课程设计（论文）-电压源型变频器保护电路的设计.doc

xxxxxxxxxxxx 电压源型变频器保护电路的设计 学生姓名 xx 专业班级 电气工程及其自动化 完成日期 2011年11月9日 8 目录1、2008级实训任务书 12、 设计内容及对象 23、 电压源型变频器主电路的构成及基本原理 24、四种保护发生的原因及对策 35、设计要点及注意事项 56、四种保护电路电路图 57、总结 9 2008级实训任务书1、题目：电压源型变频器保护电路的设计。2、技术参数变频器主电路的技术参数:输入电压380v,容量5.5kw,额定电流10a。过压保护:直流侧电压大于800v时,产生过压保护信号欠压保护:当输入电压小于10%额定电压时, 产生欠压保护信号过流保护:当电流超过2.24倍额定电流时, 产生过流保护信号过热保护:当散热片温度超过60度时, 产生过热保护信号将检测到的各种信号转化成计算机能识别的数字信号.3、设计要求：熟悉电压源型变频器主电路的构成及基本原理。掌握各种保护发生的原因及保护的作用。 设计四种保护电路,同时要有强弱电隔离功能.通过实验验证设计电路的正确性。4、工作量： 熟悉电压源型变频器主电路的构成及基本原理：20学时；掌握各种保护发生的原因及保护的作用：10学时；设计四种保护电路：50学时；通过实验验证设计电路的正确性：20学时。5、工作计划： 第一周：掌握电压源型变频器主电路的构成及基本原理, 分析各种保护发生的原因及保护的作用,设计过压保护电路. 第二周：设计欠压保护,过流保护,过热保护电路。 第三周：进行实验验正并书写实验报告。 一、 设计内容及对象 本设计主要是针对电压源型变频器主电路的保护，分为过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护，同时针对四种保护电路进行分析。 本设计中的保护电路是对电压源型变频器主电路的保护,因此,必须熟悉主电路的构成和电路中各个元器件的作用,并要分析故障产生的原因和过程,过电压的产生不是因电源过高,而是因变频器所带的电动机在减速过程中,电机绕组产生的感应电动势经反并联二极管回到直流侧产生的,因此,检测的位置在直溜侧电容的两端,因直流侧的滤波电容额定电压是800v,所以,过电压保护值定为800v.欠电压则是因电源电压过低造成的,设定欠电压的保护值是额定电压的10%.过电流是一般是因负载短路或逆变电路中器件损坏短路或逆变电路触发信号错误造成的,检测的位置应在直溜母线上,这样上述各种过流才能都检测到.过热是因整流,逆变等开关器件在工作中发热产生的,因此,应检测安装器件的散热片的温度,过热保护的温度一般设定在60度。 二、电压源型变频器主电路的构成及基本原理 整流电路 滤波电路 制动电路 逆变电路 其主电路主要由整流电路、滤波电路、逆变电路及制动电路等几部分构成，其中绝缘栅双极晶体管构成了变频器主要硬件。(1) 电压源型变频器主电路中各种期间的名称及作用 1、d1d6：（二极管）整流二极管（六合一或二合一）。 2、r1：（电阻）限流充电电阻 km：（接触器触点）延时切除r1 （充电电流）icq=u/r3、 c1、c2：（电解电容）滤波作用4、 r2、r3：（电阻） 均压电阻：电容误差10%，电阻误差10%，c1、c2额定电 压400450v，必须两个串联。 放电电阻5、rd：快速熔断器过流保护 6、t4、r4：能耗制动回路 udc760v打开 7、t1t6：逆变 8、d11d16：反并联二极管（2）变频调速的基本原理 异步电动机同步转速 n0 = 60f1 / np=6050np = 3000 np=1 1500 np=2 1000 np=3 750 np=4（3）变频电源主电路类型1、电压源型 大电容滤波（c1、c2） 二极管整流 输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波 送变侧必须有反并联二极管2、 电流源型 大电感滤波 晶闸管整流 输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波 送变侧不需要反并联二极管3、 四种保护发生的原因及对策 电压源变频器过电压原因及对策 1、对于无制动电阻及制动单元的变频调速系统，在停机时可能出现过电压原因：主要原因是减速时间设定太短，造成停机时电机的转速大于此时的转速。对策：增加减速时间或加装制动电阻或制动单元。2、对于有制动电阻及制动单元的变频调速系统，在制动时出现过电压原因：制动电流设定太大或制动的时间太短，或制动加入的时间过早。