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1、本章提要本章提要交交-直直-交交PWM变频器的基本结构及作用变频器的基本结构及作用 变频器常用电力电子开关器件变频器常用电力电子开关器件 开关管缓冲电路设计开关管缓冲电路设计 变频器设计方法变频器设计方法 变频器散热系统设计变频器散热系统设计 l特点：特点：保护功能齐全，使用方便保护功能齐全，使用方便l1 1）开关速度快）开关速度快l2 2）低功耗）低功耗l3 3）快速过流保护）快速过流保护l4 4）过热保护）过热保护l5 5）桥臂对管互锁保护）桥臂对管互锁保护l6）优化的栅极驱动电路和保护电路）优化的栅极驱动电路和保护电路l7 7）驱动电源欠压保护。）驱动电源欠压保护。l l 9090年代中
2、期，年代中期，ABBABB公司通过优化公司通过优化GTOGTO门极驱动单元和门极驱动单元和器件外壳设计，采用集成门极等技术，大大降低了门极器件外壳设计，采用集成门极等技术，大大降低了门极驱动回路中的电感，并采用负门极电流上升率的方法来驱动回路中的电感，并采用负门极电流上升率的方法来缩短贮存时间，这就是所谓的缩短贮存时间，这就是所谓的GTOGTO“硬驱动硬驱动”技术，从而技术，从而产生了新型功率器件产生了新型功率器件集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管Integrated Gate-Commutated ThyristorIGCT），），它将门极换它将门极换流晶闸管流晶闸管GCTGCT通过印刷电
3、路板与门极驱动装置连成一个通过印刷电路板与门极驱动装置连成一个整体。整体。l 它不仅有与它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与而且有与IGBT相同的开关性能，即它综合了相同的开关性能，即它综合了GTO和和IGBT两者的优点。两者的优点。 l 目前，目前，IGBT 和和IGCT占领了大功率器件的占领了大功率器件的应用领域。就功率装置的电流和电压而言，这应用领域。就功率装置的电流和电压而言，这两种器件具有很大的互补性。两种器件具有很大的互补性。l 在实际应用中：电压较低时选用在实际应用中：电压较低时选用IGBT，电，电压较高时选用压较高时选用IGCT。
4、根据应用和设计的标准。根据应用和设计的标准不同，在不同，在18003300V之间，两种器件交叉使用，之间，两种器件交叉使用，IGBT较适于功率较小的装置，而较适于功率较小的装置，而IGCT则更适则更适用于功率较大的装置。用于功率较大的装置。 l一、变频调速系统设计的一般性一、变频调速系统设计的一般性方法方法 l（1）控制系统总体方案设计，明确系）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求。统的总体要求。l（2 2）设计主电路拓扑结构，选定逆变）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；器件类型；l（3 3）确定控制策略和控制方式；）确定控制策略和控制方式；（4 4）选择主控制芯片；）选择主控制芯片；
5、（5 5）选择各物理量的传感器和检测电）选择各物理量的传感器和检测电路；路；（6 6）系统硬件设计，软件设计）系统硬件设计，软件设计 l根据系统容量的大小以及实际要求选择合理的根据系统容量的大小以及实际要求选择合理的变频调速系统主电路拓扑结构。变频调速系统主电路拓扑结构。l（1 1）普通三相变频器）普通三相变频器 通常也称为二电平变通常也称为二电平变频器，即第二章中所讲的交频器，即第二章中所讲的交- -直直- -交型变频器，交型变频器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率可采这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率可采用器件的串并联的方法来实现。用器件的串并联的方法来实现。 l（2）交）交-交变频
