变频器设计方法.docx
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1、第五节 变频器设计方法 变频调速系统的设计的一般性方法研 究 系 统 要 求系 统 方 案 设 计确 定 主 电 路 结 构元 器 件 参 数 计 算确 定 控 制 策 略进 行 计 算 机 仿 真硬 件 与 软 件 作 用 分 工硬 件 设 计软 件 设 计综 合 实 验性 能 评 估否是 否 满 足 要 求 ?是结 束1 变频调速系统的设计步骤变频调速系统设计主要包括以下几个方面内容:(1) 掌握系统总体方案设计,明确系统的总体要求及技术条件。包括系统的根本功能、掌握方案选择,以及性能指标响应时间、稳态精度、通信接口等;(2) 设计主电路拓扑构造;(3) 选择各变量的检测元件或传感器;(4
2、) 建立电动机数学模型,并确定掌握算法 ;(5) 选择主掌握芯片;(6) 系统硬件设计,包括主电路模块、驱动与保护电路,与 CPU 相关的电路、外围设备、接口电路、规律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、治理以及监控;(8) 在各单元软硬件调试合格的根底上,进入系统试验与统调阶段。变频调速系统的研制开发过程如图 3-?所示。2 变频调速系统总体方案确实定图 3 变频调速系统的研发过程确定沟通电机的变频调速系统总体方案,是进展系统设计的第一步。总体方案的好坏直接影响 整个掌握系统的投资、调整品质及实施难度。确定掌握系统的总体方案必需依据实际应用的要求, 结合具体被控对象
3、而定。但在总体设计中还是有肯定的共性,大体上可以从以下几个方面进展考虑。选择主电路拓扑构造 在沟通电机的变频调速系统中,必需依据系统容量的大小以及实际应用的具体要求来选择适当的主电路拓扑构造。20 世纪 80 年月以来,以 GTO、BJT、MOSFET 为代表的自关断器件得到长足的进展,尤其是以 IGBT 为代表的双极型复合器件的惊人进展,使得电力电子器件正沿着大容量、高频率、易驱动、低损耗、智能模块化的方向迈进。伴随着电力电子器件的飞速进展,各种逆变器主电路的进展也日趋多样化。(1) 一般三相逆变器 通常也称为双电平逆变器,这种拓扑构造比较简洁,为了获得大功率可承受器件的串并联来实现。(2)
4、 交-交变频电路 一般双电平逆变器直流侧电压通常由沟通电整流获得,由于其中存在直流环节,所以逆变器效率不高,主电路相对简单。而交-交直接变频电路省去中间直流环节,一次功 率变换掌握效率高。然而交-交直接变频电路输出频率低,最高输出频率一般为输入频率的 1/31/2, 通常仅用于低频场合,而且掌握简单,对电网产生较大的无功和谐波污染。4变压器耦合的多脉冲及多电平逆变器 为获得高压,同时减轻器件上的高压应力,并解决器件并联带来的问题,人们利用升压变压器的特点,将逆变桥而不是单个器件并联起来以获得大电流;或将逆变器串联起来获得高电压,再加肯定的相移,还可实现接近正弦的电压输出。2、 确定掌握系统方案
5、 依据系统的要求,首先确定出系统是通用型掌握系统,还是高性能的掌握系统,或是特别要求的掌握系统。其次要确定系统的掌握策略,是承受 VVVF、矢量掌握,还是承受直接转矩掌握等。第三要确定是单机掌握系统、主从掌握系统,还是承受分布式掌握系统。在数字系统中,通过模块化设计,可以使系统通用性增加,组合敏捷。在主从掌握系统或是分布式掌握系统中,多由主控板和系统支持板组成。支持板的种类很多,如A/D 和 D/A 转换板、并行接口板、显示板等,通常承受统一的标准总线,以便利功能板的组合。3、选择检测元件 在确定总体方案时,必需首先选择好被测变量的测量元件,它是影响掌握精度的重要因素之一。测量各种变量,如电压
