变频器电路设计、计算与一些经验.pdf

1 1 主回路设计、计算 图 1.1 变频器主回路 变频器主回路如图 1.1 所示，主要包括交流电抗器、输入压敏电阻、整流桥、直流电抗交流电抗器、输入压敏电阻、整流桥、直流电抗 器、直流充电电阻、直流电抗器、充电接触器、直流母线电容、电容均压电阻、逆变桥、器、直流充电电阻、直流电抗器、充电接触器、直流母线电容、电容均压电阻、逆变桥、 母线浪涌吸收电容，母线浪涌吸收电容，此外还可以安装制动单元和制动电阻制动单元和制动电阻 1.1 主回路参数计算主回路参数计算 变频器输出容量： UoIoPo3 式中 Uo 是输出电压，Io 是输出电流 直流环节电压平均值： ACACDUUU35. 1 23   式中，UAC为三相输入线电压的有效值由于母线电容的存在，直流电压一般认为等于输入 线电压的幅值，即： ACACDUUU414. 12 直流环节电流： OODIII283. 1 6   式中 Io 为变频器额定输出电流 例如，对于 15kW 的变频器，输出电流为 32A，因此变频器输出容量为 Po＝ 1.732*32*380=21kVA，直流母线电压为 UD＝1.414×380＝536V，母线电流为 ID＝1.283*32 ＝41A。

2 1.2 整流桥计算整流桥计算 1．电流计算 ），满足设计要求的查 ＝ ）（ 变频器的整流管：例，选择 为变频器输出额定电流式中： 过载系数）（ 整流管电流选择： 的值标称值是对应导通的值，整流管手册值为 平均值： 值：流过整流管的电流有效 ）（ ）（ ，）（ ）（ ）（ ）（ ）（ CAIMDD A II KW I II II I I I I I I I I I AVVT OAVVT O OAVVT DD AVT AVT AVT D D AVT D D T            100190172 9 .186835 . 15 . 1176283. 1368. 05 . 15 . 1 6 368. 02~1 90 8 . 1~5 . 1 6 368. 02~1 368. 0 3 2 3 180120 637. 0 2 577. 0 3 120 180 120        SB61 选的整流器件为 MDC-110，没有乘上 1.5 的过载系数，一般整流桥很少过载，而 且现在的整流管过载能力都比较强， 从成本上考虑， 所以选取的整流器件甚至可以略小于计 算出的电流值。

2．电压计算 整流管电压额定值 URRM ： 1 . 12ACRRMUU 式中β为电压安全系数，一般取 2整流管耐压值选取如下表： 3．器件 并联 输入交流电压 直流电压峰值 耐压 URRM 220 684 800 240 746 800 400 1369 1600 480 1498 1600 3 ），可满足要求的），（的查 并联的计算变频器采用三组整流管例： 为并联支路数的平均电流为允许过载时一组桥臂 式中： 择：管的额定电流按下式选额定值使用，所选整流器件并联必须降低电流 多个整流元件的并联： CAINDDCAIMDD A n I I AII KW npI n I I TATA p Ta O p Ta     10010610610512095 6 .119~3 .81 3 5 .143 )5 . 2~7 . 1 ()5 . 2~7 . 1 ( 5 .143304 6 368. 0 6 368. 0 160 , )5 . 2~7 . 1 (  例：若 160kW 采用 2 组并联，则： A n I I p Ta179~122 2 5 .143 )5 . 2~7 . 1 ()5 . 2~7 . 1 ( SB61 选的整流器件为 MDC-110 两路并联， 比计算值偏小， 但试验表明并没有什么问题。

