电流型变频器主电路参数计算及设计

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）电流型变频器的主电路参数计算及设计摘 要为了保证整个变频器系统能够稳定运行，且发挥最大效率。选择主电路的参数就是选择变频器的关键。为合理的选择变频器的各器件及其参数。要根据变频器的原理及其具体使用，在联系实际效果。首先确定电流型变频器的主电路图。然后合理的安排各器件的个数。本系统的整流器的主要器件为二极管和电容。对于其元件的选用，要保证其组合的系统既要保证运行，又不能发生过载。作为电流型变频器，对于其滤波电路的大电感，要保证其能承受最大电压，在此基础上合理选择其电感量。对于逆变器的电流，保证其和整流部分相同即可。但是对绝缘栅双极晶体管的参数选择尤其重要。最后还要保证整个系统的各个部件能够协调在一起。综上所诉，能否选择合理的参数将直接影响系统性能。本文通过对整个系统合理分析计算并联合实际, 直观的介绍了电流型变频器主电路元件参数的选用和计算。关键词：变频器；PWM整流器；整流调速；交流调速；目 录第一章绪论1第二章 课程设计的方案22.1 概述22.2 电路系统总体结构2第三章 变频器概述53.1变频器概述53.2电流型变频器6第四章 电流型变频器主电路84.1电流型变频器主电路选择84.2 电流型变频器主电路参数设计8第五章 课程设计总结13参考文献14IV第一章 绪论变频器是近20年来发展起来且日趋成熟的一门新技术。由于它完善的功能，良好的经济性且实际使用也日趋广泛。对提高产量，增加效率，节约能源，提高经济效益发挥了重要作用。由此应运而生变频调速。进入21世纪，变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢。变频调速交流变频器最为常用。我们将交流变频调速的设备称为变频器。交流变频器可以分为滤波部分、整流部分、控制部分、驱动电路、保护电路等等。一般认为交流电动机的感应电势约等于交流电机的端电压，和频率和磁通的乘积成正比。当频率上升且端电压保持不变时，势必造成磁通量的减少，而磁通量增加将造成电机磁饱和。频率下降时即高于电源频率，磁通量将增加，造成电机不足。无论饱和还是欠不足，对电机都是有关于交流变频调速技术的发展和使用变频器调速技术发展和使用具有非常广泛的特点，它的电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，例如位置、速度、加速度等。实现电能-机械能的转换,达到优质、高产、低耗的目的。调速又分为交流调速和直流调速两种方式。交流调速是交流调速为控制对象的控制系统，直流调速是直流调速为控制对象的控制系统。近年来变频调速使用领域将不断扩大。变频调速作为高新技术、基础技术、节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部分中。随着科学技术的进步、大功率电力电子技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频技术已日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，已成为电动机调速最新潮流。现在，以变频器为主要环节的交流调速作为节能使用和速度工艺控制中越来越重要的自动化设备得到了快速的发展和广泛的使用。交流变频调速已广泛在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业使用，功率大到上万千瓦的轧钢机，小到只有几十瓦的公园喷水头，从工厂装备到家用电器，使用范围相当广阔，并且还将继续扩大。 第二章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合使用所学知识，联合实际并查阅相关资料。设计并计算电流型变频器主电路各器件的参数，让我们在大学期间内在基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和使用交流调速课程中所学的基本理论和基本方法，以掌握电流型变频器调速系统系统的基本原理及如何使用。使用场合: 可使用于大多数交流调速系统 。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于负载电流变化较大的场合。系统的主要功能介绍: 电流型变频器作为变频器的一条分支。其主要功能有保护功能，控制功能，升速和降速功能，控制模式的选择功能，频率给定的功能。2.2 电路系统总体结构电流型变频器主要有主电路和控制电路两部分构成。首先介绍主电路部分。如下图所示，图1为电流型变频器的主电路。图1 电流型变频器主电路 1.主电路主电路是给电机提供调压调速电源的电力部分。通常由三部分构成。即整流器，逆变器和滤波回路。如果当电机需要制动时，还要附加制动回路。同时主电路各器件参数的大小直接影响系统的性能。1） 整流器。它又称为电网侧变流器，其作用是将交流工频电源直流电。本电路所采用的整流器是用二极管构成的不可控三相桥式电路。 2）逆变器。它又称为负载侧变流器。和整流器相反，逆变器是将直流电重新变换为交流电。此电流型变频器是利用6个绝缘栅双极晶体管组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的导通和关断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 3）滤波回路。