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1變頻器概念

(資料圖片僅供參考)

對于變頻器大家應該都不是很陌生，因為現(xiàn)實生活中很常見。 如馬上讓我們無法釋懷的空調，從以前的定頻空調到現(xiàn)在的變頻空調; 又如洗衣機、冰箱和電梯，等等這些都涉及到我們今天所要聊的變頻器。

變頻器的定義

變頻調速器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機)轉速的調節(jié)，具有變頻器體積小、重量輕、精度高、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強等優(yōu)點。 變頻調速是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，除了具有卓越的調速性能之外，變頻調速還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調速方式。 變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。

變頻的幾點優(yōu)勢：

節(jié)能

變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節(jié)能。 中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。 應用變頻調速可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉速下運行。 風機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到20%～60%，這是因為風機、泵類的耗用功率與轉速的3次方成正比，當需要的平均流量較小時，轉速降低其功率按轉速的3次方下降。

提高工藝水平和產(chǎn)品質量

變頻調速除了在風機、泵類負載上的應用以外，還可以廣泛應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設備控制領域。 它可以提高企業(yè)的產(chǎn)成品率，延長設備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡化，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設備控制水平。

變頻調速在電動機運行方面的優(yōu)勢

變頻調速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉，只需要改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。 變頻調速系統(tǒng)啟動大都是從低速開始，頻率較低，加、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，啟動電流較小，可以進行較高頻率的起停。

變頻家電

除了工業(yè)相關行業(yè)，在普通家庭中，節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關注，變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應用趨勢，如帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調等，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪聲、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢。

變頻器的組成，宏觀的來看很簡單：

①主電路：整流電路、中間環(huán)節(jié)、逆變電路;

②控制電路：主控制電路、信號檢測電路、驅動電路、外部接口電路以及保護電路;

2主電路的設計和計算

今天我們先來講一講主電路的設計和計算，內容可能有點長，大家可以mark起來慢慢看。

變頻器的主電路如上圖所示，主要包括交流電抗器、輸入壓敏電阻、整流橋、直流電抗器、直流充電電阻、直流電抗器、充電接觸器、直流母線電容、電容均壓電阻、逆變橋、

母線浪涌吸收電容，此外還可以安裝制動單元和制動電阻。

當然，主電路的這些器件也不盡相同，我們這里的足夠用來說明其原理了。

參數(shù)的計算變頻器的容量：

Po=√3UoIo

式中Uo是輸出電壓，Io是輸出電流。 單位是VA。

平時我們一般都以W為功率單位，那么W和VA之間有什么關系呢? 它們中間需要考慮功率因數(shù)λ(cosθ)，只有當功率因數(shù)為1的時候，1W=1VA，而功率因數(shù)不為1的時候，兩者就不相等了。 即視在功率S，有功功率P和無功功率Q之間的關系

S2=P2+Q2，P=Scosθ，Q=Ssinθ; 計算時，注意容量和標稱功率之間的關系。

直流環(huán)節(jié)電壓平均值：

UD=3√2/π*UAC≈1.35UAC

式中，UAC為三相輸入線電壓的有效值。 由于母線電容的存在，直流電壓一般認為等于輸入線電壓的幅值

UD=√2*UAC≈1.414UAC

直流環(huán)節(jié)電流：

ID=π/√6*I≈1.283Me

式中Io為變頻器額定輸出電流。

eg.對于15kW的變頻器，輸出電流為32A，因此變頻器輸出容量為Po=1.73232380=21kVA，直流母線電壓為UD=1.414×380=536V，母線電流為ID=1.283*32=41A。

整流橋計算①電流計算：

流過整流管的電流

有效值：

IT=ID/√3≈0.577ID

平均值：

IT(AV120°)=2ID/π≈0.637ID

IT(AV120°)為120°導通的值，整流二極管一般Datasheet標稱值是180°的值

IT(AV180°)=IT(AV120°)/√3=2ID/√3π≈0.368ID

整流二極管電流選型：

IVT(AV)=(1~2)*α*0.368*(π/√6)*Io

式中：Io為變頻器輸出額定電流。 過載系數(shù)α=1.5~1.8。

一般整流橋很少過載，而且現(xiàn)在的整流管過載能力都比較強，從成本上考慮，所以選取的整流器件甚至可以略小于計

算出的電流值。

②電壓計算

整流管電壓額定值URRM：

URRM≥UAC*√2*1.1*β

式中β為電壓安全系數(shù)，一般取2。 目前整流管額定電壓選取為單相800V，三相1600V。

多個整流元件并聯(lián)

