变频器主回路设计及计算.docx
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变频器主回路设计及计算
变频器主回路
设计、计算
要点及一些经验
主要内容
·变频器主回路构成；
·主回路参数及所用元件的选择计算；
·主回路设计的要点及经验；
·主回路的保护；
·主回路设计的造成问题及对策；
变频器组成
变频器描述：
变频器是一种将输入固定电压和固定频率（通常为3相380V，50HZ）的电能转化为可调整电压和频率电能输出（VariableVoltageVariableFrequency,VVV）F的交流电气传动设备。
变频器分类：
交交变频器，交直交变频器；
交直交变频器分类：
电压源型变频器和电流源型变频器
产品构成
1、结构壳体、电气部件和机械连接涉及设计类型：
产品设计、结构设计、热设计
2、电气（主回路）
主回路器件选型、计算
3、控制部分（控制回路）主控制板（功能实现、波形发生，各种控制逻辑，⋯⋯）驱动板（主回路器件驱动和控制，各种参数检测和保护，辅助电源）人机界面（键盘）
变频器主回路构成及作用
主回路参数计算
输出容量：
Po3UoIo
式中，Io：
变频器输出电流Uo：
变频器输出电流
直流环节电压：
UD32UAC1.35UAC
式中，UAC为三相输出线电压
直流环节电流：
IDIO1.283IO
6
式中，IO为变频器额定输出电流
实用的近似关系：
1、三相380V等级变频器额定输出电流与额定输出功率的关系
I=2*P
2、单相220V等级变频器额定输出功率与输出电流的关系
I=5*P
电气连接
1、PCB走线：
小功率（≤22KW，西门子做到90KW）机型普遍采用。
优点：
成本低，电感小，工艺好。
注意产品要求的通流能力，PCB铜箔厚度和一致性。
2、塑胶绝缘导线：
4A/mm2
输入：
功率因数≤0.8时3Amm2功率因数≥0.96（加直流电抗器）时输出：
3A~3.5A/mm2优点：
成本低，电感大，工艺上需注意固定等绝缘问题。
3、铜排：
2
6A~8Amm2
成本高，电感大小与部线方式有关，常用于18.5KW以上功率等级。
整流桥计算
流过整流管的电流有效值：
IrID0.577ID
3
平均值：
整流管电流选择：
IVr（AV）
（1~2）
α0.368
Io.过载系数
α1.5~1.8
式中：
Io为变频器输出额定电流例：
选择90KW变频器的整流管：
Ivr（AV）（1~2）0.368Io
1.51.50.3681.283176186.9A
查MDD172的IVr（AV）190A（100℃），满足设计要求
整流管电压额定值URRM
URRMUAC21.1
式中α为安全系数，一般取2
输入交流电压
直流电压峰值
耐压Urrm
220
684
800
240
746
800
400
1369
1600
480
1498
1600
整流元件并联
多个整流元件的并联：
器件并联必须降低电流额定值使用，所选整流管的额定电流按下式选择：
ITa（1.7~2.5）np
式中：
I为允许过载时一组桥臂的平均电流。
Np为并联支路数
例：
160KW变频器采用三组整流管并联的计算
1143.5
ITa（1.7~2.5）（1.7~2.5）81.3~119.6A
np3
查MDD95的ITA=120A（105℃），DD106N的ITA=106A（100℃），他们可满足要求
并联要求：
1、挑选伏安特性曲线比较一致的器件（等级号一致）
2、注意连线的结构处理（上图）
3、采用均流变压器（上图）
4、并联的器件工作温度尽量一致，在散热器上尽量靠近
主回路电容
电容类型：
铝电解电容，一般采用80℃2000小时和105℃2000小时标准品耐压等级：
400V（单相220V等级，三相380V等级需串联）
420/450V（单相260V等级，三相460V等级需串联）容量选择依据：
1、产品实测通过电容的纹波电流大小和电容允许纹波电流大小。
变频器实际的纹波电流一般会超过电容允许纹波电流大小的2~4倍，变频器要求电容工作时间50000小时（标称更换电容周期2~3年）
2、产品对电网电源瞬间跌落的要求。
3、一般远策：
105℃电容：
1KW（额定电流），100~120uF;85℃电容1KW，120~160uF.安装类型：
牛角（常用容量范围：
100uF，180uF，220uF，330uF，470uF，560uF，680uF，820uF）
