变频器课程设计要点.doc

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1、目录一、变频器概述1112二、变频器设计要求3三、变频器主要参数选取和设计43.1交流侧阻容吸收环节R、C选择45平滑滤波电容C选择57四、变频器主电路设计8 891012五、变频器控制电路设计13131415六、个人小结.16七、参考文献. .17一、变频器概述变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术及微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT开断来调整输出电源电压和频率，根据电机实际需要来提供其所需要

2、电源电压，进而达到节能、调速目，另外，变频器还有很多保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度不断提高，变频器也得到了非常广泛应用。变频调速以其优异调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途调速方式。变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用是PWM控制方式，这就决定了变频器输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边设备、包括变频器驱动对象-电动机带来不良影响。电压型变频

3、器主电路包括：整流电路、中间滤波电路、限流电路、逆变电路、控制电路组成。变频器总体分为：“交-交变频器”和“交-直-交变频器”两种。还可以分为电压型或者电流型变频器。交-交变频器在结构上没有明显中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网交流电被直接变换为电压、频率均可调交流电，所以称为直接式变频器。交-直-交变频器有明显中间直流环节，工作时，首先把来自电网交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调交流电，故又称为间接式变频器。所以，深入了解交流传动及控制技术走向，对我们学习工作具有十分积极意义。变频器工作原理是通过控制电路来控制主

4、电路，主电路中整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要转矩运算。图1 交-直-交变频器主电路二、变频器设计要求设计一款1KW简易变频器全套硬件电路。 1.输入三相220V电压。 2.功能基本达到要求，接近市面，可以使用。 3.主电路包括：整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路。 4. 控制电路包括：母线电压采样电路、三相电流采样电路、过压过流保护电路、数字量输入输出电路、模拟量输入电路、MCU等。三、变频器主要参数选取和设计在变频器主电路设计中，主要包括电源

5、侧阻容吸收电路中R、C选择，三相整流电路器件选择，中间滤波电容选择，以及IGBT电压、电流定额值选择。3.1交流侧阻容吸收环节R、C选择阻容吸收电路中，C作用是防止变压器操作过电压和浪涌过电压，R作用是防止电容和变压器漏抗产生谐振。电源变压器为Y接法，阻容吸收环节采用接法。 电容容量C按下式计算：。式中，i0是变压器励磁电流百分数；S是变压器每相平均计算容量（VA）；U2是变压器次级相电压有效值（V） 。 电容C耐压计算：。阻尼电阻R计算：。式中，UK是变压器短路比，一般UK=510。电阻器R功率计算：。式中，k13（对三相桥式电路）；k2900。整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器副边

6、相电流如图2所示。通过三相整流桥每个整流二极管电流波形近似为方波，如图3所示。图中IM对应于电动机最大负载电流峰值，也决定了方波峰值，则流过二极管电流有效值为:。 图2 变压器副边近似电压图3 整流二极管近似电压 故二极管电流额定值为：。二极管耐压：，式中，U2lm整流器输入线电压峰值。选择中间滤波环节电解电容C有两个作用：一是对整流电路输出电压滤波，尽可能保持其输出直流电压为恒定值；二是吸收来自逆变电路由元件换向引起续流能量和电动机在制动过程中回馈能量，防止逆变器过电压损坏IGBT。考虑电解电容用作滤波时，C和负载等效电阻乘积（时间常数）应远远大于三相整流桥输出电压脉动周期T=0.0033s

7、，则：。考虑将C用作吸收异步电动机回馈能量时，其容量只能按能量关系来近似估计。当异步电动机突然停车和减速制动时，电容两端将产生“泵升”电压，为保护IGBT不致损坏，一般尽量选取大电容值，形成“水池”以使泵升电压不致太高。另外，逆变器一般要有泵升电压限制电路。电动机轴上机械储能：。漏感储能：。电容上初始电压为u0，电容储能：。u1为能量回馈后引起电容电压升高值。假定能量回馈时不计其他损耗，电动机骤停时，机械储能及漏感储能之和等于电容上储能，即设定过压系数K=u1/u0（K1），则若限定K1.3，即允许电容上泵升电压升高30%，则式（4-28）表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，滤波电容容量

