關(guān)于變頻器的組成及其設(shè)計第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月引言

變頻器的設(shè)計是一個綜合運用多學(xué)科知識、解決系統(tǒng)性能指標(biāo)及可靠性問題的過程，涉及的知識面較廣。其設(shè)計理論涉及電機學(xué)、計算機技術(shù)、測試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電子技術(shù)、自動控制理論、檢測技術(shù)、熱力學(xué)、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等多個學(xué)科。因此它的設(shè)計也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。

第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4變頻器的組成及其設(shè)計本章提要交-直-交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用

變頻器常用電力電子開關(guān)器件開關(guān)管緩沖電路設(shè)計變頻器設(shè)計方法

變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計

第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1交-直-交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用

變頻器的類型也很多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各有不同。本節(jié)將以電壓型通用變頻器為例，介紹一下變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及各部分的功能和作用。交-直-交PWM變頻器都具有類似圖4-1所示的基本結(jié)構(gòu)。

第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

通用變頻器基本結(jié)構(gòu)第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、變頻器主電路的構(gòu)成

變頻器的主電路是功率變換的執(zhí)行機構(gòu)，相當(dāng)于是負(fù)責(zé)承重和出力的“骨骼和肌肉”。

變頻器的主電路整流電路直流濾波電路逆變電路輔助電路第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

整流電路阻容吸收電路，用作過壓保護(hù)，吸收操作過電壓和浪涌電壓。

交流輸入側(cè)并聯(lián)RC阻容吸收電路（星接或角接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來自三相電網(wǎng)的浪涌電壓。

小功率（10kVA以下）變頻器的整流電路通常只用一個六單元整流模塊組成，幾十kVA的變頻器通常用三個兩單元二極管模塊組成整流電路，上百kVA的變頻器通常用多組兩單元二極管模塊并聯(lián)組成電路。如Fuji公司生產(chǎn)的FRN110G11-4CE型160kVA變頻器整流電路由九個兩單元二極管模塊DD100HB160組成，每一個橋臂由三個模塊并聯(lián)而成。

在通用變頻器中整流電路常常采用全橋式二極管不控整流電路。第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月直流濾波電路

濾波元件：一般用大容量鋁電解電容。

如Fuji公司的FRN110G11-4CE型變頻器的濾波回路由六只400V/1000μF電解電容三三并聯(lián)后再串聯(lián)組成。作用：首先是對整流器輸出電壓濾波。其次是吸收來自逆變電路由于元件換向或負(fù)載變化等原因而產(chǎn)生的紋波電壓和電流。第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月逆變電路逆變部分可采用SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IPM、IGCT等器件。緩沖電路：與逆變電路的功率開關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收元件關(guān)斷時的關(guān)斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電容、二極管組成。

快速熔斷器，它只能直接保護(hù)由二極管或晶閘管組成的整流模塊，而對由MOSFET或IGBT等全控型器件組成的逆變電路沒有直接保護(hù)作用。第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

變頻調(diào)速異步電動機的制動控制：可以通過降低變頻器輸出頻率來降低電動機的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到使電動機減速的目的。在電動機的減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速往往會低于電動機的實際轉(zhuǎn)速，這時異步電動機便成為異步發(fā)電機，負(fù)載機械和電動機所具有的機械能量被饋還給電動機，并在電動機中產(chǎn)生制動力矩。

制動電路第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月制動電路容量大于18kVA的變頻器：不再內(nèi)裝制動單元和制動電阻，需要時必須外接制動單元和制動電阻，利用電阻和開關(guān)器件組成放電回路。小容量（0.57-13kVA）變頻器；一般內(nèi)裝制動單元和制動電阻。如果內(nèi)裝制動電阻的熱容量不夠，則需要再外加制動電阻。對于大、中容量的電壓型變頻器來說，為了節(jié)約能源，一般采用能量回饋有源逆變裝置將能量饋還給供電電源。

第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-2電壓型通用變頻器控制電路的功能框圖RST保護(hù)電路·變頻器保護(hù)·電動機保護(hù)·驅(qū)動系統(tǒng)保護(hù)操作·顯示電路·運行操作·參數(shù)設(shè)置·運行狀態(tài)顯示·故障顯示整流電路逆變電路濾波電路控制電路FUSEC1C2R1R2UVW速度傳感器電動機R0檢測電路·電流檢測·電壓檢測·速度檢測主控制電路·輸入信號處理頻率（速度）指令運行/停止信號·加減速速率調(diào)節(jié)·電動機控制運算V/f，轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)矩電流、勵磁電流·PWM波形基極（門極）驅(qū)動電路·電壓、電流信號放大·絕緣·波形整形電源主電路電壓檢測電流檢測運行操作運行指令頻率指令J二、變頻器控制電路的基本構(gòu)成及作用

