电流型变频器主电路的参数计算及设计 3.docx
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电流型变频器主电路的参数计算及设计3
辽宁工业大学
交流调速控制系统课程设计（论文）
题目：
电流型变频器的主电路参数计算及设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化102
学号：
100302043
学生姓名：
齐绍军
指导教师：
（签字）
起止时间：
2013.06.24-2013.07.07
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化教研室
学号
100302043
学生姓名
齐绍军
专业班级
自动化102
课程设计（论文）题目
电流型变频器的主电路参数计算及设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
设计电流型变频器的主电路和控制电路。
并针对主电路进行参数计算：
包括功率计算、电流计算、电压计算，在参数计算的基础上对元件进行选取：
包括变压器、晶闸管、电抗器、电容、IGBT、二极管。
设计任务及要求：
1、设计电流型变频器的主电路和控制电路；
2、计算主电路的各个参数；
3、计算主电路各个元件的参数并进行选取
技术参数：
电动机的参数：
额定功率125Kw额定电压380V额定电流220A额定转速1450rpm额定效率0.92
接线方式为△短路电抗标准值为0.192
其他技术参数：
过载能力1.2倍、电网电压380V、50Hz.
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计主电路（2天）；
3、参数计算及器件选型（4天）；4、撰写课设论文（1.5天）；
6、设计结果考核（0.5天）；
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
带变频器起动时，电动机能获得优良的性能。
本文详细介绍了用于电动机起动的电流型变频器主电路元件参数计算及选择方法。
设计电流型变频器的主电路和控制电路。
根据所学知识，利用如：
电流连续原则，晶闸管耐压指标公式，经验公式等交流调速公式对所设计的电流型变频器的主电路进行参数计算：
包括功率计算、电流计算、电压计算，在参数计算的基础上对已有的元器件型号进行选取：
包括变压器、晶闸管、电抗器、电容、IGBT、二极管。
关键词：
变频器；参数；计算；电流型；设计
目录
第1章绪论1
第2章课程设计的方案3
2.1概述3
2.2变频器组成总体结构3
第三章变频器主电路及控制电路5
3.1主电路5
3.2控制电路6
第四章主电路参数计算及器件选取9
4.1参数计算9
4.2器件选取10
第五章课程设计总结14
参考文献15
第1章绪论
随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。
高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。
近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。
根据高压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。
高-低-高型变频器采用变压器实行输入降压，输出升压的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入，输出变压器，存在中间低压环节电流大，效率低下，可靠性下降，占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压电机的简单调速。
常规的交-交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊场合。
直接高压交-直-交变频器直接高压输出，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛。
我们将对目前使用较为广泛的几种直接高压输出交-直-交型变频器及其派生方案进行分析，指出各自的优缺点。
评价高压变频器的指标主要有：
成本，可靠性，对电网的谐波污染，输入功率因数，输出谐波，dv/dt，共模电压，系统效率，能否四象限运行等。
顺便指出，我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为2.3-10KV，国内主要为3KV，6KV和10KV，和电网电压相比，只能算作中压，故国外常成为MediumVoltageDrive.高压变频器正向着高可靠性，低成本，高输入功率因数，高效率，低输入输出谐波，低共模电压，低dv/dt等方向发展。
电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。
对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备，单元串联多电平PWM电压源型变频器在输入，输出谐波，效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。
