 .122222nmII35.63AA6 .122222nmII42.7AA63.352 . 12 . 1mcIIv （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。V0261V51322dceo UUv 4）由Uceo，Ic決定IGBT的型號(hào) 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(hào)為2MBI50L/N-12

11、0。變頻器的容量變頻器的額定電流Ie應(yīng)大于異步電動(dòng)機(jī)的額定電流。11.2kVAA17V38033eeIUS4、整流二極管的計(jì)算、整流二極管的計(jì)算（1）計(jì)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(jì)算整流二極管的電壓定額UVD 由式（4-18）得： 則，選用UVD1600V。13AA63.3572.2172.21medIIemVD)32(UU537.4VV3802emU1612.2VV4 .53732emVD UU（3）決定整流二極管型號(hào) 由Ied60A和UVD1600V選用整流二極管。考慮減小變頻器體積，故選用

12、三相整流橋模塊組件（DF60AA160）。5、平波濾波電容器的計(jì)算 由式（4-19），取負(fù)載等效電阻Rf45得：6f0.00333*10 (F)220(F)CR 由于直流電壓Ud513V，而220F的理想電容的最高耐壓為450V，實(shí)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。v交流電網(wǎng)側(cè)阻容吸收環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)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(jì)算，由式（4-15）得：取功率為25W。v 三、變頻器主控制電路設(shè)計(jì)三、變頻器主控制電路設(shè)計(jì)v （一）控制方式選擇（一）控制方

13、式選擇v U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、基控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、基于智能控制理論的控制等，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象、調(diào)于智能控制理論的控制等，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象、調(diào)速要求和應(yīng)用場(chǎng)合等加以選擇。速要求和應(yīng)用場(chǎng)合等加以選擇。v 在要求簡(jiǎn)單調(diào)速的場(chǎng)合，可選用在要求簡(jiǎn)單調(diào)速的場(chǎng)合，可選用U/f控制方式，構(gòu)成轉(zhuǎn)速控制方式，構(gòu)成轉(zhuǎn)速開環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)；在對(duì)調(diào)速性能有一定要求的場(chǎng)合，可選開環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)；在對(duì)調(diào)速性能有一定要求的場(chǎng)合，可選用轉(zhuǎn)差頻率控制方式，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)；在對(duì)動(dòng)用轉(zhuǎn)差頻率控制方式，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)；在對(duì)動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速范圍要求較高的場(chǎng)合，則

14、可以選用矢量控制態(tài)性能和調(diào)速范圍要求較高的場(chǎng)合，則可以選用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式，構(gòu)成高性能的調(diào)速系統(tǒng)?；蛑苯愚D(zhuǎn)矩控制方式，構(gòu)成高性能的調(diào)速系統(tǒng)。v 事實(shí)上，作為通用變頻器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般都要有多種可事實(shí)上，作為通用變頻器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般都要有多種可選的控制模式供用戶使用，先進(jìn)的控制模式一般需要輸入選的控制模式供用戶使用，先進(jìn)的控制模式一般需要輸入或測(cè)試電動(dòng)機(jī)參數(shù)，故使用較麻煩，只是在一些類似伺服、或測(cè)試電動(dòng)機(jī)參數(shù)，故使用較麻煩，只是在一些類似伺服、同步的精密傳動(dòng)的場(chǎng)合使用，對(duì)于絕大多數(shù)場(chǎng)合如風(fēng)機(jī)水同步的精密傳動(dòng)的場(chǎng)合使用，對(duì)于絕大多數(shù)場(chǎng)合如風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載選用泵負(fù)載選用U/f控制方式即可滿足要求控制方式即可滿足要求（二）（二） 微處理器芯片的選擇微處理器芯片的選擇 v 掌握專用芯片可以實(shí)現(xiàn)那些控制波形