8、也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，K越小，所需电容量也就越大。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）及FWD（续流二极管芯片）通过特定电路桥接封装而成模块化半导体产品；封装后IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售多为此类模块化产品，一般所说IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念推进，此类产品在市场上将越来越多见；（1）要根据负载最严重情况选择IGBT，如要适当考虑异步电动机启动电流，要考虑交流电流峰值。因此，通过IGBT集电极电流 （2）要考虑IGBT是受集电极电流IC增加而降低，IC越

9、大，越小。（3）IGBT耐压UCEO至少应为实际承担最大峰值电压1.2倍以上，即 四、变频器主电路设计变频器主电路包括：整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路；整流电路和上电缓冲电路如图5所示，采用是电容滤波三相桥式不可控整流电路。基本原理是：该电路中当某一对二极管导通时输出直流电压等于交流侧线电压中最大一个，该线电压向电容共电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，输出电压按指数规律下降。上电缓冲电路由充电电阻R1和继电器S1构成，经过三相整流桥整流后六脉波300HZ脉动直流电压先经过充电电阻R1对模块外接电容进行充电，等电容充电到一定幅值时，CPU输出一个充

10、电继电器闭合指令，继电器S1接通，将R1短接，变频器随后才进入待机状态。图5 整流电路和上电缓冲电路逆变电路如图6所示，从电路结构上看三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：三相调制信号URU、URV和URW为相位依次相差120正弦波，而三相载波信号是共用一个正负方向变化三角形波UC。UVW相自关断开关器件控制方法相同，以U相为例：在URUUC各区间，给上桥臂IGBTV1以导通驱动信号，而给下臂V4以关断信号，相输出电压相对直流电压D中性点为UD一半。在URUC各区间，给V1以关断信号，V4为导通信号，输出电压为UD一半。电路中六个二极管是为负载换流过程提供续流回路，其他

11、两相控制原理及相相同。图6 逆变电路本次变频器驱动电路利用PC923芯片和PC929芯片分别来驱动上下臂，PC923管脚图如图8所示，PC929管脚图如图9所示。PC923内部电路为一只光耦合器，为互补电压跟随器输出，有400mA电流输出能力，完全可以独立驱动小功率IGBT模块而无需外置放大器。图8 PC923管脚图PC923引脚功能;1、4脚为空脚；2、3脚为信号输入端，2脚内接光耦合器发光二极管阳极，3脚内接发光二极管阴极；8、7脚为正负电源供电端，8、5脚短接以使内部输出和控制回路共用正电源，典型应用值为22-24V；6脚为信号输出端，内接互补电压跟随器输出中点。PC929内部除一路光耦

12、合器外，另有IGBT导通管压降检测电路和SC信号输出电路、SC故障自锁电路，对IGBT具有快速保护功能。图9 PC929管脚图PC929引脚功能：1、2脚内部已短接，2、3脚为信号输入端，2脚内接光耦合器发光二极管阳极，4、5、6、7为空脚；8为模块故障信号输出脚，内部晶体管射极接负供电，基极受故障信号检测电路所控制；9脚为模块故障信号检测输入脚；10、14脚为负电源供电脚；12、13脚为正电源供电脚；11脚为驱动脉冲输出脚。上下各有三个驱动臂，如图10所示：图10 驱动电路整体图以上臂驱动电路为例，经R18、D16、C5稳压和滤波，变为+15V和7.5V正负电源，Z4负极为零电位点，引出至逆

13、变模块中U相上臂IGBT发射极；从CPU来激励脉冲信号，经R15输入到U62、3脚之间。在正向脉冲到来时，PC923内部光耦合器开通，U66脚输出为15V驱动电压，经R15送入逆变模块中U相上臂IGBT栅极，使其快速开通；在无脉冲或负向脉冲期间，U66脚输出电压幅值为7.5V截止负压，使所驱动IGBT迅速截止和维持截止状态。开关电源高频化是其发展方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛应用领域，特别是在高新技术领域应用，推动了开关电源发展前进，每年以超过两位数字增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现