对策：减小制动电流或延长制动时间，降低加入制动时的频率（在频率降到更低时再加入制动）。3、在变电所或供电线路中投入补偿电容时，导致变频器发生过电压故障原因：在投入补偿电容时会引起电网出现尖峰电压，导致变频器过电压故障。对策：在变频器输入侧加装ac电抗器。4、制动或减速时间过短原因：当制动或减速时间过短时，电机反馈产生的大量能量会积聚在滤波电容上，从而造成变频器过电压。对策：在满足控制要求的条件事，适当增加或延长制动时间或减速时间。5、雷电过电压原因：当发生雷电时，会造成电网产生高电压，冲击变频器导致过电压故障。对策：同上，在在变频器输入侧加装ac电抗器，增强变频器抗电压变化的能力。6、电源过电压原因：一般变频器输入电压都允许一定程度的过电压，但此允许的过电压持续有一定的时间限制的，当过电压持续一定的时间后，变频器会过电压报警。对策：变频器dc电压上限值一般设定在电压700v以上，相当于输入ac电源电压500v左右，比380v超过了30%以上，此种情况很少出现。对短时间的电源过电压可以靠加装ac电抗器来预防。电压源变频器欠电压原因及对策 1、电源缺相原因：当变频器电源缺相后，三相整流变成二相整流，在带上负载后，致使整流后的dc电压偏低，造成欠压故障。对策：检查变频器电源的空开或接触器触点是否接触良好，触点电阻是否太大，输入电压是否正常等。2、变频器内部直流回路的限流电阻或短路限流电阻的晶闸管损坏原因：当限流电阻或短路限流电阻的晶闸管损坏时，变频器内部的滤波电容就不能充电，造成欠压故障。对策：找到电阻或晶闸管损坏的原因（如电机频繁起动，变频器容量小和电机不匹配等），更换限流电阻或晶闸管。3、同时工作或同时起动的变频器过多原因：当多台变频器同时起动或工作时，会造成电网电压出现短暂的下降，当电压下降持续时间超过变频器允许的时间（一般变频器都有一个允许压降的最短时间）时，就会造成变频器的欠压故障。对策：尽量减少同时起动或工作的变频器的台数，变频器输入侧加装ac电抗器，实在不行就增加供电变压器的容量。4、外界或变频器之间的干扰原因：外界的干扰或变频器间的互相干扰可能造成变频器检测电子线路非正常工作，导致变频器的误报警。对策：增强变频器的抗干扰能力 电压源变频器过电流原因及对策1、电源电压过高2、变频器输出短路3、v/f特性电压提升太大原因：如果v/f电压提升太大，变频器输出频率已经比较高了，而电机转速还比较低（即电机转速的变化滞后于变频器频率的变化），就会造成失速故障，导致变频器过流故障。对策：低速电压提升要在实际中反复实验，不要设置太大，否则会导致变频器一起动就发生过流故障。4、载波频率设置太高原因：当变频器载波频率设置比较高时，开关管的开关速率比较高，发热量增加。因此，当提高变频器的载波频率时，也应当适当降低变频器的负荷电流。对策：在满足调速要求的前提下，降低变频器的载波频率。5、起动加速时间太短原因：变频器输出频率的变化远远超过电机转速的变化（失速），造成过电流故障。对策：延长变频器的加速时间。6、负载突然增大原因：负载突然增大时，电流也会随之增大，当电流超过变频器设定的过电流值时，为保护变频器内部器件，会报“过电流”故障跳闸。对策：分析负载突变的原因，如有可能，可以适当增大变频器的容量。 电压源变频器过热原因及对策 1、周围环境温度过高原因：变频器内部是由无数个电子器件构成的，其工作时会产生大量的热量，尤其是igbt工作在高频状态下，产生的热量会更多。如果环境温度过高，也会导致变频器内部元器件温度过高，为保护变频器内部电路，此时变频器会报温度高故障并停机。对策：降低变频器所在场所的温度，如可以加装空调或风扇等强制制冷措施。2、变频器通风不良原因：如变频器本身的风道堵塞或控制柜的风道被阻塞时，会影响变频器内部的散热，导致变频器过热报警。对策：定期检修变频器，清除其风道的垃圾，顺畅风道。3、风扇卡阻或损坏原因：变频器风扇坏时，大量的热量积聚在变频器内部散不出去。对策：更换风扇。4、负载过重原因：当变频器所带负载过重（小马拉大车）时，会产生过大的电流，产生大量的热量，有时变频器也会过热报警。对策：减小负载或增加变频器的容量。 四、设计要点及注意事项(1) 过电压保护信号检测的位置在两只串联电容的两端(其它位置不合适);过电压信号我们只关心是否达到800v,小于800v的电压信号不需要,因此检测电路只是电压阀值(800v)的判断电路,不需要检测电压的连续变化量,因设计要求要将检测信号转化成计算机能识别的信号,因此,在检测电路中必须有强弱电隔离电路,此电路一般用光电耦合器实现(注意:要用快速光耦,保证响应速度).