对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合，双PWM结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。
晶闸管目前工业应用的最高电压为8000V左右，当电网电压较高时，可采用晶闸管串联的办法。
比如，当电网电压为交流4160V时，需要2个耐压为5KV的晶闸管串联，才能满足5900V峰值电压时的耐压要求。
考虑到器件串联时的均压问题和器件耐压使用安全裕量，在工业应用中，一般使用到器件额定电压的50-60%。
晶闸管串联存在静态均压和动态均压问题。
均压电阻会消耗一部分功率，影响系统的效率。
晶闸管的通态压降一般较低，门极触发电路比较简单，驱动功率较低。
以6500V，4200A的晶闸管为例，通态压降可做到1.73V，门极触发电流仅需400mA，触发功率仅为3W，该晶闸管的断态电压临界上升率达2000V/μs，通态电流临界上升率达250A/μs（连续）。
由于电源侧采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波成份较大，为了降低谐波，可采取多重化，有的还必须加输入滤波装置。
电流源型变频器输入功率因数一般较低，且会随着转速的下降而降低，通常要附加功率因数补偿装置。
另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会施加到电机定子绕组中心点和地之间，影响电机绝缘。
电流源型变频器的输出电流谐波较高，会引起电机的额外发热和转矩脉动，必要时也可采取输出12脉冲方式或设置输出滤波器，当然系统的复杂性和成本也会增加。
由于均压电路等固定损耗较大，以及输入功率因数较低，导致无功电流较大等原因，系统效率会随着负载的降低而降低。
电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式，输出滤波器换相式，负载换相式和GTO-PWM式等。
其中，前三种电流源型变频器的逆变功率器件都采用晶闸管，输出采用120°导通方式。
GTO-PWM式电流源型变频器采用GTO作为功率器件，逆变器一般采取电流PWM控制方式。
在系统控制上，电流源型变频器在一般应用时采取电压-频率协调控制。
与电压源型变频器可以直接控制输出电压不同，电流源型变频器的输出电压是由输出电流及负载决定的，所以为了实现电压频率协调控制，必须设置电压环以实现输出电压的闭环控制。
高性能时，通常采取磁场定向矢量控制，采用常见的转速电流双闭环，通过速度和磁通闭环调节器分别得到定子电流的转矩分量和励磁分量，经过极坐标变换，得到定子电流幅值和负载角，定子电流的幅值作为电流环的给定值，控制晶闸管整流电路实现定子电流的闭环控制，负载角和同步旋转坐标系的位置角迭加在一起，用于逆变侧晶闸管的触发脉冲分配。
电流源型变频器对电网电压的波动较为敏感，一般电网电压下降15%，变频器就会跳闸停机。
第2章
课程设计的方案
概述
本次设计主要是综合应用所学知识，对电流型变频器的主电路进行参数计算和相关设计。
为了减小电流和转矩冲击,通常采用降低定子电压的方法起动大容量笼型异步电动机,例如串联电抗器起动、自耦变压器起动、液态变阻器起动等。
由于起动电流和起动转矩调节范围有限,这些起动方法往往不能满足生产工艺要求。
采用正反并联晶闸管构成的三相交流调压电路已广泛应用于笼型异步电动机的软起动,但这种方法的最大缺点是只能降压而不能降频。
当平均电压降低时,电机中的气隙磁通也随之降低,与气隙磁通成正比的起动转矩也降低。
因此,这种降压起动方法降低了起动电流,也降低了起动转矩,电机不能带负载起动。
变频器的动态响应快,静态精度高,电流和转矩易于控制。
起动性能好,调速范围宽,在采用晶闸管的电流型变频器中,用于电机起动时有其优越的性能。
变频器和电机的参数互相影响,变频器主电路参数选用合理与否直接影响系统性能。
本文通过一个工程设计实例,系统介绍了电流型变频器主电路元件参数的计算和选用方法。
变频器组成总体结构
图2-1变频器结构组成
1）主电路一对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交—直一交电路。
它由三相桥式整流器（即AC／DC模块）、滤波电路（电容器C）、制动电路（晶体管V及电阻R）、三相桥式逆变电路（IGBT模块）等组成。
电压型变频器是以电压源向交流电动机提供电功率的，优点是不受负载功率因数或换流的影响。
缺点是负载出现短路或波动时，容易产生过电流，烧损模块，故必须在极短时间内采取保护措施，且只适用单方向传送，不易实现能量回馈。
2）驱动板一由IGBT的驱动电路、保护电路、开关电源等组成。
3）主控板一由CPU、故障信号检测、I／O光耦合电路、A／D和D／A转换、EPROM、16MHz晶振、通信电路等组成。
多数采用贴片元件（SMT）波峰焊接的技术。
4）操作盘及显示—输人I／O操作信号，用LED（或LCD）来显示各种状态。
5）电流传感器一用以得到电流信号。
第三章变频器主电路及控制电路
3.1主电路
电流型变频器主电路的典型构成方式如图3-1所示。
其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。
由于电感的作用，直流电流Id趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。
直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。
