中壓防爆變頻器設(shè)計(jì)

張洪陽(yáng)+牟秀玉+張國(guó)棟

（遼寧 大連 116037）

摘要：變頻器由初期的變壓變頻調(diào)速方案，到目前的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制，使變頻控制不僅具有穩(wěn)態(tài)的控制特性，而且具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，解決了皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、絞車(chē)、提升機(jī)等低速大扭矩的控制場(chǎng)合。本文采用無(wú)速度傳感器矢量控制（SVC）的防爆變頻器能夠滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

關(guān)鍵詞：變頻器；無(wú)速度傳感器；矢量控制

0引言

目前我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%～50%。所以通過(guò)對(duì)變頻器的研究提高對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的認(rèn)識(shí)和推廣，對(duì)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)也有很大的意義。

1、變頻器主回路的構(gòu)成

變頻器中給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分，稱(chēng)為主回路。如圖1所示，主回路分三部分構(gòu)成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生電壓脈動(dòng)的“濾波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加制動(dòng)單元。變頻器主電路的核心部分是作為主要控制對(duì)象的逆變電路部分。

（1）整流器

近年來(lái)大量使用的是如圖1所示的二極管整流器，它把工頻電源變換為直流電源，功率的傳送是不可逆的。

（2）濾波回路

在圖1的主電路中整流器整流后的直流電壓里，含有六倍電源頻率的脈動(dòng)電壓。此外，逆變器回路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓波動(dòng)。為了抑制這些電壓波動(dòng)，采用直流電抗器和電容器吸收脈動(dòng)電壓（電流）。

（3）制動(dòng)單元

異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域（第二象限）運(yùn)行時(shí)，再生能量首先存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電力容器中，使直流電壓升高。一般來(lái)說(shuō)，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量所積蓄的能量比電容器能存儲(chǔ)的能量大，中、大功率系統(tǒng)需要快速制動(dòng)時(shí)，必須用可逆變流器把再生能量反饋到電網(wǎng)側(cè)，這樣節(jié)能效果更好，或設(shè)置制動(dòng)單元（開(kāi)關(guān)管和電阻），把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路電壓的上升超過(guò)極限值。

2、大功率變頻器主電路開(kāi)關(guān)應(yīng)力的控制

半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件工作中有開(kāi)通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)四種工作狀態(tài)，斷態(tài)時(shí)可能承受高電壓但漏電流小，通態(tài)時(shí)可能承載大電流但管壓降小，而開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中開(kāi)關(guān)器件可能同時(shí)承受過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)大的dv/ dt、di/ dt以及過(guò)大的瞬時(shí)功率P=vi。如不采取防護(hù)措施，高電壓和大電流可能使工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)而損壞器件，因此半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件常設(shè)置開(kāi)關(guān)過(guò)程的保護(hù)電路，稱(chēng)為緩沖電路。緩沖電路的主要功能就是用來(lái)防止瞬時(shí)過(guò)壓、過(guò)流，消除過(guò)大的電壓、電流變化率，減小開(kāi)關(guān)損耗，確保器件處于安全工作區(qū)。緩沖電路的基本思路是設(shè)法使開(kāi)通中的器件電流緩慢上升，關(guān)斷過(guò)程中的器件端電壓緩慢上升，這樣就能避免器件同時(shí)承受高壓大電流，從而改變動(dòng)態(tài)負(fù)載軌跡，減輕開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件損耗。而電流電壓緩慢上升的程度取決于緩沖電路儲(chǔ)能元件L和C的數(shù)值，其值越大，則緩沖能力越強(qiáng)。當(dāng)然，LC的數(shù)值越大，電路的換流過(guò)程越長(zhǎng)，因而要受到開(kāi)關(guān)頻率的約束。

2.1 緩沖電路的設(shè)計(jì)

從產(chǎn)生的原理上來(lái)看，浪涌電壓是由于 IGBT 關(guān)斷或者二極管反相恢復(fù)時(shí)主電路電流急劇變化，由主電路或 IGBT 周?chē)碾s散電感誘發(fā)高電壓而產(chǎn)生的IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的浪涌電壓。在IGBT 關(guān)斷時(shí)，其電流迅速減小，則 di/dt 值會(huì)非常高。急劇變化的電流值與線(xiàn)路中的雜散電感感應(yīng)出瞬間的高電壓。此高電壓與電源電壓相疊加，可能會(huì)損壞 IGBT。

二極管反向恢復(fù)產(chǎn)生的浪涌電壓。與 IGBT 反并聯(lián)的二極管在導(dǎo)電結(jié)束后，不能立即恢復(fù)反向阻斷能力，如果有反相電壓作用，則會(huì)有較大的反向電流流過(guò)二極管，使其內(nèi)部殘存的載流子消失。當(dāng)二極管恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這時(shí)線(xiàn)路中雜散電感 L 所感應(yīng)的反電壓 Ldi/dt 很大。這個(gè)電壓與電源電壓相加作用在二極管和與其并聯(lián)的 IGBT 上，也可能使 IGBT 過(guò)壓損壞。圖 2和圖3為以上兩種浪涌電壓產(chǎn)生的波形示意圖。

3、主電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了 40k VA/380V 防爆變頻器。主電路結(jié)構(gòu)采取交-直-交形式，380 伏的電源經(jīng)整流以后進(jìn)行直流濾波，再進(jìn)入三相逆變橋電路，輸出三相交流電，為電機(jī)供電。通過(guò)逆變橋與電機(jī)間的霍爾電流傳感器將變頻器對(duì)電機(jī)的供電情況反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算比較，增大或減小死區(qū)寬度來(lái)調(diào)節(jié)功率供應(yīng)，或者調(diào)節(jié)逆變器的工作頻率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。主電路的設(shè)計(jì)方案框圖如圖4所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展?jié)摿薮蟮募夹g(shù)。它使電機(jī)調(diào)速更加靈活，并能夠節(jié)約能源。在科學(xué)飛速發(fā)展的今天，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)日新月異。只有不斷學(xué)習(xí)，不斷提高自己的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試能力，才能使開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，引導(dǎo)技術(shù)潮流，從而走向技術(shù)的“藍(lán)?！?，并為社會(huì)做出自己的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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