電流型變頻器主電路參數(shù)設(shè)計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文）電流型變頻器的主電路參數(shù)計算及設(shè)計摘 要為了保證整個變頻器系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且發(fā)揮最大效率。選擇主電路的參數(shù)就是選擇變頻器的關(guān)鍵。為合理的選擇變頻器的各器件及其參數(shù)。要根據(jù)變頻器的原理及其具體應(yīng)用，在聯(lián)系實際效果。首先確定電流型變頻器的主電路圖。然后合理的安排各器件的個數(shù)。本系統(tǒng)的整流器的主要器件為二極管和電容。對于其元件的選用，要保證其組合的系統(tǒng)既要保證運(yùn)行，又不能發(fā)生過載。作為電流型變頻器，對于其濾波電路的大電感，要保證其能承受最大電壓，在此基礎(chǔ)上合理選擇其電感量。對于逆變器的電流，保證其和整流部分相同即可。但是對絕緣柵雙極晶體管

2、的參數(shù)選擇尤其重要。最后還要保證整個系統(tǒng)的各個部件能夠協(xié)調(diào)在一起。綜上所訴，能否選擇合理的參數(shù)將直接影響系統(tǒng)性能。本文通過對整個系統(tǒng)合理分析計算并聯(lián)合實際, 直觀的介紹了電流型變頻器主電路元件參數(shù)的選用和計算。關(guān)鍵詞：變頻器；PWM整流器；整流調(diào)速；交流調(diào)速； 目 錄第一章緒論1第二章 課程設(shè)計的方案22.1 概述22.2 電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2第三章 變頻器概述53.1變頻器概述53.2電流型變頻器6第四章 電流型變頻器主電路84.1電流型變頻器主電路選擇84.2 電流型變頻器主電路參數(shù)設(shè)計8第五章 課程設(shè)計總結(jié)13參考文獻(xiàn)14IV第一章 緒論 變頻器是近20年來發(fā)展起來且日趨成熟的一門新技術(shù)。

3、由于它完善的功能，良好的經(jīng)濟(jì)性且實際應(yīng)用也日趨廣泛。對提高產(chǎn)量，增加效率，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮了重要作用。由此應(yīng)運(yùn)而生變頻調(diào)速。進(jìn)入21世紀(jì)，變頻調(diào)速正在逐步地成為電氣傳動的中樞。變頻調(diào)速交流變頻器最為常用。我們將交流變頻調(diào)速的設(shè)備稱為變頻器。交流變頻器可以分為濾波部分、整流部分、控制部分、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等等。一般認(rèn)為交流電動機(jī)的感應(yīng)電勢約等于交流電機(jī)的端電壓，和頻率和磁通的乘積成正比。當(dāng)頻率上升且端電壓保持不變時，勢必造成磁通量的減少，而磁通量增加將造成電機(jī)磁飽和。頻率下降時即高于電源頻率，磁通量將增加，造成電機(jī)不足。無論飽和還是欠不足，對電機(jī)都是有關(guān)于交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

4、變頻器調(diào)速技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用具有非常廣泛的特點，它的電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，例如位置、速度、加速度等。實現(xiàn)電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。交流調(diào)速是交流調(diào)速為控制對象的控制系統(tǒng)，直流調(diào)速是直流調(diào)速為控制對象的控制系統(tǒng)。近年來變頻調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。變頻調(diào)速作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部分中。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、大功率電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 大規(guī)模集成電路和微機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動機(jī)變頻技術(shù)已日趨

5、完善， 變頻調(diào)速器用于交流異步電動機(jī)調(diào)速， 其性能勝過以往任何一種交流調(diào)速方式， 已成為電動機(jī)調(diào)速最新潮流?，F(xiàn)在，以變頻器為主要環(huán)節(jié)的交流調(diào)速作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速已廣泛在鋼鐵、冶金、石油、化工、紡織、印染、醫(yī)藥、造紙、卷煙、高層建筑供水、建材及機(jī)械行業(yè)應(yīng)用， 功率大到上萬千瓦的軋鋼機(jī)， 小到只有幾十瓦的公園噴水頭， 從工廠裝備到家用電器， 應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊， 并且還將繼續(xù)擴(kuò)大。 第二章 課程設(shè)計的方案2.1 概述本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，

