低压变频器主回路器件选型分析

380V变频器内部器件的选型 一、变频器的基本组成 1变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能的控制装置。 2我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流电路转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。3 变频器的主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。 二、变频器主回路器件选型1、防雷板吸收电路 三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。 此处的吸收电容主要是对电网的杂波进行滤波，把那些进去的干扰先滤掉。一般这里要选用安规电容，安规电容是指电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。它包括了X电容和Y电容。 x电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。 安规电容安全等级， 应用中允许的峰值脉冲电压过电压等级（IEC664） 安规电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围Y1 （大于8kV） 双重绝缘或加强绝缘 Y2 （大于5kV） 基本绝缘或附加绝缘 Y3 （大于4kV） 基本绝缘或附加绝缘 Y4 （大于2.5kV）基本绝缘或附加绝缘 Y 电容的电容量必须受到限制，从而达到控制在额定频率及额定电压作用下，流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。45kw变频器“X”电容采用的是104J1600V电容，这个电容参数为0.1uF，耐压1600V。“Y”电容采用的是Y2-472/300VAC，这个电容为安规电容，参数为Y2，能承受大于5kV峰值电压，容量4700pF=4.7nF,300V绝缘等级。55kw-400kw变频器防雷板与45kw变频器一致，只是取消了压敏电阻。压敏电阻安装在三相R、S、T进线处，主要起防雷作用。在正常情况下压敏电阻是不起作用的，当有雷击从电网进来时，因为瞬间的高脉冲（高压）把压敏电阻击穿，相当于输入电源线与线间短路，这样雷击能量就在进入变频器之前被转移了，避免损坏变频器模块。 压敏电阻的意思是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者是说 电阻值对电压敏感的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor” 简写为“VDR”。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过 时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。压敏电阻的选取：一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于其额定值中的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值， 一般用下式进行选择：，式中：a为电路电压波动系数，一般取12；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取085；c为元件的老化系数，一般取09；这样计算得到的实际数值是直流工作电压的15倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1414倍。380V变频器的压敏电阻计算：,选取1000V的压敏电阻 2 整流电路 我公司变频器的整流电路是由三相混合桥式整流桥组成，整流桥由可控硅和二极管混合组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。 当电源电压为三相 380V 时，整流器件的最大反向电压反向电压一般为 12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。（选用标准） 开关电源中二极管的选择：整流二极管一般都需要反向恢复时间快的。一般二极管有以下几种：肖特极二极管（反向恢复时间很短 5uS 左右，但反向耐压一般在 100V 以下），超快恢复二极管（反向恢复时间短 25uS 左右，反向耐压一般都能做到 200V 以上），快恢复二极管（一般性）。 如何选择二极管：注意点一看反向耐压值、二看正向额定电流值、三看反向恢复时间长短（规格书）、四看正向压降。相同规格的二极管可以替换，比如 BYV27-200 为超快恢复二极管，反向耐压 200V ，正向电流 2A ；这样可以找到相同规格的二极管去替代比如 UF202 参数与 BYV27 一样。 二极管好坏检测：把万用表放到二极管挡，红表笔接 A 脚处，黑表笔接 K 脚处（K 旁边有一横线），显示 0.300.60 左右。然后二表笔对调，显示 OL，则表示此二极管是好。 R、S、T 三相电，每相电压波形相差 120 C，如上图所示。