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变频器课程设计

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2020年4月19日
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目录
一、变频器的概述 1
1.1变频器的发展前景 1
1.2变频器的组成与分类 1
1.3变频器的基本原理 2
二、变频器的设计要求 3
三、变频器的主要参数的选取和设计 4
3.1交流侧阻容吸收环节R、C的选择 4
3.2整流二极管的选择 5
3.3平滑滤波电容C’的选择 5
3.4IGBT的选择 7
四、变频器主电路的设计 8
4.1整流电路和上电缓冲电路 8
4.2逆变电路 9
4.3驱动电路 10
4.4开关电源电路 12
五、变频器控制电路的设计 13
5.1保护采样电路 13
5.2微机处理芯片电路 14
5.3变频器的控制方式选择 15
六、个人小结..................................................................................................................................16七、参考文献............................................................................................................................ ......17

一、变频器的概述
1.1变频器的发展前景
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，经过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWM控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多的高次谐波成分。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象--电动机带来不良的影响。
1.2变频器的组成与分类
电压型变频器主电路包括：整流电路、中间滤波电路、限流电路、逆变电路、控制电路组成。变频器总体分为：“交-交变频器”和“交-直-交变频器”两种。还能够分为电压型或者电流型变频器。交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，因此称为直接式变频器。交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再经过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。因此，深入了解交流传动与控制技术的走向，对我们的学习工作具有十分积极的意义。
1.3变频器的基本原理
变频器的工作原理是经过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。

图1 交-直-交变频器的主电路
二、变频器的设计要求
设计一款1KW的简易变频器的全套硬件电路。
1.输入三相220V电压。
2.功能基本达到要求，接近市面，能够使用。
3.主电路包括：整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路。
4. 控制电路包括：母线电压采样电路、三相电流采样电路、过压过流保护电路、数字量输入输出电路、模拟量输入电路、MCU等。
三、变频器的主要参数的选取和设计
在变频器主电路的设计中，主要包括电源侧阻容吸收电路中R、C的选择，三相整流电路器件的选择，中间滤波电容的选择，以及IGBT的电压、电流定额值的选择。
3.1交流侧阻容吸收环节R、C的选择
阻容吸收电路中，C的作用是防止变压器操作过电压和浪涌过电压，R的作用是防止电容和变压器漏抗产生谐振。电源变压器为Y接法，阻容吸收环节采用∆接法。
电容容量C按下式计算：。
式中，i0％是变压器励磁电流百分数；S是变压器每相平均计算容量（VA）；U2是变压器次级相电压有效值（V） 。
电容C的耐压计算：。
阻尼电阻R的计算：。式中，UK％是变压器短路比，一般UK％=5~10。
电阻器R的功率计算：。式中，k1＝3（对三相桥式电路）；k2＝900。
3.2整流二极管的选择
整流器输出接滤波电容，稳定工作时流过变压器副边相电流如图2所示。经过三相整流桥的每个整流二极管的电流波形近似为方波，如图3所示。图中IM对应于电动机最大负载电流的峰值，也决定了方波的峰值，则流过二极管的电流有效值为:
。

图2 变压器副边近似电压 图3 整流二极管近似电压

故二极管的电流额定值为：。
二极管的耐压：，式中，U2lm—–整流器输入线电压峰值。
3.3平滑滤波电容C’的选择
中间滤波环节的电解电容C’有两个作用：一是对整流电路的输出电压滤波，尽可能保持其输出直流电压为恒定值；二是吸收来自逆变电路由元件换向引起的续流能量和电动机在制动过程中回馈的能量，防止逆变器过电压损坏IGBT。 
考虑电解电容用作滤波时，C’和负载的等效电阻的乘积（时间常数）应远远大于三相整流桥输出电压的脉动周期T=0.0033s，则：。取负载等效电阻RF=0.5Ω。考虑将C’用作吸收异步电动机的回馈能量时，其容量只能按能量关系来近似估计。当异步电动机突然停车和减速制动时，电容两端将产生“泵升”电压，为保护IGBT不致损坏，一般尽量选取大电容值，形成“水池”以使泵升电压不致太高。另外，逆变器一般要有泵升电压限制电路。
电动机轴上的机械储能：。
漏感的储能：。
电容上的初始电压为u0，电容的储能：。u1为能量回馈后引起的电容电压升高值。
假定能量回馈时不计其它损耗，电动机骤停时，机械储能与漏感储能之和等于电容上的储能，即

