直流调速系统主电路设计

第二讲：直流调速系统的主电路设计12020/4/192020/4/192什么是主电路？——电力电子装置中，起到能量变换和传递作用的部分。主电路的明显特征：高电压、大电流2020/4/193主电路设计的内容拓扑结构电力半导体器件直流滤波电解电容预充电回路和能耗制动回路输入和输出滤波器功率器件的串并联使用四象限运行的理解四象限运行的理解直流调速系统中，按照主回路所使用功率器件的不同，主要分为如下两种：晶闸管—电动机系统（V-M）直流PWM功率变换器—电动机系统一、直流调速系统的主电路拓扑结构两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路MVRVFId-Id+--+--正组反组1.晶闸管—电动机系统（V-M）两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路1.晶闸管—电动机系统（V-M）MVFVRabcABC--~反并联可逆V-M系统中的环流MVRVFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc—环流Id—负载电流可逆V-M系统的环流：可逆V-M系统的环流：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。根据环流性质的不同，采用相应的抑制或消除方法。环流的分类与抑制或消除方法：静态环流直流平均环流瞬时脉动环流动态环流封锁触发脉冲配合控制封锁触发脉冲增设环流电抗器1.晶闸管—电动机系统（V-M）(1)=配合控制的有环流可逆V-M系统(2)无环流可逆V-M系统逻辑控制无环流系统错位控制无环流系统设置环流电抗器环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器。12MVFVRabcABC--环流电抗器的设置~失效失效限流限流MVFVRabcABCa'b'c'--~~在三相桥式交叉连接可逆线路中，由于电源独立，每一组桥只有一条环流通道，因此只要设置2个环流电抗器。环流电抗器的设置由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。但是，环流电抗器复杂了主回路的结构，带来损耗等问题。因此，当工艺过程对系统正、反转得平滑过渡特性要求不高时，特别对于大容量系统，常采用既没有直流平均电流又没有瞬时脉动换流的无环流可逆调速系统。=配合控制的有环流系统的评价逻辑无环流系统的评价优点：省去环流电抗器，没有附加的环流损耗；节省变压器和晶闸管装置等设备的容量；降低因换流失败而造成的事故。缺点：由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。2.直流脉宽调速系统整流电路H型桥式PWM变换器放电电阻滤波大电容预充电电路注意：当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。直流脉宽调速系统的性能评价双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。直流脉宽调速系统的性能评价实际应用中应选择哪种拓扑结构？V—M直流脉宽调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。直流脉宽调速系统与V-M系统相比的优越性：二、电力半导体器件的选型功率二极管晶闸管绝缘栅双极晶体管2020/4/1924电力电子器件选型方法步骤：一、根据主电路的结构和电气参数，计算电力电子器件承受的最高电压、最大电流的有效值；二、按照工程化方法计算电力电子器件的额定电压和额定电流。三、根据应用的具体场合，是否需要选择特殊类型的电力电子器件，例如：快恢复等；四、确定电力电子器件的封装形式：螺栓型、模块式等。五、选择生产厂商，确定具体型号。2020/4/19251.二极管、晶闸管额定电流的计算T(AV)VT(1.5~2)1.57II二极管、晶闸管的额定电流按照通态平均电流定义；流过器件的最大电流有效值安全裕量额定电流与平均电流之间的关系Nm(23)UU器件承受的最高电压瞬时值安全裕量二极管只能承受反向电压，晶闸管既可承受正向电压也可承受反向电压。2020/4/19262.IGBT额定电流、电压的计算Nsm1.52IIIGBT额定电流的定义与晶闸管不同，计算公式也有差异！正常情况下，流过器件的最大电流瞬时值安全裕量过载倍数Nm(23)UU器件承受的最高电压瞬时值安全裕量3.功率器件的工程选择方法(1)耐压等级选择因为大多数IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，所以通常IGBT模块的工作电压(600V、1200V、1700V)均对应于常用电网的电压等级。考虑到过载，电网波动，开关过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的一倍。(1)耐压等级选择单相220V600/800V三相380V1200V三相690V1700V三相1140V3300V3.功率器件的工程选择方法(2)电流等级选择在电力电子设备中，选择IGBT时，通常是先计算通过IGBT模块的电流值，然后根据电力电子设备的特点，考虑到过载、电网波动、开关尖峰等因素考虑一倍的安全余量来选择相应的IGBT模块。