電壓源型變頻器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1、 XXXXXXXXXXXX 電壓源型變頻器保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 XX 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 完成日期 2011年11月9日 目錄1、2008級實(shí)訓(xùn)任務(wù)書 12、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及對象 23、 電壓源型變頻器主電路的構(gòu)成及基本原理 24、四種保護(hù)發(fā)生的原因及對策 35、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng) 56、四種保護(hù)電路電路圖 57、總結(jié) 9 2008級實(shí)訓(xùn)任務(wù)書1、題目：電壓源型變頻器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。2、技術(shù)參數(shù)變頻器主電路的技術(shù)參數(shù):輸入電壓380V,容量5.5KW,額定電流10A。過壓保護(hù):直流側(cè)電壓大于800V時(shí),產(chǎn)生過壓保護(hù)信號欠壓保護(hù):當(dāng)輸入電壓小于10%額定電壓時(shí), 產(chǎn)生欠壓保護(hù)信號過流保

2、護(hù):當(dāng)電流超過2.24倍額定電流時(shí), 產(chǎn)生過流保護(hù)信號過熱保護(hù):當(dāng)散熱片溫度超過60度時(shí), 產(chǎn)生過熱保護(hù)信號將檢測到的各種信號轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號.3、設(shè)計(jì)要求：熟悉電壓源型變頻器主電路的構(gòu)成及基本原理。掌握各種保護(hù)發(fā)生的原因及保護(hù)的作用。 設(shè)計(jì)四種保護(hù)電路,同時(shí)要有強(qiáng)弱電隔離功能.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性。4、工作量： 熟悉電壓源型變頻器主電路的構(gòu)成及基本原理：20學(xué)時(shí)；掌握各種保護(hù)發(fā)生的原因及保護(hù)的作用：10學(xué)時(shí)；設(shè)計(jì)四種保護(hù)電路：50學(xué)時(shí)；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性：20學(xué)時(shí)。5、工作計(jì)劃： 第一周：掌握電壓源型變頻器主電路的構(gòu)成及基本原理, 分析各種保護(hù)發(fā)生的原因及保護(hù)的

3、作用,設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路. 第二周：設(shè)計(jì)欠壓保護(hù),過流保護(hù),過熱保護(hù)電路。 第三周：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)正并書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及對象 本設(shè)計(jì)主要是針對電壓源型變頻器主電路的保護(hù)，分為過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)，同時(shí)針對四種保護(hù)電路進(jìn)行分析。 本設(shè)計(jì)中的保護(hù)電路是對電壓源型變頻器主電路的保護(hù),因此,必須熟悉主電路的構(gòu)成和電路中各個(gè)元器件的作用,并要分析故障產(chǎn)生的原因和過程,過電壓的產(chǎn)生不是因電源過高,而是因變頻器所帶的電動機(jī)在減速過程中,電機(jī)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢經(jīng)反并聯(lián)二極管回到直流側(cè)產(chǎn)生的,因此,檢測的位置在直溜側(cè)電容的兩端,因直流側(cè)的濾波電容額定電壓是800V,所以,過電壓保護(hù)值

4、定為800V.欠電壓則是因電源電壓過低造成的,設(shè)定欠電壓的保護(hù)值是額定電壓的10%.過電流是一般是因負(fù)載短路或逆變電路中器件損壞短路或逆變電路觸發(fā)信號錯(cuò)誤造成的,檢測的位置應(yīng)在直溜母線上,這樣上述各種過流才能都檢測到.過熱是因整流,逆變等開關(guān)器件在工作中發(fā)熱產(chǎn)生的,因此,應(yīng)檢測安裝器件的散熱片的溫度,過熱保護(hù)的溫度一般設(shè)定在60度。 二、電壓源型變頻器主電路的構(gòu)成及基本原理 整流電路 濾波電路 制動電路 逆變電路 其主電路主要由整流電路、濾波電路、逆變電路及制動電路等幾部分構(gòu)成，其中絕緣柵雙極晶體管構(gòu)成了變頻器主要硬件。(1) 電壓源型變頻器主電路中各種期間的名稱及作用 1、D1D6：（二極管