6、电路交变频电路 交交-交直接变频电路省去了中间直交直接变频电路省去了中间直流环节，效率高，主要用于流环节，效率高，主要用于500kW或或1000kW以上的大以上的大功率、低转速的交流调速电路中。功率、低转速的交流调速电路中。l（3 3）高）高- -低低- -高电路高电路 这是高压变频器的典型结构之一。这是高压变频器的典型结构之一。 l（4 4）直接高压变频调速）直接高压变频调速 在高压大功率的场合，采用在高压大功率的场合，采用三电平技术三电平技术直接获得高压输出，或采用直接获得高压输出，或采用多重化技术多重化技术将多将多个低压逆变桥并联个低压逆变桥并联/ /串联起来获得大电流串联起来获得大电流
7、/ /高电压，再加高电压，再加上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出，详见本书上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出，详见本书第五章。第五章。 l确定控制系统方案确定控制系统方案 根据系统的要求，根据系统的要求，首首先先确定系统是通用型的，还是高性能的，确定系统是通用型的，还是高性能的，还是有特殊要求的；还是有特殊要求的；其次其次要确定系统的要确定系统的控制策略，是采用控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，控制、矢量控制，还是采用直接转矩控制等；还是采用直接转矩控制等；第三第三要确定要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统是采用单机控制系统还是主从控制系统等。等。 l选择传感器和检测电路选择传
8、感器和检测电路 在确定总体方案时，必在确定总体方案时，必须首先选择好传感器和检测电路，它是影响控须首先选择好传感器和检测电路，它是影响控制精度的重要因素之一。主要测量电压、电流、制精度的重要因素之一。主要测量电压、电流、温度、速度等物理量。温度、速度等物理量。 l4. 4. 选择选择CPU和输入和输入/输出通道及外围设备输出通道及外围设备 l5.5.画出整个系统原理图画出整个系统原理图 l整流器输出接滤波电容，整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器稳定工作时流过变压器副边的相电流如图副边的相电流如图4-24所示。所示。整流二极管（整流二极管（VD1VD6）的选择）的选择 通过三相整流桥的每
9、个通过三相整流桥的每个整流二极管的电流波形整流二极管的电流波形近似为方波，如图近似为方波，如图4-254-25所示。所示。l则流过二极管的电流有效值为则流过二极管的电流有效值为l故二极管的电流定额值为故二极管的电流定额值为 m3202mVD31)d(21ItIImVDed72. 2157. 1/III二极管的耐压二极管的耐压 ml2DV)32(UU式中，式中，U2lm整流器输入线电压峰值。整流器输入线电压峰值。 l平滑滤波电容（平滑滤波电容（C）的选择）的选择l考虑电解电容用作滤波时，和负载的等效电阻考虑电解电容用作滤波时，和负载的等效电阻的乘积（时间常数）应远远大于三相整流桥输的乘积（时间常
10、数）应远远大于三相整流桥输出电压的脉动周期出电压的脉动周期T T=0.0033s=0.0033s（即为（即为3.3ms3.3ms），），则则 )F(100033. 0*36fRC其中其中Rf为负载等效电阻。为负载等效电阻。 l考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只能按能量关系来近似估计。电动机骤停时，机械储能能按能量关系来近似估计。电动机骤停时，机械储能与漏感储能之和等于电容上的储能，即与漏感储能之和等于电容上的储能，即 l设过压系数设过压系数K=u1/u0（K1），则），则 22D20212121)(21LIJuuC20222D1uKLI
11、JC上式表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，上式表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，滤波电容的容量也越大。而当储能一定时，泵升电压滤波电容的容量也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，值越低，K越小，所需的电容量也就越大。越小，所需的电容量也就越大。 lIGBT（VT1VT6）的选择）的选择l（1 1）要根据负载的最严重情况选择）要根据负载的最严重情况选择IGBTIGBT，如要适当考，如要适当考虑异步电动机的启动电流，要考虑交流电流的峰值。虑异步电动机的启动电流，要考虑交流电流的峰值。因此，通过因此，通过IGBTIGBT的集电极电流的集电极电流l（2）IGBT的耐压的耐压Uceo至