(3)开关频率选择(4)其它因素：供货周期，价格等3.功率器件的工程选择方法各种封装形式的IGBT(1)英飞凌代理商：北京晶川深圳裕能达(2)赛米控(3)三菱(4)富士(5)国产IGBT：威海新佳IGBT的品牌EUPECIGBT命名规则IGBT主要供应商2020/4/1932厂家主要规格范围INFINEON600V/400A，1200V/600A，1700V/3600A，6500V/600A;SEMIKRON600V/400A，1200V/960A,1700V/830A;MITSUBISHIIGBT:600V/600A,1200V/1400A,1700V/1000A；IPM:600V/600A,1200V/450A,FUJIIGBT:1200V/400A;IPM:1200V/75A;600V/150ATYCO中小功率模块;PIM：600V/50A;1200V/35A;APT分立IGBT，600V/1200V（100A），模块可定制；IXYS三相桥1200V/150A；PIM:1200V/75A;单管6500V/600A；ABB1200V/3600A；3300V/1200A;6500V/600A，研制出10kVIGBT模块的命名规则2020/4/1933EUPEC模块BSM100GB120DN2系列号芯片类型额定电流100A耐压1200V2单元封装说明：１.GB为２单元封装GD为６单元封装２.DN2用于区别IGBT芯片的类型．类似的尾缀还有DLC,DLCK,DN2BIGBT模块的命名规则2020/4/1934三菱模块CM300DY–24A公司代号产品系列号额定电流耐压1200V2单元封装2020/4/19354.智能功率模块IPM：IntelligentPowerModuleIPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护2020/4/19364.智能功率模块IPM：IntelligentPowerModule2020/4/19374.智能功率模块IPM：IntelligentPowerModule三、直流滤波电容直流环节一般采用电容滤波，有如下作用：(1)．由于整流电路输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节来消除脉动，从而使直流电压保持恒定；(2)．异步电动机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件来实现能量的缓冲；(3).实现了整流和逆变的解耦。储能和滤波2020/4/1939铝电解电容的结构引出线皮头铝壳阳极箔阴极箔套管防爆阀电解纸引线式：2020/4/1940铝电解电容的结构盖板式：盖板引出条铝壳阳极箔阴极箔胶带电解纸固定剂套管防爆阀2020/4/1941铝电解电容器的选用原则依据环境温度依据纹波电流电路中施加的直流电压值整机的使用寿命安装方式及空间(如：片式，TAPING，成型等)其他特殊要求，储能(如：点焊机,马达启动)环保要求(EU/RoHS&WEEE)2020/4/1942铝电解电容器的使用注意事项（1）极性铝电解电容器一般是有极性的。极性反接是造成铝电解电容器短路损坏及漏液的原因，因此在无法辨识电气回路上极性或使用于有极性变换设计的回路时，请选用双极性电解电容器。（2）过电压请勿连续施加过电压。当过电压时电解电容器的漏电流会急剧增加。电解电容器之工作电压不应超过额定值2020/4/1943铝电解电容器的使用注意事项（3）使用温度和寿命电解电容器之使用温度请勿超出最高使用温度之设定范围。电解电容器的寿命取决于使用温度。一般来说，当电解电容器之使用温度每降低10℃时，其寿命将增为1倍。电解电容器应尽可能地在较低温度下使用。（4）防爆槽的安装要求有防爆槽设计之电解电容器其使用时防爆槽侧应与其它机构保持最少3mm以上的空间距离上述条件不能满足的话，防爆槽将无法正常运作。2020/4/1944铝电解电容器的使用注意事项（5）纹波电流请勿施加超过额定最高纹波电流容许值以上之纹波电流。施加了过纹波电流之电解电容器的内温将大大增加，引起电解电容器电气特性劣化及破损（6）充放电经常及快速的充放电将使电容器之内温异常上升，会使漏电流增加、容量降低，有时还会造成产品损坏。2020/4/1945铝电解电容器的使用注意事项（7）电容器的储存当电解电容器经过了长时间放置后，其漏电流有增加之倾向。因此在使用经过长时间放置后的电解电容器以前，需先施加额定电压使其电气特性恢复正常。如储存时间长于6个月以上时，请串联1KΩ之保护电阻，使其持续负载额定工作电压30分钟。电解电容器应储存于正常大气条件之环境。（8）焊锡不适当的焊锡温度及时间可能造成表面胶管之异常收缩破裂，有时高温也会藉由导针及端子导热至素子内部，对产品造成不良影响。因此须尽量避免过高温度及过长时间之焊锡。2020/4/1946铝电解电容器的使用注意事项（9）导针与端子机械强度请勿施加过度之力于导针及端子上。请勿扳动已焊接于PC板上之电解电容器，更不要以电解电容器为施力点提起或移动整块。电容器的参数设计(1).电压跟随性(2).抗扰动性经验数据：三相：1A电流对应60uF电容单相：1A电流对应300uF电容主要参数：容值和耐压值1.电容值的确定考虑泵升电压及裕量2.耐压值的确定当容值不够可以采取并联电容的方法以增大容值；为了满足耐压要求采取串接的方式。