【技術(shù)分享】變頻器主電路的參數(shù)/整流橋/逆變橋等參數(shù)的計(jì)算及設(shè)計(jì)方案

 

?中等通態(tài)壓降，但開(kāi)關(guān)損耗較小；

 

魚(yú)和熊掌不可兼得，根據(jù)自己的需求擇優(yōu)選取。

 

②根據(jù)體積、結(jié)構(gòu)是否易于并聯(lián)、維護(hù)成本及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓力等要求決定采用那一種封裝形式。

 

③計(jì)算所選 IGBT 的電流等級(jí)、電壓等級(jí)，該步驟同時(shí)也影響了吸收電路的形式選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

 

關(guān)于逆變?cè)蛪汉碗娏鞯倪x擇：

考慮到瞬間過(guò)電壓，IGBT 的耐壓通常為直流母線電壓的兩倍。瞬間過(guò)電壓受回路雜散電感和 IGBT 開(kāi)關(guān)速度的影響，所以實(shí)際耐壓的選擇要視回路的雜散電感而定。

 

①額定電壓

方法一：URRM≥(√2UAC*β+150)*α

 

方法二：URRM≥√(（Ic*n)²*Ls/Cx+VPN²)

 

式中，UAC 是變頻器輸入電源電壓，β為電源電壓的波動(dòng)系數(shù)，α為安全系數(shù)，Ic 為 IGBT 的額定電流，n 為短路時(shí)電流沖擊的倍數(shù)，Ls 為雜散電感大小，Cx 為吸收電容的大小，VPN 為正常工作時(shí)母線電壓。

 

就目前而言，通用 380V 變頻器 IGBT 都是 1200V 耐壓。

 

②電流選擇

電流的選擇與最大工作頻率，總功耗、冷卻方式及環(huán)境溫度范圍都有關(guān)系，實(shí)際上，Datasheet 中給出的電流參數(shù)常常在一兩種條件下定義，因此總的來(lái)講并不準(zhǔn)確適合實(shí)際應(yīng)用，有時(shí)會(huì)偏差很大。

 

電流額定值的選擇：

 

確定過(guò)載能力

 

k√2 Io≤Ic

 

式中，k 為電流的過(guò)載倍數(shù)，Io 為變頻器的額定輸出電流，Ic 為 IGBT 標(biāo)稱電流值(連續(xù) DC)。

 

確定抗電流沖擊能力

 

m√2Io≤Ic(1ms)

 

式中，m 為硬件電流保護(hù)倍數(shù)，Io 為變頻器額定輸出電  流，Ic(1ms)為 1ms 標(biāo)稱電流。

 

一般而言，模塊的選取主要根據(jù)是溫升，只要溫升能夠滿足要求，載流能力可以適當(dāng)放寬。

 

IGBT 的并聯(lián)

由于單只 IGBT 模塊電流容量有限，為了提高載流能力需要對(duì) IGBT 并聯(lián)。由于 IGBT 具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時(shí)導(dǎo)通壓降會(huì)增大，因此本身具有自動(dòng)均流的特性，并聯(lián)使用一般不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的均流問(wèn)題。

 

由于 IGBT 參數(shù)分散性，并聯(lián)使用時(shí)需要放大 IGBT 的容量，IGBT 電流需乘以 1 個(gè)降額系數(shù)，降額系數(shù)按照下式計(jì)算：

 

 

式中 n 為并聯(lián)器件數(shù)目，x 與器件耐壓有關(guān)，600V 器件：x＝0.1；1200V 器件：x＝0.15；1700V 器件：x＝0.2。

 

例如，常用的 1200V 的器件，有

 

n=2：降額系數(shù)＝0.87

 

n=3：降額系數(shù)＝0.826

 

n=4：降額系數(shù)＝0.80

 

n=5：降額系數(shù)＝0.79

 

n=6：降額系數(shù)＝0.78

 

n=7：降額系數(shù)＝0.776

 

對(duì)于 IGBT 的并聯(lián)，原則上和二極管并聯(lián)差不多，在驅(qū)動(dòng)電路方面有更高的要求，希望并聯(lián)的各個(gè)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致以保證管子的同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。對(duì)此要求各并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)線長(zhǎng)度相同，在各個(gè)管子上加裝 GE 板，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行就近調(diào)理。下面給出一個(gè)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的例子，大家可以參考一下：