5、）整流二極管（六合一或二合一）。 2、R1：（電阻）限流充電電阻 KM：（接觸器觸點(diǎn)）延時(shí)切除R1 （充電電流）Icq=U/R3、 C1、C2：（電解電容）濾波作用4、 R2、R3：（電阻） 均壓電阻：電容誤差10%，電阻誤差10%，C1、C2額定電 壓400450V，必須兩個(gè)串聯(lián)。 放電電阻5、RD：快速熔斷器過流保護(hù) 6、T4、R4：能耗制動回路 Udc760V打開 7、T1T6：逆變 8、D11D16：反并聯(lián)二極管（2）變頻調(diào)速的基本原理 異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速 n0 = 60f1 / np=6050np = 3000 np=1 1500 np=2 1000 np=3 750 np=4（3）

6、變頻電源主電路類型1、電壓源型 大電容濾波（C1、C2） 二極管整流 輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波 送變側(cè)必須有反并聯(lián)二極管2、 電流源型 大電感濾波 晶閘管整流 輸出電流為矩形波，輸出電壓近似正弦波 送變側(cè)不需要反并聯(lián)二極管3、 四種保護(hù)發(fā)生的原因及對策 電壓源變頻器過電壓原因及對策 1、對于無制動電阻及制動單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在停機(jī)時(shí)可能出現(xiàn)過電壓原因：主要原因是減速時(shí)間設(shè)定太短，造成停機(jī)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于此時(shí)的轉(zhuǎn)速。對策：增加減速時(shí)間或加裝制動電阻或制動單元。2、對于有制動電阻及制動單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在制動時(shí)出現(xiàn)過電壓原因：制動電流設(shè)定太大或制動的時(shí)間太短，或制動加入的時(shí)間過早。

7、對策：減小制動電流或延長制動時(shí)間，降低加入制動時(shí)的頻率（在頻率降到更低時(shí)再加入制動）。3、在變電所或供電線路中投入補(bǔ)償電容時(shí)，導(dǎo)致變頻器發(fā)生過電壓故障原因：在投入補(bǔ)償電容時(shí)會引起電網(wǎng)出現(xiàn)尖峰電壓，導(dǎo)致變頻器過電壓故障。對策：在變頻器輸入側(cè)加裝AC電抗器。4、制動或減速時(shí)間過短原因：當(dāng)制動或減速時(shí)間過短時(shí)，電機(jī)反饋產(chǎn)生的大量能量會積聚在濾波電容上，從而造成變頻器過電壓。對策：在滿足控制要求的條件事，適當(dāng)增加或延長制動時(shí)間或減速時(shí)間。5、雷電過電壓原因：當(dāng)發(fā)生雷電時(shí)，會造成電網(wǎng)產(chǎn)生高電壓，沖擊變頻器導(dǎo)致過電壓故障。對策：同上，在在變頻器輸入側(cè)加裝AC電抗器，增強(qiáng)變頻器抗電壓變化的能力。6、電源過電

8、壓原因：一般變頻器輸入電壓都允許一定程度的過電壓，但此允許的過電壓持續(xù)有一定的時(shí)間限制的，當(dāng)過電壓持續(xù)一定的時(shí)間后，變頻器會過電壓報(bào)警。對策：變頻器DC電壓上限值一般設(shè)定在電壓700V以上，相當(dāng)于輸入AC電源電壓500V左右，比380V超過了30%以上，此種情況很少出現(xiàn)。對短時(shí)間的電源過電壓可以靠加裝AC電抗器來預(yù)防。電壓源變頻器欠電壓原因及對策 1、電源缺相原因：當(dāng)變頻器電源缺相后，三相整流變成二相整流，在帶上負(fù)載后，致使整流后的DC電壓偏低，造成欠壓故障。對策：檢查變頻器電源的空開或接觸器觸點(diǎn)是否接觸良好，觸點(diǎn)電阻是否太大，輸入電壓是否正常等。2、變頻器內(nèi)部直流回路的限流電阻或短路限流電阻

