低压变频器主回路器件选型分析.docx
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低压变频器主回路器件选型分析
380V变频器内部器件的选型
一、变频器的基本组成
1变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能的控制装置。
2我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式,先把工频交流电源通过整流电路转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
3变频器的主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。
二、变频器主回路器件选型
1、防雷板吸收电路
三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。
网络的作用,是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压,从而避免由此而损坏变频器。
此处的吸收电容主要是对电网的杂波进行滤波,把那些进去的干扰先滤掉。
一般这里要选用安规电容,安规电容是指电容器失效后,不会导致电击,不危及人身安全。
它包括了X电容和Y电容。
x电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的电容,一般选用金属薄膜电容;Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间(L-E,N-E)的电容,一般是成对出现。
基于漏电流的限制,Y电容值不能太大,一般X电容是uF级,Y电容是nF级。
X电容抑制差模干扰,Y电容抑制共模干扰。
安规电容安全等级,
应用中允许的峰值脉冲电压过电压等级(IEC664)
安规电容安全等级绝缘类型额定电压范围
Y1(大于8kV)双重绝缘或加强绝缘
Y2(大于5kV)基本绝缘或附加绝缘
Y3(大于4kV)基本绝缘或附加绝缘
Y4(大于2.5kV)基本绝缘或附加绝缘
Y电容的电容量必须受到限制,从而达到控制在额定频率及额定电压作用下,流过它的漏电流的大小和对系统EMC性能影响的目的。
GJB151规定Y电容的容量应不大于0.1uF。
Y电容除符合相应的电网电压耐压外,还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量,避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象,Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。
45kw变频器“X”电容采用的是104J1600V电容,这个电容参数为0.1uF,耐压1600V。
“Y”电容采用的是Y2-472/300VAC,这个电容为安规电容,参数为Y2,能承受大于5kV峰值电压,容量4700pF=4.7nF,300V绝缘等级。
55kw-400kw变频器防雷板及45kw变频器一致,只是取消了压敏电阻。
压敏电阻安装在三相R、S、T进线处,主要起防雷作用。
在正常情况下压敏电阻是不起作用的,当有雷击从电网进来时,因为瞬间的高脉冲(高压)把压敏电阻击穿,相当于输入电源线及线间短路,这样雷击能量就在进入变频器之前被转移了,避免损坏变频器模块。
压敏电阻的意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变",或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。
相应的英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”。
压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值
时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门,当电压超过
时,流过它的电流激增,相当于阀门打开。
利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,保护电路免受过电压的损害。
压敏电阻的选取:
一般地说,压敏电阻器常常及被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于其额定值中的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。
对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值,一般用下式进行选择:
,式中:
a为电路电压波动系数,一般取1.2;v为电路直流工作电压(交流时为有效值);b为压敏电压误差,一般取0.85;c为元件的老化系数,一般取0.9;这样计算得到的
实际数值是直流工作电压的1.5倍,在交流状态下还要考虑峰值,因此计算结果应扩大1.414倍。
380V变频器的压敏电阻计算:
选取1000V的压敏电阻
2整流电路
我公司变频器的整流电路是由三相混合桥式整流桥组成,整流桥由可控硅和二极管混合组成。
它的功能是将工频电源进行整流,经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。
当电源电压为三相380V时,整流器件的最大反向电压反向电压一般为1200—1600V,最大整流电流为变频器额定电流的两倍。
(选用标准)
开关电源中二极管的选择:
整流二极管一般都需要反向恢复时间快的。
一般二极管有
以下几种:
肖特极二极管(反向恢复时间很短5uS左右,但反向耐压一般在100V以下),超快恢复二极管(反向恢复时间短25uS左右,反向耐压一般都能做到200V以上),快恢复二极管(一般性)。
如何选择二极管:
注意点一看反向耐压值、二看正向额定电流值、三看反向恢复时间
长短(规格书)、四看正向压降。
相同规格的二极管可以替换,比如BYV27-200为超快恢复二极管,反向耐压200V,正向电流2A;这样可以找到相同规格的二极管去替代比如UF202参数及BYV27一样。
