变频器主电路设计

1、3变频器主电路设计3.1 主电路的工作原理变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。 能实现这个 功能的装置称为变频器。 变频器由两部分组成:主电路和控制电路, 其中主电路 通常采用交 -直 -交方式, 先将交流电转变为直流电 (整流, 滤波 , 再将直流电转 变为频率可调的交流电(逆变 。在本设计中采用图 3.1的主电路,这也是变频器常用的格式 4。 图 3.1 电压型交直交变频调速主电路1. 交直电路设计选用整流管 61VD VD 组成三相整流桥,对三相交流电进行全波整流。整流 后的电压为 d U =1.35L U =1.35×380V=513V。滤波电容 F C

2、滤除整流后的电压波纹,并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时,滤波电容 F C 的充电电流很大,过大的冲击电流可能会损 坏三相整流桥中的二极管,为了保护二极管,在电路中串入限流电阻 L R ,从而 使电容 F C 的充电电流限制在允许的范围内。当 F C 充电到一定程度,使 L S 闭合, 将限流电阻短路。在许多下新型的变频器中, L S 已有晶闸管替代。电源指示灯 HL除了指示电源通电外,还作为滤波电容放电通路和指示。由于滤波电容的容量较大,放电时间比较长(数分钟 ,几百伏的电压会威胁人员 安全。因此维修时,要等指示灯熄灭后进行。B R 为制动电阻,在变频器的交流调速中,电动机的减速是

3、通过降低变频器的输出频率而实现的,在电动机减速过程中,当变频器的输出频率下降过快时, 电动机将处于发电制动状态, 拖动系统的动能要回馈到直流电路中, 使直流电路 电压 (称泵升电压 不断上升, 导致变频器本省过电压保护动作, 切断变频器的 输出。 为了避免出现这一现象, 必须将再生到直流电路的能量消耗掉, B R 和 B V 的 作用就是消耗掉这部分能量。 如图 3.1所示, 当直流中间电路上电压上升到一定 值,制动三极管 B V 导通,将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。2. 直交电路设计选用逆变开关管 61V V -组成三相逆变桥, 将直流电逆变成频率可调的交流电, 逆变管在这里选用

4、IGBT 。续流二极管 127VD VD -的作用是:当逆变开关管由导通变为截止时,虽然电 压突然变为零, 但是由于电动机线圈的电感作用, 储存在线圈中的电能开始释放, 续流二极管提供通道, 维持电流在线圈中流动。 另外, 当电动机制动时, 续流二 极管为再生电流提供通道,使其回流到直流电源。电阻 0601R R -,电容 0601C C -,二极管 0601VD VD -组成缓冲电路,来保护逆 变管。 由于开关管在开通和关断时, 要受集电极电流 c I 和集电极与发射极间的电 压 ce V 的冲击,因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变管关断时, ce V 迅速上升,c I 迅速降低, 过高增长

5、的电压对逆变管造成危害, 所以通过在逆变管两端并联电容(0601C C -来减小电压增长率。当逆变管开通时, ce V 迅速下降, c I 迅速升 高, 并联在逆变管两端的电容由于电压降低, 将通过逆变管放电, 这将加速电流c I 的增长率, 造成IGBT 的损坏。 所以增加电阻 0601R R -, 限制电容的放电电流。可是当逆变管关断时, 该电阻又会阻止电容的充电, 为了解决这个矛盾, 在电阻 两端并联二极管(0601VD VD - ,使电容充电时避开电阻,通过二极管充电。放 电时, 通过电阻放电, 实现缓冲功能。 这种缓冲电路的缺点是增加了损耗, 所以 适用于中小功率变频器。 因本次设计

6、所选用的电动机为中容量型, 在此选用此种 缓冲电路。1. 整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。 本设计中采用了三相桥式不控整 流电路, 主要优点是电路简单, 功率因数接近于 1, 由于整流电路原理比较简单, 设计中不再做详细的介绍 5。2. 逆变的基本工作原理将直流电转换为交流电的过程称为逆变。 完成逆变功能的装置叫做逆变器, 它 是变频器的主要组成部分,电压性逆变器的工作原理如下: (1单相逆变电路在图 3.2的单相逆变电路的原理图中:当 1S 、 4S 同时闭合时, ab U 电压为正; 2S 、 3S 同时闭合时, ab U 电压为负 。 由于开关 1S 4S 的轮番通断,从而

7、将直流电压 D U 逆变成了交流电压 ab U 。 可以看到在交流电变化的一个周期中,一个臂中的两个开关如:1S 、 2S 交 替导通,每个开关导通 电角度。因此交流电的周期(频率可以通过改变开关 通断的速度来调节,交流电压的幅值为直流电压幅值 D U 。图 3.2 单相逆变器原理图(2三相逆变电路三相逆变电路的原理图见图 3.3所示。图 3-3中, 1S 6S 组成了桥式逆变电路,这 6个开关交替地接通、关断就可 以在输出端得到一个相位互相差 32的三相交流电压。当 1S 、 4S 闭合时, V U u -为正; 3S 、 2S 闭合时, V U u -为负。 用同样的方法得:当 3S 、

8、6S 同时闭合和 5S 、 4S 同时闭合, 得到 W V u -, 5S , 2S 同时闭合和 1S 、 6S 同时闭合,得到 U W u -。为了使三相交流电 V U u -、 W V u -、 U W u -在相位上依次相差 32;各开关的接通、 关断需符合一定的规律, 其规律在图 3.3b 中已标明。 根据该规律可得 V U u -、 W V u -、UW u -波形如图 3.3c 所示。 a 结构图 b 开关的通断规律 c 波形图图 3.3 三相逆变器原理图观察 6个开关的位置及波形图可以发现以下两点:各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如 1S 、 2S 。各相的开关顺序以各

9、相的“首端”为准,互差 32电角度。如 3S 比 1S , 滞后 32, 5S 比 3S 滞后 32。上述分析说明,通过 6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电,只要调 节开关的通断速度就可调节交流电频率,当然交流电的幅值可通过 D U 的大小来 调节。3.2 主电路参数计算根据前面所给出的原始参数,主电路各部分的计算如下 6:1. 整流二极管的参数计算m I (峰值电流N=2×15.6=22.06A dI (有效值 = /m I 二极管额定电流值 e I =(1.52 Id/1.57=14.91A19.88A额定电压值 e U =(23 m U =(23×2×380=1074.64V1611.96V 2. 滤波电容系统采用三相不控整流,经滤波后 d U =1.1×2×380=591.05V。 3. 制动部分制动电阻粗略计算为 NdB I U R 2=N d I U =18.9437.89b V 击穿电压:当线电压为 380V时,根据经验值选 1000V 。BV 集 电 极 最 大 电 流 cm I:按 照 正 常 电 压 流 经 B R 电 流 的 两 倍 来 计 算 :bdCM R U I 2=2×591.05/18.94=62.41A4.IGBT 的选用峰值电压 =(22.