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1、第8章 交流调速系统,8.1 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 正弦脉宽调 制(SPWM )型交流变频电路 8.2 交流调速的基本方案与变压变频的基本控 制方式 8. 3 模拟式IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统 8. 4 微机控制IGBT-SPWM-VVVF 交流调速系统简介 8. 5 矢量控制的交流变频调速系统简介 8. 7 通用变频器,绝缘栅双极晶体管(IGBT)及其驱动、保护电路 IGBT管的特点 绝缘栅双极晶体管(IGBT)(Insulated Gate Bipolar Transistor)将双极型晶体管和MOS场效应晶体管两者结合起来，它的前面部分类似 NMOS场效应管晶体管，
2、它的后面部分则类似双极型晶体管。 其特性兼有MOSFET和BJT两者的优点。,8.1 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 正弦脉宽调 制(SPWM )型交流变频电路,IGBT的驱动与保护 采用EXB841模块驱动IGBT的接线图，其中脚用来采集集电极电压(电流大、电压Uc升高)，若电流过大，Uc升高，则VD1截止，模块内部电路使脚呈现低电平，这样，将使VL导通，发出过电流保护信号； EXB841内部电路会使IGBT的栅极呈现 -5V低电平，使IGBT获得可靠截止保护。 输入信号线要求采用屏蔽双绞线。,图8-1 采用EXB841模块驱动IGBT的接线图,二极管整流器IGBT逆变器构成的交直交变压变频电
3、路 电路的组成 由二极管整流器和IGBT逆变器构成。 其工作原理是先将380V/220V、50Hz的三相交流电，经三相二极管桥式整流器变换成直流电，使直流电再经过由IGBT构成的三相逆变器，通过正弦脉宽调制（SPWM）（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制，变换成电压和频率都可调的三相交流电，去供给三相异步（或同步）电动机。,图8-2 交直交变压变频电路的原理图,图8-3 电流型变频器和电压型变频器 a)电流型变频器 b) 电压型变频器,IGBTSPWM(电压源型)交流变压变频电路的 工作原理 1.逆变器的工作原理 逆变器是将直流电变换成交流电的装置。 图8
4、-4中直流电是50Hz的交流电经过二极管桥式整流后，变换成电压为Ud的直流电源，属电压型。 在由四个IGBT开关管组成的电路中，以V1与V4为一组，V2与V3为另一组，使之交替通、断，便能在负载上形成交流电。,图8-4 单相IGBTSPWM(电压型)交流变压变频电路原理图,2.正弦脉宽调制(SPWM)的波形分析,图8-5 SPWM波 a) 正弦波 b) SPWM波,图8-6 单极性SPWM波形分析,图8-7 双极性SPWM波形分析 a)信号波与载波的比较 b) 双极性SPWM波形,3.正弦脉宽调制的实现 改变信号电压的频率，即可改变逆变器输出基波的频率(频率可调范围一般为0400Hz)；改变信
5、号电压的幅值，便可改变输出基波的幅值。载波信号的频率比较高(可达15kHz以上)，在负载电感(如电动机绕组的电感)的滤波作用下，可以获得与正弦基波基本相同的正弦电流。 采用SPWM控制，逆变器相当一个可控的功率放大器，既能实现调压，又能实现调频。,交流调速的基本方案 转差率为转子与定子旋转磁场的转速差n对同步转速n1之比，即 由上式及n1=60f1/p有,8.2 交流调速的基本方案与变压变频 的基本控制方式,异步电动机的调速方案有： 改变极对数p， 改变转速率s(即改变电动机机械特性的硬度) 改变电源频率f1。,变压变频调速的基本控制方式 1、基频（额定频率）以下，（恒磁）恒压频比的控制方式
6、异步电动机转速 调节频率f1时，会改变电动机的磁通。异步电动机每相定子绕组的感应电动势为e1： e1的有效值为： (8-2),由定子绕组的电压方程(相量式)有 ： 在一般情况下，I1Z1U1，所以有E1U1，代入式(8-2)有 由上式有： 结论：当电压频率变化时，磁极下的磁通也将发生变化。,图8-8 异步电动机变压变频调速控制特性,（恒磁）恒压频比调速方案： 设法保持U1/f1为恒量，即保持 为恒量（并保持在额定值左右，以充分利用铁心） 。 （恒磁）恒压频比控制方式的特点： 调速时使U1/f1保持恒量，即供电电压U1随频率f1的变化而变化，见图8-8中ff1N段的 虚斜直线。这时磁通保持在额定
