變頻器主回路設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、變頻器主回路設(shè)計(jì)、計(jì)算要點(diǎn)及一些經(jīng)驗(yàn)主要內(nèi)容變頻器主回路構(gòu)成；主回路參數(shù)及所用元件的選擇計(jì)算；主回路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)；主回路的保護(hù)；主回路設(shè)計(jì)的造成問題及對策；變頻器組成變頻器描述：變頻器是一種將輸入固定電壓和固定頻率 （通常為3相380V, 50HZ用電能 轉(zhuǎn)化為可調(diào)整電壓和頻率電能輸出 （Variable Voltage Variable Frequency,VVV F的 交流電氣傳動(dòng)設(shè)備。變頻器分類：交交變頻器，交直交變頻器；交直交變頻器分類：電壓源型變頻器和電流源型變頻器產(chǎn)品構(gòu)成1、結(jié)構(gòu)殼體、電氣部件和機(jī)械連接涉及設(shè)計(jì)類型：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)2、電氣（主回路）主回路 器件選型、

2、計(jì)算3、控制部分（控制回路）主控制板（功能實(shí)現(xiàn)、波形發(fā)生，各種控制邏輯，）驅(qū)動(dòng)板（主回路器件驅(qū)動(dòng)和控制，各種參數(shù)檢測和保護(hù)，輔助電源）人機(jī)界 面（鍵盤）變頻器主回路構(gòu)成及作用+ 227 :*5VC +-15V Q -15VJS購并一天電瘴主回路參數(shù)計(jì)算輸出容量：Po=j3UoIo式中，Io：變頻器輸出電流Uo：變頻器輸出電流f-直流環(huán)節(jié)電壓：UD;UACFWAC式中，UAC為三相輸出線電壓TC直流環(huán)節(jié)電流：ID = , 10 =1.28310、.6式中，I0為變頻器額定輸出電流實(shí)用的近似關(guān)系：1、三相380V等級變頻器額定輸出電流與額定輸出功率的關(guān)系I=2*P2、單相220V等級變頻器額定輸出

3、功率與輸出電流的關(guān)系I=5*P電氣連接1、PCB走線：小功率（0 22KW,西門子做到90KW）機(jī)型普遍采用。優(yōu)點(diǎn)：成本低，電感小，工藝好。注意產(chǎn)品要求的通流能力，PCB銅箔厚度和一致性。2、塑膠絕緣導(dǎo)線：輸入：功率因數(shù)0 0.8時(shí)3Amm2功率因數(shù)學(xué)0.96 （加直流電抗器）時(shí)4A/mm2輸出：3A3.5A/mm2優(yōu)點(diǎn)：成本低，電感大，工藝上需注意固定等絕緣問題。3、銅排： 26 A8 Amm成本高，電感大小與部線方式有關(guān)，常用于 18.5KW以上功率等級。整流橋計(jì)算流過整流管的電流有效值:Ir 1 D- -0.577Id 3平均值：2ID _ _ .1T ( AV120 號=0.637Id

4、冗1T(值為120畤通的值，整流管手冊 標(biāo)稱值時(shí)對應(yīng)180書勺值.It(AV120 ?2 , c 11T(AV180 9 一 r= 一 /= I D -0.368Id. 3 二 Y 3整流管電流選擇：1Vr（AV）=（12）Ma m 0.368詬 Io.過載系數(shù) a = 1.5 1.8式中：Io為變頻器輸出額定電流例：選擇90KW變頻器的整流管：/ 一、 HIvr(AV)=(1 2)x a M 0.368 忑 Io= 1.5 1.5 0.368 1.283 176 =186.9A查MDD172的M(av)=190A(100),滿足設(shè)計(jì)要求 整流管電壓額定值UrrmUrrm -Uac 2 1.1

