第十六讲 变频器的设计

1、第四章第四章 变频器的设计变频器的设计山东大学山东大学4 变频器的设计变频器的设计本章提要本章提要交交-直直-交交PWM变频器的基本结构及作用变频器的基本结构及作用 变频器常用电力电子开关器件变频器常用电力电子开关器件 开关管缓冲电路设计开关管缓冲电路设计 变频器设计方法变频器设计方法 变频器散热系统设计变频器散热系统设计 一、变频调速系统设计的主要内容和步骤一、变频调速系统设计的主要内容和步骤（1）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求及技术条件。包括系）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求及技术条件。包括系统的基本功能、控制方案选择以及性能指标（响应时间、稳态精度、通统的基本功能、控

2、制方案选择以及性能指标（响应时间、稳态精度、通信接口）等；信接口）等；（2）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；（3）确定控制策略和控制方式；）确定控制策略和控制方式；（4）选择主控制芯片；）选择主控制芯片；（5）选择各物理量的传感器和检测电路；）选择各物理量的传感器和检测电路；（6）系统硬件设计，包括主电路模块、驱动与保护电路，与）系统硬件设计，包括主电路模块、驱动与保护电路，与CPU相关的相关的电路、外围设备、接口电路、逻辑电路及键盘显示模块；电路、外围设备、接口电路、逻辑电路及键盘显示模块；（7）系统软件设计，包括应用程序的设计、管理以及监控程序

3、的设计；）系统软件设计，包括应用程序的设计、管理以及监控程序的设计；（8）在各单元软硬件调试合格的基础上，进入系统实验与统调阶段。）在各单元软硬件调试合格的基础上，进入系统实验与统调阶段。变频调速系统的研制开发过程如图变频调速系统的研制开发过程如图4-22所示。所示。 图图4-22 变频调速系统的研发过程变频调速系统的研发过程研究系统要求确定主电路结构元器件参数计算系统方案设计确定控制策略进行计算机仿真是硬件与软件作用分工结束实验调试性能测试是否满足要求？否软件设计硬件设计CPU芯片选择二、变频器主电路设计 v 整流器输出接滤波电容，稳定整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器副边的相电工作

4、时流过变压器副边的相电流如图流如图4-24所示。所示。v 通过三相整流桥的每个整流二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，极管的电流波形近似为方波，如图如图4-254-25所示。所示。 1 1、整流二极管（、整流二极管（VD1VD6VD1VD6）的选择）的选择 二、变频器主电路设计v 则流过二极管的电流有效值为则流过二极管的电流有效值为v 故二极管的电流定额值为故二极管的电流定额值为 m3202mVD31)d(21ItIImVDed72. 2157. 1/IIIv 二极管的耐压二极管的耐压 ml2DV)32(UU式中，式中，U2lm整流器输入线电压峰值。整流器输入线电压峰值。 二

5、、变频器主电路设计v 考虑电解电容用作滤波时，考虑电解电容用作滤波时， C和负载的等效电阻的乘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积（时间常数）应远远大于三相整流桥输出电压的脉动周期动周期T=0.0033s（即为（即为3.3ms），则），则 )F(100033. 0*36fRC其中其中Rf为负载等效电阻。为负载等效电阻。 2、平滑滤波电容（、平滑滤波电容（C）的选择）的选择v 中间滤波环节的电解电容中间滤波环节的电解电容C有两个作用：一是对整流电有两个作用：一是对整流电路的输出电压滤波；二是吸收来自逆变电路由元件换向路的输出电压滤波；二是吸收来自逆变电路由元件换向

6、引起的续流能量和电动机在制动过程中回馈的能量。引起的续流能量和电动机在制动过程中回馈的能量。 二、变频器主电路设计v 考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只能按考虑将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。电动机骤停时，机械储能与漏感储能量关系来近似估计。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，即能之和等于电容上的储能，即222210D111()222C uuJLI 22D2201JL ICKu v 上式表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，上式表明，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，泵升电滤波电容的容量

7、也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，压值越低，K越小，所需的电容量也就越大。越小，所需的电容量也就越大。 v设过压系数设过压系数K=u1/u0（K1），则），则 二、变频器主电路设计v （1）要根据负载的最严重情况选择）要根据负载的最严重情况选择IGBT，如要适当考虑，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，异步电动机的启动电流，要考虑交流电流的峰值。因此，通过通过IGBT的集电极电流的集电极电流v （2）IGBT的耐压的耐压Uceo至少应为实际承担的最大峰值电压至少应为实际承担的最大峰值电压的的1.2倍以上，即倍以上，即 mc22 . 1II）（dceo22 . 1