螺栓（常用容量规格：
1000uF，1500uF，2200uF，3300uF，4700uF，5600uF，6800uF，8200uF，10000uF）
富士变频器电容规格
电容采用105℃2000小时品
功率等级（KW）
G型
P型
0.4
0.75
1.5
470uFx2
2.2
330uFx4
3.7
470uFx4
5.5
1500uFx2
1500uFx2
7.5
2000uFx2
1500uFX2
11
2700uFx2
2000uFX2
15
3900uFx2
2700uFx2
18.5
4700uFx2
3900uFx2
22
5400uFx2
4700uFx2
30
400V3000uFx（4LNT2G302MSMAF）F
400V3000uFx（4LNT2G302MSMAF）F
37
400V3600uFx4（HCGHA2G362N3）K
400V3000uFx（4LNT2G302MSMAF）F
45
400V4500uFx4（HCGHA2G452N3）K
400V3600uFx4（HCGHA2G362N3K）
55
400V5900uFx4（HCGHA2G592N3）K
400V4500uFx4（HCGHA2G452N3K）
75
400V5900uFx4（HCGHA2G592N3）K
400V5900uFx4（HCGHA2G592N3K）
90
400V4500uFx6（HCGHA2G452N3）K
400V5900uFx4（HCGHA2G592N3K）
110
400V5900uFx6（HCGHA2G592N3）K
400V4500uFx6（HCGHA2G452N3K）
132
400V5900uFx8（HCGHA2G592N3）K
400V5900uFx6（HCGHA2G592N3K）
160
400V7400uFx8（HCGHA2G742N3）K
400V5900uFx8（HCGHA2G592N3K）
200
400V5900uFx1（2HCGHA2G592N3）K
400V7400uFx8（HCGHA2G742N3）K
220
400V7400uFx1（2HCGHA2G742N3）K
400V5900uFx1（2HCGHA2G592N3）K
280
400V7400uFx1（2HCGHA2G742N3）K
315
逆变元件的选择
IGBT已成为现阶段和以后中大功率变频器的最优选择。
选择IGBT时应重点考虑
一下的几点：
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哪一种封装形式。
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。
逆变桥元件计算
关于逆变元件耐压和电流的选择：
1、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。
2、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尝尝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，有时变差甚远。
IGBT模块电压额定值计算：
URRM（2UACβ150）α
（ICn）2Ls2
URRMVpn2，（Vpn1.35Uacβ）
Cx
式中：
UAC为变频器输入电源电压，β为电源电压波动系数，α为安全系数，Ic为IGBT模块额定电流，n为短路时电流冲击的倍数，IGBT模块额定电流Ls为母线寄生电感的大小，Cx为吸收电容的大小，Vpn为正常工作时的母线电压。
电流额定值选择：
1、确定过载能力：
k2IOIc
式中，k为电流过载倍数，Io为变频器额定输出电流，Ic为模块标称电流值（连续DC）
2、确定抗电流冲击能力：
m2IOIc（1min）
式中，m为硬件电流保护倍数，Io为变频器额定输出电流，Ic（1min）为模块IMS标称电流。
主回路元件的保护
1、整流桥的保护：
必须设计浪涌吸收电路。
吸收元件一般采用压敏电阻、或X和Y电容等。
连接方式：
星型，三角形+任一相对地，星型+三角型。
压敏电阻：
S10（≤7.5KW），S14（11~22KW），S20（大于≥30KW）星型：
420,510；三角型：
625
整流桥的输出就近安装一直高频无感电容（MKP或CBB881），保护整流桥，容量≥0.01uF.
