刘炜++赵霞++闫键
[摘 要]分析电压源型和电流源型变频器各自的特点及常见的电压源型变频器的主电路形式;然后进行二极管不可控整流、PWM逆变器调压调频的交直交主电路的分析与设计。
[关键词]交直交 电路 变频器 设计 应用
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0106-01
1 电压源和电流源型逆变器
电压源型的逆变器直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想的情况下是一个内阻为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯波;电流源型直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波。
电压源型变频器的主电路简单并且控制策略便于实现，而电流源型变频器往往是电流频率分开控制，并且难以实现电流的准确跟踪，因此实际应用中多采用电压源型的逆变器。但也有公司考虑到电容的寿命问题采用电流源型的变频器。
2 电压型PWM变频器的主电路形式
通常电压型PWM变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流电。本文采用不可控整流、PWM逆变器调压调频的交直交变压变频装置，该结构可以较好地解决输入功率因数低和输出谐波大的问题。PWM逆变器采用了全控式电力电子开关器件，因此输出的谐波大小取决于PWM的开关频率以及PWM控制方式。
3 不可控整流、PWM逆变器调压调频的交直交主电路设计
以下主电路各部分元件参数设计是针对实验室2.2kW交流异步电动机的，电机参数为额定功率，定子额定电压，额定电流，额定转速，接法型。
3.1 逆变器功率元件参数计算
逆变部分的开关器件选用IGBT，为了设计的简便，本次采用集驱动、保护等功能于一体的智能功率模块（IPM）。在参数选择时，需要考虑到电机过载，安全裕度等要求，从逆变部分的主电路可以看出，流过一只IGBT管子的最大电流应当等于电动机定子一相的最大电流。所以功率元件的电流额定为
（3.1）
其中，为电流的过载倍数;为流过定子一相绕组中电流的峰值，;为定子的额定电流，这里为5A;为安全裕量。
将试验用电机的相关参数代入式（3.1），过载倍数选为，得到IPM电流额定为
由于所带电机的额定电压为380V，所以直流电源由380V的三相交流电源直接整流得到，直流侧电压为
（3.2）
其中，为输入三相交流电相电压的有效值;1.2为考虑到大电容滤波后的电压升高系数。功率元件的电压额定为
1.5为安全裕量，在实际主电路搭建中选择了日本三菱公司的智能功率模块PM50RSE120 IPM，其额定电压1200V，额定电流50A，可以满足要求。
3.2 软起动电阻的计算
由于在上电的瞬间，对电容器的充电电流可以看作高频信号，此时电容的阻抗值很小，电流很大，如果不对充电电流加以限制会造成整流二极管和电容器的损坏，所以需要在直流侧配一个软起动电阻限制起动电流。由主电路的形式可以看出，当电容充电时，限流电阻和电容构成的回路是典型的一阶环节，其时间常数为，故在零初始状态下，电容上的电压响应方程式为
（3.3）
当时，，故可选取充电时间为，即认为时电容充电完毕。如果要求充电时间为，则
故上消耗的功率为
所以可以选取限流电阻为，20W。选用该电阻时充电回路的瞬时最大冲击电流为，在允许的范围之内。实际的主电路中将四个，8W的电阻接成如图3.2的形式作为软起动电阻，组合后相当于，32W的电阻。
图3.2启动电阻的连接形式从以上的推导可以看出，软起动电阻阻值越小，充电越快，但功率和冲击电流也会相应的增大。最后将选择的二极管模块和IPM模块安装在散热片上，并在主电路直流侧串接用于过流保护的断路器，最终构建起主电路。
4 IPM 驱动触发板设计制作
根据所选择的主电路形式，主要需要控制的部分为逆变电路的IGBT触发控制。本次设计中逆变电路采用两电平逆变电路，电路结构固定，故选择带能量释放管的七单元IGBT-IPM，PM50RSE120，额定电压1200V，额定电流50A，平板式结构。此IPM共16个管脚，分别用于触发控制、引入4组独立控制电源、制动信号和故障信号传递、连接直流电源、输出三相交流电等。
触发板用于完成接收从DSP核心控制板发出的PWM脉冲信号、能量释放管控制信号、将四个独立的直流15V电源引入IPM，从IPM将故障信号传回DSP板等功能。
控制板的设计：控制板接收从DSP传来的6路PWM脉冲信号，为了实现控制侧和主电路侧的隔离，采用快速光耦隔离，这里采用Agilent公司的快速光耦HCPL 4504，光耦副边距IPM的管脚距离小于2cm。由于DSP的PWM输出引脚的驱动能力不够，所以在触发板上加上了OC门芯片SN74LS07，增加驱动能力。制动电阻的控制信号和故障报警信号通过普通光耦TLP521-1进行隔离和传递。
在PCB板的制作过程中，有以下需要注意的地方，由于给上桥臂三组控制端供电的独立电源的地线之间存在380V的交流电压，即电动机的线电压，所以考虑到爬线距离（一般为100V/mm），应在元件布局和布线方面使三组地线之间的间隔尽可能远;为了实现无焊连接，可以采用三菱公司推荐的管座，型号为MDF7-25S-2.54DSA。
5 结论
本文给出了交直交主电路的元件选择方法和参数的计算，进行了IPM触发板的设计和制作，用于连接DSP控制板和主电路。在实际安装中还要注意散热片的放置，以及在直流侧安装过流保护开关。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第2版. 北京：机械工业出版社，1992