12、少应为实际承担的最大峰值电至少应为实际承担的最大峰值电压的压的1.2倍以上，即倍以上，即 l mc22 . 1II）（dceo22 . 1UU）（l某双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改某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。要求速度变化范围为造成变频调速。要求速度变化范围为16750r/min，以，以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。试设计变满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。试设计变频器。频器。l已知被控对象的原始数据：已知被控对象的原始数据：l 异步电动机型号：异步电动机型号：Y132M2Y132M26 6l 额定功率：额定功率：5.5kW5.5kWl
13、额定电压：额定电压：380V380Vl 额定电流：额定电流：12.6A12.6Al 额定转速：额定转速：960r/min960r/minl 系统能提供系统能提供2 2倍的额定转矩。倍的额定转矩。 l设计步骤：设计步骤：l1）决定变频器的工作方式）决定变频器的工作方式 由设计要求可知，调速范围为由设计要求可知，调速范围为1：47，低速性能，低速性能要求高，故选用双极性要求高，故选用双极性IGBT-SPWM工作方式。工作方式。l2）设计变频器住电路）设计变频器住电路 交交-直直-交变频器主电路见图交变频器主电路见图2-18。l3）整流二极管的计算）整流二极管的计算l4）变频器功率开关管的计算）变频
14、器功率开关管的计算l5）平波滤波电容器的计算）平波滤波电容器的计算通用变频器的使用与维护通用变频器的使用与维护 山东大学控制学院山东大学控制学院 崔纳新崔纳新现代交流调速系统l 通用变频器是相对于某些有特殊要求的专用变频通用变频器是相对于某些有特殊要求的专用变频器而言的，它有两层含义器而言的，它有两层含义: :(1)(1)这种变频器可以用于驱这种变频器可以用于驱动通用型交流电动机，而不一定要求使用专用变频电动通用型交流电动机，而不一定要求使用专用变频电机；机；(2) (2) 通用变频器具有各种可供选择的功能，以适通用变频器具有各种可供选择的功能，以适应不同性质的负载机械。应不同性质的负载机械。
15、 目前市场上流行的通用变频器主要有富士、三目前市场上流行的通用变频器主要有富士、三菱、安川、日立、三垦、菱、安川、日立、三垦、ABB、西门子、施耐德、西门子、施耐德、VACON（瓦控）、丹佛斯等进口品牌以及国产的森（瓦控）、丹佛斯等进口品牌以及国产的森兰、佳灵、阿尔法、康沃等。兰、佳灵、阿尔法、康沃等。 l通用变频器的发展趋势是：通用变频器的发展趋势是：容量的不断扩大化；容量的不断扩大化；体积和结构的小型化；体积和结构的小型化；功能的多样化、智能化；功能的多样化、智能化；应用领域的广泛化等。应用领域的广泛化等。 图6-1 FRN30G11S-4CX变频器的铭牌 一、通用变频器铭牌一、通用变频器
16、铭牌 图图6-2 通用变频器通用变频器FRN30G11S-4CX型号说明型号说明电源电压系列：电源电压系列：4 400V系列名称：系列名称：G11S或或P11S标 准 适 配 电 动 机 容 量 ：标 准 适 配 电 动 机 容 量 ： 3 0 30kW产品型号：产品型号：FRENIC5000FRN 30 G11S-4l6.1 6.1 通用变频器的铭牌及标准规格通用变频器的铭牌及标准规格 额定输入参数（额定输入参数（SOURCE）：额定输入）：额定输入参数一般包括电源输入相数、电压、频率、参数一般包括电源输入相数、电压、频率、允许的电压幅值及频率波动范围、额定输入允许的电压幅值及频率波动范围、额定输入电流等。电流等。 额定输出参数（额定输出参数（OUTPUT）：额定输出）：额定输出参数一般包括通用变频器的额定容量、相数、参数一般包括通用变频器的额定容量、相数、额定输出电压、额定输出电流、过载能力和额定输出电压、额定输出电流、过载能力和输出频率范围等。输出频率范围等。 生产序列号（生产序列号（SER.NO.）：除了变频器的型号、容）：除了变频器的型号、容量信息外，生产序列号还包含通用变频
