直流调速系统主电路设计

直流调速系统主电路设计直流调速系统主电路设计什么是主电路？什么是主电路？电力电子装置中，起到能量变换电力电子装置中，起到能量变换和传递作用的部分。和传递作用的部分。主电路的明显特征：主电路的明显特征：高电压、大电流高电压、大电流2024/5/22主电路设计的内容主电路设计的内容拓扑结构拓扑结构电力半导体器件电力半导体器件直流滤波电解电容直流滤波电解电容预充电回路和能耗制动回路预充电回路和能耗制动回路输入和输出滤波器输入和输出滤波器功率器件的串并联使用功率器件的串并联使用2024/5/23四四 象象 限限 运运 行行 的的 理理 解解四四 象象 限限 运运 行行 的的 理理 解解n直流调速系统中，按照主回路所使用功率器件的不同，主要分为如下两种：l 晶闸管电动机系统（V-M）l 直流PWM功率变换器电动机系统q 一、一、直流调速系统的主电路拓扑结构直流调速系统的主电路拓扑结构两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 MVRVFId-Id+-+-正组正组反组反组1.晶闸管晶闸管电动机系统（电动机系统（V-M）两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路 1.晶闸管晶闸管电动机系统（电动机系统（V-M）MVFVRabcABC-反并联可逆反并联可逆V-M系统中的环流系统中的环流 MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-IdIcIc 环流环流Id 负载电流负载电流 可逆可逆V-M系统的环流：系统的环流：可逆可逆V-M系统的环流：系统的环流：一般地说，这样的环流对负载无益，环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，消耗功率，环流环流太大时会导致晶闸管损坏，太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制因此应该予以抑制或消除。或消除。根据环流性质的不同，采用相应的抑制或消除方法。环流的分类与抑制或消除方法：环流的分类与抑制或消除方法：静静态态环环流流直流平均环流直流平均环流瞬时脉动环流瞬时脉动环流动态环流动态环流封锁触发脉冲封锁触发脉冲配合控制配合控制封锁触发脉冲封锁触发脉冲增设环流电抗器增设环流电抗器1.晶闸管晶闸管电动机系统（电动机系统（V-M）(1)=配合控制的有环流可逆配合控制的有环流可逆V-M系统系统(2)无环流可逆无环流可逆V-M系统系统 逻辑控制无环流系统逻辑控制无环流系统错位控制无环流系统错位控制无环流系统设置环流电抗器设置环流电抗器 环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的分量限制在负载额定电流的5%10%来设计。来设计。l 在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置总共要设置4个环流电抗器。个环流电抗器。12MVFVRabcABC-环流电抗器的设置环流电抗器的设置失效失效失效失效限流限流限流限流MVFVRabcABCabc-l在三相桥式交叉连接可逆线路中，在三相桥式交叉连接可逆线路中，由于电源独立，每一组桥只有一条环流通道，因此只要设置因此只要设置2个环流电抗器。个环流电抗器。环流电抗器的设置环流电抗器的设置 由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。但是，环流电抗器复杂了主回路的结构，带来损耗等环流电抗器复杂了主回路的结构，带来损耗等问题。问题。因此，当工艺过程对系统正、反转得平滑过渡特性要求不高时，特别对于大容量系统，常采用既没有直流平均电流又没有瞬时脉动换流的无环流可逆调速系统。无环流可逆调速系统。=配合控制的有环流系统的评价配合控制的有环流系统的评价逻辑无环流系统的评价逻辑无环流系统的评价n优点：优点：l省去环流电抗器，没有附加的环流损耗；l节省变压器和晶闸管装置等设备的容量；l降低因换流失败而造成的事故。n缺点：缺点：由于延时造成了电流换向死区，影响 过渡过程的快速性。2.直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统整流电路整流电路 H型桥式型桥式PWM变变换器换器 放电电阻放电电阻 滤波大电容滤波大电容预充电电路预充电电路注注 意：意：当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。直流脉宽调速系统的性能评价直流脉宽调速系统的性能评价 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。直流脉宽调速系统的性能评价直流脉宽调速系统的性能评价实际应用中应选择哪种拓扑结构？实际应用中应选择哪种拓扑结构？