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杏彩体育:变频器主电路设计和计算
对于变频器大家应该都不是很陌生，因为现实生活中很常见。 如马上让我们无法释怀的空调，从以前的定频空调到现在的变频空调; 又如洗衣机、冰箱和电梯，等等这些都涉及到我们今天所要聊的变频器。
变频调速器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节，具有变频器体积小、重量轻、精度高、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强等优点。 变频调速是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频调速还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速方式。 变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。
变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。 中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。 应用变频调速可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。 风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%～60%，这是因为风机、泵类的耗用功率与转速的3次方成正比，当需要的平均流量较小时，转速降低其功率按转速的3次方下降。
变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。 它可以提高企业的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。
变频调速很容易实现电动机的正、反转，只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。 变频调速系统启动大都是从低速开始，频率较低，加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，启动电流较小，可以进行较高频率的起停。
除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势，如带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪声、提高控制精度等方面有很大的优势。
变频器的主电路如上图所示，主要包括交流电抗器、输入压敏电阻、整流桥、直流电抗器、直流充电电阻、直流电抗器、充电接触器、直流母线电容、电容均压电阻、逆变桥、
平时我们一般都以W为功率单位，那么W和VA之间有什么关系呢? 它们中间需要考虑功率因数λ(cosθ)，只有当功率因数为1的时候，1W=1VA，而功率因数不为1的时候，两者就不相等了。 即视在功率S，有功功率P和无功功率Q之间的关系
式中，UAC为三相输入线电压的有效值。 由于母线电容的存在，直流电压一般认为等于输入线UAC
eg.对于15kW的变频器，输出电流为32A，因此变频器输出容量为Po=1.73232380=21kVA，直流母线V，母线A。
一般整流桥很少过载，而且现在的整流管过载能力都比较强，从成本上考虑，所以选取的整流器件甚至可以略小于计
很多时候我们会并联器件来满足所需的电流等级，器件的并联必须降低电流额定值使用，可以参照下面式子选择：
逆变桥计算随着功率半导体的发展，IGBT已经成为当下中大功率变频器逆变电路开关管选取的最佳选择。 再选择IGBT时我们要注意以下几点：
①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：
③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。
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。
式中，UAC是变频器输入电源电压，β为电源电压的波动系数，α为安全系数，Ic为IGBT的额定电流，n为短路时电流冲击的倍数，Ls为杂散电感大小，Cx为吸收电容的大小，VPN为正常工作时母线电压。
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，Datasheet中给出的电流参数常常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，有时会偏差很大。
式中，k为电流的过载倍数，Io为变频器的额定输出电流，Ic为IGBT标称电流值(连续DC)。
由于单只IGBT模块电流容量有限，为了提高载流能力需要对IGBT并联。 由于IGBT具有正的温度系数，温度升高时导通压降会增大，因此本身具有自动均流的特性，并联使用一般不会导致严重的均流问题。
由于IGBT参数分散性，并联使用时需要放大IGBT的容量，IGBT电流需乘以1个降额系数，降额系数按照下式计算：
式中n为并联器件数目，x与器件耐压有关，600V器件：x=0.1; 1200V器件：x=0.15; 1700V器件：x=0.2。
对于IGBT的并联，原则上和二极管并联差不多，在驱动电路方面有更高的要求，希望并联的各个开关管驱动信号一致以保证管子的同时开通和关断。 对此要求各并联的驱动线长
度相同，在各个管子上加装GE板，对驱动信号进行就近调理。 下面给出一个并联驱动的例子，大家可以参考一下：
RE为防止环流电阻，强电端A点和B点通过导线连接，电势有可能不完全相等，这样将在并联驱动电路中产生环流，RE的作用就是限制短路环流，一般取值为0.33Ω。 一般我们都会在栅射极并个电阻RGE，RGE都不能省略，其作用是防止IGBT栅极电荷积累，一般取值是10k～100k。
输入侧必须设计浪涌吸收电路，吸收元件一般采用压敏电阻、气体放电管或安规电容等，整流桥的输出就近安装一只高频无感电容(MKP或CBB81)。 主回路电路图中的的Yd和Cr，压敏电阻的耐压值一般选为820V，整流桥的输出吸收电容Cr与变频器功率有关，一般容值为0.22～2uF，耐压为1600V。
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非常严重的后果(如烧毁变频器等)。 但对于是否增加快熔不同厂商有不同看法，大家可以根据实际需求来做抉择。
电流保护：一般采用电流检测保护(要求整个保护环节响应速度满足元件的规格要求)，如快速霍尔电流检测保护，VCE保护等。
驱动脉冲WG3#低电平有效时，B点为低电平。 当IGBT正常开通时，CE间电压较低(一般为1.7～3V)，W点电位较低，C点是15V的高电平，则A点经3k和510欧电阻分压得到1个电压约为5V(2+0.7+2)，该电压不足以导致反向器翻转，点F保持高电平，三极管不导通，FO为高电平; 若IGBT发生短路故障，CE间电压VCE增大，导致A点电平升高，达到反向器的翻转电平，从而使F点为低，三极管导通，FO输出为低，从而产生故障信号，同时B点也变成高电平，将该IGBT驱动脉冲封锁，达到保护IGBT的目的。 D点到B点的反馈起个增强稳定的作用，去掉影响也不大。
电压保护：一般而言，变频器对瞬时超过模块耐压的过电压没有好的防止方法，超过模块耐压的瞬时过电压很容易导致模块电压击穿损坏。 对母线瞬时过电压一般在母线上并高频吸收电容保护模块。 如主回路电路图中的电容C。 其他的吸收形式如RC吸收、RCD吸收在变频器中都不常用。
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。 一般耐压选为1600V的CBB电容，电容量跟变频器容量和结构有关，0.47~10uF，大小不等。
上电缓冲及实现缓冲电阻的选择及特点：上电缓冲电阻(主回路中Rc)要求抗冲击能力强。 必须确认电阻的冲击曲线并反复实验验证。 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2~3倍选取。
通用变频器通常采用交流接触器，一般而言，接触器是按一定的导通电流有效关断的条件下设计的，在变频器的应用中，接触器一般是在没有电流的情况下闭合和断开，因此工作条件比标称条件更好，所以在容量的选取方面可以比较放宽一点。 一般情况，三相并联等于直流环节电流即可。
电源侧交流电抗器电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大，会造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器易损坏。
当变压器容量大于变频器容量10倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。
阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的44%。 实际使用中为了节省费用，常采用2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。 比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。 一般常选用2~4%的压降阻抗，这个 % 是对相电压而言，即：
对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过3%，使用者还要考虑电源内部
阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4~5%
阻抗的电感量。直流电抗器计算直流电抗器接在滤波电容前，它阻止进入电容的整流后冲击电流的幅值，并改善功率因数、降低母线交流脉动。 直流电抗器在变频器功率大于22KW时建议都要采用，当变频器功
率越大，越应该使用，因为没有直流电抗器。