5、 ;式中a為安全系數(shù)，一般取2輸入交流電壓直流電壓峰值耐壓Urrm2206848002407468004001369160048014981600整流元件并聯(lián)多個(gè)整流元件的并聯(lián)：器件并聯(lián)必須降低電流額定值使用，所選整流管的額定電流按下式選擇:1ITa =(1.7 2.5) np式中：I為允許過載時(shí)一組橋臂的平均電流。Np為并聯(lián)支路數(shù)例：160KW變頻器采用三組整流管并聯(lián)的計(jì)算I =0.368IO =0.3683.4 -143.5A6611435ITa = (1.7 2.5) = (1.7 - 2.5) =81.3119.6Anp查 MDD95勺 ITA=120A(105 C) , DD106N

6、勺 ITA=106A (100C),他們可滿足要并聯(lián)要求：1、挑選伏安特性曲線比較一致的器件（等級號一致）2、注意連線的結(jié)構(gòu)處理（上圖）3、采用均流變壓器（上圖）4、并聯(lián)的器件工作溫度盡量一致，在散熱器上盡量靠近主回路電容電容類型：鋁電解電容，一般采用80C 2000小時(shí)和105c 2000小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)品耐壓等級：400V （單相220V等級，三相380V等級需串聯(lián)）420/450V （單相260V等級，三相460V等級需串聯(lián)）容量選擇依據(jù)：1、產(chǎn)品實(shí)測通過電容的紋波電流大小和電容允許紋波電流大小。變頻器實(shí)際的紋波電流一般會超過電容允許紋波電流大小的24倍，變頻器要求電容工作時(shí)間50000小時(shí)（標(biāo)

7、稱更換電容周期 23年）2、產(chǎn)品對電網(wǎng)電源瞬間跌落的要求。3、一般遠(yuǎn)策：105 C 電容：1KW；額定電流），100120uF;85c 電容 1KW, 120160uF. 安裝類型：牛角（常用容量范圍：100uF, 180uF, 220uF, 330uF, 470uF, 560uF, 680uF, 820uF螺栓（常用容量規(guī)格：1000uF, 1500uF, 2200uF, 3300uF, 4700uF, 5600uF, 6800uF, 8200uF, 10000uF）富士變頻器電容規(guī)格電容采用105 c 2000小時(shí)品功率 等級（KW/）G型P型0.40.7511.5470uFx22.233

8、0uFx43.7470uFx45.51500uFx21500uF x27.52000uFx21500uF X21112700uFx22000uF X2153900uFx22700uF x218.54700uFx23900uF x2225400uFx24700uF x230400V3000uF x 4 LNT2G302MSMAFF400V3000uF x 4 LNT2G302MSMAFF37400V3600uF x4 (HCGHA2G362N3K400V3000uF x 4 LNT2G302MSMAFF451400V4500uF x4 (HCGHA2G452N3K400V3600uF x4 (H

9、CGHA2G362N3K55400V5900uF x4 (HCGHA2G592N3K400V4500uF x4 (HCGHA2G452N3K75400V5900uF x4 (HCGHA2G592N3K400V5900uF x4 (HCGHA2G592N3K90400V4500uF x6 (HCGHA2G452N3K400V5900uF x4 (HCGHA2G592N3K110400V5900uF x6 (HCGHA2G592N3K400V4500uF x6 (HCGHA2G452N3K132400V5900uF x8 (HCGHA2G592N3K400V5900uF x6 (HCGHA2G59

10、2N3K160400V7400uF x8 (HCGHA2G742N3K400V5900uF x8 (HCGHA2G592N3K2001400V5900uF x12( HCGHA2G592N3K400V7400uF x8 (HCGHA2G742N3K220400V7400uF x12( HCGHA2G742N3K400V5900uF x12( HCGHA2G592N3K280400V7400uF x12( HCGHA2G742N3K315逆變元件的選擇IGBT已成為現(xiàn)階段和以后中大功率變頻器的最優(yōu)選擇。選擇IGBT時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮一下的幾點(diǎn)：一，首先根據(jù)變頻器載頻工作范圍及熱設(shè)計(jì)的要求選擇一種合適的