设定过压系数K=u1/u0（K＞1），则

若限定K＝1.3，即允许电容上泵升电压升高30%，则

式（4-28）表明，当电压泵升值一定时，负载侧储能越大，滤波电容的容量也越大。而当储能一定时，泵升电压值越低，K越小，所需的电容量也就越大。
3.4IGBT的选择
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）经过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；
（1）要根据负载的最严重情况选择IGBT，如要适当考虑异步电动机的启动电流，要考虑交流电流的峰值。因此，经过IGBT的集电极电流
（2）要考虑IGBT的β是受集电极电流IC的增加而降低的，IC越大，β越小。 
（3）IGBT的耐压UCEO至少应为实际承担的最大峰值电压的1.2倍以上，即
四、变频器主电路的设计
变频器主电路包括：整流电路、上电缓冲电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路；
4.1整流电路和上电缓冲电路
整流电路和上电缓冲电路如图5所示，采用的是电容滤波的三相桥式不可控整流电路。基本原理是：该电路中当某一对二极管导通时输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压向电容共电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，输出电压按指数规律下降。上电缓冲电路由充电电阻R1和继电器S1构成，经过三相整流桥整流后的六脉波300HZ的脉动直流电压先经过充电电阻R1对模块外接电容进行充电，等电容充电到一定的幅值时，CPU输出一个充电继电器的闭合指令，继电器S1接通，将R1短接，变频器随后才进入待机状态。

图5 整流电路和上电缓冲电路
4.2逆变电路
逆变电路如图6所示，从电路结构上看三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：三相调制信号URU、URV和URW为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是共用一个正负方向变化的三角形波UC。UVW相自关断开关器件的控制方法相同，以U相为例：在URU>UC的各区间，给上桥臂IGBTV1以导通驱动信号，而给下臂V4以关断信号，Ｕ相输出电压相对直流电压ＵD中性点为UD一半。在URＵ＜UC的各区间，给V1以关断信号，V4为导通信号，输出电压为UD一半。电路中六个二极管是为负载换流过程提供续流回路，其它两相的控制原理与Ｕ相相同。

图6 逆变电路

4.3驱动电路
本次变频器的驱动电路利用PC923芯片和PC929芯片分别来驱动上下臂，PC923管脚图如图8所示，PC929管脚图如图9所示。
PC923内部电路为一只光耦合器，为互补电压跟随器输出，有400mA的电流输出能力，完全能够独立驱动小功率IGBT模块而无需外置放大器。

图8 PC923的管脚图
PC923的引脚功能;1、4脚为空脚；2、3脚为信号输入端，2脚内接光耦合器发光二极管的阳极，3脚内接发光二极管的阴极；8、7脚为正负电源供电端，8、5脚短接以使内部输出和控制回路共用正电源，典型应用值为22-24V；6脚为信号输出端，内接互补电压跟随器的输出中点。
PC929内部除一路光耦合器外，另有IGBT导通管压降检测电路和SC信号输出电路、SC故障自锁电路，对IGBT具有快速保护功能。

图9 PC929管脚图
PC929引脚功能：1、2脚内部已短接，2、3脚为信号输入端，2脚内接光耦合器发光二极管的阳极，4、5、6、7为空脚；8为模块故障信号输出脚，内部晶体管射极接负供电，基极受故障信号检测电路所控制；9脚为模块故障信号检测输入脚；10、14脚为负电源供电脚；12、13脚为正电源供电脚；11脚为驱动脉冲输出脚。
上下各有三个驱动臂，如图10所示：

图10 驱动电路整体图
以上臂驱动电路为例，经R18、D16、C5稳压和滤波，变为+15V和﹣7.5V正负电源，Z4的负极为零电位点，引出至逆变模块中U相上臂IGBT的发射极；从CPU来的激励脉冲信号，经R15输入到U6的2、3脚之间。在正向脉冲到来时，PC923内部光耦合器开通，U6的6脚输出为﹢15V的驱动电压，经R15送入逆变模块中U相上臂IGBT栅极，使其快速开通；在无脉冲或负向脉冲期间，U6的6脚输出电压幅值为﹣7.5V的截止负压，使所驱动的IGBT迅速截止和维持截止状态。
4.4开关电源电路
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源电路采用FLYBACK拓扑，D由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压保护电路以及保护电路组成。

图11 FLYBACH拓扑图

五、变频器控制电路的设计
5.1保护采样电路
保护采样电路分为母线电压检测电路和三相电流检测电路分别如图12、13所示。

图12 母线电压检测电路图
检测原理：从PN端采样电压经过U9和RC滤波送到A7840，经过放大器处理后将放大的信号送入MCU中，经过MCU的分析处理与所设值比较来判断母线是否过压。

