原创 变频器的滤波电路

2020-1-24 14:44 3075 5 2 分类: 模拟

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摘要

对于大功率的变频器,它的滤波电容的容量要很大才能满足输出电容的稳定。


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变频器的基本原理》里面说了:要让变频器工作起来“得心应手”,就要配上好多其它的元件。今天先讲滤波电路上的元件。


为了整流后的电压上“波浪熨平”了,就得用到“电容”来“滤波”。这个电容容量要和变频器的功率相配,它的容量选配就是一门学问。设计的工程师会选配,我不会选配。


大功率的变频器,它的滤波电容容量通常会很大,这个是为了满足后级输出的电压稳定的要求。


这个电容有多大呢?


以我们厂生产的最大功率的变频器为例,它有16只12000uF的电解电容,每8只先并联后再串联。安装的实物照片如下图:


这个12000uF的电容个头有多大呢?可以参考下图照片中成人的胳膊。这是我见过的最大的电容。我在车间里,都称这个电容是“大炮弹”。这个电容应是供应商为我们公司定制的,虽然在它的官网上,电容的参数也列着,是它的“标准”品,但我相信,它的客户不多,或者说除我我们外就没有其它客户。


这些电容并联起来充满电后,它的能量吓死人,足以伤人致残,妥妥的安全事故级。


我听说过一起安全事故,我们集团兄弟厂的一个同事,在排除故障的时候,因为没有确认电容上的电有没有放掉就去操作,结果手被电容电伤。(具体的细节是怎么回事,我也不清楚,也没有找到具体的事故报告。是外国的兄弟厂发生的事,我只是听厂里的老同事说过这事,细节不知,相信是有这么一回事,但细节不是我说的这么简单。)


所以,设计的时候在这个滤波电路上,会并联二个等值的电阻,变频器停电后,通过这二个电阻把电容上的电放掉,这个叫“放电电阻”(bleeder resistor)。在操作说明书和变频器柜子上面的警告标签上,都特别指明:必须在变频器断电5分钟后才可以打开柜门。


我自己有一次评审一台从客户端退回的故障变频柜。我现在不记得那台柜子什么原因退回来。它的放电电阻坏了,或者是电路接线松了,总之电容上的电没有被完全放掉,还有一些能量残留在电容上。我手贱,评审的时候,用手去模模柜内的零件,摸了它的正负母排,结果被电了一下,当时只是手感觉有电,麻了一下,没有受伤。有了这一次的经验教训,以后我在生产线上排查故障时,没有用万用表确认上面没有电前,是不会摸它了。花代价得来的教训,最容易长记性,这一句话是有道理的。


下图是某一款变频器滤波部分的电路原理图。

1RES,2RES就是“放电电阻”。


“C1,3,5,7”先并联后再和并联的“C2,4,6,8”串起来,它们的组合后,就等效为一个大的电容器。先并后串的用意:一个电容的耐压值(450VDC)不够承受BUSS+/-之间的电压(538V,即380V的根号2倍,即1.41倍),所以要串起来,二只电容平分这个电压。这种设计本身也是为了节省电容的成本。电解电容的耐压值不能做得太高,耐压值高了,制造成本也加大。另一个原因:耐压值高了,同等容量下电容体积就要加大,这种体积加大不是呈比例的。这些都是成本。


如图所示,电阻的225A,225B接到225点,为什么要这么接法呢?

这二个电阻的阻值是一样的。它们串联后并联到BUSS+/-之间后,中间再与电容的串联点相联,二个电阻上的就可以分得同样的电压,这样保证二组并联的电容组上也可以得到相同的电压。原因是:电容的容值很难控制,所以我们看到的电容的公差都很大。不可能利用串联电容来达到均分电压的目的。但电阻可以把公差做得很少,比如1%。这样电阻上面分得的电压就差不多一样了。

系统通过224,225,226三根线接到监控电路上,监控电容上的电压有没有充到规定的电压,这个电压叫“直流母线电压”。这个电压值是有规定的,如果系统测得的电压值低于规定值,就报“直流母线电压过低”,变频器开不了机。同时它也测量1RES,2RES上分得电压是否均等。所以,这二个电阻也叫“均压电阻”。我到现在还没有遇到过电阻分电压不相等的故障现象。


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这二个电阻的选择也有讲究。


如图所示,变频器正常工作的时候,它上面也有电流走过。如果电阻小了,P=U2/R.它消耗的功率就大。这个功对变频器来讲是无用功,直接影响到变频器的效率指标,所以要限制。但电阻大了,放电的时间就要延长。从上一段分析的功能来看,电阻的均压功能导致它必须在变频器工作时参与工作,不可以通过电路把它移出去。

电容放电的电路模型如上图,电容二端的电压已知,电容容量已知,电阻阻值已知,只要电压降到安全电压36V以下,就算放电完成。按下面的公式可以计算出它的放电时间。

R:电阻的阻值(Ohm)

E:电容放电前的电压(工频有效电压380V,整流后,最高电压538V,电容通过并联均压电阻上分得的电压269V)

Vt:电容放电后的电压(比如国家标准安全电压36V)

C:并联的等效电容值,举例的电路图中,4只12000uF的电容并联,得到48000uF,即0.048F


同样,如果规定5分钟(300秒)放电到36V,代入公式,设计人员就可以求出所要的电阻。

本例中,算出电阻阻值:3125ohm.


实际应用中,该电阻选的是2.4Kohm/50W规格。这样,该变频柜停机后的放电持续时间为230秒,即约4分钟。柜门上的警示标签规定5分钟,就是设计留有余量。


二只电阻串联,每只电阻上面的电压538/2=269V。变频器正常工作的时候,每只电阻发热消耗的功率就是:P=U2/R=30W。


变频器正常工作时,这个电阻上会一直有电流流过,它也就会一直发热。发热的功率就是30W。为了散热及可靠性,设计选用“水泥电阻”,并把它贴在柜子的金属钣金上来帮助散热,电阻和钣金之间加一个传热垫,增加传热效果。为了防止工作人员烫伤事故,此处有一个警示标签,警告此处高温危险。


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curton 2020-1-30 22:26

学习了
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