小孫學變頻-變頻器主電路

1、小孫學變頻第一講 變頻器的主電路出場人物：張老師：退休高工，對變頻器的應用及推廣頗有研究。小孫：藍天公司電氣工程師課堂風格：深入淺出。小孫是藍天公司的電氣工程師，多年來從事電子設備的維修工作。近幾年來，各種設備里應用的變頻器越來越多，小孫被安排來專門從事變頻器的調試和維護。這一天，小孫從倉庫里領出了一臺變頻器，打算配用到鼓風機上。按照規(guī)定，先通電測試一下。誰知一通電，就發(fā)現(xiàn)冒煙，立刻切斷了電源。把蓋打開后，發(fā)現(xiàn)有一個電阻很燙。小孫想，在開蓋情況下再通電觀察一次。這一回，電阻倒是不冒煙了，但不一會兒，變頻器便因“欠壓”而跳閘了。用萬用表一量，那個電阻已經燒斷了。經人介紹，小孫找到了一位退休老高工

2、張老師。“你們那臺變頻器在倉庫里存放了多長時間？”聽完了小孫的情況介紹后，張老師問?！按蠹s一年多一點。”“我知道了。”張老師胸有成竹地說?！霸诜治鲭娮杳盁煹脑蛑?，先要弄清楚變頻器里整流濾波電路的特點?！薄袄蠋?，我不大明白，變頻器的中間為什么要加進一個直流電路呢？”“好吧，那我們就先從交直交變頻器的基本結構講起?！睆埨蠋熌昧艘粡埣?，不緊不慢地畫出了交直交變頻器的框圖，如圖1-1所示，然后說：“你瞧，電網的電壓和頻率是固定的。在我國，低壓電網的電壓和頻率統(tǒng)一為、，是不能變的。要想得到電壓和頻率都能調節(jié)的電源，必須自己變出來，才便于控制。所謂變出來，當然不可能象變魔術那樣憑空產生出來，而只能從另

3、一種能源變過來。這另一種能源，便是直流電。因此，交直交變頻器的工作可分為兩個基本過程：（1）交直變換過程就是先把不可調的電網的三相(或單相)交流電經整流橋整流成直流電。（2）直交變換過程推薦精選就是反過來又把直流電“逆變”成電壓和頻率都任意可調的三相交流電。你方才說的那臺變頻器的問題，我的判斷是出在交直變換里。我們就來討論這部分電路吧。圖1-1 交-直-交變頻器框圖1. 交直變換電路“所謂交直變換電路就是是整流和濾波。在低壓電路里，哪種濾波方式效果最好？”老張又問?！皯撌切螢V波?！毙O答?！翱墒?，變頻器里卻不能用形濾波?！?.1 變頻器不用形濾波“為什么呢？”小孫真還沒有想到過這樣的問題，不

4、覺來了精神。推薦精選（a）低壓整流濾波電路 （b）變頻器整流濾波電路圖1-2 整流和濾波電路 “其實，你只要比較一下這兩種整流濾波電路的區(qū)別就明白了。”張老師說著，隨手就畫出了兩個整流濾波電路，如圖1-2。然后說：“瞧，形濾波在電路里要串聯(lián)一個電感或電阻的。不管串聯(lián)什么，它總要產生一個電壓降，使后面的電壓比前面的電壓小一點。這在低壓電路里是沒有關系的，如果覺得太小了，你可以在設計變壓器時適當提高一點副方電壓就可以了。”“啊，我知道了?！毙O如夢初醒：“變頻器前面沒有變壓器，不可能提高電壓。可是，稍微有一點電壓降不行嗎？”“不行！”張老師斬釘截鐵地說?！耙驗樽冾l器要求后面逆變出來的三相交流電，在