(2)欠电压保护信号检测的位置可以在两只串联电容的两端,也可以在其它器位置,只要能检测到电源电压即可,欠电压信号要的也是阀值信号,不必检测连续变化量, 检测信号要转化成计算机能识别的信号,必须有强弱电隔离电路. (3)过电流保护 因检测位置在直流母线上,因此,检测的是直流电流信号,检测的方法有:直流电流互感器,霍尔互感器或用小电阻检测,可根据情况设计相应电路.规定保护电流值是额定电流的2.24倍,因需要的仍然是阀值信号,因此不必检测连续变化量,该电路也要有隔离功能并转化成计算机可识别信号.(4)过热保护 过热保护的温度仍是阀值信号,检测器件有温度传感器,热动开关等.该电路要奖温度信号转化为计算机能识别的电信号,也要有隔离功能. 五、四种保护电路电路图1、过压保护电路 过压保护:直流侧电压大于800v时,产生过压保护信号当电压超过800v时，电路发生过压保护。设电阻r1、r2、r3、r4、r7阻值为7k，r5电阻值为105，r7阻值为20k.a点电压： 电阻r6的计算：lm324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。h11a817为光电耦合器。基本原理： 当电压超过800v时，a点电压将超过3v，比较器v+电压超过3v，运放输出为低电平，导致通过发光二极管电压升高，光敏元件产生电流，光电耦合器工作。当光电耦合器工作时连同单片机将信号传递给微机进行检测及保护工作。因为单片机能通过的电压较小，所以设r7为大电阻使其通过的电流变小，才能不会烧坏单片机。2、欠压保护电路 欠压保护:当输入电压小于10%额定电压时, 产生欠压保护信号设r2、r3阻值为200k，r6阻值为10k。ud的计算：设稳压二极管电压为2.5vr1的计算： r4的计算：r5的计算：光电耦合器的工作电源一般为8ma15ma,取9.5ma。其中lm324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。h11a817为光电耦合器。74hc74为非门。基本原理： 比较器的v-端为比较端，当ud电压低于342v时，v+电压低于v-端（因为v-端有稳压二极管）a点输出为高电位，b点为高电位，经非门翻转c点为低电位，导致通过发光二极管电压升高，光敏元件产生电流，光电耦合器经触发工作，将信号传递给单片机，发出信号进行保护工作。若ud电压不低于342v时，光电耦合器并不触发，继而不会给单片机发出信号。3、 过流保护电路 过流保护:当电流超过2.24倍额定电流时, 产生过流保护信号r3的计算：光电耦合器的工作电源一般为8ma15ma,取9.5ma，光电耦合器为h11a817。 设r、r1、r2、r4阻值为10k、10、10k、10k，c1、c2为0.1u。vref的选取：假设电路正常工作时电流为22.4a时，通过r1的电流也为22.4a，则r1上的电压为224v。所以选取vref=224v。基本原理： 设电流传感器的基本值为22.4a，当电路过流工作时，流过其电流将大于22.4a则r1上的电流也将变大，电压跟着变大。v+的电压将大于v-的电压，运放输出低电平，导致通过发光二极管电压升高，光敏元件产生电流，光电耦合器工作。当光电耦合器工作时连同单片机将信号传递给微机进行检测及保护工作。因为单片机能通过的电压较小，所以设r4为大电阻使其通过的电流变小，才能不会烧坏单片机。4、 过热保护电路 过热保护电路我们可以通过热电开关和温度传感器两种元件进行保护电路的设计，首先是运用热电开关（1）热电开关 光电耦合器为h11a817 过热保护:当散热片温度超过60度时, 产生过热保护信号。基本原理：本电路中所用热电开关为双金属片式热电开关，双金属片在常温时是平直的，但受热后膨胀系数大的金属片伸长较多，而膨胀系数小的金属片伸长较短，当温度大于60度时双金属片向膨胀系数小的一面弯曲变形，当其弯曲后开关合上，电路导通。导致通过发光二极管电压升高，光敏元件产生电流，光电耦合器工作。当光电耦合器工作时连同单片机将信号传递给微机进行检测及保护工作。因为单片机能通过的电压较小，所以设r2为大电阻使其通过的电流变小，才能不会烧坏单片机。(2)温度传感器关于r1的计算：温度传感器两端的电压为12v，d1两端的电压为0.7v。温度传感器的电流范围为010ma,这里取7.5ma。设r2的阻止为10k，光电耦合器为h11a817。基本原理：温度传感器的温度设为60，当温度高于60时，温度传感器的电阻增大电压减小，而总的电压不变，从而使发光二极管电压升高，光敏元件产生电流，光电耦合器工作。当光电耦合器工作时连同单片机将信号传递给微机进行检测及保护工作。因为单片机能通过的电压较小，所以设