很多時候我們會并聯(lián)器件來滿足所需的電流等級，器件的并聯(lián)必須降低電流額定值使用，可以參照下面式子選擇：

ITa=(1.7~2.5)I/np

式中，I為允許過載時一組橋臂的平均電流，np為并聯(lián)支路數(shù)。

并聯(lián)需要注意的事項：

挑選伏安特性曲線較為一致的器件;

注意連線的結構處理;

必要時可采用均流變壓器;

并聯(lián)的器件工作溫度盡量一致，在散熱器上盡量靠近。

逆變橋計算隨著功率半導體的發(fā)展，IGBT已經(jīng)成為當下中大功率變頻器逆變電路開關管選取的最佳選擇。 再選擇IGBT時我們要注意以下幾點：

①首先根據(jù)變頻器載頻工作范圍及熱設計的要求選擇一種合適的類型。 選擇三種類型IGBT中的一種：

極低的通態(tài)壓降，但開關損耗大;

高通態(tài)壓降，但開關損耗小;

中等通態(tài)壓降，但開關損耗較小;

魚和熊掌不可兼得，根據(jù)自己的需求擇優(yōu)選取。

②根據(jù)體積、結構是否易于并聯(lián)、維護成本及結構設計的壓力等要求決定采用那一種封裝形式。

③計算所選IGBT的電流等級、電壓等級，該步驟同時也影響了吸收電路的形式選擇及結構設計的特點。

關于逆變元件耐壓和電流的選擇：

考慮到瞬間過電壓，IGBT的耐壓通常為直流母線電壓的兩倍。 瞬間過電壓受回路雜散電感和IGBT開關速度的影響，所以實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≥√((Icn)2Ls/Cx+VPN2)

式中，UAC是變頻器輸入電源電壓，β為電源電壓的波動系數(shù)，α為安全系數(shù)，Ic為IGBT的額定電流，n為短路時電流沖擊的倍數(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)境溫度范圍都有關系，實際上，Datasheet中給出的電流參數(shù)常常在一兩種條件下定義，因此總的來講并不準確適合實際應用，有時會偏差很大。

電流額定值的選擇：

確定過載能力

k√2 Io≤Ic

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

確定抗電流沖擊能力

m√2Io≤Ic（1ms）

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

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IGBT并聯(lián)。 由于IGBT具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時導通壓降會增大，因此本身具有自動均流的特性，并聯(lián)使用一般不會導致嚴重的均流問題。

由于IGBT參數(shù)分散性，并聯(lián)使用時需要放大IGBT的容量，IGBT電流需乘以1個降額系數(shù)，降額系數(shù)按照下式計算：

式中n為并聯(lián)器件數(shù)目，x與器件耐壓有關，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

對于IGBT的并聯(lián)，原則上和二極管并聯(lián)差不多，在驅動電路方面有更高的要求，希望并聯(lián)的各個開關管驅動信號一致以保證管子的同時開通和關斷。 對此要求各并聯(lián)的驅動線長

度相同，在各個管子上加裝GE板，對驅動信號進行就近調理。 下面給出一個并聯(lián)驅動的例子，大家可以參考一下：

RE為防止環(huán)流電阻，強電端A點和B點通過導線連接，電勢有可能不完全相等，這樣將在并聯(lián)驅動電路中產(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。 一般我們都會在柵射極并個電阻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整流橋的保護

輸入側必須設計浪涌吸收電路，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，一般容值為0.22～2uF，耐壓為1600V。

增加快熔。 快熔的熔斷時間可達3~5ms比較適合整流橋的保護，并能防止故障的擴大及非常嚴重的后果(如燒毀變頻器等)。 但對于是否增加快熔不同廠商有不同看法，大家可以根據(jù)實際需求來做抉擇。

逆變橋元器件的保護

電流保護：一般采用電流檢測保護(要求整個保護環(huán)節(jié)響應速度滿足元件的規(guī)格要求)，如快速霍爾電流檢測保護，VCE保護等。

霍爾電流檢測保護可以在軟件中處理，也可以采用硬件比較電路實現(xiàn)。

VCE保護是對IGBT最底層的保護，給出一個原理圖，大家參考一下：

驅動脈沖WG3#低電平有效時，B點為低電平。 當IGBT正常開通時，CE間電壓較低(一般為1.7～3V)，W點電位較低，C點是15V的高電平，則A點經(jīng)3k和510歐電阻分壓得到1個電壓約為5V(2+0.7+2)，該電壓不足以導致反向器翻轉，點F保持高電平，三極管不導通，F(xiàn)O為高電平; 若IGBT發(fā)生短路故障，CE間電壓VCE增大，導致A點電平升高，達到反向器的翻轉電平，從而使F點為低，三極管導通，F(xiàn)O輸出為低，從而產(chǎn)生故障信號，同時B點也變成高電平，將該IGBT驅動脈沖封鎖，達到保護IGBT的目的。 D點到B點的反饋起個增強穩(wěn)定的作用，去掉影響也不大。