这种电流型变频器，其逆变器中晶闸管，每周期内工作120°,属120°导电型。
图3-1电流型变频器主电路图
电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角Φ>90°）即可。
这种电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。
在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
3.2控制电路
图3-2电流型变频器控制电路框图
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的网络，称为控制电路。
控制电路由电压、频率的运算电路，主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度计测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路及逆变器和电动机的保护电路等组成。
无速度检测电路为开环控制：
在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可对异步电动机的速度进行更精确的控制电路为闭环控制。
（1）运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率；
（2）电压、电流检测电路为与主电路电位隔离检测电压、电流等；
（3）驱动电路为驱动主电路器件的电路，它控制电路隔离，控制主电路器件的导通与关断；
（4）I／O电路使变频更好地人机交互，具有多信号的输入，还有各种内部参数的输入；
（5）速度检测电路将装在异步电动机轴上，速度检测器（PLG等）的信号设为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转；
（6）保护电路检测主电路的电压、电流。
当发生过载或过电压异常时，为防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，保护功能如下：
瞬时过电流保护由于逆变电流负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。
变流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。
逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、电线等损坏要停止运转。
恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。
过载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生。
采用逆变器是电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。
可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的方法，防止过电压。
对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。
但瞬时停电如果达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。
逆变器负载接地时，为了保护逆变器有时要有接地过电流保护功能。
但为了确保人身安全，需要装设漏电断路器。
有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。
在温度上升很小对运转无妨碍的场合，可以省略。
过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。
动作频繁时，可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。
其它保护
①防止失速过电流
急加速时，如果异步电动跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。
所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。
对于恒速运转中的过电流，有时也进行同样的控制。
②防止失速再生过电压
减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压电路保护动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止不能运转（失速）。
通用变频器一般为电压型变频器，采用交—直—交工作方式，即是输入为交流电源，交流电压三相整流桥整流后变为直流电压，然后直流电压经三相桥式逆变电路变换为调压调频的三相交流电输出到负载。
当变频器刚上电时，由于直流侧的平波电容容量非常大，充电电流很大，通常采用一个起动电阻来限制充电电流，常见的变频起动两种电路。
充电完成后，控制电路通过继电器的触点或晶闸管将电阻短路，起动电路故障一般表现为起动电阻烧坏，变频器报警显示为直流母线电压故障，一般设计者在设计变频器的起动电路时，为了减少变频器的体积选择起动电阻，都选择小一些，电阻值在10～50Ω，功率为10～50W。
