变频器设计方法一、变频调速系统设计的一般性方法（一）变频调速系统设计的内容和步骤变频调速系统设计的主要内容和步骤如下：（1）控制系统总体方案设计，明确系统的总体要求及技术条件。

包括系统的基本功能、控制方案选择以及性能指标（响应时间、稳态精度、通信接口）等；（2）设计主电路拓扑结构，选定逆变器件类型；（3）确定控制策略和控制方式；（4）选择主控制芯片；（5）选择各物理量的传感器和检测电路； （6）系统硬件设计，包括主电路模块、驱动与保护电路，与CPU 相关的电路、外围设备、接口电路、逻辑电路及键盘显示模块；（7）系统软件设计，包括应用程序的设计、管理以及监控程序的设计；图4-25 变频调速系统的研发过程（8）在各单元软硬件调试合格的基础上，进入系统实验与统调阶段。

变频调速系统的研制开发过程如图4-25所示。

（二）变频调速系统总体方案的确定确定变频调速系统总体方案是设计系统的第一步。

总体方案直接影响整个控制系统的投资、性能品质及实施难度。

确定控制系统的总体方案必须根据实际应用的要求，结合具体被控对象而定。

但在总体设计中还是有一定的共性，大体上可以从以下几个方面考虑。

1.选择主电路拓扑结构根据系统容量的大小以及实际要求选择合理的变频调速系统主电路拓扑结构。

20世纪80年代以来，以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以IGBT为代表的双极型复合器件的惊人发展，使得电力电子器件正沿着大容量、高频率、易驱动、低损耗、智能模块化的方向迈进。

伴随着电力电子器件的飞速发展，逆变器主电路的结构也日趋多样化。

（1）普通三相变频器通常也称为二电平变频器，即第二章中所讲的交-直-交型变频器，这种拓扑结构比较简单，为了获得大功率可采用器件的串并联来实现。

（2）交-交变频电路普通二电平逆变器直流侧电压通常由交流电整流获得，因为存在直流环节，所以逆变器效率不高，主电路相对复杂。

而交-交直接变频电路省去中间直流环节一次功率变换控制，效率高，但输出频率低，最高输出频率一般为输入频率的1/3~1/2，通常仅用于低频场合，而且控制复杂，对电网产生的无功和谐波污染较大。

（3）高-低-高电路这是高压变频器的典型结构之一，先将电网的高电压经输入变压器降压，再经过普通三相变频器变频，然后由输出变压器将电压升高为负载电动机所需要的高压。

这种结构由于输入/输出侧均需要变压器，体积较大，效率略低。

其优势在于可靠性高，价格相对便宜一些。

（4）直接高压变频调速在高压大功率的场合，采用三电平技术直接获得高压输出，或采用多重化技术将多个低压逆变桥并联/串联起来获得大电流/高电压，再加上一定的相移，可得到接近正弦的电压输出。

2.确定控制系统方案根据系统的要求，首先确定系统是通用型的，还是高性能的，还是有特殊要求的。

其次要确定系统的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，还是采用直接转矩控制等。

第三要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统等。

在数字系统中，通过模块化设计，可以使系统通用性增强，组合灵活。

在主从控制系统或是分布式控制系统中，多由主控板和系统支持板组成。

支持板的种类很多，如A/D和D/A转换板、并行接口板、显示板等，通常采用统一的标准总线，以方便功能板的组合。

3.选择传感器和检测电路在确定总体方案时，必须首先选择好传感器和检测电路，它是影响控制精度的重要因素之一。

主要被测量有电压、电流、温度、速度等。

4. 选择CPU 和输入/输出通道及外围设备 变频调速系统主控板及过程通道通常应根据被控对象变量的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，如键盘、显示、外部控制及I/O 接口等。

选择时应考虑以下一些问题： （1）控制系统方案及控制策略； （2）PWM 的产生方式； （3）被控对象变量的数目； （4）各输入/输出通道是串行操作还是并行操作； （5）各数据通道的传递速率； （6）各通道数据的字长及选择位数； （7）对键盘、显示及外部控制的特殊要求。

5. 画出整个系统原理图 前面四步完成以后，最后要画出一个完整的交流电机变频调速系统原理图，其中包括整流电路、逆变电路、驱动电路，以及各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微处理器部分。