5、時的電壓能夠和前面的電源電壓一般大。要是直流電壓減小了的話，逆變出來的三相交流電壓，在時就達不到了。那人家就會說，你這個變頻器不行，電壓不夠。所以，變頻器里只能用電容器濾波?！薄昂孟袷怯脙山M電容器串聯(lián)起來的，為什么呢？”小孫來了興趣，努力思索著要主動地問一些問題?！澳鞘巧a水平的問題。迄今為止，全世界生產的電解電容器的最高耐壓，只有500v，而全波整流后的峰值電壓是。按照國家規(guī)定，電源電壓的允許上限誤差是，即，全波整流后的峰值電壓是。此外，變頻器在運行過程中允許的最高直流電壓可達（700800）V，而在逆變的過渡過程中，瞬間的直流電壓甚至可能高達推薦精選呢。所以，只能用兩組電容器串聯(lián)來解決?！?/p>

6、張老師回答說。1.2 均壓電阻的學問 “還有，我曾打開變頻器看過。每個電容器旁邊，都并聯(lián)一個電阻，好像叫均壓電阻?？伤鼈兊碾娮柚岛艽?，約為幾十，而瓦數(shù)卻不大，好像只有左右，它們能起到均壓作用嗎？”小孫顯露出一副疑惑的神情?！澳蔷妥屛覀儊砜纯窗??！睆埨蠋熾S手又畫了一個圖，如圖1-3。接著說：“圖中，電容器的充電回路由和構成；的充電回路由和構成。和的電阻值是相等的：如果兩個電容器組的電容量有差異，假設：則兩個電容器組上的電壓分配必不相等：而兩個電容器的充電電流分別是：很明顯：圖1-3 濾波電容的均壓電路這樣，電容器上要多充一些電，就得到了提高。結果是和趨向于均衡：當然，要絕對均衡是不可能的。至于瓦

7、數(shù)么，你自己算一算看?！毙O立即拿起筆來，剛要下筆，卻又難住了，問：“電壓值按多大算呢？”“每個電容器上的平均電壓可以按算?！薄半娮杳?，好象是30，這就好算了?！敝灰娦O在紙上算了起來：推薦精選“喲，還綽綽有余呢。”小孫說，“我以前總喜歡估計一個大概數(shù)據(jù)，很少具體計算。看起來，以后還是要算一算的好。1.3 限流電阻的作用還有一個問題，那個冒煙的電阻是在整流橋和濾波電容之間的，這在低壓整流電路里是沒有的。它起什么作用呢？”圖1-4 整流電路的合閘“就整流和濾波的基本過程而言，低壓和高壓是相同的?！睆埨蠋熡之嬃藗€整流濾波電路，如圖1-4。接著說：“問題的關鍵，是合上電源前，電容器上是沒有電荷的，電

8、壓為0V，而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說，在合閘瞬間，整流橋兩端（P、N之間）相當于短路。因此，在合上電源時，就出現(xiàn)了兩個問題：第一個問題，是有很大的沖擊電流，如圖中的曲線，這有可能損壞整流管。第二個問題，是進線處的電壓將瞬間下降到0V，如圖中之曲線所示。這兩個特點，高、低壓整流電路完全一樣?！睆埨蠋熡之嬃似饋恚鐖D15。推薦精選（a）低壓整流電路（b）高壓整流電路（c）限流電路圖1-5 高、低壓整流電路的區(qū)別接著說：“瞧，低壓整流電路是要通過變壓器來降壓的。變壓器的繞組是一個大電感，它猶如一個屏障，能對合閘時的沖擊電流起到限制作用，如圖（a）中的曲線。而變頻器的整流電路中，就沒有這

9、樣的屏障，沖擊電流就要嚴重得多，如圖（b）中之曲線所示。至于進線側的電壓波形，其實，在低壓整流電路中，變壓器的副方電壓，也同樣要瞬間降到0V的，如圖（a）中之曲線。但反映到變壓器的原方，這樣的瞬間降壓，就被緩沖了，如圖（a）中之曲線，對同一網絡中的其他設備不構成干擾。變頻器整流電路中沒有這樣的緩沖，它進線電壓就是電網電壓。所以，在合閘瞬間，電網電壓要降到0V，這將影響同一網絡中其他設備的正常工作，通常稱之為干擾。所以，在整流橋和濾波電容之間，就需要接入一個限流電阻。至于它的原理，你該是明白的吧？”“我來試試看吧，”小孫鼓足了勇氣，說：“接入了限流電阻后，非但減小了通電時的沖擊電流。并且，瞬間的