6、聯(lián)合實際并查閱相關(guān)資料。設(shè)計并計算電流型變頻器主電路各器件的參數(shù)，讓我們在大學(xué)期間內(nèi)在基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用交流調(diào)速課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，以掌握電流型變頻器調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的基本原理及如何應(yīng)用。應(yīng)用場合: 可應(yīng)用于大多數(shù)交流調(diào)速系統(tǒng) 。電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過電流，保護(hù)的可靠性較高，所以多用于負(fù)載電流變化較大的場合。系統(tǒng)的主要功能介紹: 電流型變頻器作為變頻器的一條分支。其主要功能有保護(hù)功能，控制功能，升速和降速功能，控制模式的選擇功能，頻率給定的功能。2.2 電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電流型變頻器主要有主電路

7、和控制電路兩部分構(gòu)成。首先介紹主電路部分。如下圖所示，圖1為電流型變頻器的主電路。圖1 電流型變頻器主電路 1.主電路主電路是給電機(jī)提供調(diào)壓調(diào)速電源的電力部分。通常由三部分構(gòu)成。即整流器，逆變器和濾波回路。如果當(dāng)電機(jī)需要制動時，還要附加制動回路。同時主電路各器件參數(shù)的大小直接影響系統(tǒng)的性能。1） 整流器。它又稱為電網(wǎng)側(cè)變流器，其作用是將交流工頻電源直流電。本電路所采用的整流器是用二極管構(gòu)成的不可控三相橋式電路。 2）逆變器。它又稱為負(fù)載側(cè)變流器。與整流器相反，逆變器是將直流電重新變換為交流電。此電流型變頻器是利用6個絕緣柵雙極晶體管組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)器件的導(dǎo)通與

8、關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。 3）濾波回路。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動。本電路采用大電容來吸收脈動電壓。 2.控制電路給電動機(jī)供電（電壓，頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的電路。稱為控制電路。控制電路的主要作用是將檢測到的各種信號傳送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為主電路提供必要的驅(qū)動信號，同時對異步電動機(jī)提供必要的保護(hù)。圖2為控制電路電路圖控制電路由以下電路組成：運(yùn)算電路，驅(qū)動電路，檢測電路，輸入輸出接口控制電路，數(shù)字控制輸入。 1）運(yùn)算電路。將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令和檢測電路的電流，電壓信

9、號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。此控制電路的運(yùn)算電路為一個分段函數(shù)。 2）驅(qū)動電路。為驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 3）檢測電路。包括電流、電壓檢測電路和速度檢測電路。電流、電壓檢測電路與主回路隔離檢測電壓電流等；速度檢測電路是以裝在電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路。根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。4）輸入輸出接口控制電路。是變頻器的主要外部聯(lián)系通道。輸入信號接口主要有頻率信號設(shè)定端和輸入信號控制端。輸出信號接口主要有狀態(tài)信號輸出端，報警信號輸出端和測量儀表輸出端。本電路的輸入端是正弦參考信號和三角波

10、發(fā)生信號相組合的觸發(fā)信號。 5）數(shù)字控制輸入。可設(shè)定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，完成頻率的分段選擇及數(shù)據(jù)通信等。 圖2 電流型變頻器控制電路第三章 變頻器概述 3.1變頻器概述日趨廣泛，對提高產(chǎn)量，節(jié)約能源提高經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮了重要作用。變頻器部份是一個利用固態(tài)電子器件的電力電子系統(tǒng)，大多數(shù)的變頻器是交流/交流轉(zhuǎn)換器，輸入及輸出都是交流的電壓。不過像使用共同直流電源（common DC bus）或是利用太陽能為電源時，則會使用直流/交流轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)。交流/交流轉(zhuǎn)換器可分為三個部份：分別是交流轉(zhuǎn)換為直流的整流器、直流鏈（DC link）及是直流轉(zhuǎn)換為交流的逆變器。變頻器是近20年來發(fā)展起來且日趨成熟的一門新技

11、術(shù)，由于它完善的功能，實際應(yīng)用也變頻器的輸出是利用逆變器，用脈沖寬度調(diào)變（PWM）的方式輸出交流電壓，其中正弦波PWM（SPWM）是最直接調(diào)整電動機(jī)電壓及頻率的方式，在右圖上方，有大小及頻率均可調(diào)整的正弦參考波訊號及鋸齒型的載波訊號，如果參考信號超過載波，則輸出高電位。反之，則輸出低電位，即可產(chǎn)生一個脈沖寬度隨時間變化的輸出訊號，輸出訊號在濾波后即接近正弦波。當(dāng)電動機(jī)利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時，能否合理選擇變頻器將直接影響調(diào)速系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣。通常變頻器的選擇包括變頻器類型選擇和容量選擇兩個方面。變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。而容量的選擇應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。利用變