6、、电流、温度、速度等的传感器,种类繁多,规格各异, 因此,要正确地选择测量元件。4、选择 CPU 和输入/输出通道及外围设备 沟通电机的变频调速系统主控板及过程通道通常应依据被控对象变量的多少来确定,并依据系统的规模及要求,配以适当的外围设备,如键盘、显示、外部掌握及 I/O 接口等。选择时应考虑以下一些问题:(1) 掌握系统方案及掌握策略;(2) PWM 的产生方式及 PWM 的数量与互锁;(3) 被控对象变量的数目;(4) 各输入/输出通道是串行操作还是并行操作;(5) 各数据通道的传递速率;(6) 各通道数据的字长及选择位数;(7) 对键盘、显示及外部掌握的特别要求。5、画出整个系统原理
7、图 前面四步完成以后,结合工业流程图,最终要画出一个完整的沟通电机变频调速系统原理图,其中包括整流电路、逆变电路、驱动电路,以及各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微处理器局部。它是整个系统的总图,要求全面、清楚、明白。二 变频器主电路设计SPWM 变频器的电路图,如图 3-14。一变频器主电路设计在变频器主电路的设计中,主要包括电源侧阻容吸取电路中 R、C 的选择,三相整流电路元件的选择,中间滤波电容的选择,以及 IGBT 的电压、电流定额值的选择。+-RCCR1. 沟通侧阻容吸取环节 R、C 的选择C 为防止变压器操作过电压而设。R 的设置目的是为防3止电容和变压器漏抗产生谐振。
8、电源变压器为 Y 接,阻容吸取环节承受 接法,如图 2-28 所示。电容容量C 按下式计算:RC图 2-28沟通侧阻容吸取环节1S C = 6 i %30U 222-13式中,i 变压器励磁电流百分数;S变压器每相平均计算容量,单位为 VA;U 02变压器次级相电压有效值,单位为 V。电容 C 的耐压计算(U 计算):C阻尼电阻 R 的计算:U 1 .5 3UC2(2-14)R 3 2 .3 U 22Su %kv %2-150式中,u 变压器短路比,一般 u = 510。kk电阻器 R 的功率计算:P (1 2 )( 2pf ) 2 kR1( RC ) + k2CU2(2-16)2k 3(对三
9、相桥式电路);k129002. 整流二极管(D D )的选择16整流器接入滤波电容,稳定工作时流过变压器副方相电流如图 2-29 所示。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,如图 2-30 所示。图中 I 对应于电动机最大负载电流的峰值,m也打算了方波的峰值,则流过二极管的电流有效值为i Im0120wtDm0wtI I图 2-29变压器副边近似相电流图 2-30整流二极管近似电流1360 0 120 I 2 d( wt )m3I=1IDm2-17故二极管的电流定额值为Ied 1= I/ 1 .57 =ID2 .72m2-18二极管的耐压U= ( 2 3)UDem2-19式中,U
10、线电压峰值。em3. 平滑滤波电容(C1、C )的选择2中间滤波环节的平滑滤波电容 C 、C12的作用有两个:一是对整流电路的输出电压滤波,尽可能保持其输出直流电压为恒定值;二是吸取来自异步电动机在制动过程中回馈的能量。防止逆变器过电压损坏 IGBT。CC作滤波作用考虑时, 、12和负载的等效电阻的乘积时间常数应远远大于三相全控桥输出电压的脉动周期 T=0.0033s即为 3.3ms,则C= C12= C =0 .00333 R 10 6 ( mF)2-20fR取负载等效电阻 =0.5。f作吸取异步电动机的回馈能量考虑时,只能按能量关系来近似估量。当异步电动机突然停车和减速制动时,电动机轴上的
11、机械能及漏抗储能将向电容倒灌,造成电容两端电压突然上升,称这种因异步电动机动能转换成电能而造成的直流电压突然上升的现象为“泵升”现象。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,逆变器也设置了泵升电压过高限制电路。设电动机轴上的转动惯量之和为 J ,机械角速度为 ,则电动机轴上的机械储能DW= 1j2J W 2(2-21)D漏感的储能W= 1L2LI 2(2-22)u电容上的初始电压为 ,电容的储能0W= 1C2C (u 21- u 2 )02-23u式中, 能量回馈后引起的电容电压上升值。1假定能量回馈时不计其他损耗,电动机骤停时,机械储能与漏感