14、模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户认可，但AC/DC模块化，因其自身特性使得在模块化进程中，遇到较为复杂技术和工艺制造问题。另外，开关电源发展及应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要意义。开关电源电路采用FLYBACK拓扑，D由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压保护电路以及保护电路组成。图11 FLYBACH拓扑图五、变频器控制电路设计保护采样电路分为母线电压检测电路和三相电流检测电路分别如图12、13所示。图12 母线电压检测电路图检测原理：从PN端采样电压通过U9和RC滤波送到A7840，经过放大器处理后将放

15、大信号送入MCU中，经过MCU分析处理及所设值比较来判断母线是否过压。图13 三相电流检测电路图检测原理：有两只外接电流互感器HR1和HR2来完成。电流互感器为四线制元件，由开关电源提供15V和15V工作电源，两路电流采样信号经电阻网络处理成三路IU、IV、IW信号送入CPU主板电路，由后续电流信号处理电路放大处理后再输入到CPU，完成保护报警、输出控制等功能。 控制器为Intel公司出品16位微控制器，因其功能强大，通用性强，在变频器产品中被得到广泛应用。内部电路包括算术逻辑部件（RLU）、寄存器、内部A/D转换器、PWM发生器、事件处理阵列（EPA）、三相到补SPWM输出发生器、以及看门狗

16、、时钟及中断控制电路等。变频器电源/驱动板功能是提供整机用控制电源对CPU来六路PWM脉冲电压进行驱动放大，而CPU主板则以单片机为中心，汇聚了变频器数字/模拟控制输入输出信号处理电路、操作显示通信电路、各种电流电压检测电路和故障保护电路等。S87C19669、70脚外接16MHz晶振，及内部振荡电路产生程序工作所需时钟脉冲；22脚复位端及15V电源短接。变频器输入输出端子直接及单片机通过15-20引脚进行通信联系。图14 S87C196管脚图S87C196MH（MC）微控制器采用CHMOS工艺，工作温度-40C-85s之间，A/D也可以作为可编程比较器，在输入跨过一个门槛电平时产生中断。变频

17、器提供控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。将变频器参数p1300设为0，变频器工作于线性v/f控制方式，将使调速时磁通及励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段一般恒转矩调速对象。 将 p1300设为2，变频器工作于抛物线特性v/f控制方式，这种方式适用于风机、水泵类负载。这类负载轴功率n近似地及转速n3次方成正比。其转矩m 近似地及转速n平方成正比。对于这种负载，如果变频器v/f特性是线性关系，则低速时电机许用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率严重下 降。为了适应这种负载需要，使电压随着输出频率减小以平方关系减小，从而减小电

18、机磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当范围内。六、个人小结本次1KW简易变频器设计可以说是综合性比较强一次大作业，需要将所学知识结合起来，可以说是综合性比较强，尤其是开关电源那一块，各种电路拓扑，这次则采用了FLYBACK拓扑。其实在课堂上听老师讲理论感觉还算比较轻松，真正动手来设计真非常复杂，题目虽然只有几个字大作业真正做起来没有想象中那么简单。结合书本、网上资料查阅以及同学们之间讨论，从最小如何选取元件，到后来如何设计各个部分电路图，以及元件大小计算公式，每一步都要认真去做。对于整个设计中用到每一个电容电阻电感，或是各个电力电子开关元器件，他们工作原理、导通电流、额定电压、额定电流以及功率

19、选择都非常讲究。通过这次设计，让我增强了对于变频器原理了解，让我懂得了做出一个设计需要将所学很多知识融合起来，并且需要同学讨论网上查阅才能完成。这次设计还有很多不足地方，一些参数计算和元器件选择可能不是很准确，毕竟是一个建立于理论上设计，并没有实际买元器件亲手做出来去验证看实际效果，但是这次设计为了以后毕业设计或是以后在电力电子方面上研究打下了基础。七、 参考文献【1】胡崇岳.现代交流调速技术M.北京:机械工业出版社,1998王占奎.变频调速应用百例M.科学出版社,1999。【2】徐甫荣，中高压变频器主电路拓扑结构分析比较J电气传动自动化，2003吴杨。【3】多电平高压变频器监控系统研发D;华北电力大学（北京）;2003年潘江洪。【4】级联高压变频器电压空间矢量研究和设计D;合肥工业大学;2006年柏斌。【5】高压变频器无速度传感器矢量控制研究D;西南交通大学;2007年刘森林。