11、類型。選擇三種類型IGBT中的一種：1、極低的通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗大，如 EUPEC勺FS450等第三代芯片，VON=1.7V-1.8V工作頻率為1-8K,優(yōu)化工彳頻率為 4K。2、高通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗小，如富士、三菱及EUPEC勺BSM300DN2等第二代IGBT芯片，VON=2.5-3.0V 工作頻率為可達(dá) 20K。例：富士 G113、中等通態(tài)壓降，但開關(guān)損耗較小，如 ABB的SPT模塊及三菱的F系列，VON=2.0-2.2M 工作頻率可達(dá)10K.二，根據(jù)體積、結(jié)構(gòu)是否易于并聯(lián)、維護(hù)成本及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓力等要求決定采用 哪一種封裝形式。三，計(jì)算所選IGBT的電流等級、電壓等級，該步驟同時(shí)也

12、影響了吸收電路的形 式選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。逆變橋元件計(jì)算關(guān)于逆變元件耐壓和電流的選擇：1、考慮到瞬間過電壓，IGBT的耐壓通常為直流母線電壓的兩倍。瞬間過電壓受 回路雜散電感和IGBT開關(guān)速度的影響，所以實(shí)際耐壓的選擇要視回路的雜散電 感而定。2、電流的選擇與最大工作頻率，總功耗、冷卻方式及環(huán)境溫度范圍都有關(guān)系，實(shí)際上，產(chǎn)品手冊中給出的電流參數(shù)嘗嘗在一兩種條件下定義，因此總的來講并不準(zhǔn)確適合實(shí)際應(yīng)用，有時(shí)變差甚遠(yuǎn)。IGBT模塊電壓額定值計(jì)算：Urrm (v2Uac MB + 150)MaU RRM(IC n)2 LsCxVpn；(Vpn =1.35Ua”B )式中：Uac為變頻器輸入電源電壓

13、，B為電源電壓波動(dòng)系數(shù)，a為安全系數(shù)，Ic為IGBT模塊額定電流，n為短路時(shí)電流沖擊的倍數(shù)，IGBT模塊額定電流Ls為母 線寄生電感的大小，Cx為吸收電容的大小，Vpn為正常工作時(shí)的母線電壓。電流額定值選擇：1、確定過載能力：k .2IO Ic式中，k為電流過載倍數(shù)，Io為變頻器額定輸出電流，Ic為模塊標(biāo)稱電流值（連續(xù)DC）2、確定抗電流沖擊能力：mV2IO Ic （1min ）式中，m為硬件電流保護(hù)倍數(shù)，Io為變頻器額定輸出電流，Ic （1min）為模塊IMS 標(biāo)稱電流。主回路元件的保護(hù)1、整流橋的保護(hù)：必須設(shè)計(jì)浪涌吸收電路。吸收元件一般采用壓敏電阻、或 X和Y電容等。連接方式：星型，三角形

14、 M一相對地，星型十三角型。壓敏電阻：S10（ 07.5KW） , S14 （1122KW , S20 （大于30KW）星型：420,510; 三角型：625整流橋的輸出就近安裝一直高頻無感電容（MKP或CBB881 ,保護(hù)整流橋，容 量0.01uF.增加快熔?？烊鄣娜蹟鄷r(shí)間可達(dá) 35mS比較適合整流橋的保護(hù)，并能防止故障 的擴(kuò)大及其他嚴(yán)重的后果。缺點(diǎn)：成本非常非常高。連接方式：單只串聯(lián)到直流母線（三相輸入，中大功率），單只整流輸入（單相）， 三只整流輸入（三相，200KW以上）2、逆變橋元件的保護(hù)：過電流保護(hù)：電流傳感器檢測保護(hù)（霍耳或分流器）檢測保護(hù)（要求整個(gè)保護(hù)環(huán)路響應(yīng)速度滿足元件的規(guī)格