7、值，即 。,2、基频以上，恒压(弱磁升速)的控制方式 其特点： 升频时，定子电压保持恒定，即 ； 而磁通 随着频率升高（转速升高）而下降（ ）。此时控制特性如图8-8中 范围的曲线所示。,a) 基频以下(U1/f1=恒量) b)基频以上(U1=恒量) 图8-9 三相异步电动机变频调速时的机械特性,结论： 异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的；基频以下，采取（恒磁）恒压频比控制方式；基频以上，采取恒压（弱磁升速）控制方式。,对IGBTSPWMVVVF交流调速系统的分析过程大致为： 预设给定值(转向、转速)起动信号给定积分器U/f函数发生器SPWM控制电路驱动电路主电路(IGBT管三相逆变电路
8、)三相异步电动机。此外还有过电压、过电流、过热等保护环节和其他辅助环节等。,8. 3模拟式IGBT-SPWM-VVVF 交流调速系统,图8-10 模拟式IGBTSPWMVVVF交流调速系统原理框图,系统组成: 系统主电路为由三相二极管整流器IGBT逆变器组成的电压型变频电路。 供电对象为三相异步电动机。 IGBT采用专用驱动模块驱动。 SPWM生成电路的主体是由正弦发生器产生的正弦信号波，与三角波发生器产生的载波，通过比较器比较后，产生正弦脉宽调制波（SPWM波）。,系统的其他环节: 1、开通延时器： 它使待导通的IGBT管在换相时稍作延时后再驱动（待桥臂上另一1GBT完全关断)。这是为了防止
9、桥臂上的两个IGBT管在换相时，一只没有完全关断，而另一只却又导通，形成同时导通，造成短路。 2、 Vf 函数发生器 SPWM波的基波频率取决于正弦信号波的频率，SPWM的基波的幅值取决于正弦信号波的幅值。Uf函数发生器的设置，就是为了在基频以下，产生一个与频率f1成正比的电压，作为正弦信号波幅值的给定信号，以实现恒压频比(Uf恒量)的控制。在基频以上，则使U为一恒量，以实现恒压（弱磁升速）控制。函数发生器的输出特性即为图88中的Ul一f1曲线。,3、积分电路 它的主体是一个具有限幅的积分环节，以将正、负阶跃信号，转换成上升和下降，斜率均可调的，具有限幅的，正、负斜坡信号。正斜坡信号将使起动过
10、程变得平稳，实现软起动，同时也减小了起动时的过大的冲击电流。负斜坡信号将使停车过程变得平稳。 4、给定环节 图8-10中，Sl为正、反向运转选择开关。电位器RPl调节正向转速；RP2调节反向转速。S2为起动、停止开关，停车时，将输入端接地，防止干扰信号侵入。 5、其他环节 此系统还设有过电压、过电流等保护环节以及电源、显示、报警等辅助环节，图中未画出。此系统未设转速负反馈环节，是一个转速开环控制系统。,此系统的工作过程大致如下： 由给定信号(给出转向及转速大小) 起动(或停止)信号给定积分器(实现平稳起动、减小起动电流) U/f函数发生器(基频以下，恒磁恒压频比控制；基频以上，恒压弱磁升速控制
11、)SPWM控制电路(由体现给定频率和给定幅值的正弦信号波与三角波载波比较后产生SPWM波)驱动电路模块主电路(IGBT管三相逆变电路)三相异步电动机(实现了VVVF调速) 。,系统的特点： 1、采用单片微机控制进行控制，主要通过软件来实现变压变频控制、SPWM的控制和发出各种保护指令。 2、SPWM发生器可采用专用的集成电路芯片，也可由微机软件实现。 3、SPWM发生器的主电路由二极管整流器、IGBT逆变器和中间电压型直流电路组成。 4、SPWM发生器是一个转速开环控制系统。,8. 4 微机控制IGBT-SPWM-VVVF 交流调速系统简介,系统的环节 1、限流电阻R0和短接开关S： 直流电路
12、并联容量很大的电容器，在突加电源时，电源通过二极管整流桥对电容充电（突加电压时，电容相当于短路），会产生很大的冲击电流，使元件损坏。 在充电回路上，设置电阻R0（或电抗器）来限制电流。待电源合上，起动过渡过程结束以后，为避免R0继续消耗电能，可延时以自动开关S将R0短接。 2、电压检测与泵升限制 异步电动机减速制动，相当一个感应发电机，由于二极管不能反向导通，电动机将通过续流二极管向电容器充电，使电容上的电压随着充电而不断升高(称泵升电压)，这样的高电压将使元件损坏。 在主电路设置了电压检测电路，当电压过高时，通过泵升限制保护环节，使开关管Vb导通，电动机制动时释放的电能在电阻Rb上消耗掉。.
