變頻器設(shè)計(jì)的初步認(rèn)識(shí)

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)比于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)，相對(duì)來說結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造容易、能夠可靠運(yùn)行的的異步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，而異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速也隨之得到了發(fā)展。該文闡述了變頻器的基本概念以及工作原理、在這一認(rèn)識(shí)上描述了對(duì)于在變頻器設(shè)計(jì)中元器件的選擇以及在變頻器設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：IGBT 整流 逆變

中圖分類號(hào)：TM925.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（b）-00-01

交流變頻調(diào)速作為一種嶄新的工業(yè)傳動(dòng)調(diào)速方式逐漸登上了歷史的舞臺(tái)。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都具有很大的優(yōu)點(diǎn)，這使得變頻調(diào)速成為最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。

在我國(guó)，低壓電網(wǎng)的電壓和頻率一般為380V，50Hz，如果想要得到電壓和頻率都可以調(diào)節(jié)的電源，那么就需要變頻。變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是變頻技術(shù)與微電子技術(shù)的應(yīng)用，它對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。變頻器的主要功能是通過改變電機(jī)工作電源的頻率方式來控制電動(dòng)機(jī)和電力系統(tǒng)設(shè)備。變頻器主要由整流—交流變直流、逆變—直流變交流、濾波、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還具有很多的保護(hù)功能，如、過壓、過流保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理

由一種固定的電源變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的電源，中間需要一個(gè)橋梁，這就是直流電。首先把不可調(diào)節(jié)的電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋整流成直流電。整流橋分為可控整流橋和不可控整流橋。這就是變頻的第一步，交流轉(zhuǎn)變成直流。然后再將整流后的直流電通過逆變器逆變成三相電壓、頻率均可調(diào)的交流電。這就形成了變頻的工作原理“交—直—交”

變換。

2 元器件的選擇

（1）逆變的主要元器件主要是絕緣柵晶體管—IGBT。選擇它的主要優(yōu)勢(shì)在于IGBT的開關(guān)頻率可以達(dá)到很高的值，接近20KHz。目前，IGBT的產(chǎn)品最大的電流容量已經(jīng)達(dá)到了1800A，工作頻率更是可以達(dá)到50kHz。其次，它的功耗又比較低，集合了晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的長(zhǎng)處。IGBT同三極管類似，也是有三種狀態(tài)：截至狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)，我們?cè)谀孀冞^程中只利用它的截至和飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)作為開關(guān)閉合和開通使用。逆變的過程就是IGBT不斷按照一定規(guī)律開通和關(guān)斷的結(jié)果。

（2）電網(wǎng)電壓進(jìn)線側(cè)加入濾波電容，使得電網(wǎng)電壓的高次諧波被過濾掉，得到平滑的正弦波形，用來減少諧波電流的

污染。

（3）在整流橋和支撐電容間加上一個(gè)限流電阻，有兩方面的作用。一是在電網(wǎng)電壓進(jìn)電的瞬間減小了沖擊電流，防止造成變頻器器件的因沖擊造成的損壞；二是在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓降到限流電阻上，防止電壓迅速降至0V，對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的工作造成干擾，可以說是一舉兩得。對(duì)于充電時(shí)間按照公式T=RLC計(jì)算出充電時(shí)間常數(shù)，充電時(shí)間大概是這個(gè)常數(shù)的3到5倍，這樣在其兩端并聯(lián)一個(gè)接觸器控制其關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間也就能計(jì)算出來了。至于接觸器的容量選擇按照公式ID=PD/UD可以計(jì)算得出，但是接觸器有三個(gè)主觸點(diǎn)可以并聯(lián)起來使用，所以選擇三分之一的電流值就可

以了。

（4）在整流和逆變直流電路設(shè)計(jì)中均加入一種電容叫做支撐電容，既有儲(chǔ)能的作用，又具有濾波的作用。由于電動(dòng)機(jī)定子的等效電路和直流電路之間存在著能量交換的過程，因此要對(duì)支撐電容充放電。在每個(gè)IGBT管旁邊都必須反并聯(lián)一個(gè)二極管，用來為電動(dòng)機(jī)繞組向電容器通電提供通路。電容器在安裝前首先要外觀檢查看是否有鼓包現(xiàn)象，然后必須做規(guī)定的耐壓試驗(yàn)，以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動(dòng)電阻。為了改善制動(dòng)能力，不能期望著靠增加變頻器的容量來解決問題。必須選用合適的制動(dòng)單元來改善變頻器的制動(dòng)容量。小功率制動(dòng)單元一般安裝在變頻器內(nèi)部，外部只接制動(dòng)電阻。大功率的制動(dòng)單元由外接的制動(dòng)單元接到變頻器直流母線上，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)的電能反饋回母線，使母線電壓升高，升高到規(guī)定值時(shí)，開通制動(dòng)單元的開關(guān)管，用制動(dòng)電阻消耗母線上一部分電能，維持母線電壓不繼續(xù)往上升高，使電機(jī)能量消耗在制動(dòng)電阻上，從而獲得制動(dòng)

力矩。

3 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

3.1 關(guān)于散熱的問題

變頻器的發(fā)生故障的頻率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命會(huì)隨溫度升高而成指數(shù)的下降。因此散熱成了變頻器工作性能的重要指標(biāo)。環(huán)境溫度升高10 ℃，變頻器使用壽命將減少一半。若變頻器帶有直流或交流電抗器，并且也在柜子里面，發(fā)熱量會(huì)更大。電抗器安裝在變頻器側(cè)面或側(cè)上方會(huì)比較利于散熱。如果有制動(dòng)電阻的話，制動(dòng)電阻的散熱量很大，安裝位置最好和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。

3.2 變頻器不適合加π型濾波

所謂π型濾波是在電路中串連一個(gè)電阻或者電感，無論是前后哪一種，總會(huì)使其產(chǎn)生一個(gè)電壓降，使得后面的電壓比前面的電壓較低，直流電壓下降，逆變出來的電壓就會(huì)比電網(wǎng)電壓低，因此變頻電路只能采用電容器濾波。

3.3 遠(yuǎn)程控制

現(xiàn)在我們已經(jīng)可以依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變頻器的遠(yuǎn)程控制。主要是通過RS485接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，人在操作室中就能輕松操作，遠(yuǎn)程控制要注意周圍的一些干擾信號(hào)，選擇電纜線需采用屏蔽線或雙絞線且不宜過長(zhǎng)，否則也將導(dǎo)致產(chǎn)生信號(hào)的干擾。

4 結(jié)語

變頻器機(jī)器工作原理目前廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。使用變頻器的家電產(chǎn)品中有電機(jī)（例如變頻空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。對(duì)于變頻器用于電機(jī)控制，其可以調(diào)壓調(diào)頻。但用于熒光燈的變頻器主要就用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。該文對(duì)變頻器進(jìn)行初步分析與設(shè)計(jì)，使初學(xué)者對(duì)變頻器電路的設(shè)計(jì)有了更深刻的理解，希望對(duì)從事變頻器設(shè)計(jì)工作者有所幫助。

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