1.3 逆变桥计算逆变桥计算 IGBT已成为中大功率变频器开关管的最优选择选择IGBT时应重点考虑以下的几点： 一， 首先根据变频器载频工作范围及热设计的要求选择一种合适的类型 选择三种类型 IGBT中的一种： 1、 极低的通态压降， 但开关损耗大， 如EUPEC的FS450等第三代芯片， VON=1.7V-1.8V， 工作频率为1-8K，优化工作频率为4K 2、高通态压降，但开关损耗小，如富士、三菱及EUPEC的BSM300DN2等第二代IGBT 芯片，VON=2.5-3.0V，工作频率为可达20K例：富士G11 3、 中等通态压降， 但开关损耗较小， 如ABB的SPT模块及三菱的F系列， VON=2.0--2.2V， 工作频率为可达10K 二、根据体积、结构是否易于并联、维护成本及结构设计的压力等要求决定采用那一种 封装形式 三、计算所选IGBT的电流等级、电压等级，该步骤同时也影响了吸收电路的形式选择 及结构设计的特点 4 1、关于逆变元件耐压和电流的选择： 考虑到瞬间过电压，IGBT的耐压通常为直流母线电压的两倍瞬间过电压受回路杂散 电感和IGBT开关速度的影响，所以实际耐压的选择要视回路的杂散电感而定。

压为正常工作时的母线电为吸收电容的大小， ，为母线寄生电感的大小模块额定电流击的倍数， 为短路时电流冲模块额定电流，为为安全系数， 为电源电压波动系数，，为变频器输入电源电压式中： ， ）（ ：方法 ）：方法 模块电压额定值计算： PNX S C AC ACPNPN X SC RRM ACRRM VC LIGBT nIGBTI U UVV C LnI U UU IGBT     )35. 1( 2 2 2 1502(1      就目前而言，通用380V变频器IGBT都是1200V耐压 电流的选择与最大工作频率，总功耗、冷却方式及环境温度范围都有关系，实际上，产 品手册中给出的电流参数常常在一两种条件下定义，因此总的来讲并不准确适合实际应用， 有时偏差甚远 标称电流为模块 ，为变频器额定输出电流为硬件电流保护倍数，式中， ：、确定抗电流冲击能力 ）续为模块标称电流值（连 ，为变频器额定输出电流为电流过载倍数，式中， 、确定过载能力： 电流额定值选择： mSI Im IIm DCI Ik IIk msC O msCO C O CO 1 2 2 2 1 )1( )1(  举例：对75kW变频器，Io＝152A，取1.5倍过载能力OIk 2＝322A，1.8倍硬件电流保 护倍数，OIm 2＝386A，因此选用的是400A模块FF400R12KT3。

一般而言，模块的选取主要根据是温升，只要温升能够满足要求，载流能力可以适当放 宽 一个明显的例子是ABB的供水专用510型号5.5kW的机型， 额定电流13A， 峰值电流18A， 但采用了15A电流的IGBT，这主要归功于采用了巨大的散热器 2、IGBT的并联 由于单只IGBT模块电流容量有限，目前1200V双管单个桥臂的最大单管电流为450A， 为了提高载流能力需要对IGBT并联由于IGBT具有正的温度系数，温度升高时导通压降会 增大，因此本身具有自动均流的特性，并联使用一般不会导致严重的均流问题 但是由于IGBT参数分散性，并联使用时需要放大IGBT的容量，IGBT电流需乘以1个降 5 额系数，降额使用，降额系数可以按下式计算： n x xn 1 1 )1)(1(    降额系数＝ 式中n为并联器件数目，x与器件耐压有关，600V器件：x＝0.1；1200V器件：x＝0.15； 1700V器件：x＝0.2 例如，对于1200V常用器件， n=2：降额系数＝0.87 n=3：降额系数＝0.826 n=4：降额系数＝0.80 n=5：降额系数＝0.79 n=6：降额系数＝0.78 n=7：降额系数＝0.776 例：560kW变频器输出电流Io＝1050A，大容量机型与小容量机型相比，对安全性和可 靠性要求更高，需要放大过载余量，因此选用了7只450A的IGBT并联，并联降额后逆变桥 的电流容量为：Ic＝450×7×0.776＝2444A，过载能力为2.32倍。