第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月主控制電路

主控制電路的核心是一個高性能的微處理器，并配以EPROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的輔助電路。主控制電路的硬件相當(dāng)于變頻器的“大腦”，控制策略和軟件則相當(dāng)于變頻器的“靈魂”。功能：輸入信號處理加減速速率調(diào)節(jié)電機控制運算PWM波形的生成

變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，具有與其他設(shè)備通信的能力。

第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月保護(hù)電路保護(hù)電路是變頻器安全可靠運行的“生命線”，其主要作用是根據(jù)檢測電路得到的各種信號來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否異常。

瞬時過電流保護(hù)

變頻器輸出電流過大，有可能超過主電路開關(guān)器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開關(guān)器件并停止輸出。過電流保護(hù)的電流峰值通常設(shè)為變頻器額定電流的200%第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月保護(hù)電路（2）與瞬時過電流保護(hù)是兩個相關(guān)而又完全不同的概念。過載保護(hù)是逆變器輸出電流超過額定值且維持流通達(dá)規(guī)定的時間，即“時間長，過電流幅值小”，體現(xiàn)發(fā)熱的概念；過電流保護(hù)是“瞬間電流幅值大”，體現(xiàn)過電流峰值而沒有時間的概念。

對地短路保護(hù)

過載保護(hù)（電子熱繼電器）

當(dāng)檢測出變頻器輸出電路對地短路（如電機繞組絕緣受損），并且短路電流超過變頻器額定輸出電流的50％時，該保護(hù)功能將起作用，停止變頻器的輸出。

第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月保護(hù)電路（3）過電壓保護(hù)

若變頻器直流側(cè)電壓超過一定值，有可能擊穿濾波電容或電力半導(dǎo)體器件，嚴(yán)重時甚至可能殃及變頻器周圍設(shè)備和操作人員。過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)有相似之處，需要根據(jù)過電壓的程度分別處理。

當(dāng)減速時間設(shè)置過短時，容易發(fā)生過電壓保護(hù)，可以適當(dāng)延長制動時間避免大慣量負(fù)載制動時可能出現(xiàn)的過電壓。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)變頻器的供電電壓降低時，直流中間電路的電壓將會下降，從而使變頻器輸出電壓過低，并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱。而欠電壓保護(hù)功能的作用就是，在檢測到直流中間電路的電壓過低時使變頻器停止工作。欠電壓保護(hù)

保護(hù)電路（4）第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月保護(hù)電路（5）（6）散熱器過熱保護(hù)

熱敏繼電器將動作，使變頻器停止工作或給出警報信號。（7）控制電路異常保護(hù)

當(dāng)變頻器在自檢過程中或工作過程中檢測到控制電路異常，保護(hù)電路將起作用，并停止變頻器輸出，以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來更大的破壞。第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測電路

直流電壓檢測電路電流檢測電路輸出電壓檢測電路

輸出電流檢測電路溫度檢測電路

速度檢測電路

霍爾元件

光電編碼器檢測電路相當(dāng)于是變頻器的“視覺和觸覺”。

第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月外部接口電路

（1）控制指令輸入電路（2）頻率指令輸入電路（3）監(jiān)控信號輸出電路（4）網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路

數(shù)字操作面板

數(shù)字操作面板的作用主要是給用戶提供一個良好的人機界面

，使變頻器及控制系統(tǒng)的操作和故障檢測等工作變得更加簡單。

第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是驅(qū)動主電路開關(guān)元件的電路，它是控制電路與主電路聯(lián)系的“橋梁和媒介”。它將控制電路送往主電路開關(guān)元件的驅(qū)動信號放大、隔離后，控制主電路開關(guān)元件的通斷。

第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月信號隔離是個關(guān)鍵問題，隔離的手段主要有三種：傳統(tǒng)的電力電子器件的驅(qū)動方法是采用脈沖變壓器，但是脈沖變壓器存在一定的漏感，使輸出脈沖陡度受到限制。

高性能的數(shù)字光耦抗共模干擾能力極強，可以有效地抑制來自功率電路的干擾信號。其次，光耦的隔離電壓很高。

脈沖變壓器光電耦合器光纖在高壓變頻器中使用第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制電源是控制電路和驅(qū)動電路的“心臟”，為控制電路和驅(qū)動電路提供能源，因而是變頻器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