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其他严重的后果。
缺点：
成本非常非常高。
连接方式：
单只串联到直流母线（三相输入，中大功率），单只整流输入（单相），三只整流输入（三相，200KW以上）
2、逆变桥元件的保护：
过电流保护：
电流传感器检测保护（霍耳或分流器）检测保护（要求整个保护环路响应速度满足元件的规格要求，10uS以内，缺点是相应太快容易误保护）
VCE检测保护。
过电压保护：
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。
上电缓冲及实现
缓冲电阻的选择及特点：
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1~2倍。
抗冲击能力强。
必须确认电阻的冲击曲线并反复实验验证。
关键是绕制电阻的材料和线经，材料一般选择康铜丝。
实验方法：
将2倍匹配变频额定容量电容充满电（充到电容额定电压），用该电阻突然短路放电。
缓冲电阻旁路元件
缓冲电阻旁路元件的选择及特点
1、继电器，实现简单，成本低，功耗小，可靠性高。
目前的小功率变频器（一般能做到≤15KW）多采用该方案。
西门子最高功率等级做到90KW。
2、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。
选择要点，选择密闭效果好的型号。
3、直流目前串联可控硅，功耗较大（1~2V导通电压），效率低，可靠性高。
目前在母线为电流75~200A之间有一定优势，市面有带母线可控硅的整流桥卖。
4、半控或全控整流。
大功率使用（一般≥30KW），驱动和控制复杂，成本高，可靠性高。
接触器及选择
接触器使用类别：
AC-1：
无感或微感负载，如电阻炉等AC-3：
笼型异步电动机的起动、运转中分断。
AC-4：
笼型异步电动机的起动、反接制动与反向、点动。
用于变频器直流回路旁路缓冲电阻的触点中流过的是叠加较小纹波的直流电流，可见最接近AC-1的情况。
接触器触点并连两级并联，载流能力系数：
1.8三级并联，载流能力系数：
2.5
接触器的使用环境问题：
变频器的使用环境较差，有粉尘等异物会进入接触器内部。
若异物进入动静铁心间，线圈电流会大大增加，严重时烧毁线圈。
异物进入触头间，将导致接触不良触点发热而烧毁触头。
对策：
选择封闭性好的接触器，给接触器加上屏蔽罩。
计算并选择90KW变频器所用接触器
90KW变频器额定输出电流Io=176A
直流环节电流：
IDIo1.283176225A
6
接触器触点三级并联，系数取2.5，则每级电流：
225
I90A
2.5取降额系数为0.8，实选每级电流，I190113A
0.8
该值对应AC-1的情况，查CJX4-8011D的每级电流为125A满足要求
直流母线结构及关键参数
要点：
1、足够的通流能力。
铜排或导线的截面积满足电流密度的要求。
一般按3-8A/mm2设计，铜排宽度和厚度满足优化系数R20的要求。
2、极低的电感。
PN母线采用宽的铜排紧贴在一起（中间加绝缘垫片），不能用圆形导线。
3、小的回路面积。
回路面积越大，回路的自感越大，受该回路影响的空间越大，越能造成EMC问题。
低电感直流母线设计
优秀做法：
将PN母线做成两个重叠的平面，中间加上绝缘材料。
1、PCB上下两层重叠走线，不能重叠时尽量减小回路面积。
2、用导线连接时（小功率等级电容用单独的PCB，和中大功率用导线连接）必须将PN导线交结，结距小一点为好。
3、具有极小杂散电感和回路面积的迭层母线排技术，为了尽可能减小两个平面的距离，可选择在厚度很薄的情况小仍具有极高绝缘强度的材料如云母、有机聚酯、聚酰亚胺、TELA或NOMOX（杜邦公司）等
其他优点：
减小了连接线数量，简化安装，结构扁平可减小整机的体积。
参考：
ROGERS公司的BusBar技术。
逆变元件的过压吸收
12
PS:
