变频器电路设计、计算及一些经验

11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，此外还可以安装制动单元和制动电阻。1.1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：ACACDUUU35.123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：OODIII283.16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。21.2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）（）（，）（）（）（）（）（CAIMDDAIIKWIIIIIIIIIIIIIIAVVTOAVVTOOAVVTDDAVTAVTAVTDDAVTDDT1001901729.186835.15.1176283.1368.05.15.16368.02~1908.1~5.16368.02~1368.0323180120637.02577.03120180120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URRM22068480024074680040013691600480149816003），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：CAINDDCAIMDDAnIIAIIKWnpInIITATApTaOpTa100106106105120956.119~3.8135.143)5.2~7.1()5.2~7.1(5.1433046368.06368.0160,)5.2~7.1(例：若160kW采用2组并联，则：AnIIpTa179~12225.143)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。41、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：PNXSCACACPNPNXSCRRMACRRMVCLIGBTnIGBTIUUVVCLnIUUUIGBT)35.1(2221502(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：mSIImIImDCIIkIIkmsCOmsCOCOCO12221)1()1(举例：对75kW变频器，Io＝152A，取1.5倍过载能力OIk2＝322A，1.8倍硬件电流保护倍数，OIm2＝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：nxxn11)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＝0.87n=3：降额系数＝0.826n=4：降额系数＝0.80n=5：降额系数＝0.79n=6：降额系数＝0.78n=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1.2IGBT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：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：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（减小接线电感）而牢固，引线与金属箔的焊接要可靠且能瞬间流过非常大的电流。能直接安装在模块上是最好的方案。CDE、ALCON、ICL、NICHICON、HITACHI等有专为IGBT模块浪涌电压吸收而设计制造的电容，其电特性优异，但价格较高。常见规格：容量：0.22uF、0.47uF、0.68uF、0.82uF、1.0uF耐压：900V、1000V、1200V、1600V1.5上电缓冲及实现1、缓冲电阻的选择及特点：上电缓冲电阻（图1中Rc）要求抗冲击能力强。必须确认电阻的冲击曲线并反复实验验证。阻值大小由整流桥的型号和滤波电容的容量决定。阻值大小一般可按流过电阻的电流为整流管电流额定值的2~3倍选取。例：SB61变频器55kW整流管MDC-100，电容为8200uFx4即8200uF，瞬时充电电压为530V，充电电阻选为：22欧姆/50W。一般而言，充电电阻阻值大致范围取为10～25欧，2、缓冲电阻旁路元件的选择及特点上电时对电容充电结束后需要将充电电阻旁路，旁路器件有两种：（1）接触器，实现简洁，成本低，功耗小，可靠性较差。目前的大功率变频器多采用该方案。（2）可控硅，功耗大（1~2V导通电压），效率低，可靠性高。通用变频器通常采用交流接触器，一般而言，接触器是按一定的导通电流有效关断的条件下设计的，在变频器的应用中，接触器一般是在没有电流的情况下闭合和断开，因此工作条件比标称条件更好，所以在容量的选取方面可以比较放宽一点。一般而言，三相并联等于直流环节电流即可。例：SB61变频器75kW，输出电流152A，直流母线电流为ID