三相电通过整流桥整流，每相的波形如图、所示。因为它们在相位上各相差 120 C，所以在任一个时间周期上波形不可能重叠。这样经过整流后的三相波形相加就成了图波形。这个波形看起来好象水波一样，一浪一浪的，其实那是为了更直观去看。对于 50HZ 的电压来说 T = 1 / F =0.02 S，一个周期的时间很小，所以真正整流后的波形是没那么凸的，相对来说会接近水平线。再加上电容具有滤波、储能作用，加上电解电容后整流后的波形就成一水平线。 交流 380V 电压经过整流后成直流母线电压 ，母线电压最大值为，其中第一个1.1是表示母线电压的波动系数，第二个1.1代表安全系数，IGBT关断时的峰值电压为，其中1.15为IGBT过压保护系数，150为由引起的尖峰电压。这个电压就是母线电压正常情况下的最大值。 对于 380V 额定电源来说，一般二极管的反向耐压选择 1200V ，二极管的正向电流为电机额定电流I的1.4142 倍。例如一台22KW 的变频器，电机额定电流45A，可以选择整流桥的规格：1200V，6590A 或者更大容量的。整流桥检测：判断方法与二极管一样，只不过是几个二极管组合在一起，分别去测量每个二极管的好坏。3 限流电路 电容的特性：电压不能突变，即在瞬间加在电容二端之间的电压不会变化，在开机前电容二端的电压为 0V ；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于 380V 电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。加上充电电阻限流后，要是不并继电器或其他元件，因为流过电 流很大，比如对于 22KW 的变频器，在 PN 端（直流母线）上至少有 45A 的电流。，由此公式可以看出这样在充电电阻上将会有很大很大的功率损耗。换句话说如果“限流电路的控制电路”部分出问题（比如继电器或者接触器等等质量有问题）则在变频器运行一会儿充电电阻就将因发热太大而坏掉（冒烟）；对于中小功率变频器，要是充电电阻质量很好很好，且阻值也足够大，由公式可知在充电电阻二端的电压 V 将很大。而 PN 端经整流后电压大概为540V，为充电电阻后面的电压即变频器工作直流母线电压。变频器都有设定的工作电压范围，对于三相变频器而言 ，要是工作母线电压低于430V 左右，变频器将显示欠压保护（POFF）。下图为常用的限流电路设计方案。 我公司380V变频器采用的是在可控硅混合整流电路的可控硅支路旁并联一个整流二极管+电阻的限流电路。 45kwMD55-16（1）80W2055kwMD55-16（1）80W20132kwMD55-16（1）80W20（2并）=10200kwMD55-16（1）80W20（3并）=6.7280kwMD55-16（1）80W20（5并）=4400kwMD55-16（3）80W20（2并）=10 上表中，整流二极管参数为额定正向导通电流为55A，反向耐压值为1600V，45-280kw变频器均采用了一路限流电路的设计，400kw变频器采用了3路限流电路的设计。最后一列的电阻代表每一条限流电路的限流电阻阻值。 380V交流电整流后经过充电电阻对电解电容充电，当充到一定值（比如200DCV ）辅助电源启动给控制板供电，让控制板工作从而继电器或可控硅接通，充电电阻就不用再工作了。在开机的瞬间，流过整流桥的电流 ，如果 R 大则 I 小，如何去确定充电电阻的大小呢？是不是充电电阻越大越好还是小点好呢？有些变频器产品一开机，整流桥马上就被炸掉了。由上面公式知道 R 越大，在开机瞬间流过整流桥的电流就越小。而实际上一般一开机炸掉整流桥不是因为充电电阻R的选择小了，而是R太大导致整流桥的炸掉。开机后经充电电阻去充电，当充的电足够辅助电源启动（比如 200V ），DSP工作，发出信号给继电器或可控硅让其导通。在继电器导通瞬间继电器b点处电压要是很低（比200V大），而 a 点电压是 380VAC 直接整流过来大概在 540VDC 左右，所以 a、b 二端压差很大。在接触导通瞬间电流很大，就好比 a、b 是一个很小很小的电阻，瞬间几百伏电压加上去，这样整流桥流过的电流远远大于整流桥额定电流所以把整流桥炸掉。 不同功率变频器，充电电阻不一样，变频器功率越大，充电电阻越小。最直接理解：变频器功率越大，需要电解电容的容量就越大，而电容的容量越大所需要充电的时间就越长。RC 决定充电时间，要想充电时间尽量短只有把充电电阻 R 放小。一般充电电阻选择：大功率变频器选择充电电阻小，小功率变频器充电电阻大。最大值最好不要超过 300 ，最小值最好大于等于10 。电阻选小了对高压电容不好，电阻选大了容易炸机器。继电器原理： 当线圈1,2二端接上电源（交流或直流）后a,b导通。当 1，2 脚间加上直流电源的时候，需要在线圈二端并个二极管 D；当 1，2 脚间加上交流电源的时候，需要在线圈二端并上吸收电容 C。这是因为继电器接触器线圈是个感性元件，有储能作用。在断开电源时，线圈中所储存的能量要是不并吸收电容 C 或二极管 D 给线圈泻放能量，则此能量将成为一个很严重的干扰源，导致变频器乱跳故障。继电器好坏判断：要是继电器不能正常闭合，少则变频器不能正常工作（参见充电部分），充电电阻烧坏，重则变频器炸掉。如何去判断继电器的好坏呢？要是没有安装在 PCB 板或连接在机器上我们很容易就可以判断是好是坏。