12、储能之和等于电容上的储能,即1 C (u 221- u 2 ) =01 JW 22D+ 1 LI 22-24210设过压系数 K=u /u(K1),则C =JW 2D+ LI 22-250 .69 u 20假设限定 K1.3,即允许电容上泵升电压上升 30%,则C =JW 2D+ LI 22-260 .69 u 20式(2-25)说明,当电压泵升值肯定时,负载侧储能越大,滤波电容的容量也越大。而当储能肯定时,泵升电压值越低,K 越小,所需的电容量也就越大。电容器的耐压应大于 uD。4. IGBT(VT VT )的选择16IGBT 是电流掌握元件。开关速度高,具有自关断力量,使得逆变器构造小巧。
13、缺点是热时间常数小,承受过载力量差。所以,使用时要留意以下三个问题:(1) 要由负载的最严峻状况选择 IGBT。最严峻状况如异步电动机的启动电流为额定电流的(1.22)倍,且要考虑沟通电流的峰值。(2) 要考虑 IGBT 的 是受集电极电流的增加而降低的,I 越大, 越小。为此,由1项决c定了通过 IGBT 的集电极电流I= (1 .2 2 ) Icm2-27(3) IGBT 的耐压 U至少应为实际担当的最大峰值电压的 1.2 倍以上,即CE0UCE0 1 .2Ud2-28二 11.2kVA 变频器设计举例ZHI50W4040 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。拖动电动
14、机的容量为 5.5kW,要求速度变化范围为 16750rmin,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。被控对象的原始数据:异步电动机型号:Y132M26 额定功率:5.5kW额定电压:380V 额定电流:12.6A额定转速:960rmin系统能供给 2 倍的额定转矩。设计步骤:1打算变频器的工作方式由题意要求可知,调速范围 1:47,低速性能要求高,故打算选用双极性 IGBT-SPWM 工作方式。2 设计变频器的电气原理图由于承受双极性 IGBT-SPWM 变频器,变频器的电气原理图如图 2-14 所示。3 变频器的大功率开关管的计算1计算通过 IGBT 的峰值电流 I mIm
15、由系统工作的最严峻状况打算。由题意要求可知,系统要具有 2 倍额定电流的电磁转矩,再考虑沟通电流的峰值,则22I= 2 I =mn 2 12 .6 A = 3 5 . 6 3 A2选用 IGBT 的电流定额值由式(2-27)得出IGBT 的集电极电流I= 1 .2 ICm= 1 .2 35 .63 A = 42.7A选用 I 50A 的电流定额值。C3选用 IGBT 的电压定额值变频器输出沟通电压为 380V。为此,必需用线电压为380V 的沟通电直接整流,直流电Y 压U =2.34220V=514V。d由式(2-28),IGBT 的耐压UC E 0 2Ud= 2 5 1 4V = 10 2
16、8V选用 U1200V 的 IGBT。CE04 由 U,I 打算 IGBT 的型号CE0C由 I 50A,U1200V,选用日本富士公司生产的两单元 IGBT 模块组件,型号为 EVl234。CCE0变频器的容量3S =3UI=nn 380 V 17 A = 11.2kVA变频器的额定电流 I 应大于异步电动机的额定电流。n4 整流二极管的计算1) 计算整流二极管的电流定额 Ied由式(2-18)得I=1Ied2 .72m=12 .72 35 .63 A = 13A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 I60A 。ed2) 计算整流二极管的电压定额 UD由式(2-19)得:
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