15、要求，10uS以內(nèi)，缺點(diǎn)是相應(yīng)太快容易誤保護(hù)）VCE檢測保護(hù)。過電壓保護(hù)：慎重選擇吸收電路的形式并仔細(xì)選擇吸收電容的型號、容量、耐壓及廠家。上電緩沖及實(shí)現(xiàn)緩沖電阻的選擇及特點(diǎn)：阻值大小由整流橋的型號和濾波電容的容量決定。阻值大小一般可按流過電阻的電流為整流管電流額定值的12倍。抗沖擊能力強(qiáng)。必須確認(rèn)電阻的沖擊曲線并反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵是繞制電阻的材 料和線經(jīng)，材料一般選擇康銅絲。實(shí)驗(yàn)方法：將2倍匹配變頻額定容量電容充滿電（充到電容額定電壓），用該電阻突然短路 放電。緩沖電阻旁路元件緩沖電阻旁路元件的選擇及特點(diǎn)1、繼電器，實(shí)現(xiàn)簡單，成本低，功耗小，可靠性高。目前的小功率變頻器（一 般能做到0 15

16、KW 多采用該方案。西門子最高功率等級做到 90KW。2、接觸器，實(shí)現(xiàn)簡潔，成本低，功耗小，可靠性較差。目前的大功率變頻器多 采用該方案。選擇要點(diǎn)，選擇密閉效果好的型號。3、直流目前串聯(lián)可控硅，功耗較大（12V導(dǎo)通電壓），效率低，可靠性高。目 前在母線為電流75200A之間有一定優(yōu)勢，市面有帶母線可控硅的整流橋賣。4、半控或全控整流。大功率使用（一般 30KW）,驅(qū)動(dòng)和控制復(fù)雜，成本高, 可靠性高。接觸器及選擇接觸器使用類別：AC-1:無感或微感負(fù)載，如電阻爐等AC-3:籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)中分?jǐn)?。AC-4:籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、反接制動(dòng)與反向、點(diǎn)動(dòng)。用于變頻器直流回路旁路緩沖電阻的觸點(diǎn)

17、中流過的是疊加較小紋波的直流電流，可見最接近AC-1的情況。接觸器觸點(diǎn)并連兩級并聯(lián)，載流能力系數(shù)：1.8三級并聯(lián)，載流能力系數(shù)：2.5接觸器的使用環(huán)境問題：變頻器的使用環(huán)境較差，有粉塵等異物會進(jìn)入接觸器內(nèi)部。若異物進(jìn)入動(dòng)靜鐵心 間，線圈電流會大大增加，嚴(yán)重時(shí)燒毀線圈。異物進(jìn)入觸頭間，將導(dǎo)致接觸不良 觸點(diǎn)發(fā)熱而燒毀觸頭。對策：選擇封閉性好的接觸器，給接觸器加上屏蔽罩。計(jì)算并選擇90KW變頻器所用接觸器90KW變頻器額定輸出電流Io=176A直流環(huán)節(jié)電流：ID ： Io =1.283 176 -225A6接觸器觸點(diǎn)三級并聯(lián)，系數(shù)取 2.5,則每級電流:= 90A225I 二2.5取降額系數(shù)為0.8

18、,實(shí)選每級電流，I1=_90=113A0.8該值對應(yīng)AC-1的情況，查CJX4-8011D勺每級電流為125A滿足要求直流母線結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)要點(diǎn)：1、足夠的通流能力。銅排或?qū)Ь€的截面積滿足電流密度的要求。一般按3-8A/mm2設(shè)計(jì)，銅排寬度和厚度滿足優(yōu)化系數(shù) R20的要求。2、極低的電感。PN母線采用寬的銅排緊貼在一起（中間加絕緣墊片），不能用 圓形導(dǎo)線。3、小的回路面積。回路面積越大，回路的自感越大，受該回路影響的空間越大, 越能造成EMC問題。低電感直流母線設(shè)計(jì)優(yōu)秀做法：將PN母線做成兩個(gè)重疊的平面，中間加上絕緣材料。1、PCB上下兩層重疊走線，不能重疊時(shí)盡量減小回路面積。2、用導(dǎo)線連接時(shí)