VM直直流流脉脉宽宽调调速速系系统统n主电路线路简单，需用的功率器件少；n开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；n低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；n系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；n功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；n直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。直流脉宽调速系统与直流脉宽调速系统与V-M系统相比的优越性：系统相比的优越性：q二、二、电力半导体器件的选型电力半导体器件的选型功率二极管功率二极管晶闸管晶闸管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力电子器件选型方法电力电子器件选型方法步骤：步骤：一、根据主电路的结构和电气参数，计算电力电子器件承受的最高电一、根据主电路的结构和电气参数，计算电力电子器件承受的最高电压、最大电流的有效值；压、最大电流的有效值；二、按照工程化方法计算电力电子器件的额定电压和额定电流。二、按照工程化方法计算电力电子器件的额定电压和额定电流。三、根据应用的具体场合，是否需要选择特殊类型的电力电子器件，三、根据应用的具体场合，是否需要选择特殊类型的电力电子器件，例如：快恢复等；例如：快恢复等；四、确定电力电子器件的封装形式：螺栓型、模块式等。四、确定电力电子器件的封装形式：螺栓型、模块式等。五、选择生产厂商，确定具体型号。五、选择生产厂商，确定具体型号。2024/5/2241.二极管、晶闸管二极管、晶闸管额定电流的计算额定电流的计算二极管、晶闸管的额定电流按照通态平均电流定义；二极管、晶闸管的额定电流按照通态平均电流定义；流过器件的最大电流有效值流过器件的最大电流有效值安全裕量安全裕量额定电流与平均电流之间的关系额定电流与平均电流之间的关系器件承受的最高电压瞬时值器件承受的最高电压瞬时值安全裕量安全裕量 二极管只能承受反向电压，晶闸管既可承受正向电压二极管只能承受反向电压，晶闸管既可承受正向电压也可承受反向电压。也可承受反向电压。2024/5/2252.IGBT额定电流、电压的计算额定电流、电压的计算IGBT额定电流的定义与晶闸管不同，计算公式也有差异！额定电流的定义与晶闸管不同，计算公式也有差异！正常情况下，流过器件的最大电流瞬时值正常情况下，流过器件的最大电流瞬时值安全裕量安全裕量过载倍数过载倍数器件承受的最高电压瞬时值器件承受的最高电压瞬时值安全裕量安全裕量2024/5/2263.3.功率器件的工程选择方法功率器件的工程选择方法(1)(1)耐压等级选择耐压等级选择 因为大多数IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，所以通常IGBT模块的工作电压(600V、1200V、1700V)均对应于常用电网的电压等级。考虑到过载，电网波动，开关过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的一倍。(1)(1)耐压等级选择耐压等级选择 单相单相220V600/800V三相三相380V1200V三相三相690V1700V三相三相1140V3300V3.3.功率器件的工程选择方法功率器件的工程选择方法 (2)(2)电流等级选择电流等级选择 在电力电子设备中，选择IGBT时，通常是先计算通过IGBT模块的电流值，然后根据电力电子设备的特点，考虑到过载、电网波动、开关尖峰等因素考虑一倍的安全余量来选择相应的IGBT模块。(3)(3)开关频率选择开关频率选择 (4)(4)其它因素：供货周期，价格等其它因素：供货周期，价格等 3.3.功率器件的工程选择方法功率器件的工程选择方法各种封装形式的各种封装形式的IGBT (1)英飞凌 http:/ http:/ http:/ http:/www.semikron.cc/home.php (3)三菱 (4)富士 (5)国产IGBT：威海新佳 IGBT的品牌的品牌EUPEC IGBT 命名规则IGBT主要供应商主要供应商厂家主要规格范围INFINEON600V/400A，1200V/600A，1700V/3600A，6500V/600A;SEMIKRON600V/400A，1200V/960A,1700V/830A;MITSUBISHIIGBT:600V/600A,1200V/1400A,1700V/1000A；IPM:600V/600A,1200V/450A,FUJIIGBT:1200V/400A;IPM:1200V/75A;600V/150ATYCO中小功率模块;PIM：600V/50A;1200V/35A;APT分立IGBT，600V/1200V（100A），模块可定制；IXYS三相桥1200V/150A；PIM:1200V/75A;单管6500V/600A；ABB1200V/3600A；3300V/1200A;6500V/600A，研制出研制出10kV2024/5/232IGBT模模块的命名的命名规则EUPEC模模块 