PSLSI2FC
2
式中：
VP=浪涌电压峰值；FC=开关频率；LS=母线电感
例：
计算IGBT模块使用FR450RKE，3采用简单的电容吸收所取电容的大小
简化和降低吸收电路的要点：
1、减小母线电感，一般要求≤200nH
2、选择具有短路限流能力的IGBT模块，如EUPEC公司的第三代IGBT模块的限流为3-4倍，三菱的F系列限流为4倍。
3、使用空心电感或增大输出导线的电感来减小短路电流冲击倍数。
关于吸收电容
IGBT等逆变元件吸收电容的要求：
1、高频无感。
以MKP（CBB）和陶瓷为介质的电容能较好的满足一般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、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、1600V常见厂家：
CDE、ICL、NICHICON、HITACHI附ALCON公司IGBT吸收电容特性：
0.47uF/1200V，ESR：
6.8mΩ，dv/dt：
1000V/uS,Ipeak:
470A，IRMS：
11A1.0uF/1200V，ESR：
5mΩ，dv/dt：
1000V/uS,Ipeak:
1000A，IRMS：
12A
改善变频器输入功率因数三相全桥整流电路谐波分析：
输入电流中含有丰富的高次谐波n=60m±1（m=1,2,3⋯⋯），n次谐波的有效值：
IVn=（1/n）Iv1,影响最大的为5次（为基波的20％）、7次（14.3％）、11次（9.1％）和13次（7.7％）。
改善功率因数的措施：
1、衰减或吸收高次谐波；
①在输入端设置5次，7次和低通滤波器。
（除超大功率的专用机型外，基本没有得到采用，成本太高）
②输入端串联交流或直流电抗器。
（使用很广，直流电抗器效果更佳，交流电抗器对三相输入有平衡能力。
丹弗斯及一些公司已内置成本增加约10％~15％）
2、多脉动化
例：
12脉冲变换器，输入电流的5次、7次和17次谐波被抵消，对功率因素有较大的影只有11、13、23、25等高次谐波。
12脉冲整流器多用于功率很大同时对输入功率因数要求较高的装置。
交流与直流电抗器
采用交流或直流输入电抗器的因素：
1、电网容量非常大，电源输出阻抗很小，整流二极管的电流峰值很大，容易损坏二极管和电容。
判据：
电源容量为变频器容量的10倍或电源容量为50KVA以上。
2、电源电抗（％）小于2％时，变频器输入功率因数很小（≤75％）。
电源电抗为5％时，变频器输入功率因素接近90％，需要将功率因素提高到80％-85％，需加上交流电抗器，加上直流电抗器可将功率因素提高到94％-95％。
3、电源电压不平衡。
当三相电压不平衡率≥3％时，应加交流输入电抗器。
4、电感大小选择合理。
电感越大，改善功率因素的效果越好，但电感台达，也会增大基波电流的电压降，减小变频器的输入电压，减小变频器的最大输入频率。
交流输入电抗器选择
2％电抗器，增加电源阻抗，吸收浪涌电压冲击，保护变频器内部直流环节的电容不致过热或浪涌电压的影响而减少寿命。
4％电抗器，最适宜减少输入的谐波电流，减小对电网的THD干扰。
直流电抗器的计算
直流电抗器电感量大小计算：
L25mH,PM为电机额定功率PM电抗器额定电流大小计算：
IL：
（1.11.2）Io,Io为变频器额定输出电流
6
例：
计算220KW变频器电抗器
IL（1.11.2）Io1.21.283426656A
L6
抑制逆变桥噪声
1、配置输出共模抑制电抗器（最好带二次侧衰减电阻，效果：
150KHZ-1MHZ的噪声降低20dB）
2、采用软基极驱动并优化内部杂散电感，1MHZ-30MHZ噪声降低10-20dB，30MHZ-300MHZ降低10dB）
3、电机通过电感和电阻接地（日立公司的研究）共模噪声及轴承电流大大降低，效果显著。
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