電壓保護：一般而言，變頻器對瞬時超過模塊耐壓的過電壓沒有好的防止方法，超過模塊耐壓的瞬時過電壓很容易導致模塊電壓擊穿損壞。 對母線瞬時過電壓一般在母線上并高頻吸收電容保護模塊。 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選擇吸收電容的型號、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構有關，0.47~10uF，大小不等。

上電緩沖及實現(xiàn)緩沖電阻的選擇及特點：上電緩沖電阻(主回路中Rc)要求抗沖擊能力強。 必須確認電阻的沖擊曲線并反復實驗驗證。 阻值大小由整流橋的型號和濾波電容的容量決定。 阻值大小一般可按流過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：上電時對電容充電結束后需要將充電電阻旁路，旁路器件有兩種：

①接觸器，實現(xiàn)簡潔，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通電流有效關斷的條件下設計的，在變頻器的應用中，接觸器一般是在沒有電流的情況下閉合和斷開，因此工作條件比標稱條件更好，所以在容量的選取方面可以比較放寬一點。 一般情況，三相并聯(lián)等于直流環(huán)節(jié)電流即可。

電源側交流電抗器電壓型通用變頻器電網(wǎng)電壓交流轉變?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，當電網(wǎng)阻抗小時，這種尖峰脈沖電流極大，會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阻不能阻止尖峰脈沖電流時，當同一電源上有晶閘管設備或開關方式控制功率因數(shù)補償裝置時，三相電源不平衡度大于3%時，都要對輸入側功率因數(shù)作提高和抑制干擾，都需使用電源側交流電抗器。

一般而言，電壓源逆變器、電源側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%。 實際使用中為了節(jié)省費用，常采用2%阻抗的電感量，但這對環(huán)保而言是不好的。 比較好的場合應使用4%阻抗或更大的電抗器。 一般常選用2~4%的壓降阻抗，這個 % 是對相電壓而言，即：

其中 ?U：電壓降落

UP：相電壓

UN：線電壓

輸入側交流電抗器電感值

三相時，

其中 ILmax：電感流過的最大電流。

對于使用者，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，電感值略有大小問題不大，偏大有利于減少諧波，但電壓降落會超過3%，使用者還要考慮電源內部

阻抗，電源變壓器功率大于10倍變頻器功率，而且線路很短的場合，電源內阻小，不僅需要使用輸入側交流電抗器，而且要選擇較大的電感值，例如選用4~5%阻抗的電感量。

直流電抗器計算直流電抗器接在濾波電容前，它阻止進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。 直流電抗器在變頻器功率大于22KW時建議都要采用，當變頻器功

率越大，越應該使用，因為沒有直流電抗器時，變頻器的電容濾波會造成電流波形嚴重畸變和進而使電網(wǎng)電壓波形嚴重畸變，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)驗公式來計算直流電抗器電感量大小：

L=25mH/PM

PM為電機額定功率。

電抗器額定電流大小計算：

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，單相輸入的機型電容量應向上取大一些的值。

如果安裝了直流電抗器，可以有效降低母線交流脈動，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，總容量為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。

制動單元和制動電阻(BD和DBR)小功率制動單元一般在變頻器內部，外部只接制動電阻。 大功率、制動單元由另外外接的制動單元接到變頻器母線上，當電機制動時，電機的電能反饋回母線，使母線電壓升高(我們也稱之為泵升電壓)，升高到一定值時，開通制動單元的開關管，用制動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，使電機能量消耗在制動電阻上而獲得制動力矩。 制動單元的導線長度一般不大于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，導線的截面應不小于電機輸電線的1/2~1/4。

制動電阻的阻值不是隨便的，它有一定范圍。 太大了，制動不迅速，太小了制動用開關元件很容易燒毀。 一般當負載慣量不太大時，認為電機制動時最大有70%能量消耗于制動電阻，30%的能量消耗于電機本身及負載的各種損耗上，此時，

R=Uc2/（0.7P*103）

P：電機功率(KW)

Uc：制動時母線上的電壓(V)

R：制動電阻(Ω)

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

有的小變頻器內部裝有制動電阻，但在高頻度或重力負載制動時，內裝制動電阻的散熱量不足，此時要改用大功率的外接制動電阻。 各種制動電阻都應選用低電感結構的電阻器; 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管上，造成制動管損壞; 制動電阻值不能過分小; 如果回路的電感大、又電阻小，將對制動管不利，會造成損壞。

以上便是關于變頻器主回路的設計和計算的簡單介紹，還是要具體問題具體分析。 寫著寫著沒太在意，篇幅有點長，大家可以收藏，有需要的時候可以參考下。