13、,3、进线电抗器 整流桥后面接有一个容量很大的电容，在整流时，只有当整流电压大于电容电压时，才会有电流，造成电流断续，这样电源供给整流电路的电流中会含有较多的谐波成分，对电源造成不良影响（使电压波形畸变，变压器和线路损耗增加），故在进线处增设进线电抗器Lin. 4、温度检测 检测IGBT管壳的温度，当通过电流过大，壳温过高时，微机将发出指令，通过驱动电路，使IGBT管迅速截止。,5、电流检测 此系统未设转速负反馈环节，故通过在交流侧（或直流侧）检测到的电流信号，来间接反映负载的大小，使控制器（微机）能根据负载的大小，对电动机因负载而引起的转速变化，给予一定的补偿。电流检测环节还用于电流过载保护
14、。,异步电动机的矢量控制的目的: 仿照直流电机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流(相当于励磁电流)和转矩分量电流(相当负载电流)分别加以控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。,8. 5 矢量控制的交流变频调速系统简介,图8-12 三相异步电动机和直流电动机物理模型的等效变换,矢量控制的基本思路 通过对电动机定子旋转磁场的成因进行定向的坐标变换，将三相异步电动机的物理模型分解成3/2(相)变换- 坐标旋转变换（VR）-等效直流电动机物理模型三个部分，然后通过在电机前面（控制器后面）设置VR-1及2/3（相）变换环节，再通过带电流控制的三相变频器，使交流变
15、频调速达到接近直流调速的性能。这些矢量变换都是通过计算机运算、控制来完成。,点画线框外的部分就和直流调速系统非常相似了。,图8-14 矢量控制交流变频调速系统结构框图,用于0.122.2kW鼠笼式电机的速度和转矩控制,ACS100变频器,8.6 通用变频器,“通用”一词有两方面的含义： 一是这种变频器可用以驱动通用型交流电动机，而不一定使用专用变频电动机； 二是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。 通用变频器的功能 通用变频器产品大致分为三类： 1普通功能型 控制通用变频器 2高功能型 控制通用变频器 3高动态性能矢量控制通用变频器,通用变频器的结构,硬件的组成:
16、1整流单元 2逆变单元 3滤波环节 4计算机控制单元 5主电路接线端子 6控制电路接线端子 7操作面板 8冷却风扇,通用变频器的使用 1、变频器的选择 根据控制功能把通用变频器分为3类：普通功能型 控制变频器；具有转矩控制功能的 控制变频器和矢量控制变频器。 根据负载的要求选择变频器： (1)风机、泵类负载 (2)恒转矩类负载 (3)对一些动态性能要求较高的生产机械,通用变频器的使用,2、变频器容量的计算：,变频器容量的计算参数定义,3、变频器的外部接线：,各种系列的变频器都有其标准接线端子，主要分为两部分： 一部分是主电路接线； 另一部分是控制电路接线。 FRN变频器的控制端子分为五部分： 频率输入 控制信号输入 控制信号输出 输出信号显示 无源触点端子,图8-16 FRN-G9S/P9S变