12、頻器可以將電動機(jī)在大于額定速度的條件下運(yùn)作，但提供給電動機(jī)的功率不得超過其額定功率。這種應(yīng)用稱為“弱磁”，而電壓和頻率的比例也會較低。永磁同步電動機(jī)由于磁鐵產(chǎn)生的磁鏈為定值，因此弱磁區(qū)的速度范圍較窄，繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)及感應(yīng)電動機(jī)弱磁區(qū)的速度范圍較廣，例如對100 hp, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM（4極）的感應(yīng)電動機(jī)提供460 V, 75 Hz的電壓（6.134 V/Hz），其轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的125%（2218.75 RPM），在輸出功率不超過100%的條件下，其轉(zhuǎn)速只有額定轉(zhuǎn)矩的60/75 = 80%。若感應(yīng)電動機(jī)的速度更高時，造成崩潰轉(zhuǎn)矩（br

13、eakdown torque）的下降，電動機(jī)所能輸出的轉(zhuǎn)矩會更低。一般電動機(jī)可輸出額定功率的轉(zhuǎn)速上限約為額定轉(zhuǎn)速的130%至150%，繞線同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上限更高，有些碾軋用的電動機(jī)可以在額定轉(zhuǎn)速的200%至300%時輸出額定功率，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速則受轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度所限制。變頻器中會有一個以微處理器或數(shù)位訊號處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)，控制變頻器的運(yùn)作。相關(guān)程序則是在微處理器或者數(shù)位訊號處理器的固件中。變頻器會提供顯示資訊、變量及機(jī)能方塊有關(guān)的參數(shù)，使用者可以透過操作器或通訊進(jìn)行修改，來監(jiān)制及保護(hù)變頻器及驅(qū)動的電動機(jī)及設(shè)備。3.2電流型變頻器圖3為電流型變頻器的基本結(jié)構(gòu)。電流型變頻器的基本特點是

14、中間濾波環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即遏制電流的變化，使電壓接近正弦波。由于直流電源的內(nèi)阻較大，近似于電流源。故稱為電流型變頻器。電流型變頻器的優(yōu)點是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化，因此多用于要求頻繁加減速或四象限運(yùn)行的場合。 圖3 電流型變頻器電流型變頻器逆變輸出的交流電流為矩形波或階梯波，當(dāng)負(fù)載為異步電動機(jī)時，電壓波形接近于正弦波。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流，或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，構(gòu)成可調(diào)的直流電源，達(dá)到控制輸出的目的。電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過電流，保護(hù)的可靠性較高，所以多用于要求頻繁加

15、減速或四象限運(yùn)行的場合。電流型直流電路采用電抗器濾波。在波峰(電流較大)時，由電抗器儲存磁場能，在波谷(電流較小)時，電抗器將釋放磁場能來進(jìn)行補(bǔ)充，從而使直流電流保持平穩(wěn)。直流電路是一個電流源，故稱為電流型。電流型變頻器在選擇時一般情況與普通變頻器選擇方式相同。但要注意中間濾波環(huán)節(jié)大電感的選擇。它是電流型變頻器的決定性因素。其參數(shù)大小是影響電流型變頻器功能強(qiáng)弱的關(guān)鍵。第四章 電流型變頻器主電路 4.1電流型變頻器主電路選擇 圖4 電流型變頻器主電路由圖4得知。此電路需要計算整流器中的二極管和電容。濾波回路中的大電感。以及逆變器中的絕緣柵雙極晶體管。電流型變頻器的性能由這些器件的參數(shù)決定。1）整

16、流橋二極管需要計算額定電流和二極管額定電壓 2) 整流器中電容需要計算其電容值及承受的耐壓電壓 3) 濾波回路中的電感需要計算其電感量和飽和電流 4) 逆變器中的絕緣柵雙極晶體管需要計算通過電流及電壓 5）逆變器中二極管需要計算平均電流和二極管承受最高電壓電動機(jī)的參數(shù)：額定功率125Kw 額定電壓380V 額定電流220A 額定轉(zhuǎn)速1450rpm 額定效率0.92 短路電抗標(biāo)么值為0.192其他技術(shù)參數(shù)：過載能力1.2倍、電網(wǎng)電壓380V、50Hz.4.2 電流型變頻器主電路參數(shù)設(shè)計（一）參數(shù)計算 1）功率計算額定狀態(tài)下不計諧波損耗時的功率為P1N P1N=PNN (4-1)設(shè)逆變器效率為NB