9、的晶閘管損壞原因：當(dāng)限流電阻或短路限流電阻的晶閘管損壞時(shí)，變頻器內(nèi)部的濾波電容就不能充電，造成欠壓故障。對策：找到電阻或晶閘管損壞的原因（如電機(jī)頻繁起動，變頻器容量小和電機(jī)不匹配等），更換限流電阻或晶閘管。3、同時(shí)工作或同時(shí)起動的變頻器過多原因：當(dāng)多臺變頻器同時(shí)起動或工作時(shí)，會造成電網(wǎng)電壓出現(xiàn)短暫的下降，當(dāng)電壓下降持續(xù)時(shí)間超過變頻器允許的時(shí)間（一般變頻器都有一個(gè)允許壓降的最短時(shí)間）時(shí)，就會造成變頻器的欠壓故障。對策：盡量減少同時(shí)起動或工作的變頻器的臺數(shù)，變頻器輸入側(cè)加裝AC電抗器，實(shí)在不行就增加供電變壓器的容量。4、外界或變頻器之間的干擾原因：外界的干擾或變頻器間的互相干擾可能造成變頻器檢測電

10、子線路非正常工作，導(dǎo)致變頻器的誤報(bào)警。對策：增強(qiáng)變頻器的抗干擾能力 電壓源變頻器過電流原因及對策1、電源電壓過高2、變頻器輸出短路3、V/F特性電壓提升太大原因：如果V/F電壓提升太大，變頻器輸出頻率已經(jīng)比較高了，而電機(jī)轉(zhuǎn)速還比較低（即電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化滯后于變頻器頻率的變化），就會造成失速故障，導(dǎo)致變頻器過流故障。對策：低速電壓提升要在實(shí)際中反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不要設(shè)置太大，否則會導(dǎo)致變頻器一起動就發(fā)生過流故障。4、載波頻率設(shè)置太高原因：當(dāng)變頻器載波頻率設(shè)置比較高時(shí)，開關(guān)管的開關(guān)速率比較高，發(fā)熱量增加。因此，當(dāng)提高變頻器的載波頻率時(shí)，也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低變頻器的負(fù)荷電流。對策：在滿足調(diào)速要求的前提下，降低變頻器

11、的載波頻率。5、起動加速時(shí)間太短原因：變頻器輸出頻率的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（失速），造成過電流故障。對策：延長變頻器的加速時(shí)間。6、負(fù)載突然增大原因：負(fù)載突然增大時(shí)，電流也會隨之增大，當(dāng)電流超過變頻器設(shè)定的過電流值時(shí)，為保護(hù)變頻器內(nèi)部器件，會報(bào)“過電流”故障跳閘。對策：分析負(fù)載突變的原因，如有可能，可以適當(dāng)增大變頻器的容量。 電壓源變頻器過熱原因及對策 1、周圍環(huán)境溫度過高原因：變頻器內(nèi)部是由無數(shù)個(gè)電子器件構(gòu)成的，其工作時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量，尤其是IGBT工作在高頻狀態(tài)下，產(chǎn)生的熱量會更多。如果環(huán)境溫度過高，也會導(dǎo)致變頻器內(nèi)部元器件溫度過高，為保護(hù)變頻器內(nèi)部電路，此時(shí)變頻器會報(bào)溫度高故障并

12、停機(jī)。對策：降低變頻器所在場所的溫度，如可以加裝空調(diào)或風(fēng)扇等強(qiáng)制制冷措施。2、變頻器通風(fēng)不良原因：如變頻器本身的風(fēng)道堵塞或控制柜的風(fēng)道被阻塞時(shí)，會影響變頻器內(nèi)部的散熱，導(dǎo)致變頻器過熱報(bào)警。對策：定期檢修變頻器，清除其風(fēng)道的垃圾，順暢風(fēng)道。3、風(fēng)扇卡阻或損壞原因：變頻器風(fēng)扇壞時(shí)，大量的熱量積聚在變頻器內(nèi)部散不出去。對策：更換風(fēng)扇。4、負(fù)載過重原因：當(dāng)變頻器所帶負(fù)載過重（小馬拉大車）時(shí)，會產(chǎn)生過大的電流，產(chǎn)生大量的熱量，有時(shí)變頻器也會過熱報(bào)警。對策：減小負(fù)載或增加變頻器的容量。 四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)(1) 過電壓保護(hù)信號檢測的位置在兩只串聯(lián)電容的兩端(其它位置不合適);過電壓信號我們只關(guān)心是否達(dá)

