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1、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：,R为电枢绕组内阻，e为旋转电动势,Km:系数；,：磁通；,：电枢电流,f: 旋转速度；N：线圈匝数；,：磁通,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 M
2、OS 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1-22 IGBT 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
3、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,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）,9,6.1 PWM 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。,（B）,10,PWM 控制的基本思想,若要改变等
4、效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,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,（C）,t,t,t,V1 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 ur uc 时使 V4 通，V3 断， uo = Ud 。 当 ur uc 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,（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 IGB
5、T 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,（B）,双极性 PWM 控制方式（单相桥逆变）,6.2.1 计算法和调制法,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？
6、,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,（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,（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
7、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,（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
8、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 V 2 截止； V 2 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
9、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
10、， 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； V 2 导通使 V 4 截止， V 5 导通， IGBT 栅极电荷通过 V 5 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
11、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，V 5 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，V 3 导通， C4 通过 R7 和 V 3 放电，E 点电位逐步下降，二极管VD 6 导通时, D
12、 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2 0V 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
13、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 V 2 导通， V 2 导通使 D 点下降到 0V ，从而 V 4 完全截止， V 5 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、V 3 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)( 226 ） t 135 uS （ 2
14、 - 2 7 ） 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 5 V 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
15、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 5 us （ 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634 电容器放电 a）放电电路 b）从接线端放电,图643 单进三出变频器,图644 单进三出时存在的问题,图645 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,3/2,VR,等效直流 电动机模型,A,B,C,iA,iB,iC,it,im,i,i,异步电动机,矢量控制系统原理结构图,图6-53 异步电机矢量控制系统原理结构图,b),缓冲电路作用分析 无缓冲电路 有缓冲电路,图1-38 di / dt 抑制电路和 充放