線性電源指用于電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的一種直流穩(wěn)壓電源。

開關(guān)電源利用高頻開關(guān)器件并通過變換技術(shù)而制成的高頻開關(guān)直流電源，簡稱開關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作。

四、控制電源

第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2

變頻器常用電力電子開關(guān)器件

IGBTIGCT

IGBT（IPM）已經(jīng)全面取代了GTR成為通用變頻器逆變電路的主流開關(guān)器件，而綜合了IGBT和GTO優(yōu)點的IGCT則在與IGBT在高壓領(lǐng)域的競爭中占了上風(fēng)。第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

具有工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點。

智能型IGBT功率模塊－IPM，內(nèi)部集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使用更方便、體積更小、可靠性更高。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

1）驅(qū)動參數(shù)要求IGBT的柵電容較大，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯(lián)電阻。

（1）柵極電壓任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），最佳柵極正向偏置電壓為15V±10％。雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但為了減小關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極加一個-5V~-15V的反向電壓。

第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

（2）柵極串聯(lián)電阻RG選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG太小會使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時會使IGBT的dv/dt耐量減小。具體選擇RG時，要參考器件的使用手冊。（3）驅(qū)動功率的要求IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗。

第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

柵極驅(qū)動電路的基本形式

柵極驅(qū)動電路分為直接驅(qū)動、變壓器隔離式和光耦隔離式三種形式，如圖4-11所示。第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT集成驅(qū)動器

為了減小體積，降低噪音，改善驅(qū)動性能，實現(xiàn)快速保護(hù)，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的IGBT集成驅(qū)動器用于各種IGBT模塊。常用的集成驅(qū)動器有富士公司的EXB840、841、850、851系列，IR公司的IR2100系列，Motorola公司的MC35153，Unitrode公司的UC×705~×715、HR065、M57957~M57963系列等等。第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的保護(hù)主要包括dv/dt保護(hù)、過流保護(hù)（包括短路保護(hù)）、熱保護(hù)和非工作狀態(tài)保護(hù)等。

（1）dv/dt保護(hù)IGBT的C、E之間能承受的電壓上升率dv/dt是有限的。為了保證dv/dt產(chǎn)生的位移電流不至于使IGBT誤導(dǎo)通，有必要限制C、E之間的dv/dt。保護(hù)措施：加緩沖電路第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的保護(hù)（2）過流和負(fù)載短路保護(hù)

當(dāng)IGBT集電極或負(fù)載短路時，由其輸出特性可知，其飽和壓降會顯著上升。通過檢測IGBT的導(dǎo)通壓降就可以判定它是否過流和短路。如果過流，首先削弱驅(qū)動約8~10μs，再加反向驅(qū)動電壓，關(guān)斷IGBT，以免因產(chǎn)生過高的dv/dt和浪涌電壓導(dǎo)致IGBT關(guān)斷失敗而造成損壞。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT的保護(hù)（3）非工作狀態(tài)保護(hù)由于IGBT的柵極是薄的絕緣柵，在運輸、貯存、測量、裝焊等方面都應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。在任何時候都要小心，防止柵極靜電擊穿。IGBT模塊在出廠時一般都在控制極與發(fā)射極上裝有導(dǎo)電泡沫塑料或粘有導(dǎo)電銅箔，要一直保留到往柵極上壓線或進(jìn)行無靜電焊線時再拿下來。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、智能功率模塊（IPM）

特點：保護(hù)功能齊全，使用方便1）開關(guān)速度快2）低功耗3）快速過流保護(hù)4）過熱保護(hù)5）橋臂對管互鎖保護(hù)6）優(yōu)化的柵極驅(qū)動電路和保護(hù)電路7）驅(qū)動電源欠壓保護(hù)。

第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、集成門極換流晶閘管IGCT的性能和應(yīng)用

90年代中期，ABB公司通過優(yōu)化GTO門極驅(qū)動單元和器件外殼設(shè)計，采用集成門極等技術(shù)，大大降低了門極驅(qū)動回路中的電感，并采用負(fù)門極電流上升率的方法來縮短貯存時間，這就是所謂的GTO“硬驅(qū)動”技術(shù)，從而產(chǎn)生了新型功率器件集成門極換流晶閘管IntegratedGate-CommutatedThyristorIGCT），它將門極換流晶閘管通過印刷電路板與門極驅(qū)動裝置連成一個整體。