 

 

RE 為防止環(huán)流電阻，強(qiáng)電端 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)線連接，電勢(shì)有可能不完全相等，這樣將在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生環(huán)流，RE 的作用就是限制短路環(huán)流，一般取值為 0.33Ω。一般我們都會(huì)在柵射極并個(gè)電阻 RGE，RGE 都不能省略，其作用是防止 IGBT 柵極電荷積累，一般取值是 10k～100k。

 

★主回路元器件的保護(hù)

整流橋的保護(hù)

輸入側(cè)必須設(shè)計(jì)浪涌吸收電路，吸收元件一般采用壓敏電阻、氣體放電管或安規(guī)電容等，整流橋的輸出就近安裝一只高頻無(wú)感電容（MKP 或 CBB81）。主回路電路圖中的的 Yd 和 Cr，壓敏電阻的耐壓值一般選為 820V，整流橋的輸出吸收電容 Cr 與變頻器功率有關(guān)，一般容值為 0.22～2uF，耐壓為 1600V。

 

增加快熔?？烊鄣娜蹟鄷r(shí)間可達(dá) 3~5ms 比較適合整流橋的保護(hù)，并能防止故障的擴(kuò)大及非常嚴(yán)重的后果（如燒毀變頻器等）。但對(duì)于是否增加快熔不同廠商有不同看法，大家可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)做抉擇。

 

逆變橋元器件的保護(hù)

電流保護(hù)：一般采用電流檢測(cè)保護(hù)（要求整個(gè)保護(hù)環(huán)節(jié)響應(yīng)速度滿足元件的規(guī)格要求），如快速霍爾電流檢測(cè)保護(hù)，VCE 保護(hù)等。

 

霍爾電流檢測(cè)保護(hù)可以在軟件中處理，也可以采用硬件比較電路實(shí)現(xiàn)。

 

VCE 保護(hù)是對(duì) IGBT 最底層的保護(hù)，給出一個(gè)原理圖，大家參考一下：

 

 

驅(qū)動(dòng)脈沖 WG3＃低電平有效時(shí)，B 點(diǎn)為低電平。當(dāng) IGBT 正常開(kāi)通時(shí)，CE 間電壓較低（一般為 1.7～3V），W 點(diǎn)電位較低，C 點(diǎn)是 15V 的高電平，則 A 點(diǎn)經(jīng) 3k 和 510 歐電阻分壓得到 1 個(gè)電壓約為 5V(2＋0.7+2)，該電壓不足以導(dǎo)致反向器翻轉(zhuǎn)，點(diǎn) F 保持高電平，三極管不導(dǎo)通，F(xiàn)O 為高電平；若 IGBT 發(fā)生短路故障，CE 間電壓 VCE 增大，導(dǎo)致 A 點(diǎn)電平升高，達(dá)到反向器的翻轉(zhuǎn)電平，從而使 F 點(diǎn)為低，三極管導(dǎo)通，F(xiàn)O 輸出為低，從而產(chǎn)生故障信號(hào)，同時(shí) B 點(diǎn)也變成高電平，將該 IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，達(dá)到保護(hù) IGBT 的目的。D 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的反饋起個(gè)增強(qiáng)穩(wěn)定的作用，去掉影響也不大。

 

電壓保護(hù)：一般而言，變頻器對(duì)瞬時(shí)超過(guò)模塊耐壓的過(guò)電壓沒(méi)有好的防止方法，超過(guò)模塊耐壓的瞬時(shí)過(guò)電壓很容易導(dǎo)致模塊電壓擊穿損壞。對(duì)母線瞬時(shí)過(guò)電壓一般在母線上并高頻吸收電容保護(hù)模塊。如主回路電路圖中的電容 C。其他的吸收形式如 RC 吸收、RCD 吸收在變頻器中都不常用。

 

慎重選擇吸收電路的形式并仔細(xì)選擇吸收電容的型號(hào)、容量、耐壓及廠家。一般耐壓選為 1600V 的 CBB 電容，電容量跟變頻器容量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，0.47~10uF，大小不等。

 

★上電緩沖及實(shí)現(xiàn)

緩沖電阻的選擇及特點(diǎn)：上電緩沖電阻（主回路中 Rc）要求抗沖擊能力強(qiáng)。必須確認(rèn)電阻的沖擊曲線并反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。阻值大小由整流橋的型號(hào)和濾波電容的容量決定。阻值大小一般可按流過(guò)電阻的電流為整流管電流額定值的 2~3 倍選取。

