变频器设计的初步认识
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摘 要：随着电力电子技术的迅猛发展，对比于传统的直流电动机，相对来说结构简单、价格便宜、制造容易、能够可靠运行的的异步电动机得到了广泛的应用，而异步电动机的变频调速也随之得到了发展。该文阐述了变频器的基本概念以及工作原理、在这一认识上描述了对于在变频器设计中元器件的选择以及在变频器设计中需要注意的事项。
关键词：IGBT 整流 逆变
中图分类号：TM925.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-01
交流变频调速作为一种崭新的工业传动调速方式逐渐登上了历史的舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都具有很大的优点，这使得变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。
在我国，低压电网的电压和频率一般为380V，50Hz，如果想要得到电压和频率都可以调节的电源，那么就需要变频。变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是变频技术与微电子技术的应用，它对交流电动机实现了变频调速。变频器的主要功能是通过改变电机工作电源的频率方式来控制电动机和电力系统设备。变频器主要由整流―交流变直流、逆变―直流变交流、滤波、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，变频器还具有很多的保护功能，如、过压、过流保护等等。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。
1 工作原理
由一种固定的电源变为可调节的电源，中间需要一个桥梁，这就是直流电。首先把不可调节的电网电压经整流桥整流成直流电。整流桥分为可控整流桥和不可控整流桥。这就是变频的第一步，交流转变成直流。然后再将整流后的直流电通过逆变器逆变成三相电压、频率均可调的交流电。这就形成了变频的工作原理“交―直―交”
变换。
2 元器件的选择
（1）逆变的主要元器件主要是绝缘栅晶体管―IGBT。选择它的主要优势在于IGBT的开关频率可以达到很高的值，接近20KHz。目前，IGBT的产品最大的电流容量已经达到了1800A，工作频率更是可以达到50kHz。其次，它的功耗又比较低，集合了晶体管和绝缘栅场效应管的长处。IGBT同三极管类似，也是有三种状态：截至状态、放大状态和饱和导通状态，我们在逆变过程中只利用它的截至和饱和导通两种状态作为开关闭合和开通使用。逆变的过程就是IGBT不断按照一定规律开通和关断的结果。
（2）电网电压进线侧加入滤波电容，使得电网电压的高次谐波被过滤掉，得到平滑的正弦波形，用来减少谐波电流的
污染。
（3）在整流桥和支撑电容间加上一个限流电阻，有两方面的作用。一是在电网电压进电的瞬间减小了冲击电流，防止造成变频器器件的因冲击造成的损坏；二是在合闸瞬间，电网电压降到限流电阻上，防止电压迅速降至0V，对同一网络中其他设备的工作造成干扰，可以说是一举两得。对于充电时间按照公式T=RLC计算出充电时间常数，充电时间大概是这个常数的3到5倍，这样在其两端并联一个接触器控制其关断和导通的时间也就能计算出来了。至于接触器的容量选择按照公式ID=PD/UD可以计算得出，但是接触器有三个主触点可以并联起来使用，所以选择三分之一的电流值就可
以了。
（4）在整流和逆变直流电路设计中均加入一种电容叫做支撑电容，既有储能的作用，又具有滤波的作用。由于电动机定子的等效电路和直流电路之间存在着能量交换的过程，因此要对支撑电容充放电。在每个IGBT管旁边都必须反并联一个二极管，用来为电动机绕组向电容器通电提供通路。电容器在安装前首先要外观检查看是否有鼓包现象，然后必须做规定的耐压试验，以确保稳定运行。
（5）为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能期望着靠增加变频器的容量来解决问题。必须选用合适的制动单元来改善变频器的制动容量。小功率制动单元一般安装在变频器内部，外部只接制动电阻。大功率的制动单元由外接的制动单元接到变频器直流母线上，当电机制动时，电机的电能反馈回母线，使母线电压升高，升高到规定值时，开通制动单元的开关管，用制动电阻消耗母线上一部分电能，维持母线电压不继续往上升高，使电机能量消耗在制动电阻上，从而获得制动
力矩。
3 设计中的注意事项
3.1 关于散热的问题
变频器的发生故障的频率随温度升高而成指数的上升。使用寿命会随温度升高而成指数的下降。因此散热成了变频器工作性能的重要指标。环境温度升高10 ℃，变频器使用寿命将减少一半。若变频器带有直流或交流电抗器，并且也在柜子里面，发热量会更大。电抗器安装在变频器侧面或侧上方会比较利于散热。如果有制动电阻的话，制动电阻的散热量很大，安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。
3.2 变频器不适合加π型滤波
所谓π型滤波是在电路中串连一个电阻或者电感，无论是前后哪一种，总会使其产生一个电压降，使得后面的电压比前面的电压较低，直流电压下降，逆变出来的电压就会比电网电压低，因此变频电路只能采用电容器滤波。
3.3 远程控制
现在我们已经可以依靠计算机网络进行变频器的远程控制。主要是通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程操作，人在操作室中就能轻松操作，远程控制要注意周围的一些干扰信号，选择电缆线需采用屏蔽线或双绞线且不宜过长，否则也将导致产生信号的干扰。
4 结语
变频器机器工作原理目前广泛应用于各个领域。使用变频器的家电产品中有电机（例如变频空调等），还有荧光灯等产品。对于变频器用于电机控制，其可以调压调频。但用于荧光灯的变频器主要就用于调节电源供电的频率。该文对变频器进行初步分析与设计，使初学者对变频器电路的设计有了更深刻的理解，希望对从事变频器设计工作者有所帮助。
参考文献
[1] 石秋洁.变频器应用基础[J].北京：机械工业出版社，2010（1）.
[2] 王廷才.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3] 姜永华.PLC与变频器控制系统设计与调试[M].北京：北京大学出版社，2011.