交流调速第二章第三章

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1、1,第2章 第3章 交流变频调速器工程设计,主讲人：钟彦儒 西安理工大学 教授 2012年9月,2,1 交-直-交电压型变频调速器“硬件”电路设计 1.1 IGBT模块的额定值，特性及应用 1.2 IGBT与整流桥的选用 1.3 变频器功耗计算与热设计 1.4 变频器的各类保护电路设计 1.5 变频器中控制电源的特点与设计 1.6 变频器传动中的制动状态与制动器设计 2 交-直-交电压型变频调速器中实用PWM控制策略 3 基于DSP的变频调速器控制器设计举例,3,1.交直交电压型变频调速器“硬件”电路设计,返回目录,通用型变频器原理图,4,IGBT是组成通用型交流 变频器的关键电力电子器件,功

2、率器件的应用,5,功率半导体的应用范围,6,1.1 IGBT模块的额定值，特性及应用,（1）关断浪涌电压,返回目录,附加线路寄生电感的半桥电路,7,（2）续流二极管的恢复浪涌,半桥开关波形图,8,功率二极管的开通特性,9,双脉冲运行条件下的驱动信号以及IGBT和续流二极管的电流波形,10,IGBT模块的结构,11,直接铜熔结DCB与主动金属钎焊AMB,12,含IGBT和续流二极管的功率模块的常见电路单元1,13,含IGBT和续流二极管的功率模块的常见电路单元2,14,含IGBT和续流二极管的功率模块的常见电路单元3,15,（3）接地回路,避免接地回路噪声,16,（4）减小功率电路的电感,迭层母

3、线结构断面图,17,大电流三相逆变器主电路布置实例,18,三菱第五代IGBT模块中MPD系列,19,20,21,EUPEC大功率IGBT模块,EUPEC增强型IGBT模块外形图及等效电路图,22,EUPEC大功率IGBT模块的连接,EUPEC增强型半桥IGBT模块主电路布置结构示意图,23,（5）缓冲电路设计,缓冲电路用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。 变频器中IGBT缓冲电路设计与传统双极晶体管缓冲电路在两个方面有区别： IGBT有强大的开关安全工作区。缓冲电路设计不要考虑双极型达林顿管的二次击穿超限。它只需控制瞬态电压。 IGBT工作开关频率较高，要考虑到每次开关循环中缓冲电路

4、都要通过IGBT器件放电，损耗功率太多。,24,缓冲电路类型,通用IGBT缓冲电路,25,缓冲电感的作用,采用缓冲电路的典型关断电压波形,26,母线电感的作用,图中初始浪涌电压之后，随着缓冲电容的充电，瞬时电压再次上升。第二次上升峰值 是缓冲电容值和寄生电感的函数,27,关于功率电路和缓冲电路的几点建议,所需电容与母线寄生电感成正比，尽量减少母线电感。 C与正被关断的电流的平方成正比。在发生短路时，要采用限流技术。 表2.1给出的推荐值是基于两个假设：一是限流技术已经使用，二是要处理的电流仅仅是上限至最大过载电流的常规电流。 若允许在毛刺电压峰值与 额定值之间有个不大的裕度，会使所需缓冲电容值

5、明显减小。表2.1是以 100V为前提设计的。 例如AC400V变频器，最高工作电压 =800v, =100v, =1200v,当有1200V900V300V的裕度。,28,六合一、七合一、双单元模块的缓冲电路,29,1.2 IGBT与整流桥的选用,1）IGBT安全工作区 关断安全工作区,返回目录,半桥式开关测试电路及其开关波形,30,关断安全工作区及其测试电路,31,短路安全工作区,把一个IGBT直接开通到短路 把一个已经开通的IGBT实行负载短路或对地短路 短路电流的大小依布线，偏压条件， 的选配，最高供电电压来决定。,32,短路的第一种情况,33,结论： 当栅极脉冲宽度 时，SCSOA有

6、效。 SCSOA是一种不可重复的容量。,短路的第二种情况,34,2）IGBT的选用,35,36,3）IGBT模块栅极驱动,典型的IGBT栅极驱动电路,37,栅极驱动电压,开关能量和反向偏压的关系,38,开关损耗（左）/开关时间（右）与栅极电阻的典型关系,39,栅极驱动布线的几点考虑,栅极驱动布线,40,1.3变频器功耗计算与热设计,1）功率损耗的估算 导通损耗： 是IGBT导通的平均电流 切换感性负荷时，续流二极管的损耗近似为 与二极管平均电流值的乘积。 开关损耗,返回目录,41,1200V级H系列IGBT模块的开关损耗,42,（2）VVVF变频器功耗计算,VVVF变频器主电路及输出波形,43

7、,功率估算公式,44,45,3）平均结温的估算,46,4)瞬态结温升的估算,IGBT部分和FWD部分的瞬态热阻特性,模块基板的温度可以 用以下公式计算：,47,5）散热器的安装,推荐的螺钉安装拧转顺序,48,6）功率循环的考虑 热疲劳的概念,功率循环热寿命曲线,49,1.4变频器的各类保护电路设计,1）IGBT模块的保护 dv/dt保护,返回目录,一个逆变桥的单相电路(电感负载),50,dv/dt对IGBT栅极电路的影响,51,短路保护示例,52,防止饱和短路示例,53,54,2）变频器通常具有的保护功能,故障保护动作一览表,55,56,过电流，过载信号的取样,采用具有短路过电流保护（一般具有