它是整个系统的总图，要求全面、详细、清晰、正确、统一。

二、变频器主电路设计 这里以二电平SPWM 通用变频器为例，介绍变频器主电路的3~图4-26 交流侧阻容吸收环节设计，通用变频器主电路如图4-1。

（一）变频器主电路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。

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，如图4-26所示。

电容容量C 按下式计算：220S %631U i C ××= （4-15）式中，i 0％是变压器励磁电流百分数；S 是变压器每相平均计算容量（V A ）；U 2是变压器次级相电压有效值（V ）。

电容C 的耐压计算（U C 计算）： 235.1U U C ×≥ （4-16）阻尼电阻R 的计算：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛××≥%%3.230k 22i u S U R （4-17）式中，u k ％是变压器短路比，一般u k ％=5~10。

电阻器R 的功率计算：22212R ])()2)[(2~1(CU k RC k f P +≥π （4-18）式中，k 1＝3（对三相桥式电路）；k 2＝900。

2. 整流二极管（VD 1~VD 6）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4-27所示。

通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4-28所示。

图中I m 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 m 12002m VD 31)d(3601I t I I ==∫°°ω （4-19）故二极管的电流定额值为m VD ed 72.2157.1/I I I == （4-20）二极管的耐压m l 2D V )3~2(U U = （4-21）式中，U 2lm —–整流器输入线电压峰值。

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 （即为3.3ms ），则)F (1030033.0'6f µ×=R C （4-22）i I 图4-28 整流二极管近似电流I i 2图4-27 变压器副边近似相电流取负载等效电阻R f =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。

设电动机轴上的转动惯量之和为J Σ，机械角速度为ΩD ，则电动机轴上的机械储能2D j 21Ω=∑J W （4-23）漏感的储能2L 21LI W = （4-24）电容上的初始电压为u 0，电容的储能)(212021C u u C W −′= （4-25）式中，u 1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他损耗，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22D 20212121)(21LI J u u C +Ω=−′∑ （4-26）设过压系数K =u 1/u 0（K ＞1），则()20222D 1u K LI J C −+Ω=′∑ （4-27）若限定K ＝1.3，即允许电容上泵升电压升高30%，则2022D 69.0u LIJ C +Ω=′∑ （4-28）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。

4. IGBT （VT 1~VT 6）的选择IGBT 是电压控制器件，开关速度高，具有自关断能力，易于驱动。

缺点是熔通达时间小，承受过载能力差。

所以，使用时要注意以下三个问题：（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，通过IGBT 的集电极电流m c 2~2.1I I ）（= （4-29）（2）要考虑IGBT 的β是受集电极电流I c 的增加而降低的，I c 越大，β越小。

（3）IGBT 的耐压U ceo 至少应为实际承担的最大峰值电压的1.2倍以上，即d ceo 2~2.1U U ）（≥ （4-30）（二） 11.2kV A 变频器设计举例ZHI ×50W ×40×40双面铣组合机床的机械滑台，由原来的齿轮变速改造成变频调速。

要求速度变化范围为16~750r/min ，以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求。

试设计变频器。

已知被控对象的原始数据：异步电动机型号：Y132M2—6额定功率：5.5kW额定电压：380V额定电流：12.6A额定转速：960r/min系统能提供2倍的额定转矩。

设计步骤：1. 决定变频器的工作方式由设计要求可知，调速范围为1:47，低速性能要求高，故选用双极性IGBT-SPWM 工作方式。

2. 设计变频器的主电路由于采用双极性IGBT-SPWM 变频器，变频器的主电路如上节所示。

3. 变频器的功率开关管的计算（1）计算通过IGBT 的峰值电流I mI m 由系统工作的最严重情况决定。

由题意要求可知，系统要具有2倍额定电流的电磁转矩，再考虑交流电流的峰值，则35.63A A 6.122222n m =××=×=I I（2）选用IGBT 的电流定额值由式（4-29）得出IGBT 的集电极电流42.7A A 63.352.12.1m c =×==I I选用I c ＝50A 的电流定额值。

（3）选用IGBT 的电压定额值变频器输出交流电压为380V 。

为此，必须用线电压为380V 的交流电直接整流，直流侧整流电压U d =1.35×380V=513V 。