BSM 100 GB 120 DN2系列号 芯片类型额定电流100A 耐压1200V 2单元封装说明：.GB为单元封装GD为单元封装.DN2用于区别IGBT芯片的类型类似的尾缀还有DLC,DLCK,DN2B2024/5/233IGBT模模块的命名的命名规则三菱模块三菱模块CM 300 DY 24 A公司代号 产品系列号额定电流 耐压1200V2单元封装2024/5/2344.智能功率模智能功率模块IPM：Intelligent Power Module IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护2024/5/2354.智能功率模智能功率模块IPM：Intelligent Power Module2024/5/2364.智能功率模智能功率模块IPM：Intelligent Power Module2024/5/237q三、三、直流滤波电容直流滤波电容直流环节一般采用电容滤波，有如下作用：直流环节一般采用电容滤波，有如下作用：(1)由于整流电路输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节来消除脉动，从而使直流电压保持恒定；(2)异步电动机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件来实现能量的缓冲；(3).实现了整流和逆变的解耦。储能和滤波储能和滤波铝电解解电容的容的结构构引出线引出线皮头皮头铝壳铝壳阳极箔阳极箔阴极箔阴极箔套管套管防爆阀防爆阀电解纸电解纸引线式：引线式：2024/5/239铝电解解电容的容的结构构盖板式：盖板式：盖板盖板引出条引出条铝壳铝壳阳极箔阳极箔阴极箔阴极箔胶带胶带电解纸电解纸固定剂固定剂套管套管防爆阀防爆阀2024/5/240铝电解解电容器的容器的选用原用原则n 依据环境温度n 依据纹波电流n 电路中施加的直流电压值n 整机的使用寿命n 安装方式及空间(如：片式，TAPING，成型等)n 其他特殊要求，储能(如：点焊机,马达启动)n 环保要求(EU/R oHS&WEEE)2024/5/241铝电解解电容器的使用注意事容器的使用注意事项（1）极性）极性 铝电解电容器一般是有极性的。极性反接是造成铝电解电容器短路损坏及漏液的原因，因此在无法辨识电气回路上极性或使用于有极性变换设计的回路时，请选用双极性电解电容器。（2）过电压）过电压 请勿连续施加过电压。当过电压时电解电容器的漏电流会急剧增加。电解电容器之工作电压不应超过额定值2024/5/242铝电解解电容器的使用注意事容器的使用注意事项（3）使用温度和寿命）使用温度和寿命 电解电容器之使用温度请勿超出最高使用温度之设定范围。电解电容器的寿命取决于使用温度。一般来说，当电解电容器之使用温度每降低10时，其寿命将增为1倍。电解电容器应尽可能地在较低温度下使用。（4）防爆槽的安装要求）防爆槽的安装要求 有防爆槽设计之电解电容器其使用时防爆槽侧应与其它机构保持最少3mm以上的空间距离 上述条件不能满足的话，防爆槽将无法正常运作。2024/5/243铝电解解电容器的使用注意事容器的使用注意事项（5）纹波电流）纹波电流 请勿施加超过额定最高纹波电流容许值以上之纹波电流。施加了过纹波电流之电解电容器的内温将大大增加，引起电解电容器电气特性劣化及破损（6）充放电）充放电 经常及快速的充放电将使电容器之内温异常上升，会使漏电流增加、容量降低，有时还会造成产品损坏。2024/5/244铝电解解电容器的使用注意事容器的使用注意事项（7）电容器的储存）电容器的储存 当电解电容器经过了长时间放置后，其漏电流有增加之倾向。因此在使用经过长时间放置后的电解电容器以前，需先施加额定电压使其电气特性恢复正常。如储存时间长于6个月以上时，请串联1K之保护电阻，使其持续负载额定工作电压30分钟。电解电容器应储存于正常大气条件之环境。（8）焊锡）焊锡 不适当的焊锡温度及时间可能造成表面胶管之异常收缩破裂，有时高温也会藉由导针及端子导热至素子内部，对产品造成不良影响。因此须尽量避免过高温度及过长时间之焊锡。2024/5/245铝电解解电容器的使用注意事容器的使用注意事项（9）导针与端子机械强度）导针与端子机械强度 请勿施加过度之力于导针及端子上。请勿扳动已焊接于PC板上之电解电容器，更不要以电解电容器为施力点提起或移动整块。2024/5/246电容器的参数设计电容器的参数设计电容器的参数设计电容器的参数设计 (1).(1).电压跟随性跟随性 (2).(2).抗抗扰动性性 经验数据：数据：三相：三相：1A电流流对应 60uF电容容 单相：相：1A电流流对应 300uF电容容主要参数：容主要参数：容值和耐和耐压值1.