它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它綜合了GTO和IGBT兩者的優(yōu)點。

第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用

目前，IGBT和IGCT占領(lǐng)了大功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域。就功率裝置的電流和電壓而言，這兩種器件具有很大的互補性。在實際應(yīng)用中：電壓較低時選用IGBT，電壓較高時選用IGCT。根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)不同，在1800~3300V之間，兩種器件交叉使用，IGBT較適于功率較小的裝置，而IGCT則更適用于功率較大的裝置。

第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3

變頻器設(shè)計方法第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3

變頻器設(shè)計方法

一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的一般性方法

（1）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計，明確系統(tǒng)的總體要求。（2）設(shè)計主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定逆變器件類型；（3）確定控制策略和控制方式；（4）選擇主控制芯片；（5）選擇各物理量的傳感器和檢測電路；（6）系統(tǒng)硬件設(shè)計，軟件設(shè)計第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）普通三相變頻器通常也稱為二電平變頻器，即第二章中所講的交-直-交型變頻器，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，為了獲得大功率可采用器件的串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)。

根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實際要求選擇合理的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）交-交變頻電路

主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。（3）高-低-高電路這是高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)之一。第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.選擇主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4）直接高壓變頻調(diào)速

在高壓大功率的場合，采用三電平技術(shù)直接獲得高壓輸出，或采用多重化技術(shù)將多個低壓逆變橋并聯(lián)/串聯(lián)起來獲得大電流/高電壓，再加上一定的相移，可得到接近正弦的電壓輸出。

第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2.確定控制系統(tǒng)方案

確定控制系統(tǒng)方案

根據(jù)系統(tǒng)的要求:首先確定系統(tǒng)是通用型的，還是高性能的，還是有特殊要求的；其次要確定系統(tǒng)的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，還是采用直接轉(zhuǎn)矩控制等；第三要確定是采用單機控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。

第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.選擇傳感器和檢測電路

在確定總體方案時，必須首先選擇好傳感器和檢測電路，它是影響控制精度的重要因素之一。主要測量電壓、電流、溫度、速度等物理量。

4.選擇CPU和輸入/輸出通道及外圍設(shè)備

5.畫出整個系統(tǒng)原理圖

第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計

整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時流過變壓器副邊的相電流如圖4-24所示。整流二極管（VD1~VD6）的選擇

通過三相整流橋的每個整流二極管的電流波形近似為方波，如圖4-25所示。則流過二極管的電流有效值為第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計故二極管的電流定額值為

二極管的耐壓

式中，U2lm—–整流器輸入線電壓峰值。

第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計平滑濾波電容（C’）的選擇考慮電解電容用作濾波時，和負(fù)載的等效電阻的乘積（時間常數(shù)）應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相整流橋輸出電壓的脈動周期T=0.0033s（即為3.3ms），則

其中Rf為負(fù)載等效電阻。

第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計考慮將用作吸收異步電動機的回饋能量時，其容量只能按能量關(guān)系來近似估計。電動機驟停時，機械儲能與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即

設(shè)過壓系數(shù)K=u1/u0（K＞1），則

上式表明，當(dāng)電壓泵升值一定時，負(fù)載側(cè)儲能越大，濾波電容的容量也越大。而當(dāng)儲能一定時，泵升電壓值越低，K越小，所需的電容量也就越大。

第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變頻器主電路設(shè)計IGBT（VT1~VT6）的選擇（1）要根據(jù)負(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇IGBT，如要適當(dāng)考慮異步電動機的啟動電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過IGBT的集電極電流（2）IGBT的耐壓Uceo至少應(yīng)為實際承擔(dān)的最大峰值電壓的1.2倍以上，即

第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）11.2kVA變頻器設(shè)計舉例

某雙面銑組合機床的機械滑臺，由原來的齒輪變速改造成變頻調(diào)速。要求速度變化范圍為16~750r/min，以滿足工作進(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計變頻器。已知被控對象的原始數(shù)據(jù)：

異步電動機型號：Y132M2—6

額定功率：5.5kW

額定電壓：380V

額定電流：12.6A

額定轉(zhuǎn)速：960r/min系統(tǒng)能提供2倍的額定轉(zhuǎn)矩。

第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計步驟：決定變頻器的工作方式由設(shè)計要求可知，調(diào)速范圍為1:47，低速性能要求高，故選用雙極性IGBT-SPWM工作方式。設(shè)計變頻器的主電路由于采用雙極性IGBT-SPWM變頻器，變頻器的主電路如圖2-18所示。第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月變頻器的功率開關(guān)管的計算（1）計算通過IGBT的峰值電流ImIm由