13、到800V,小于800V的電壓信號不需要,因此檢測電路只是電壓閥值(800V)的判斷電路,不需要檢測電壓的連續(xù)變化量,因設(shè)計(jì)要求要將檢測信號轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能識別的信號,因此,在檢測電路中必須有強(qiáng)弱電隔離電路,此電路一般用光電耦合器實(shí)現(xiàn)(注意:要用快速光耦,保證響應(yīng)速度).(2)欠電壓保護(hù)信號檢測的位置可以在兩只串聯(lián)電容的兩端,也可以在其它器位置,只要能檢測到電源電壓即可,欠電壓信號要的也是閥值信號,不必檢測連續(xù)變化量, 檢測信號要轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能識別的信號,必須有強(qiáng)弱電隔離電路. (3)過電流保護(hù) 因檢測位置在直流母線上,因此,檢測的是直流電流信號,檢測的方法有:直流電流互感器,霍爾互感器或用小電

14、阻檢測,可根據(jù)情況設(shè)計(jì)相應(yīng)電路.規(guī)定保護(hù)電流值是額定電流的2.24倍,因需要的仍然是閥值信號,因此不必檢測連續(xù)變化量,該電路也要有隔離功能并轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識別信號.(4)過熱保護(hù) 過熱保護(hù)的溫度仍是閥值信號,檢測器件有溫度傳感器,熱動開關(guān)等.該電路要獎(jiǎng)溫度信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識別的電信號,也要有隔離功能. 五、四種保護(hù)電路電路圖1、過壓保護(hù)電路 過壓保護(hù):直流側(cè)電壓大于800V時(shí),產(chǎn)生過壓保護(hù)信號當(dāng)電壓超過800V時(shí)，電路發(fā)生過壓保護(hù)。設(shè)電阻R1、R2、R3、R4、R7阻值為7K，R5電阻值為105，R7阻值為20k.A點(diǎn)電壓： 電阻R6的計(jì)算：LM324系列器件為帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。

15、H11A817為光電耦合器。基本原理： 當(dāng)電壓超過800V時(shí)，A點(diǎn)電壓將超過3V，比較器V+電壓超過3V，運(yùn)放輸出為低電平，導(dǎo)致通過發(fā)光二極管電壓升高，光敏元件產(chǎn)生電流，光電耦合器工作。當(dāng)光電耦合器工作時(shí)連同單片機(jī)將信號傳遞給微機(jī)進(jìn)行檢測及保護(hù)工作。因?yàn)閱纹瑱C(jī)能通過的電壓較小，所以設(shè)R7為大電阻使其通過的電流變小，才能不會燒壞單片機(jī)。2、欠壓保護(hù)電路 欠壓保護(hù):當(dāng)輸入電壓小于10%額定電壓時(shí), 產(chǎn)生欠壓保護(hù)信號設(shè)R2、R3阻值為200k，R6阻值為10K。Ud的計(jì)算：設(shè)穩(wěn)壓二極管電壓為2.5VR1的計(jì)算： R4的計(jì)算：R5的計(jì)算：光電耦合器的工作電源一般為8mA15mA,取9.5mA。其中LM

16、324系列器件為帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。H11A817為光電耦合器。74HC74為非門。基本原理： 比較器的V-端為比較端，當(dāng)Ud電壓低于342V時(shí)，V+電壓低于V-端（因?yàn)閂-端有穩(wěn)壓二極管）A點(diǎn)輸出為高電位，B點(diǎn)為高電位，經(jīng)非門翻轉(zhuǎn)C點(diǎn)為低電位，導(dǎo)致通過發(fā)光二極管電壓升高，光敏元件產(chǎn)生電流，光電耦合器經(jīng)觸發(fā)工作，將信號傳遞給單片機(jī)，發(fā)出信號進(jìn)行保護(hù)工作。若Ud電壓不低于342V時(shí)，光電耦合器并不觸發(fā)，繼而不會給單片機(jī)發(fā)出信號。3、 過流保護(hù)電路 過流保護(hù):當(dāng)電流超過2.24倍額定電流時(shí), 產(chǎn)生過流保護(hù)信號R3的計(jì)算：光電耦合器的工作電源一般為8mA15mA,取9.5mA，光電耦合器為