图13 三相电流检测电路图
检测原理：有两只外接电流互感器HR1和HR2来完成。电流互感器为四线制元件，由开关电源提供﹢15V和﹣15V的工作电源，两路电流采样信号经电阻网络处理成三路IU、IV、IW信号送入CPU主板电路，由后续电流信号处理电路放大处理后再输入到CPU，完成保护报警、输出控制等功能。
5.2微机处理芯片电路
控制器为Intel公司出品的16位微控制器，因其功能强大，通用性强，在变频器产品中被得到广泛应用。内部电路包括算术逻辑部件（RLU）、寄存器、内部A/D转换器、PWM发生器、事件处理阵列（EPA）、三相到补SPWM输出发生器、以及看门狗、时钟及中断控制电路等。变频器电源/驱动板功能是提供整机用的控制电源对CPU来的六路PWM脉冲电压进行驱动放大，而CPU主板则以单片机为中心，汇聚了变频器数字/模拟控制的输入输出信号处理电路、操作显示的通信电路、各种电流电压检测电路和故障保护电路等。
S87C196的69、70脚外接16MHz晶振，与内部振荡电路产生程序工作所需的时钟脉冲；22脚复位端与﹢15V电源短接。变频器的输入输出端子直接与单片机经过15-20引脚进行通信联系。

图14 S87C196管脚图

S87C196MH（MC）微控制器采用CHMOS工艺，工作温度-40ºC--85ºC，支持16KB 的EPROM，当晶体振荡频率为16MHz时，完成16位乘16位的乘法只需要1.75μs。适和控制系统的快速性要求。有7个I/O口，每个端口引脚都为多功能的。 寄存器阵列有512B，分为低256B和高256B，低256B在ALU运算过程中能够当作256个累加器使用，高256B用作寄存器RAM，也能够经过特有的窗口技术，将高256B切换成具有累加器功能的256B。微控制器内部自带13路10位/8位高速A/D转换器，转换时间能够设置在1.39—40.2μs之间，A/D也能够作为可编程比较器，在输入跨过一个门槛电平时产生中断。
5.3变频器的控制方式选择
变频器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。将变频器参数p1300设为0，变频器工作于线性v/f控制方式，将使调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。 将 p1300设为2，变频器工作于抛物线特性v/f控制方式，这种方式适用于风机、水泵类负载。这类负载的轴功率n近似地与转速n的3次方成正比。其转矩m 近似地与转速n的平方成正比。对于这种负载，如果变频器的v/f特性是线性关系，则低速时电机的许用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率的严重下 降。为了适应这种负载的需要，使电压随着输出频率的减小以平方关系减小，从而减小电机的磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当的范围内。
六、个人小结
本次1KW简易变频器的设计能够说是综合性比较强的一次大作业，需要将所学的知识结合起来，能够说是综合性比较强的，特别是开关电源那一块，各种电路的拓扑，这次则采用了FLYBACK拓扑。其实在课堂上听老师讲理论感觉还算比较轻松，真正动手来设计真的非常复杂，题目虽然只有几个字的大作业真正做起来没有想象中那么简单。结合书本、网上资料的查阅以及同学们之间的讨论，从最小的如何选取元件，到后来的如何设计各个部分电路图，以及元件大小计算的公式，每一步都要认真去做。对于整个设计中用到的每一个电容电阻电感，或是各个电力电子开关元器件，她们的工作原理、导通电流、额定电压、额定电流以及功率选择都非常讲究。

经过这次设计，让我增强了对于变频器原理的了解，让我懂得了做出一个设计需要将所学的很多知识融合起来，而且需要同学讨论网上查阅才能完成。这次设计还有很多不足的地方，一些参数的计算和元器件的选择可能不是很准确，毕竟是一个建立于理论上的设计，并没有实际买元器件亲手做出来去验证看实际效果，可是这次的设计为了以后的毕业设计或是以后在电力电子方面上的研究打下了基础。

七、 参考文献
【1】胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,1998 王占奎.变频调速应用百例[M].科学出版社,1999 。
【2】徐甫荣，中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较[J]电气传动自动化，  吴杨。
【3】多电平高压变频器监控系统的研发[D];华北电力大学（北京）;  潘江洪。
【4】级联高压变频器电压空间矢量研究和设计[D];合肥工业大学;  柏斌。
【5】高压变频器无速度传感器矢量控制研究 [D];西南交通大学;  刘森林。