8、UU）（3、IGBT（VT1VT6）的选择）的选择（二） 11.2kVA变频器设计举例 v 某双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改造成某双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改造成变频调速。要求速度变化范围为变频调速。要求速度变化范围为16750r/min，以满足工作，以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。试设计变频器。进给和快速返回的加工工艺要求。试设计变频器。v 已知被控对象的原始数据：已知被控对象的原始数据： 异步电动机型号：异步电动机型号：Y132M26 额定功率：额定功率：5.5kW 额定电压：额定电压：380V 额定电流：额定电流：12.6A 额定转速：额定转速：96

9、0r/min 系统能提供系统能提供2倍的额定转矩。倍的额定转矩。 设计步骤：设计步骤：v 决定变频器的工作方式 由设计要求可知，调速范围为1:47，低速性能要求高，故选用双极性IGBT-SPWM工作方式。v 设计变频器的主电路 由于采用双极性IGBT-SPWM变频器，变频器的主电路如图2-18所示。VT1BCAUdCVT4 VT3VT5VT6VT2M3 变频器的功率开关管的计算变频器的功率开关管的计算（1）计算通过IGBT的峰值电流Im Im由系统工作的最严重情况决定。由题意要求可知，系统要具有2倍额定电流的电磁转矩，再考虑交流电流的峰值，则（2）选用IGBT的电流定额值 由式（4-26）得出

10、IGBT的集电极电流 选用Ic50A的电流定额值。35.63AA6 .122222nmII35.63AA6 .122222nmII42.7AA63.352 . 12 . 1mcIIv （3）选用IGBT的电压定额值 变频器输出交流电压为380V。为此，必须用线电压为380V的交流电直接整流，直流侧整流电压 Ud=1.35380V=513V 由式（4-27），IGBT的耐压 选用Uceo1200V的IGBT。V0261V51322dceo UUv 4）由Uceo，Ic决定IGBT的型号 由Ic50A，Uceo1200V，选用日本富士公司生产的两单元IGBT模块组件，型号为2MBI50L/N-12

11、0。变频器的容量变频器的额定电流Ie应大于异步电动机的额定电流。11.2kVAA17V38033eeIUS4、整流二极管的计算、整流二极管的计算（1）计算整流二极管的电流定额Ied 由式（4-17）得 考虑滤波电容的充电电流的影响，需留有较大的电流余量，选用Ied60A。（2）计算整流二极管的电压定额UVD 由式（4-18）得： 则，选用UVD1600V。13AA63.3572.2172.21medIIemVD)32(UU537.4VV3802emU1612.2VV4 .53732emVD UU（3）决定整流二极管型号 由Ied60A和UVD1600V选用整流二极管。考虑减小变频器体积，故选用

12、三相整流桥模块组件（DF60AA160）。5、平波滤波电容器的计算 由式（4-19），取负载等效电阻Rf45得：6f0.00333*10 (F)220(F)CR 由于直流电压Ud513V，而220F的理想电容的最高耐压为450V，实际中电解电容值应考虑10倍的余量，选用四只2200F/450V电容两两并联再串联，以提高耐压，获得大容量。v交流电网侧阻容吸收环节的设计由式（4-12）决定电容C的大小：电容的耐压，取UC=630V。阻尼电阻由式（4-14）决定：电阻的功率计算，由式（4-15）得：取功率为25W。v 三、变频器主控制电路设计三、变频器主控制电路设计v （一）控制方式选择（一）控制方

13、式选择v U/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、基控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、基于智能控制理论的控制等，在设计时应根据被控对象、调于智能控制理论的控制等，在设计时应根据被控对象、调速要求和应用场合等加以选择。速要求和应用场合等加以选择。v 在要求简单调速的场合，可选用在要求简单调速的场合，可选用U/f控制方式，构成转速控制方式，构成转速开环的调速系统；在对调速性能有一定要求的场合，可选开环的调速系统；在对调速性能有一定要求的场合，可选用转差频率控制方式，构成转速闭环的调速系统；在对动用转差频率控制方式，构成转速闭环的调速系统；在对动态性能和调速范围要求较高的场合，则

14、可以选用矢量控制态性能和调速范围要求较高的场合，则可以选用矢量控制或直接转矩控制方式，构成高性能的调速系统。或直接转矩控制方式，构成高性能的调速系统。v 事实上，作为通用变频器的产品设计，一般都要有多种可事实上，作为通用变频器的产品设计，一般都要有多种可选的控制模式供用户使用，先进的控制模式一般需要输入选的控制模式供用户使用，先进的控制模式一般需要输入或测试电动机参数，故使用较麻烦，只是在一些类似伺服、或测试电动机参数，故使用较麻烦，只是在一些类似伺服、同步的精密传动的场合使用，对于绝大多数场合如风机水同步的精密传动的场合使用，对于绝大多数场合如风机水泵负载选用泵负载选用U/f控制方式即可满足要求控制方式即可满足要求（二）（二） 微处理器芯片的选择微处理器芯片的选择 v 掌握专用芯片可以实现那些控制波形