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动。本电路采用大电容来吸收脉动电压。 2.控制电路给电动机供电（电压，频率可调）的主电路提供控制信号的电路。称为控制电路。控制电路的主要作用是将检测到的各种信号传送至运算电路，使运算电路能够根据要求为主电路提供必要的驱动信号，同时对异步电动机提供必要的保护。图2为控制电路电路图控制电路由以下电路组成：运算电路，驱动电路，检测电路，输入输出接口控制电路，数字控制输入。 1）运算电路。将外部的速度、转矩等指令和检测电路的电流，电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。此控制电路的运算电路为一个分段函数。 2）驱动电路。为驱动主电路器件的电路。它和控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 3）检测电路。包括电流、电压检测电路和速度检测电路。电流、电压检测电路和主回路隔离检测电压电流等；速度检测电路是以装在电动机轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路。根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。4）输入输出接口控制电路。是变频器的主要外部联系通道。输入信号接口主要有频率信号设定端和输入信号控制端。输出信号接口主要有状态信号输出端，报警信号输出端和测量仪表输出端。本电路的输入端是正弦参考信号和三角波发生信号相组合的触发信号。 5）数字控制输入。可设定电动机的旋转方向，完成频率的分段选择及数据通信等。 图2 电流型变频器控制电路第三章 变频器概述 3.1变频器概述日趋广泛，对提高产量，节约能源提高经济效益发挥了重要作用。变频器部份是一个利用固态电子器件的电力电子系统，大多数的变频器是交流/交流转换器，输入及输出都是交流的电压。不过像使用共同直流电源（common DC bus）或是利用太阳能为电源时，则会使用直流/交流转换器的架构。交流/交流转换器可分为三个部份：分别是交流转换为直流的整流器、直流链（DC link）及是直流转换为交流的逆变器。变频器是近20年来发展起来且日趋成熟的一门新技术，由于它完善的功能，实际使用也变频器的输出是利用逆变器，用脉冲宽度调变（PWM）的方式输出交流电压，其中正弦波PWM（SPWM）是最直接调整电动机电压及频率的方式，在右图上方，有大小及频率均可调整的正弦参考波讯号及锯齿型的载波讯号，如果参考信号超过载波，则输出高电位。反之，则输出低电位，即可产生一个脉冲宽度随时间变化的输出讯号，输出讯号在滤波后即接近正弦波。当电动机利用变频器进行调速控制时，能否合理选择变频器将直接影响调速系统的性能的优劣。通常变频器的选择包括变频器类型选择和容量选择两个方面。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。而容量的选择应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。利用变频器可以将电动机在大于额定速度的条件下运作，但提供给电动机的功率不得超过其额定功率。这种使用称为“弱磁”，而电压和频率的比例也会较低。永磁同步电动机由于磁铁产生的磁链为定值，因此弱磁区的速度范围较窄，绕线转子电动机及感应电动机弱磁区的速度范围较广，例如对100hp, 460 V, 60Hz, 1775 RPM（4极）的感应电动机提供460 V, 75Hz的电压（6.134 V/Hz），其转速为额定转速的125%（2218.75 RPM），在输出功率不超过100%的条件下，其转速只有额定转矩的60/75 = 80%。若感应电动机的速度更高时，造成崩溃转矩（breakdown torque）的下降，电动机所能输出的转矩会更低。一般电动机可输出额定功率的转速上限约为额定转速的130%至150%，绕线同步电动机的转速上限更高，有些碾轧用的电动机可以在额定转速的200%至300%时输出额定功率，电动机的最大转速则受转子的机械强度所限制。变频器中会有一个以微处理器或数位讯号处理器为核心的嵌入式系统，控制变频器的运作。相关程序则是在微处理器或者数位讯号处理器的固件中。变频器会提供显示资讯、变量及机能方块有关的参数，使用者可以透过操作器或通讯进行修改，来监制及保护变频器及驱动的电动机及设备。3.2电流型变频器图3为电流型变频器的基本结构。电流型变频器的基本特点是中间滤波环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即遏制电流的变化，使电压接近正弦波。由于直流电源的内阻较大，近似于电流源。故称为电流型变频器。电流型变频器的优点是能扼制负载电流频繁而急剧的变化，因此多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。 图3 电流型变频器电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。电流型直流电路采用电抗器滤波。在波峰(电流较大)时，由电抗器储存磁场能，在波谷(电流较小)时，电抗器将释放磁场能来进行补充，从而使直流电流保持平稳。直流电路是一个电流源，故称为电流型。电流型变频器在选择时一般情况和普通变频器选择方式相同。