当变频器的交流输入电源频繁通时，或者旁路接触器的触点接触不良时，以及旁路晶闸管的导通阻值变大时，都会导致起动电阻烧坏。
如遇此情况，可购买同规格的电阻换之，同时必须找出引出电阻烧坏的原因。
如果故障是由输入侧电源频率开合引起的，必须消除这种现象才能将变频器投入使用；如果故障是由旁路继电器触点或旁路晶闸管引起，则必须更换这些器件。
第四章主电路参数计算及器件选取
4.1参数计算
1.功率计算
额定状态下不计谐波损耗时电动机的输入功率PIN为
PIN=
（4-1）
逆变器的效率用ηNB表示，那么逆变器直流输入的功率PdN为
PdN=
=
（4-2）
取ηNB=0.98，代入上式有
PdN=
=
=138.64（KW）（4-3）
2.电流计算
输入电动机的电流基波分量有效值I1与直流电流I4之间的关系为
Id=
（4-4）
在上式中代入I1=IN=220A得到额定状态下输入逆变器的直流电流
IdN=
=
=282.16（A）（4-5）
在系统处于1.2倍过载时的最大直流电流Idm为
Idm=1.2IdN
=
=338.59（A）（4-6）
所以整流器的交流侧输入的交流电流有效值有效值为
I2=0.816Idn
=
=230.24（A）（4-7）
3.电压计算
1）直流电压
UdN=
=（38.64*103）/282.16
=491.35（V）（4-8）
2）整流测输入的交流电压有效值
U2=
cosa（4-9）
其中，a为整流器晶闸管的移想控制角。
去amin=15o，代入上式得
U2=
=
=217.4（V）（4-10）
4.2器件选取
1.整流桥晶闸管
1）额定电流ITNId与IT之间的计算公式为
ITN=KiVT0.368IdN
取KiVT=2.5代入上式得
ITN=KiVT0.368IdN
=
=259.59（A）（4-11）
2）电压计算晶闸管的耐压指标是按下式计算的
VRRM=VDRM
=
（4-12）
一般KuVT=2～3，这里取KuVT=2.5，代入上式得
VRRM=VDRM
=
=
=1469.69（V）（4-13）
实选整流晶闸管VT，KP300,1500V普通晶闸管六只。
2.平波电抗器的电感
直流侧平波电抗器L用来抑制直流电流脉动，从而减小电机中的谐波电流和谐波转矩。
1）按经验公式选择平波电抗器的电感
Ld=（20∽25），
Ld=（20∽25）
500
=（10∽12.5）mH（4-14）
式中，Lo为电机相漏感。
2）按电流连续原则选择平波电抗器的电感
Ld=
=
=7.37mH（4-15）
根据以上的计算结果，平波电抗器电感取值12mH，额定电流取300A，短时工作制≤10min
3.逆变桥换相电容器
1）在共阳极晶闸管侧,与导电晶闸管相连的一端为正,另一端为负。
共阴极晶闸管侧电容器上的电压极性与共阳极的相反,与不导电晶闸管相连的电容器上的电压都为零换相时,原导通晶闸管在其相邻晶闸管被触发导通后承受电容器上反压被强迫关断。
根据被关断晶闸管承受反压时间选择换向电容器的电容值
为保证换向,电容器从恒流充电开始到电压过零时间tf应大于晶闸管关断时间tq,取普通晶闸管关断时间为（250～400）us。
已知电机相漏感L0=500uH。
由此可求得换相电容器的电容为C为：
C=
=（26.7～81.7）uF（4-16）
所以应选取40uF的电容器。
2）根据换向电容器在换向过程中承受的峰值电压选择电容的耐压值
换向电容器承受的峰一峰电压值为：
U=
=
=4174（V）（4-17）
式中，Ld为逆变器直流侧电流，
Id=
=
=282A（4-18）
选用电容器的额定电压为4200V。
4.逆变桥晶闸管
1）晶闸管反向重复峰值电压VRRM应等于换相电容器的最高电压Uc，并考虑（2～3）倍的安全系数，有：
VRRM=（2～3）Uc
=（2～3）
=（2～3）
=（4174～6261）（V）（4-19）
2）晶闸管通态平均电流IAV
流过逆变桥晶闸管的电流有效效值为:
Ief=
Id（4-20）
晶闸管通态平均电流IAV=
Ief=
IN（4-21）
取1.5倍短时过载倍数及倍的安全系数得：
IAV=
IN
=
=311（A）（4-22）
选用4500V，300A晶闸管。
5.隔离二极管
为了使逆变器应具有足够的换向能力，换向电容器上的电压不应随电机的端电压而改变，采用二极管将换向电容器与电机隔离。
1）取二极管的额定电流ID与晶闸管通态平均电流IAV相同，ID=IAV=300A。
2）二极管承受的电压等于电容器的最高电压Uc与电路谐振电压峰值之和，取2倍安全系数，得：
VDM=
=
=6030（V）（4-23）
选用6100V，300A二极管
第五章课程设计总结
本文根据设计实例详细介绍了电流型变频器主电路元件参数计算及选择方法。
由于要设计电流型变频器，因此在网上大量查阅了有关变频器及电流型变频器的资料。
对例如：
变频器的发展，变频器的分类，变频器的组成结构，电流型变频器的优点及缺点，交流型变频器的电路图等有了较深的了解。
当进行参数计算时，除了根据现有所学的知识及公式，还通过网络和书籍查阅了相关内容了解到了诸如电流连续原则，经验公式等与交流调速有关的原则及公式。
并根据这些查到的公式通过计算得到了所需的主电路功率，电流，电压等值。
除此之外，利用参数对变压器，晶闸管，电抗器，电容IGBT，二极管这些器件进行选取。
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