如果选用6只并联Ic＝450 ×6×0.78＝2106A，过载能力为2倍，正常情况下也能满足要求 对于IGBT的并联，原则上和二极管并联差不多，在驱动电路方面有更高的要求，希望 并联的各个开关管驱动信号一致以保证管子的同时开通和关断 对此要求各并联的驱动线长 度相同，在各个管子上加装GE板，对驱动信号进行就近调理 图1.2 IGBT模块并联的驱动 如图，RE为防止环流电阻，强电端A点和B点通过导线连接，电势有可能不完全相等， 这样将在并联驱动电路中产生环流，RE的作用就是限制短路环流，一般取值为0.33欧在任 何情况下，RGE都不能省略，其作用是防止IGBT栅极电荷积累，一般取值是10k～100k 1.4 主回路元件的保护主回路元件的保护 1、整流桥的保护 6 输入侧必须设计浪涌吸收电路， 吸收元件一般采用压敏电阻、 气体放电管或安规电容等， 整流桥的输出就近安装一只高频无感电容（MKP或CBB81） 见图1中的Yd和Cr，压敏电阻 的耐压值一般选为820V，整流桥的输出吸收电容Cr与变频器功率有关，一般容值为0.22～ 2uF，耐压为1600V 增加快熔快熔的熔断时间可达3~5mS比较适合整流桥的保护，并能防止故障的扩大及 非常严重的后果（如烧毁变频器等） 。

例：通讯电源、UPS、富士G11变频器对于是否增加 快熔不同厂商有不同看法，本公司的未加 2、逆变桥元件的保护 电流保护电流保护： 一般采用电流检测保护 （要求整个保护环节响应速度满足元件的规格要求） ， 如快速霍尔电流检测保护，VCE保护等 霍尔电流检测保护可以在软件中处理，也可以采用硬件比较电路实现SB60，SB70均 采用软件保护，SB80有硬件过流保护 VCE保护是对IGBT模块最底层的保护，原理如下图所示： 图 3 模块的驱动与保护 驱动脉冲 WG3＃低电平有效时，B 点为低电平当 IGBT 正常开通时，CE 间电压较低 （一般为 1.7～3V） ，W 点电位较低，C 点是 15V 的高电平，则 A 点经 3k 和 510 欧电阻分 压得到 1 个电压约为 5V(2＋0.7+2)，该电压不足以导致反向器翻转，点 F 保持高电平，三极 管不导通，FO 为高电平；若 IGBT 发生短路故障，CE 间电压 VCE增大，导致 A 点电平升 高，达到反向器的翻转电平，从而使 F 点为低，三极管导通，FO 输出为低，从而产生故障 信号，同时 B 点也变成高电平，将该 IGBT 驱动脉冲封锁，达到保护 IGBT 的目的。

D 点到 B 点的反馈起个增强稳定的作用，去掉影响也不大 电压保护电压保护： 一般而言， 变频器对瞬时超过模块耐压的过电压没有好的防止方法， 超过模块耐压的瞬 时过电压很容易导致模块电压击穿损坏 对母线瞬时过电压一般在母线上并高频吸收电容保 护模块见图 1 中的电容 C其他的吸收形式如 RC 吸收、RCD 吸收在变频器中都不常用 慎重选择吸收电路的形式并仔细选择吸收电容的型号、容量、耐压及厂家一般耐压选 为 1600V 的 CBB 电容，电容量跟变频器容量和结构有关，0.47~10uF，大小不等 IGBT 等逆变元件吸收电容的要求： 7 （1）高频无感以 MKP（CBB）和陶瓷为介质的电容能较好的满足要求一般 ESL ＜20nH，ESR＜20mΩ不推荐采用 MKT 或 CL 电容，他们的 ESR、△C/C（△T） 、DF 相 比 MKP 相差太多 （2）极高的浪涌电压和浪涌电流承受能力，一般要求 dv/dt＞500V/uS,IPEAK＞500A 如 CDE 公司的 942C 和 943C 其 dv/dt=5137V/uS,IPEAK＞1570A （3）安装方便、引线短（。