 

緩沖電阻旁路元件的選擇及特點(diǎn)：上電時(shí)對(duì)電容充電結(jié)束后需要將充電電阻旁路，旁路器件有兩種：

 

①接觸器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔，成本低，功耗小，可靠性較差。目前的大功率變頻器多采用該方案。

 

②可控硅，功耗大（1~2V 導(dǎo)通電壓），效率低，可靠性高。

 

通用變頻器通常采用交流接觸器，一般而言，接觸器是按一定的導(dǎo)通電流有效關(guān)斷的條件下設(shè)計(jì)的，在變頻器的應(yīng)用中，接觸器一般是在沒(méi)有電流的情況下閉合和斷開(kāi)，因此工作條件比標(biāo)稱條件更好，所以在容量的選取方面可以比較放寬一點(diǎn)。一般情況，三相并聯(lián)等于直流環(huán)節(jié)電流即可。

 

★電源側(cè)交流電抗器

電壓型通用變頻器電網(wǎng)電壓交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鹘?jīng)整流后都經(jīng)電容濾波，電容器的使用使輸入電流呈尖峰脈沖狀，當(dāng)電網(wǎng)阻抗小時(shí)，這種尖峰脈沖電流極大，會(huì)造成很大的諧波干擾，并使變頻器整流橋和電容器易損壞。

 

當(dāng)變壓器容量大于變頻器容量 10 倍以上，電網(wǎng)配電變壓器和輸電線的內(nèi)阻不能阻止尖峰脈沖電流時(shí)，當(dāng)同一電源上有晶閘管設(shè)備或開(kāi)關(guān)方式控制功率因數(shù)補(bǔ)償裝置時(shí)，三相電源不平衡度大于 3%時(shí)，都要對(duì)輸入側(cè)功率因數(shù)作提高和抑制干擾，都需使用電源側(cè)交流電抗器。

 

一般而言，電壓源逆變器、電源側(cè)交流電抗器的電感量，采用 3% 阻抗即可防止突變電壓造成接觸器跳閘，使總諧波電流畸變下降到原先的 44%。實(shí)際使用中為了節(jié)省費(fèi)用，常采用 2%阻抗的電感量，但這對(duì)環(huán)保而言是不好的。比較好的場(chǎng)合應(yīng)使用 4% 阻抗或更大的電抗器。一般常選用 2~4%的壓降阻抗，這個(gè) % 是對(duì)相電壓而言，即：

 

 

 

其中 ∇U：電壓降落

       

UP：相電壓

       

UN：線電壓

 

輸入側(cè)交流電抗器電感值

三相時(shí)，

 

 

其中 ILmax：電感流過(guò)的最大電流。

 

對(duì)于使用者，需考慮電感值和電流值兩方面，電流值一定要大于等于額定值，電感值略有大小問(wèn)題不大，偏大有利于減少諧波，但電壓降落會(huì)超過(guò) 3%，使用者還要考慮電源內(nèi)部阻抗，電源變壓器功率大于 10 倍變頻器功率，而且線路很短的場(chǎng)合，電源內(nèi)阻小，不僅需要使用輸入側(cè)交流電抗器，而且要選擇較大的電感值，例如選用 4~5% 阻抗的電感量。

 

★直流電抗器計(jì)算

直流電抗器接在濾波電容前，它阻止進(jìn)入電容的整流后沖擊電流的幅值，并改善功率因數(shù)、降低母線交流脈動(dòng)。直流電抗器在變頻器功率大于 22KW 時(shí)建議都要采用，當(dāng)變頻器功率越大，越應(yīng)該使用，因?yàn)闆](méi)有直流電抗器時(shí)，變頻器的電容濾波會(huì)造成電流波形嚴(yán)重畸變和進(jìn)而使電網(wǎng)電壓波形嚴(yán)重畸變，而且非常有害于變頻器的整流橋和濾波電容壽命。

 

直流電抗器能有效降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)。電感大小選擇合理，電感越大，改善功率因素的效果越好，但電感太大，也會(huì)增大基波電流的電壓降，減小變頻器的輸入電壓，減小了變頻器的最大輸出功率。

 