19、（小功率等級電容用單獨(dú)的 PCB和中大功率用導(dǎo)線連接）必 須將PN導(dǎo)線交結(jié)，結(jié)距小一點(diǎn)為好。3、具有極小雜散電感和回路面積的迭層母線排技術(shù)，為了盡可能減小兩個(gè)平面的距離，可選擇在厚度很薄的情況小仍具有極高絕緣強(qiáng)度的材料如云母、有機(jī)聚酯、聚酰亞胺、TELM NOMOX （杜邦公司）等其他優(yōu)點(diǎn)：減小了連接線數(shù)量，簡化安裝，結(jié)構(gòu)扁平可減小整機(jī)的體積。參考：ROGER公司的BusBar技術(shù)。L=K 卜 ln(d-r)/rinductance increase as the signal antf return path arff separated制匕。%&Cs=E i 加Id .UM 2占為特把機(jī)抗

20、卜由學(xué)法沒玷樹院立“卜為即電性度電喀-工打單.dnr用電吞國1加電右，L = 0.2i-出碎碗】而甲矩整苻曲才線電感，L=0.2J- tn（2e（wtt）J不虛發(fā)風(fēng)應(yīng)T陽唐器面球陸的電也比同導(dǎo)益f期的葉戰(zhàn)韁響電感力爵出逆變元件的過壓吸收CS :CS = HS2,1 =模塊標(biāo)稱電流值X短路電流沖擊倍數(shù)VP2 -VDC 2RS:21 MRS 500V/uS,beak500A 如 CDE公司的 942C和 943C 其 dv/dt=5137V/uS, Ipeak1570A.3、安裝方便、引線短(減小接線電感)而牢固，引線與金屬箔的焊接要可靠且 能瞬間流過非常大的電流。能直接安裝在模塊上是最好的方案。

21、CDE ALCONICL HITACH等有專為IGBT模塊浪涌電壓吸收而設(shè)計(jì)制造的電容，其電特性優(yōu) 異，但價(jià)格較高。常見規(guī)格：容量：0.22uF、0.47uF、0.68uF、0.82uF、1.0uF耐壓：900V、1000V、1200V、1600V常見廠家：CDE ICL NICHICOIN HITACHI附ALCONA司IGBT吸收電容特性：0.47uF/1200M ESR 6.8m Q, dv/dt: 1000V/uS,Peak:470A, Irms： 11A1.0uF/1200V, ESR 5mQ , dv/dt: 1000V/uS,Peak:1000A, Irms： 12A改善變頻器輸

22、入功率因數(shù)三相全橋整流電路諧波分析：輸入電流中含有豐富的高次諧波 n=60m1 （m=1,2,3）, n次諧波的有效值：IVn= （1/n） Iv1,影響最大的為5次（為基波的20%）、7次（14.3%）、11次（9.1%） 和 13 次（7.7%）。改善功率因數(shù)的措施：1、衰減或吸收高次諧波；在輸入端設(shè)置5次，7次和低通濾波器。（除超大功率的專用機(jī)型外，基本沒 有得到米用，成本太高）輸入端串聯(lián)交流或直流電抗器。（使用很廣，直流電抗器效果更佳，交流電抗 器對三相輸入有平衡能力。丹弗斯及一些公司已內(nèi)置成本增加約 10%15%）2、多脈動(dòng)化例：12脈沖變換器，輸入電流的5次、7次和17次諧波被抵消，對功率因素有 較大的影只有11、13、23、25等高次諧波。12脈沖整流器多用于功率很大同時(shí)對輸入功率因數(shù)要