二极管好坏检测:
把万用表放到二极管挡,红表笔接A脚处,黑表笔接K脚处(K旁
边有一横线),显示0.30~0.60左右。
然后二表笔对调,显示OL,则表示此二极管是好。
R、S、T三相电,每相电压波形相差120C,如上图①所示。
三相电通过整流桥整流,每相的波形如图②、③、④所示。
因为它们在相位上各相差120C,所以在任一个时间周
期上波形不可能重叠。
这样经过整流后的三相波形相加就成了图⑤波形。
这个波形看起来
好象水波一样,一浪一浪的,其实那是为了更直观去看。
对于50HZ的电压来说T=1/F=0.02S,一个周期的时间很小,所以真正整流后的波形是没那么凸的,相对来说会接近水平线。
再加上电容具有滤波、储能作用,加上电解电容后整流后的波形就成一水平线。
交流380V电压经过整流后成直流母线电压
,母线电压最大值为
,其中第一个1.1是表示母线电压的波动系数,第二个1.1代表安全系数,IGBT关断时的峰值电压为
,其中1.15为IGBT过压保护系数,150为由
引起的尖峰电压。
这个电压就是母线电压正常情况下的最大值。
对于380V额定电源来说,一般二极管的反向耐压选择1200V,二极管的正向电流为电机额定电流I的1.414~2倍。
例如一台22KW的变频器,电机额定电流45A,可以选择整流桥的规格:
1200V,65~90A或者更大容量的。
整流桥检测:
判断方法及二极管一样,只不过是几个二极管组合在一起,分别去测量每个二极管的好坏。
3限流电路
电容的特性:
电压不能突变,即在瞬间加在电容二端之间的电压不会变化,在开机前
电容二端的电压为0V;所以在上电(开机)的瞬间电容对地为短路状态。
如果不加充电电阻在整流桥及电解电容之间,则相当于380V电源直接对地短路,瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。
加上充电电阻限流后,要是不并继电器或其他元件,因为流过电流很大,比如对于22KW的变频器,在PN端(直流母线)上至少有45A的电流。
,由此公式可以看出这样在充电电阻上将会有很大很大的功率损耗。
换句话说如果“限流电路的控制电路”部分出问题(比如继电器或者接触器等等质量有问题)则在变频器运行一会儿充电电阻就将因发热太大而坏掉(冒烟);对于中小功率变频器,要是充电电阻质量很好很好,且阻值也足够大,由公式
可知在充电电阻二端的电压V将很大。
而PN端经整流后电压大概为540V,
为充电电阻后面的电压即变频器工作直流母线电压。
变频器都有设定的工作电压范围,对于三相
变频器而言,要是工作母线电压低于430V左右,变频器将显示欠压保护(POFF)。
下图为常用的限流电路设计方案。
我公司380V变频器采用的是在可控硅混合整流电路的可控硅支路旁并联一个整流二极管+电阻的限流电路。
45kw
MD55-16
(1)
80W20
55kw
MD55-16
(1)
80W20
132kw
MD55-16
(1)
80W20
(2并)=10
200kw
MD55-16
(1)
80W20
(3并)=6.7
280kw
MD55-16
(1)
80W20
(5并)=4
400kw
MD55-16(3)
80W20
(2并)=10
上表中,整流二极管参数为额定正向导通电流为55A,反向耐压值为1600V,45-280kw变频器均采用了一路限流电路的设计,400kw变频器采用了3路限流电路的设计。
最后一列的电阻代表每一条限流电路的限流电阻阻值。
380V交流电整流后经过充电电阻对电解电容充电,当充到一定值(比如200DCV)辅助电源启动给控制板供电,让控制板工作从而继电器或可控硅接通,充电电阻就不用再工作了。
在开机的瞬间,流过整流桥的电流
,如果R大则I小,如何去确定充电电阻的大小呢?
是不是充电电阻越大越好还是小点好呢?
有些变频器产品一开机,整流桥马上就被炸掉了。
由上面公式知道R越大,在开机瞬间流过整流桥的电流就越小。
而实际上一般一开机炸掉整流桥不是因为充电电阻R的选择小了,而是R太大导致整流桥的炸掉。
开机后经充电电阻去充电,当充的电足够辅助电源启动(比如200V),DSP工作,发出信号给继电器或可控硅让其导通。
在继电器导通瞬间继电器b点处电压要是很低(比200V大),而a点电压是380VAC直接整流过来大概在540VDC左右,所以a、b二端压差很大。
在接触\导通瞬间电流很大,就好比a、b是一个很小很小的电阻,瞬间几百伏电压加上去,这样整流桥流过的电流远远大于整流桥额定电流所以把整流桥炸掉。
不同功率变频器,充电电阻不一样,变频器功率越大,充电电阻越小。
最直接理解:
变频器功率越大,需要电解电容的容量就越大,而电容的容量越大所需要充电的时间就越长。
RC决定充电时间,要想充电时间尽量短只有把充电电阻R放小。
一般充电电阻选择:
大功率变频器选择充电电阻小,小功率变频器充电电阻大。
最大值最好不要超过300Ω,最小值最好大于等于10Ω。
电阻选小了对高压电容不好,电阻选大了容易炸机器。
继电器原理:
当线圈1,2二端接上电源(交流或直流)后a,b导通。
当1,2脚间加上直流电源的
时候,需要在线圈二端并个二极管D;当1,2脚间加上交流电源的时候,需要在线圈二端并上吸收电容C。
这是因为继电器\接触器线圈是个感性元件,有储能作用。
在断开电源时,线圈中所储存的能量要是不并吸收电容C或二极管D给线圈泻放能量,则此能量将成为一个很严重的干扰源,导致变频器乱跳故障。
继电器好坏判断:
要是继电器不能正常闭合,少则变频器不能正常工作(参见充电部分),充电电阻烧坏,重则变频器炸掉。
如何去判断继电器的好坏呢?
要是没有安装在PCB板或连接在机器上我们很容易就可以判断是好是坏。
在继电器1,2脚间加上额定的电压(比如24VDC)则a,b导通,断开1,2脚电压则a,b也断开。
要是继电器安装在机器上了最简单的方法就是听继电器吸合的声音来判断。
a,b二端在吸合后压差为0V,还有a,b二端的电阻值在吸合前为充电电阻的阻值。
4交流输入电抗器
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
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