直流電抗器的電感值的選擇一般為同樣變頻器輸入側(cè)交流電抗器 3% 阻抗電感量的 2-3 倍，最少要 1.7 倍），即

 

LDC=(2~3)LAC

 

此外還有一種利用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算直流電抗器電感量大小：

 

L=25mH/PM

 

PM 為電機(jī)額定功率。

 

電抗器額定電流大小計(jì)算：

 

IL=(1.1~1.2)*π*Io/√6

 

Io 為變頻器額定輸出電流。

 

★直流母線電解電容計(jì)算

直流電解電容是變頻器成本比重較大的一塊。用于 380V 通用變頻器的直流電解電容一般都是采用兩只 400V 串連來(lái)滿足 536V 的耐壓值，220V 的單相變頻器一般使用 1 只 400V 即可滿足耐壓要求。一般容量選取原則是：100uF/1KVA。由于電容器規(guī)格有限，電容量選取范圍可定為 85uF～110uF/KVA，單相輸入的機(jī)型電容量應(yīng)向上取大一些的值。

 

如果安裝了直流電抗器，可以有效降低母線交流脈動(dòng)，這樣可以減小電容器容量。

 

eg.7.5kW 變頻器容量是 11kVA，采用 2200uF 兩只電容串連，電容量為 1100uF，正好滿足 100uF/KVA；200kW 變頻器容量是 250kVA，使用了 12 只 6800uF 電容，總?cè)萘繛?20400，每 kVA 電容量為 81.6uF。220kW 變頻器容量是 280kVA，同樣使用了 12 只 6800uF 電容，每 kVA 電容量為 72kVA。

 

★制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻(BD 和 DBR)

小功率制動(dòng)單元一般在變頻器內(nèi)部，外部只接制動(dòng)電阻。大功率、制動(dòng)單元由另外外接的制動(dòng)單元接到變頻器母線上，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(我們也稱之為泵升電壓)，升高到一定值時(shí)，開(kāi)通制動(dòng)單元的開(kāi)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)電阻上而獲得制動(dòng)力矩。制動(dòng)單元的導(dǎo)線長(zhǎng)度一般不大于 5m，接到變頻器的直流母線（P+、N 端）要使用雙絞線或密排的平行線，導(dǎo)線的截面應(yīng)不小于電機(jī)輸電線的

1/2~1/4。

 

制動(dòng)電阻的阻值不是隨便的，它有一定范圍。太大了，制動(dòng)不迅速，太小了制動(dòng)用開(kāi)關(guān)元件很容易燒毀。一般當(dāng)負(fù)載慣量不太大時(shí)，認(rèn)為電機(jī)制動(dòng)時(shí)最大有 70%能量消耗于制動(dòng)電阻，30%的能量消耗于電機(jī)本身及負(fù)載的各種損耗上，此時(shí)，

 

R=Uc²/(0.7P*10³)

 

P：電機(jī)功率(KW)

 

Uc：制動(dòng)時(shí)母線上的電壓(V)

 

R：制動(dòng)電阻(Ω)

 

低頻度制動(dòng)的制動(dòng)電阻的耗散功率一般為電機(jī)功率的(1/4~1/5)，在頻繁制動(dòng)時(shí)，耗散功率要加大。

 

有的小變頻器內(nèi)部裝有制動(dòng)電阻，但在高頻度或重力負(fù)載制動(dòng)時(shí)，內(nèi)裝制動(dòng)電阻的散熱量不足，此時(shí)要改用大功率的外接制動(dòng)電阻。各種制動(dòng)電阻都應(yīng)選用低電感結(jié)構(gòu)的電阻器；連接線要短；并使用雙絞線或密著平行線；采用如此低電感措施的原因是為了防止和減少電感能量加到制動(dòng)管上，造成制動(dòng)管損壞；制動(dòng)電阻值不能過(guò)分小；如果回路的電感大、又電阻小，將對(duì)制動(dòng)管不利，會(huì)造成損壞。

 

以上便是關(guān)于變頻器主回路的設(shè)計(jì)和計(jì)算的簡(jiǎn)單介紹，還是要具體問(wèn)題具體分析。寫(xiě)著寫(xiě)著沒(méi)太在意，篇幅有點(diǎn)長(zhǎng)，大家可以收藏，有需要的時(shí)候可以參考下。

希望你們能夠喜歡，謝謝~