变频器课程设计要点.pdf
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1、目录 一、变频器的概述. 1 1.1 变频器的发展前景. 1 1.2 变频器的组成与分类. 1 1.3 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. 3 3.1 交流侧阻容吸收环节R、C 的选择 3 3.2 整流二极管的选择. 4 3.3 平滑滤波电容C的选择 5 3.4IGBT 的选择 . 6 四、变频器主电路的设计. 7 4.1 整流电路和上电缓冲电路. 7 4.2 逆变电路 . 8 4.3 驱动电路 . 9 4.4 开关电源电路. 11 五、变频器控制电路的设计. 12 5.1 保护采样电路. 12 5.2 微机处理芯片电路. 14 5.3 变频
2、器的控制方式选择. 15 六、个人小结16 七、参考文献 17 1 一、变频器的概述 1.1 变频器的发展前景 变频器( Variable-frequency Drive,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
3、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
4、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。
5、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
6、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
7、);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 =510。 电阻器 R的功率计算:。式中, k13(对三相桥式电路); k2900。 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,U2
8、lm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=0.5?。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
9、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(K1),则 若限定 K1.3,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 IGB
10、T 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)要考虑 IGBT的是受集电极电流IC 的增加而降低的, IC
11、越大, 越小。 (3) 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 四、变频器主电路的设计 变频器主电路包括:整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动 电路、开关电源电路; 4.1 整流电路和上电缓冲电路 整流电路和上电缓冲电路如图5 所示,采用的是电容滤波的三相 桥式不可控整流电路。 基本原理是: 该电路中当某一对二极管导通时 输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个,该线电压向电容共 电,也向负载供电。当没有二极管导通时,由电容向负载供电,输出 电压按指数规律下降。上电缓冲电路由充电电阻R1和继电器 S1构成, 经过三相整流桥整流后的六脉波300HZ的脉动直
12、流电压先经过充电 电阻 R1对模块外接电容进行充电, 等电容充电到一定的幅值时, CPU 输出一个充电继电器的闭合指令,继电器S1接通,将 R1短接,变频 器随后才进入待机状态。 8 图 5 整流电路和上电缓冲电路 4.2 逆变电路 逆变电路如图 6 所示,从电路结构上看三相桥式PWM 变频电路只 能选用双极性控制方式,其工作原理如下:三相调制信号URU 、URV 和 URW 为相位依次相差 120的正弦波,而三相载波信号是共用一个 正负方向变化的三角形波UC 。UVW相自关断开关器件的控制方法相 同,以 U相为例:在 URUUC 的各区间,给上桥臂 IGBTV1以导通驱动 信号,而给下臂V4
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