变频器主电路设计

3变频器主电路设计
3.1 主电路的工作原理
变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。

能实现这个功能的装置称为变频器。

变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。

在本设计中采用图3.1的主电路，这也是变频器常用的格式[4]。

图3.1 电压型交直交变频调速主电路
3.1.1 主电路各部分的设计
1.交直电路设计
选用整流管61VD VD 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。

整流后的电压为d U =1.35L U =1.35×380V=513V。

滤波电容F C 滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。

当变频器通电时，滤波电容F C 的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻L R ，从而使电容F C 的充电电流限制在允许的范围内。

当F C 充电到一定程度，使L S 闭合，将限流电阻短路。

在许多下新型的变频器中，L S 已有晶闸管替代。

电源指示灯HL 除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。

由
于滤波电容的容量较大，放电时间比较长（数分钟），几百伏的电压会威胁人员安全。

因此维修时，要等指示灯熄灭后进行。

B R 为制动电阻，在变频器的交流调速中，电动机的减速是通过降低变频器
的输出频率而实现的，在电动机减速过程中，当变频器的输出频率下降过快时，电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要回馈到直流电路中，使直流电路电压（称泵升电压）不断上升，导致变频器本省过电压保护动作，切断变频器的输出。

为了避免出现这一现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，B R 和B V 的作用就是消耗掉这部分能量。

如图3.1所示，当直流中间电路上电压上升到一定值，制动三极管B V 导通，将回馈到直流电路的能量消耗在制动电阻上。

2.直交电路设计
选用逆变开关管61V V -组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的交流电，逆变管在这里选用IGBT 。

续流二极管127VD VD -的作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，虽然电压突然变为零，但是由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流在线圈中流动。

另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。

电阻0601R R -，电容0601C C -，二极管0601VD VD -组成缓冲电路，来保护逆变管。

由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流c I 和集电极与发射极间的电压ce V 的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。

当逆变管关断时，ce V 迅速上升，
c I 迅速降低，过高增长的电压对逆变管造成危害，所以通过在逆变管两端并联电
容（0601C C -）来减小电压增长率。

当逆变管开通时，ce V 迅速下降，c I 迅速升高，并联在逆变管两端的电容由于电压降低，将通过逆变管放电，这将加速电流
c I 的增长率，造成
IGBT 的损坏。

所以增加电阻0601R R -，限制电容的放电电流。

可是当逆变管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（0601VD VD -），使电容充电时避开电阻，通过二极管充电。

放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。

这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以适用于中小功率变频器。

因本次设计所选用的电动机为中容量型，在此选用此种缓冲电路。

3.1.2 变频器主电路设计的基本工作原理
1.整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电的电路。

本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍[5]。

2.逆变的基本工作原理
将直流电转换为交流电的过程称为逆变。

完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下： （1）单相逆变电路
在图3.2的单相逆变电路的原理图中：
当1S 、4S 同时闭合时，ab U 电压为正；2S 、3S 同时闭合时，ab U 电压为负。

由于开关1S ～4S 的轮番通断，从而将直流电压D U 逆变成了交流电压ab U 。

可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：1S 、2S 交替导通，每个开关导通π电角度。

因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值D U 。

图3.2 单相逆变器原理图
（2）三相逆变电路
三相逆变电路的原理图见图3.3所示。

图3-3中，1S ～6S 组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在
输出端得到一个相位互相差3
2π的三相交流电压。

当1S 、4S 闭合时，V U u -为正；3S 、2S 闭合时，V U u -为负。

用同样的方法得：
当3S 、6S 同时闭合和5S 、4S 同时闭合，得到W V u -,5S ,2S 同时闭合和1S 、6
S 同时闭合，得到U W u -。

为了使三相交流电V U u -、W V u -、U W u -在相位上依次相差3
2π；
各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图3.3b 中已标明。

根据该规律可得V U u -、W V u -、
U
W u -
波形如图3.3c 所示。

a) 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图
图3.3 三相逆变器原理图
观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：
①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如1S 、2S 。

②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差32π电角度。

如3S 比1S ,滞后32π，5S 比3S 滞后32π。

上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过D U 的大小来调节。

3.2 主电路参数计算
根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下[6]：
1.整流二极管的参数计算
m I （峰值电流）N
=2×15.6=22.06A
d
I （有效值）= /m I 二极管额定电流值e I =（1.5～2）Id/1.57=14.91A ～19.88A
额定电压值e U =（2～3）m U =（2～3）×2×380=1074.64V ～1611.96V 2.滤波电容
系统采用三相不控整流，经滤波后d U =1.1×2×380=591.05V 。

3.制动部分
制动电阻粗略计算为N
d
B I U R 2=
～N d I U =18.94Ω～37.89Ω
b V 击穿电压：当线电压为380V
时，根据经验值选1000V 。

B
V 集电极最大电流cm I ：按照正常电压流经B R 电流的两倍来计算：
b
d
CM R U I 2
≥=2×591.05/18.94=62.41A
4.IGBT 的选用
峰值电压=（2～2.5）×1.1×2×380=1182.1V ～1477.63V
集电极电流c I =（1.2～2）m I =（1.2～2）×N I ×λ×2=58.23～97.06A 集电极-发射极额定电压≥1.2倍最高峰值电压=1.2×1477.63V=1773.16V。