在继电器 1,2脚间加上额定的电压 （比如24VDC）则 a,b 导通，断开 1，2 脚电压则 a,b 也断开。要是继电器安装在机器上了最简单的方法就是听继电器吸合的声音来判断。a,b 二端在吸合后压差为 0V ，还有 a,b 二端的电阻值在吸合前为充电电阻的阻值。 4 交流输入电抗器 电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量 10 倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于 3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器，抑制变频器谐波反馈电网。 图中：In1: 电网阻抗小时变频器输入电流波形； In2: 电网阻抗大时变频器输入电流波形。 一般而言，电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用 3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的 44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用 2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。一般常选用 24%的压降阻抗，这个百分数是对相电压而言，即:， 其中：电压降落；相电压；线电压。 三相时，输入侧交流电抗器电感值：。为电感流过的最大电流。 例如:对 380V、90kW、50Hz、170A 的变频器，需要配置输入侧交流电抗器的电感量为： 。 取：0.0820.164mH，可以选择能长期能通 170A 电流，电感值在0.123mH 左右的电抗器即可。对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电抗额定电流值一定要大于等于变频器额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过 3%，使用者还要考虑电源内部阻抗，如果电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用 45%阻抗的电感量 。 5 滤波电路 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直 流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路 的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减 小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将 使它们的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值相等的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。 电解电容的作用 （1）滤波作用，在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量小的电容，以滤除高频及脉冲干扰，这里我公司380v变频器使用的是CBB81 224J1200V，电容容量为220000pF=0.22uF，耐压值1200V。 （2）耦合作用：在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。 电解电容常见的故障有，容量减少，容量消失、击穿短路及漏电，其中容量变化是因电解电容在使用或放置过程中其内部的电解液逐渐干涸引起，而击穿与漏电一般为所加的电压过高或本身质量不佳引起。判断电解电容的好坏一般采用万用表的电阻档进行测量具体方法为：将电容两管脚短路进行放电，用万用表的黑表笔接电解电容的正极。红表笔接负极(对指针式万用表，用数字式万用表测量时表笔互调)，正常时表应先向电阻小的方向摆动，然后逐渐返回直至无穷大处。表针的摆动幅度越大或返回的速度越慢，说明电容的容量越大，反之则说明电容的容量越小如表针指在中间某处不再变化，说明此电容漏电，如电阻指示值很小或为零，则表明此电容已击穿短路因万用表使用的电池电压一般很低，所以在测量低耐压的电容时比较准确，而当电容的耐压较高时，有时尽管测量正常，但加上高压时则有可能发生漏电或击穿现象 电解电容的使用注意事项 （1）电解电容由于有正负极性，因此在电路中使用时不能颠倒联接。在电源电路中，输出正电压时电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时则负极接输出端，正极接地当电源电路中的滤波电容极性接反时，因电容的滤波作用大大降低，一方面引起电源输出电压波动，另一方面又因反向通电使此时相当于一个电阻的电解电容发热当反向电压超过某值时，电容的反向漏电电阻将变得很小，这样通电 工作不久，即可使电解电容因发热而炸裂损坏。 （2）加在电解电容两端的电压不能超过其允许工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量。 （3)电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件，以防因受热而使电解液加速干涸.。 （4）对于有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的方法，当作一个无极性的电容。我们知道电解电容具有储能，滤波，平滑波形作用。在没加电解电容前经过整流桥整流的波形好象水中的波浪（当然实际没有那么大的幅度，只是为了直观放大），而并上电解电容后经过整流后的母线电压就上一条很直的线。PN端的电压经过整流后一般在540VDC 左右，因为电网是波动的，所以变频器的直流电压工作范围一般在430VDC700VDC之间。而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个 400VDC 的电容串起来作 800VDC 用。在上下串联电容中并上均压电阻，因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。所以必须在二个串联的电容上再分别并上均压电阻去满足上下电容所承受的电压是一样的。电解电容容量的选择：我们知道二个电容C串联后容量为, 二个电容并起来 的容量为 2C 。（例如，470uF 的二个串联起来容量就只有 235uF, 而并联起来的为940uF）变频器功率越大，需要的电容就越大。一般选择经验为60uF对应1A的输出电流（最小值）。例如，一台15KW的变频器，额定电流为 30A，需要的电容容量为，即至少为1800uF，所以一般选择 4个2200uF （二并二串） 或者 2 个4700uF 的电容（二串联）。当然还要去考虑所选电容品牌，品牌不同，质量相差会很大，这样所选的电容容量也相应需要去调整。一般电解电容的容量都很大，特别是那些大的高压电解电容，而电容又是储能元件。所以需要特别注意在焊接，拿、放它时注意不能去接触电容的二个脚，或者短路它们，这样会很危险。我公司采用的电解电容3300uF400V型，单个电容容量为3300uF，耐压值为400V。 均压电阻的选择对于均压电阻没有什么过多的要求。 注意功率的选择一般就可以了。阻值一般选择 51K 就可以了。均压电阻功率的计算：，我公司380V变频器采用的均压电阻均为51K ，10W的型号。吸收电容：IGBT 的开关动作导致有很大的过流、过压产生，还有电机的能量回馈，要是没有吸收电容把那些尖峰滤掉，IGBT，开关电源中的 MOSFET（开关管）还有整流桥很容易就会被击穿。所以吸收电容是一个很关键的地方。而因为 PCB 板的布局，还有铜排的走线不同，产品的抗干扰效果不一样。这样吸收电容的选择不能仅仅靠经验值去处理。还要依据整体布局（机箱）的好与坏来定。当然在不考虑成本的情况下吸收电容是越大越好。我公司380V变频器采用的MKPH-S 1uF（5%）-1200V。电容容量为1uF，耐压值为1200V。注意事项：因为吸收电容的重要性，所以对它的装配，焊接也要特别注意。1、尽量把 吸收电容放在IGBT 模块的 P，N 端上；2、吸收电容的引脚要尽量的短；3、质量。6 逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（IGBT）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。 逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。续流电路为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道，在逆变过程中，续流电路还为寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。 IGBT的选择由上图很清楚很直观理解 IGBT 的原理：当有驱动波形加在 IGBT的G E 上时，在驱动波形为高电平的时候 IGBT 导通。即相当于 S 闭合，这样电流通过电阻 R 导通（R 相当于 IGBT 的内阻）。当驱动波形为低电平的时候，S 断开，没有电流流过。可以这么说 IGBT 在工作的时候就是一开一关状态，至于开通时间及关断时间为多少就需要软件（DSP）去计算。IGBT 开通损耗：我们知道 IGBT 模块有大有小，一般做变频器的 IGBT 模块额定电流有从10A 到 400A的，也就是说有那么大的电流通过 IGBT 的内阻 R， 由 ，我们知道要是 t 很大这样损耗会很大很大。 实际上t（时间） 是很小很小的， (f 为变频器的载波频率；D 为占空比)。 一般变频器的载波频率在 2KHz 16KHz。所以说 t = 1/(2KHz 16KHz )* D 值很小。但因为I值（模块额定值）大，即使开通时间短在期间损耗的能量也是很大的。 IGBT 在关断的时候也会损耗能量：因为 IGBT 从开通状态到关断不是突变的，由下图可以很直观理解。 在开通的时候一般 IGBT 的压降（C E 间） 在 2V3V 左右，关断在 540V 左右， 从 2V到540V这段时间(t1）IGBT的损耗(注意U、I都是变化的)其实我们可以从图中很直观看出，不管是在开通还是在关断过程，流过 IGBT C E 间的电压及其二端之间的电压不是突变的（有个斜坡），在这个斜坡阶段既有电流又有电压，所以一定要消耗能量。 因为 IGBT 的工作状态是一开一关，在这一开一关中需要消耗很大的能量，载波频率越高，开关速度就越快，的能量