17、,一般取值為0.98PdN=P1NNB （4-2） 逆變器直流輸入的功率PdN為 PdN=PNNNB=138.64KW 2) 電流計算輸入電機(jī)的電流基波分量有效值Id與直流電流I1的關(guān)系為 Id=6I1 (4-3)通常情況下 I1=IN=220A輸入逆變器的直流電流為IdN=6×IN=282.16A 系統(tǒng)處于1.2倍過載時的最大直流電流Idm為Idm=1.2IdN=338.59A整流器交流側(cè)輸入的交流電流有效值為I2=0.816IdN=230.24A3) 電壓計算直流電壓 UdN=PdNIdN=491.35V整流器交流側(cè)輸入的交流電壓有效值為U2=UdN2.34 (4-4)UdN=4

18、91.35V，代入上式得U2=UdN2.34=209.98V 器件參數(shù)計算1）整流橋二極管額定電流和二極管額定電壓由于經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)過載過流的情況，從系統(tǒng)可能出現(xiàn)最壞情況來確定二極管承受最高電壓二極管承受最高電壓 UVDm=2E1msin1+Id2L3Cq' (4-5) 一般情況下 E1m=3802 sin1=1 （取最大值）L由短路電抗標(biāo)么值計算L=XK2fN (4-6) 應(yīng)為XK =0.192，fN=50Hz ，代入得 L=XK2fN=1.05mH所以 UVDm=2E1msin1+Id2L3Cq' =1294.94V二極管的額定電壓為 VRRMVD=KUVDUVDm （4-7

19、） KUVD是裕量系數(shù)，這里取2.5，代入得VRRMVD=KUVDUVDm=3237.35V額定電流為 ITN=KIVT0.368IdN （4-8）KIVT是過載的安全系數(shù)，這里取2.5 ITN=KIVT0.368IdN=259.59A實選二極管：ZP300，3300V2) 整流器中電容 從低速運(yùn)行角度考慮電容的取值，再帶有吸收環(huán)節(jié)的電流型逆變器中，環(huán)流過程反壓時間被修正為t0=3C22L3Cq' （4-9）要保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行應(yīng)滿足 t0（Kttq)2 （4-10） Kt為安全裕量，由以上兩式可得C2Kq3L（Kttq)2 取Kq=10，Kt=2，tq=60us帶入得C91.43uF給

20、據(jù)逆變器最高輸出頻率求電容取值，在高頻運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)反電動勢較高，電容的電壓也高，尤其當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時，為使換流時間加長，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行應(yīng)滿足tH16f1m （4-11）tH為換流過程總時間f1m為輸出電流最高頻率根據(jù)經(jīng)驗公式得tH=3C2Id(2E1msin1+23IdLC)+2c （4-12）其中 c=1LC ，與tH16f1m聯(lián)立又因為電機(jī)處于高頻運(yùn)行所以f1m=50Hz Id=IdN4，代入得C107.06uF所以電容的取值范圍：91.43uFC107.06uF這里取電容為 C=100 uF一般吸收電容通常為10倍換流電容值Cq=10C=1000 uF電容器耐壓電壓為 VC=KCU

21、cm （4-12）其中KC為安全系數(shù)，這里取1.5， Ucm=E1msin1+Id2L3Cq' （4-13） 所以 VC=KCUcm=1136.31V實選換流電容：100 uF，1200V實選吸收電容：1000 uF，1200V3) 濾波回路中的電感需要計算其電感量和飽和電流 為了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，Ld可以從電流脈動角度或電流連續(xù)角度計算，在本系統(tǒng)中隨著頻率下降，負(fù)荷電流減小，Ld要從電流脈動角度計算，通常情況下橋式三相整流器的Ld計算公式為 Ld=(UdNU2)×1032fd×U2SiIdN （4-14）其中Si為電流脈動系數(shù)，這里取0.08，fd為輸出電流最低諧波頻

22、率，這里取 3OOHzLd=(UdNU2)×1032fd×U2SiIdN=11.55mH其額定電流為IdN，飽和電流可按下式計算 Ib=KbIdN （4-15）Kb為飽和電流系數(shù)，這里取1.1Ib=KbIdN=310.33A實選電感量為12 mH，額定電流282.16A,飽和電流310A4) 逆變器中的絕緣柵雙極晶體管需要計算通過電流及電壓 IGBT的電壓為 VCEO=KuGUd (4-16)在本系統(tǒng)中取KuG為2 Ud=2.34U2=491.35V，帶入得 VCEO=KuGUd=982.7V其在過載為1.2情況下工作最大電流為 IcmG=2IN=373.35A (4-17) K1G是放大系數(shù)及安全裕量，這里取值范圍為2-3 IcN=K1GIcmG (4-18)所以額定電流取值范圍 ： IcN=K1GIcmG=746.70A（最小） IcN=K1GIcmG=1120.05A