变频器知识

变频器培训变频器：将电网电压提供的恒压恒频转换成电压和频率都可以通过控制改变的转换器，使电动机可以在变频电压的电源驱动下发挥更好的工作性能。主要的公式公式：pfn260fNiRueiRu44.4IaKmTmR为电枢绕组内阻，e为旋转电动势Km:系数；：磁通；Ia：电枢电流f:旋转速度；N：线圈匝数；：磁通9550nMTMP晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构（C）1.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件（B）GTR、电力MOSFET和IGBT等器件的常用封装形式。1.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上多采用垂直导电结构，又称为VMOSFET。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图a)为垂直导电双扩散结构，即VDMOSFET。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号（B）a）b）绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)等效电路c)简化等效电路d)电气图形符号（B）功率模块与功率集成电路例：部分功率模块、IPM、电力半导体器件及驱动电路（A）8逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图5-1逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。单相桥式逆变电路S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。（B）96.1PWM控制的基本思想重要理论基础——面积等效原理采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同t)t)f(d(tOtOf(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOf(t)f(t)（B）10PWM控制的基本思想若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ou如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波Ou（C）ωtωtOuωtV1和V2、V3和V4的通断彼此互补。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。6.2.1计算法和调制法ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，请同学们自己分析。图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量（B）•单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（B）•双极性PWM控制方式（单相桥逆变）6.2.1计算法和调制法图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。（B）注：1、试比较以上两种方式的异同点。2、哪种方式效果相对更好？3、若用示波器观察以上两波形会看到什么结果？变频器输入电流波形2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路感容滤波的二极管整流电路图2-29感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a）电路图b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud（C）实际应用为此情况，但分析复杂。Ud波形更平直，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路1)基本原理图2-30电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt（C）某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。图2-32考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图b）轻载时的交流侧电流波形c）重载时的交流侧电流波形b)c)iaiaOOwtwt（C）5.4.2多电平逆变电路a)串联连接三相高压变频器原理图例:“完美无谐波”高压变频器为减少输入电流中的谐波、提高功率因数，工频变压器采用相位彼此差开相等电角度的多副边结构，每一组副边接一个图b)所示的基本功率单元。高压变频器每一相由若干个基本功率单元串联组成(图a)为3个单元串联)，实现高压输出。串联的单元数越多，输出的电压越高，而输入电流越接近正弦。此类变频器已成功地用于高压电机变频调速的场合。（A）b)基本功率单元EXB841的工作原理•1）正常开通过程•当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦合器IS0l就会导通，A点电位迅速下降至0V，使V1和V2截止；V2截止使D点电位上升至20V，V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通,Uc下降至3V。与此同时，V1截止使十20V电源通R3向电容C2充电，时间常数r1为•r1=R3c2=2·42us（2－17）•又使B点电位上升，它由零升到13V的时间可用下式求得:•13＝20（1－e^(-t/r1)（2－18）•t=2·54uS（2－19）然而由于IGBT约lus后已导通，Uce下降至3V，从而将EXB841脚6电位箝制在8V左右，因此B点和C点电位不会充到13V，而是充到8V左右，这个过程时间为1．24us；又稳压管VZ1的稳压值为13V，IGBT正常开通时不会被击穿，V3不通，E点电位仍为20V左右，二极管VD6截止，不影响V4和V5的正常工作。2）正常关断过程控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光耦合器IS01不通，A点电位上升使V1和V2导通；V2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V（相对于的EXB841脚1低5V），使IGBT可靠关断，Uce迅速上升，使EXB841的脚6“悬空”。与此同时V1导通，C2通过V1更快放电，将B点和C点电位箝在0V，使VZI仍不通，后继电路不会动作,IGBT正常关断。•3）保护动作•设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，VZ1不被击穿，V3不导通，E点电位保持为20V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，Uce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升；当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VD6导通时,D点电位也逐步下降，从而使EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。•B点和C点电位由8V上升到13V的时间可用下式求得:•13＝20（1--e^(--t/r1)--8e^(--t/r1)（2－20）•t＝＝l·3uS(2－21）•C3与R7组成的放电时间常数为•T2＝＝C3R7＝4·84uS（2－22）•E点由20V下降到3．6V的时间可用下式求得•3．6=20e^(--t/r2)（2－23）•t＝8·3uS（2－24）•此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为0oV（设V3管压降为0．3V,V6和V5的压降为O．7V）。•这种状态一直持续到控制信号使光电耦合器IS0l截止，此时V1和V2导通，V2导通使D点下降到0V，从而V4完全截止，V5完全导通，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到一5V，IGBT完全关断。V1导通使C2迅速放电、V3截止，20V电源通过R8对C4充电，RC充电时间常数为•T3＝C4R8＝48·4uS（2·25）•则E点由3．6V充至19V的时间可用下式求得：•19=20（l一e^(－t/r3)＋3.6e^(t/r3)(2－26）•t＝135uS（2--27）•则E点恢复到正常状态需135us，至此EXB841完全恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。•与前述的IGBT驱动条件和保护策略相对照，以上所述说明EXB841确实充分考虑到IGBT的特点，电路简单实用，有如下特点：•1）模块仅需单电源十20V供电，它通过内部5V稳压管为IGBT提供了十15V和一5V的电平，既满足了IGBT的驱动条件，•又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。•2）输入采用高速光耦隔离电路，既满足了隔离和快速的要求，又在很大程度上使电路结构简化。3）通过精心设计，将过流时降低Uge与慢关断技术综合考虑,按前面所述，短路时EXB841各引脚波形如图2－68所示。可见一旦电路检测到短路后，要延迟约1．5us（VZI导通时，R4会有压降）Uge才开始降低，再过约8us后Uge才降低到0V（相对EXB841的脚1）。在这10us左右的时间内，如果短路现象消失，Uge会逐步恢复到正常值，但恢复时间决定于时间常数t3，时间是较长的。M57962的应用电路8脚应该接光耦的发射端，为控制电路提供过流信号。•图6－34电容器放电•a）放电电路b）从接线端放电图6－43单进三出变频器图6－44单进三出时存在的问题图6－45单进三出的升压电路交流调速控制策略见书矢量控制于电机的参数有关异步电机的坐标变换结构图图6-52异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换;VR——同步旋转变换;——M轴与轴（A轴）的夹角3/2VR等效直流电动机模型ABCwiAiBiCitimii异步电动机矢量控制系统原理结构图w控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电动机模型+i*mi*tw1i*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反馈信号异步电动机给定信号图6-53异步电机矢量控制系统原理结构图b)tuCEiCOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC缓冲电路作用分析无缓冲电路有缓冲电路图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图1-39关断时的负载线（C）晶闸管的串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串