电容容值的确定的确定考考虑泵升升电压及裕量及裕量2.耐耐压值的确定的确定当容当容值不不够可以采取并可以采取并联电容的方法以增大容容的方法以增大容值；为了了满足耐足耐压要求采取串接的方式。要求采取串接的方式。电容器的参数设计电容器的参数设计电容器的参数设计电容器的参数设计Epcos电解电容总技术文档电容器品牌：容器品牌：n预充电回路预充电回路 系统启动中，限制充电回路的电流，避免过大的电流冲击损坏器件。q 四、预充电回路四、预充电回路q 四、预充电回路四、预充电回路 系统启动中，限制充电回路的电流，避免过大的电流冲击损坏器件。预充电电路预充电电路预充电电路预充电电路1.1.作用作用 保保护电容器，防止短路故障容器，防止短路故障2.2.预充充电电路形式路形式3.3.参数参数设计 电 阻：阻阻：阻值，功率，功率 接触器：触接触器：触头，线圈圈4.4.注意事注意事项 接触器安装角度接触器安装角度 常见的预充电电路形式(a)(a)(b)(b)(c)(c)铝壳电阻器交流接触器接触器接触器选择注意事注意事项：1.DC 还是是AC？2.允允许流流过的最大的最大电流流为多少？多少？主触点：主触点：3.最大承受的最大承受的电压为多少？多少？电磁磁线圈：圈：1.DC 还是是AC？2.电压为多少？多少？3.是否需要二极管？是否需要二极管？辅助触点：助触点：1.NC、NO？2.个数个数C C+当电动机处于回馈制动状态时：当电动机处于回馈制动状态时：功率功率电压电压泵升电压带来的危害：泵升电压带来的危害：电容器因电压过高而损坏电容器因电压过高而损坏过电压损害电力电子器件过电压损害电力电子器件q 五、能耗制动回路五、能耗制动回路C C+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（1）增加电容量增加电容量系统结构变复杂，成本增加！系统结构变复杂，成本增加！q 五、能耗制动回路五、能耗制动回路C C+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（2）通过电阻消耗多余的功率通过电阻消耗多余的功率q 五、能耗制动回路五、能耗制动回路+功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（2）通过电阻消耗多余的功率通过电阻消耗多余的功率造成能量浪费严重！造成能量浪费严重！Sq 五、能耗制动回路五、能耗制动回路功率功率电压电压如何抑制泵升电压？如何抑制泵升电压？（3）采用能量回馈单元采用能量回馈单元实现能量向电网的回馈，提高了效率！实现能量向电网的回馈，提高了效率！q 五、能耗制动回路五、能耗制动回路q 五、能耗制动回路五、能耗制动回路n作用：l谐波抑制，改善电源质量q 六、输入和输出滤波器六、输入和输出滤波器LCLLCLLCLLCL滤波器滤波器滤波器滤波器1.1.作用作用 谐波抑制2.2.参数参数设计 电压等级、额定电流、过载电流、额定电感、工作频率抗电强度、绝缘电阻、绝缘等级、温升情况、噪声情况等3.3.注意事注意事项 L：材料，需定制 C：三相交流电容，品牌有EPCOS，日立，尼基康等 三相交流三相交流电电抗器抗器三相交流三相交流电电容器容器输出滤波器输出滤波器输出滤波器输出滤波器 输出出滤波器形式：波器形式：(1).L(2).LC(3).共模滤波器 共模共模滤滤波器波器实实物物n电解电容的串并联nSCR的串并联n IGBT的串并联q 七、七、功率器件的串并联功率器件的串并联1.电解电容的串并联：电解电容的串并联：由于每个电容都有等效的内阻，而且该等效内阻的阻值差异较大，若电容直接串联则必然会带来电容两端的分压不平均导致内阻较大的电容两端所分担的电压过高，甚至高于其耐压值而损坏。为了避免该现象，每个串联的电容两端并接一个较大阻值的电阻以减小内阻差异带来的分压不均。该电阻称为均压电阻。均压电阻。1.电解电容的串并联：电解电容的串并联：1.电解电容的串并联：电解电容的串并联：同型号电容并联耐压值保持不便，但其容值随并联的电容的个数倍增；同型号电容串联，耐压值随所串接的电容的个数倍增，但其容值随之成倍递减。电解电容是有极性的，电容并联时要注意保持极性一致，串联时要注意串接电容的极性正负相连。(a)电压分配电压分配(b)静态均压静态均压 2.SCR的串并联：的串并联：(a)电流分配(b)晶闸管并联电路 晶闸管并联时的电流分配晶闸管并联时的电流分配 2.SCR的串并联：的串并联：2.SCR的串并联：的串并联：(a)电阻均流(b)电抗均流电阻均流与电抗均流电阻均流与电抗均流3.IGBT并联使用原则：并联使用原则：1.并联的并联的IGBT应有相同饱和压降等级应有相同饱和压降等级Vce(sat)2.并联并联IGBT的驱动回路应平衡连接的驱动回路应平衡连接3.并联并联IGBT的主电路应平衡连接的主电路应平衡连接4.并联并联IGBT的负载回路应平衡连接的负载回路应平衡连接5.并联并联IGBT的散热应均衡的散热应均衡