17、H11A817。 設(shè)R、R1、R2、R4阻值為10k、10、10k、10k，C1、C2為0.1u。VREF的選?。杭僭O(shè)電路正常工作時(shí)電流為22.4A時(shí)，通過R1的電流也為22.4A，則R1上的電壓為224V。所以選取VREF=224V?；驹恚?設(shè)電流傳感器的基本值為22.4A，當(dāng)電路過流工作時(shí)，流過其電流將大于22.4A則R1上的電流也將變大，電壓跟著變大。V+的電壓將大于V-的電壓，運(yùn)放輸出低電平，導(dǎo)致通過發(fā)光二極管電壓升高，光敏元件產(chǎn)生電流，光電耦合器工作。當(dāng)光電耦合器工作時(shí)連同單片機(jī)將信號傳遞給微機(jī)進(jìn)行檢測及保護(hù)工作。因?yàn)閱纹瑱C(jī)能通過的電壓較小，所以設(shè)R4為大電阻使其通過的電流變小，

18、才能不會燒壞單片機(jī)。4、 過熱保護(hù)電路 過熱保護(hù)電路我們可以通過熱電開關(guān)和溫度傳感器兩種元件進(jìn)行保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，首先是運(yùn)用熱電開關(guān)（1）熱電開關(guān) 光電耦合器為H11A817 過熱保護(hù):當(dāng)散熱片溫度超過60度時(shí), 產(chǎn)生過熱保護(hù)信號。基本原理：本電路中所用熱電開關(guān)為雙金屬片式熱電開關(guān)，雙金屬片在常溫時(shí)是平直的，但受熱后膨脹系數(shù)大的金屬片伸長較多，而膨脹系數(shù)小的金屬片伸長較短，當(dāng)溫度大于60度時(shí)雙金屬片向膨脹系數(shù)小的一面彎曲變形，當(dāng)其彎曲后開關(guān)合上，電路導(dǎo)通。導(dǎo)致通過發(fā)光二極管電壓升高，光敏元件產(chǎn)生電流，光電耦合器工作。當(dāng)光電耦合器工作時(shí)連同單片機(jī)將信號傳遞給微機(jī)進(jìn)行檢測及保護(hù)工作。因?yàn)閱纹瑱C(jī)能通過

19、的電壓較小，所以設(shè)R2為大電阻使其通過的電流變小，才能不會燒壞單片機(jī)。(2)溫度傳感器關(guān)于R1的計(jì)算：溫度傳感器兩端的電壓為12V，D1兩端的電壓為0.7V。溫度傳感器的電流范圍為010mA,這里取7.5mA。設(shè)R2的阻止為10K，光電耦合器為H11A817?；驹恚簻囟葌鞲衅鞯臏囟仍O(shè)為60，當(dāng)溫度高于60時(shí)，溫度傳感器的電阻增大電壓減小，而總的電壓不變，從而使發(fā)光二極管電壓升高，光敏元件產(chǎn)生電流，光電耦合器工作。當(dāng)光電耦合器工作時(shí)連同單片機(jī)將信號傳遞給微機(jī)進(jìn)行檢測及保護(hù)工作。因?yàn)閱纹瑱C(jī)能通過的電壓較小，所以設(shè)R2為大電阻使其通過的電流變小，才能不會燒壞單片機(jī)。 六、總結(jié) 通過三個(gè)星期的努力

20、，在老師與同學(xué)們的指導(dǎo)幫助下，電壓源型變頻器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)順利的完成了。 本電壓源型變頻器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是針對過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、過熱保護(hù)四方面進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對四種現(xiàn)象發(fā)生的原因及對策、四種保護(hù)電路圖的分析進(jìn)行了主要研究，而對電壓源型變頻器的主電路分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)及對策進(jìn)行了略微分析處理。加深了對保護(hù)電路的認(rèn)識，提高了自己的分析能力。并且學(xué)會了運(yùn)用Protel軟件進(jìn)行繪制電路圖。在設(shè)計(jì)過程中也遇到了一些困難和挑戰(zhàn)，但是憑借著自己的努力，一一克服了，并且成功按照要求設(shè)計(jì)出了電壓源型變頻器保護(hù)電路。tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FH

21、Yi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1Dka