中压防爆变频器设计

张洪阳+牟秀玉+张国栋

（辽宁 大连 116037）

摘要：变频器由初期的变压变频调速方案，到目前的矢量控制、直接转矩控制，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能，可以与直流调速系统相媲美，解决了皮带输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩的控制场合。本文采用无速度传感器矢量控制（SVC）的防爆变频器能够满足用户要求。

关键词：变频器；无速度传感器；矢量控制

0引言

目前我国的电动机用电量占全国发电量的60%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率與转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%～50%。所以通过对变频器的研究提高对变频调速技术的认识和推广，对于建设节约型社会也有很大的意义。

1、变频器主回路的构成

变频器中给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，称为主回路。如图1所示，主回路分三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加制动单元。变频器主电路的核心部分是作为主要控制对象的逆变电路部分。

（1）整流器

近年来大量使用的是如图1所示的二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，功率的传送是不可逆的。

（2）滤波回路

在图1的主电路中整流器整流后的直流电压里，含有六倍电源频率的脉动电压。此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。

（3）制动单元

异步电动机在再生制动区域（第二象限）运行时，再生能量首先存储于储能电力容器中，使直流电压升高。一般来说，由机械系统（含电动机）惯量所积蓄的能量比电容器能存储的能量大，中、大功率系统需要快速制动时，必须用可逆变流器把再生能量反馈到电网侧，这样节能效果更好，或设置制动单元（开关管和电阻），把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路电压的上升超过极限值。

2、大功率变频器主电路开关应力的控制

半导体开关器件工作中有开通、通态、关断、断态四种工作状态，断态时可能承受高电压但漏电流小，通态时可能承载大电流但管压降小，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的dv/ dt、di/ dt以及过大的瞬时功率P=vi。如不采取防护措施，高电压和大电流可能使工作点超出安全工作区而损坏器件，因此半导体电力开关器件常设置开关过程的保护电路，称为缓冲电路。缓冲电路的主要功能就是用来防止瞬时过压、过流，消除过大的电压、电流变化率，减小开关损耗，确保器件处于安全工作区。缓冲电路的基本思路是设法使开通中的器件电流缓慢上升，关断过程中的器件端电压缓慢上升，这样就能避免器件同时承受高压大电流，从而改变动态负载轨迹，减轻开关过程中器件损耗。而电流电压缓慢上升的程度取决于缓冲电路储能元件L和C的数值，其值越大，则缓冲能力越强。当然，LC的数值越大，电路的换流过程越长，因而要受到开关频率的约束。

2.1 缓冲电路的设计

从产生的原理上来看，浪涌电压是由于 IGBT 关断或者二极管反相恢复时主电路电流急剧变化，由主电路或 IGBT 周围的杂散电感诱发高电压而产生的IGBT关断产生的浪涌电压。在IGBT 关断时，其电流迅速减小，则 di/dt 值会非常高。急剧变化的电流值与线路中的杂散电感感应出瞬间的高电压。此高电压与电源电压相叠加，可能会损坏 IGBT。

二极管反向恢复产生的浪涌电压。与 IGBT 反并联的二极管在导电结束后，不能立即恢复反向阻断能力，如果有反相电压作用，则会有较大的反向电流流过二极管，使其内部残存的载流子消失。当二极管恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这时线路中杂散电感 L 所感应的反电压 Ldi/dt 很大。这个电压与电源电压相加作用在二极管和与其并联的 IGBT 上，也可能使 IGBT 过压损坏。图 2和图3为以上两种浪涌电压产生的波形示意图。

3、主电路的设计

本文设计了 40k VA/380V 防爆变频器。主电路结构采取交-直-交形式，380 伏的电源经整流以后进行直流滤波，再进入三相逆变桥电路，输出三相交流电，为电机供电。通过逆变桥与电机间的霍尔电流传感器将变频器对电机的供电情况反馈给控制系统，控制系统根据采样得到的数据进行计算比较，增大或减小死区宽度来调节功率供应，或者调节逆变器的工作频率，以此来实现对变频器的控制。主电路的设计方案框图如图4所示。

4、结束语

变频调速技术是一项发展潜力巨大的技术。它使电机调速更加灵活，并能够节约能源。在科学飞速发展的今天，电力电子技术、微电子技术、计算机技术、控制技术日新月异。只有不断学习，不断提高自己的设计、开发和调试能力，才能使开发出来的产品满足市场需求，引导技术潮流，从而走向技术的“蓝海”，并为社会做出自己的贡献。

参考文献：

[1]吴明龙，煤矿井下用带式输送机技术的发展方向，煤矿机电，2000.5.

[2]赵平林，隔爆变频器在井下皮带机上的应用的，煤炭技术，2004. Vol.23， No.10.

[3]翟红，变频调速技术在矿井提升系统中的应用，煤炭科学技术，2006. Vol.34， No.5.