但要注意中间滤波环节大电感的选择。它是电流型变频器的决定性因素。其参数大小是影响电流型变频器功能强弱的关键。第四章 电流型变频器主电路 4.1电流型变频器主电路选择 图4 电流型变频器主电路由图4得知。此电路需要计算整流器中的二极管和电容。滤波回路中的大电感。以及逆变器中的绝缘栅双极晶体管。电流型变频器的性能由这些器件的参数决定。1）整流桥二极管需要计算额定电流和二极管额定电压 2) 整流器中电容需要计算其电容值及承受的耐压电压 3) 滤波回路中的电感需要计算其电感量和饱和电流 4) 逆变器中的绝缘栅双极晶体管需要计算通过电流及电压 5）逆变器中二极管需要计算平均电流和二极管承受最高电压电动机的参数：额定功率125Kw 额定电压380V 额定电流220A 额定转速1450rpm 额定效率0.92 短路电抗标么值为0.192其他技术参数：过载能力1.2倍、电网电压380V、50Hz.4.2 电流型变频器主电路参数设计（一）参数计算 1）功率计算额定状态下不计谐波损耗时的功率为P1N P1N=PNN (4-1)设逆变器效率为NB,一般取值为0.98PdN=P1NNB （4-2） 逆变器直流输入的功率PdN为 PdN=PNNNB=138.64KW 2) 电流计算输入电机的电流基波分量有效值Id和直流电流I1的关系为 Id=6I1 (4-3)通常情况下 I1=IN=220A输入逆变器的直流电流为IdN=6IN=282.16A 系统处于1.2倍过载时的最大直流电流Idm为Idm=1.2IdN=338.59A整流器交流侧输入的交流电流有效值为I2=0.816IdN=230.24A3) 电压计算直流电压 UdN=PdNIdN=491.35V整流器交流侧输入的交流电压有效值为U2=UdN2.34 (4-4)UdN=491.35V，代入上式得U2=UdN2.34=209.98V 器件参数计算1）整流桥二极管额定电流和二极管额定电压由于经常出现系统过载过流的情况，从系统可能出现最坏情况来确定二极管承受最高电压二极管承受最高电压 UVDm=2E1msin1+Id2L3Cq (4-5) 一般情况下 E1m=3802 sin1=1 （取最大值）L由短路电抗标么值计算L=XK2fN (4-6) 应为XK =0.192，fN=50Hz ，代入得 L=XK2fN=1.05mH所以 UVDm=2E1msin1+Id2L3Cq =1294.94V二极管的额定电压为 VRRMVD=KUVDUVDm （4-7） KUVD是裕量系数，这里取2.5，代入得VRRMVD=KUVDUVDm=3237.35V额定电流为 ITN=KIVT0.368IdN （4-8）KIVT是过载的安全系数，这里取2.5 ITN=KIVT0.368IdN=259.59A实选二极管：ZP300，3300V2) 整流器中电容 从低速运行角度考虑电容的取值，再带有吸收环节的电流型逆变器中，环流过程反压时间被修正为t0=3C22L3Cq （4-9）要保证系统可靠运行应满足 t0（Kttq)2 （4-10） Kt为安全裕量，由以上两式可得C2Kq3L（Kttq)2 取Kq=10，Kt=2，tq=60us带入得C91.43uF给据逆变器最高输出频率求电容取值，在高频运行状态下电机反电动势较高，电容的电压也高，尤其当电机空载运行时，为使换流时间加长，为保证系统正常运行应满足tH16f1m （4-11）tH为换流过程总时间f1m为输出电流最高频率根据经验公式得tH=3C2Id(2E1msin1+23IdLC)+2c （4-12）其中 c=1LC ，和tH16f1m联立又因为电机处于高频运行所以f1m=50Hz Id=IdN4，代入得C107.06uF所以电容的取值范围：91.43uFC107.06uF这里取电容为 C=100 uF一般吸收电容通常为10倍换流电容值Cq=10C=1000 uF电容器耐压电压为 VC=KCUcm （4-12）其中KC为安全系数，这里取1.5， Ucm=E1msin1+Id2L3Cq （4-13） 所以 VC=KCUcm=1136.31V实选换流电容：100 uF，1200V实选吸收电容：1000 uF，1200V3) 滤波回路中的电感需要计算其电感量和饱和电流 为了系统稳定运行，Ld可以从电流脉动角度或电流连续角度计算，在本系统中随着频率下降，负荷电流减小，Ld要从电流脉动角度计算，通常情况下桥式三相整流器的Ld计算公式为 Ld=(UdNU2)1032fdU2SiIdN （4-14）其中Si为电流脉动系数，这里取0.08，fd为输出电流最低谐波频率，这里取 3OOHzLd=(UdNU2)1032fdU2SiIdN=11.55mH其额定电流为IdN，饱和电流可按下式计算 Ib=KbIdN （4-15）Kb为饱和电流系数，这里取1.1Ib=KbIdN=310.33A实选电感量为12 mH，额定电流282.16A,饱和电流310A4) 逆变器中的绝缘栅双极晶体管需要计算通过电流及电压 IGBT的电压为 VCEO=KuGUd (4-16)在本系统中取KuG为2 Ud=2.34U2=491.35V，带入得 VCEO=KuGUd=982.7V其在过载为1.2情况下工作最大电流为 IcmG=2IN=373.35A (4-17) K1G是放大系数及安全裕量，这里取值范围为2-3 IcN=K1GIcmG (4-18)所以额定电流取值范围 ： IcN=K1GIcmG=746.70A（最小） IcN=K1GIcmG=1120.05A（最大） 这里