8、降 软关断功能）的智能驱动器驱动IGBT。 采用6个或3个（下桥臂）。 在三相输出u,v,w中取 （或取两相 ）,采用霍尔电流传感器，小功率也有用无感电阻线性光电耦合器。 电流的瞬时值1矢量控制用 滤波时间常数，. 2死区补偿用 几个s 三相电流全波整流后变频器过载保护，滤波时间常数 数十 ms,57,变频器的工作电源在直流母线上取，可用开关变压器副边绕组（5V或15V）同名端取样，用一个采样保持电路。 单独工作电源的情况下，用电压霍尔传感器或分压电阻线性光耦。,58,变频器过热保护,散热器温度达到85左右，保护动作。 载波频率随散热器温度自动调整，一般 后降低 ，要求散热器温度不要太高，增强

9、可靠性。此功能可选用。,59,1.5变频器中控制电源的特点与设计,与一般电力电子装置一样，正常上电时，控制电源先建立，主回路电源再建立；掉电时，主回路电源也下电，控制电源再消失。 中小功率变频器往往采用在直流母线上取控制电源的方式，当 =800V时，也要工作正常。 中、大功率采用独立380VAC给控制电源供电。,返回目录,60,直流母线供电的变频器控制电源,IPM变频器用的开关型电源（SMPS）,61,直流母线供电控制电源工作时序,62,特别要注意控制电源建立和消失过程中控制器对驱动电路的控制作用 在电机控制专用CPU RESET其间输出端口状态已定义的情况下，要注意外围芯片的输出状态是否确定

10、 要确认+5V等控制用电源掉电至3V左右时，IC的逻辑状态已不能保证正常，不会引起错误的触发(如果此时主电路并没有完全失电的话),63,1.6变频器传动中的制动状态与制动器设计,在通用变频器中，对再生能量的处理方式有三种： 耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中； 由并联在直流回路上的其他传动系统吸收； 这两种称为“动力制动状态” 再生能量回馈到电网。称回馈制动状态或再生制动状态。 也有日文资料从电动机状态出发，、称“再生制动”，称“电源再生制动”。,返回目录,64,1)动力制动 一般中、小容量将制动单元（制动用IGBT，控制器）在变频器内置，制动电阻外置； 也有中、大功率将制

11、动单元和制动电阻均外置； 多采用电压滞环比较器控制用IGBT开关，一般AC400V系列变频器制动动作电压可选择在DC650V左右。,左：动力制动单元,65,2)制动电阻的计算 制动力矩的计算,66,制动电阻阻值的计算,设附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部 分，折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%，则,67,制动时平均消耗功率的计算 制动电阻上消耗的平均功率 可以按下式求出： 电阻器额定功率的计算 根据减速模式不同，引入功率增加系数m，允许选用小于平均功率 的额定功率电阻,68,减速模式,减速模式 a)重复减速 b)非重复减速,69,m的选取,制动电阻允许功率增加系数

12、a)重复减速情况 b)非重复减速情况,70,3）回馈电网的再生制动,电源再生制动单元,71,4)直流制动(DC制动),以上动力制动和电源再生制动电动机均处于发电状态 。 直流制动时，电动机处于能耗制动状态。 直流制动时，电动机定子通直流电（逆变器中某3个桥臂 短时间内连续导通，不再换相），变频器输出频率为零，定子 磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止磁场产生制动转 矩。旋转系统存储的动能转换成电能消耗于异步电动机的转子 回路中。 直流制动的用途： 用于准确停车控制 用于制止在起动前电动机由外因引起的不规则自由旋转,72,通用变频器中，设定DC制动的起始频率 ，制动电流 和制动时间 来选择最佳

13、的制动力矩。,利用DC制动实现准确停车 a)时序关系 b)静态机械特性,73,2.交直交电压型变频调速器中实用PWM控 制策略,1）PWM控制策略的分类（三类） 正弦PWM控制策略 电压正弦PWM自然采样法 规则采样法 *准优化的PWM 电流正弦PWM电流反馈控制（PI调节器分别控制三相） 电流反馈控制（滞环控制) 电流反馈无差拍控制 磁通正弦PWM*空间电压矢量法（SVPWM） 磁通轨迹法,返回目录,74,优化PWM方法 谐波消除法-特定次数谐波消除 效率最优PWM技术 转矩脉动最小PWM 随机PWM控制策略 使逆变器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的

14、目的。,75,双极性调制的三相SPWM的波形,双极性调制的三相SPWM变频器的输出波形,76,电流跟踪PWM控制,电流跟踪PWM控 a)为原理波形图，b)为电流跟踪方块图 1正弦参考电流 2滞环带 3上边界 4下边界 5有效电流i,77,SVPWM,左为三相逆变桥， S（a,b,c）=1时 上管导通； S（a,b,c）=0时 下管导通； 右为电压矢量图,78,SVPWM的脉冲形成,左为相电压调制函数波形，右为PWM波形,79,两相调制的概念 两相调制方法,二相调制方法的在区间内PWM波形,二相调制方法的相电压调制函数,80,两相调制方法,二相调制方法的在 、区间内PWM波形,二相调制方法的 相电压调制波形,81,采用TI公司TMS320X240时，PWM发生器两相 调制产生的波形,两相调制时电压波形Fs=10kHz,Fo=50Hz,82,采用TI公司TMS320X240时，PWM发生器三相调制,83,同步调制和异步调制,BJT逆变器基波频率与载波频率的关系,84,通用型VVVF变频器中的PWM方法,85,3.基于DSP的调速变频器控制器设计举例,1）ABB，ACS600系列变频器接线端子,ABB ACS6000系列变频器接线端子,返回目录,86,2）日本春日C系列变频器接线端子,标准配线图,87,谢 谢！,退出放映,