中壓防爆變頻器設計

張洪陽+牟秀玉+張國棟

（遼寧 大連 116037）

摘要：變頻器由初期的變壓變頻調速方案，到目前的矢量控制、直接轉矩控制，使變頻控制不僅具有穩態的控制特性，而且具有良好的動態性能，可以與直流調速系統相媲美，解決了皮帶輸送機、刮板輸送機、絞車、提升機等低速大扭矩的控制場合。本文采用無速度傳感器矢量控制（SVC）的防爆變頻器能夠滿足用戶要求。

關鍵詞：變頻器；無速度傳感器；矢量控制

0引言

目前我國的電動機用電量占全國發電量的60%，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻調速器來調節流量、風量，應用變頻器節電率為20%～50%。所以通過對變頻器的研究提高對變頻調速技術的認識和推廣，對于建設節約型社會也有很大的意義。

1、變頻器主回路的構成

變頻器中給異步電動機提供調頻調壓電源的電力變換部分，稱為主回路。如圖1所示，主回路分三部分構成：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生電壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加制動單元。變頻器主電路的核心部分是作為主要控制對象的逆變電路部分。

（1）整流器

近年來大量使用的是如圖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電壓。此外，逆變器回路產生的脈動電流也使直流電壓波動。為了抑制這些電壓波動，采用直流電抗器和電容器吸收脈動電壓（電流）。

（3）制動單元

異步電動機在再生制動區域（第二象限）運行時，再生能量首先存儲于儲能電力容器中，使直流電壓升高。一般來說，由機械系統（含電動機）慣量所積蓄的能量比電容器能存儲的能量大，中、大功率系統需要快速制動時，必須用可逆變流器把再生能量反饋到電網側，這樣節能效果更好，或設置制動單元（開關管和電阻），把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路電壓的上升超過極限值。

2、大功率變頻器主電路開關應力的控制

半導體開關器件工作中有開通、通態、關斷、斷態四種工作狀態，斷態時可能承受高電壓但漏電流小，通態時可能承載大電流但管壓降小，而開通和關斷過程中開關器件可能同時承受過壓、過流、過大的dv/ dt、di/ dt以及過大的瞬時功率P=vi。如不采取防護措施，高電壓和大電流可能使工作點超出安全工作區而損壞器件，因此半導體電力開關器件常設置開關過程的保護電路，稱為緩沖電路。緩沖電路的主要功能就是用來防止瞬時過壓、過流，消除過大的電壓、電流變化率，減小開關損耗，確保器件處于安全工作區。緩沖電路的基本思路是設法使開通中的器件電流緩慢上升，關斷過程中的器件端電壓緩慢上升，這樣就能避免器件同時承受高壓大電流，從而改變動態負載軌跡，減輕開關過程中器件損耗。而電流電壓緩慢上升的程度取決于緩沖電路儲能元件L和C的數值，其值越大，則緩沖能力越強。當然，LC的數值越大，電路的換流過程越長，因而要受到開關頻率的約束。

2.1 緩沖電路的設計

從產生的原理上來看，浪涌電壓是由于 IGBT 關斷或者二極管反相恢復時主電路電流急劇變化，由主電路或 IGBT 周圍的雜散電感誘發高電壓而產生的IGBT關斷產生的浪涌電壓。在IGBT 關斷時，其電流迅速減小，則 di/dt 值會非常高。急劇變化的電流值與線路中的雜散電感感應出瞬間的高電壓。此高電壓與電源電壓相疊加，可能會損壞 IGBT。

二極管反向恢復產生的浪涌電壓。與 IGBT 反并聯的二極管在導電結束后，不能立即恢復反向阻斷能力，如果有反相電壓作用，則會有較大的反向電流流過二極管，使其內部殘存的載流子消失。當二極管恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這時線路中雜散電感 L 所感應的反電壓 Ldi/dt 很大。這個電壓與電源電壓相加作用在二極管和與其并聯的 IGBT 上，也可能使 IGBT 過壓損壞。圖 2和圖3為以上兩種浪涌電壓產生的波形示意圖。

3、主電路的設計

本文設計了 40k VA/380V 防爆變頻器。主電路結構采取交-直-交形式，380 伏的電源經整流以后進行直流濾波，再進入三相逆變橋電路，輸出三相交流電，為電機供電。通過逆變橋與電機間的霍爾電流傳感器將變頻器對電機的供電情況反饋給控制系統，控制系統根據采樣得到的數據進行計算比較，增大或減小死區寬度來調節功率供應，或者調節逆變器的工作頻率，以此來實現對變頻器的控制。主電路的設計方案框圖如圖4所示。

4、結束語

變頻調速技術是一項發展潛力巨大的技術。它使電機調速更加靈活，并能夠節約能源。在科學飛速發展的今天，電力電子技術、微電子技術、計算機技術、控制技術日新月異。只有不斷學習，不斷提高自己的設計、開發和調試能力，才能使開發出來的產品滿足市場需求，引導技術潮流，從而走向技術的“藍海”，并為社會做出自己的貢獻。

參考文獻：

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