10、電壓降，也都降到限流電阻上了，電源側的電壓波形也解決了，真是一舉兩得啊。等到電容器上的電壓上升到一定程度時，再把限流電阻短路掉，對吧？可是”張老師正想夸贊小孫幾句，沒想到他又來了個“可是”，于是他耐心地等著小孫的下文?！拔以洸榭催^幾臺變頻器，發(fā)現(xiàn)短路器件（晶閘管或接觸器）的大小是隨變頻器的容量而變的，但限流電阻的阻值和容量卻差別不大，這是怎么回事呢？推薦精選”“說得好，也問得好?！睆埨蠋煾吲d地夸贊了小孫幾句。 “我們通過具體例子來說明。”張老師一邊說，一邊畫出了圖1-6。圖1-6 限流電路里的電流然后說：“我們分開來說吧。一、先看限流電阻。嚴格地說，容量大的變頻器里，整流管的允許電流也較大。

11、濾波電容的容量也要大一些，限流電阻的阻值應該小一些，而容量（瓦數(shù)）應該大一些。但是，讓我們舉一個例子來看一下。假設所選用限流電阻的阻值50，那么，即使電源電壓等于振幅值，最大的沖擊電流是多大呢？”“只有10A多一點?！毙O說?！斑€有，假設濾波電容的電容量是5000uF，充電時間有多長呢？”小孫很快算了起來：“只有0.25s。”小孫抬起頭來，說?！澳鞘浅潆姇r間常數(shù)，充電時間應該是它的3倍到5倍?！睆埨蠋煾f?！熬褪钦f，充電時間大約是0.75s到1.25s之間，籠統(tǒng)一點說，是1s左右吧。這樣的充電電流，和這樣的充電時間，對于大多數(shù)規(guī)格的變頻器來說，都是可以接受的吧？所以，生產廠家為了減少另部件的

12、種類，采取了多種規(guī)格的變頻器選用同一規(guī)格限流電阻的做法。至于電阻的容量（瓦數(shù)），因為中通電流的時間很短，只有1s，真正達到10A的時間更短。所以，一般說來，容量只要不小于20W就可以了。再看旁路接觸器KM。還是用具體例子來說明吧。假設電動機容量是7.5kW，15.4A。配用變頻器的容量是13kVA，18A。一般說來，直流回路的容量和變頻器的輸入容量應該是相等的，當電源電壓是380V時，直流電壓的平均值是513V，那么，直流電流應該有多大呢？推薦精選”張老師看著小孫，問。小孫會意，馬上在紙上算了起來：“那就只有選標稱值為30A的接觸器了。”小孫不假思索說?！耙獎觿幽X筋么。你想，這里用接觸器的幾個

13、觸點呀？”“啊，”小孫拍著自己的腦袋說，“接觸器的三個觸點是可以并聯(lián)起來用的，那就只要10A的接觸器就可以了?！睆埨蠋熚⑿χc了點頭，又補充說：“不過，要是用晶閘管的話，還是要用30A的?！睆埨蠋熉灶D了頓，接著又問：“那么，要是電動機容量是75kW，139.7A。配用變頻器的容量是114kVA，150A。該配用多大的接觸器呢？”這回小孫心里有底了，他很快地算了起來：“應該選額定電流為80A的接觸器?！毙O肯定地說?！八裕銊偛盘岬膯栴}不就解決了嘛?！睆埨蠋熜ξ卣f。“可是，限流電阻為什么會冒煙，并且燒斷呢？”小孫問?！熬臀宜佑|到的情況而言，燒斷限流電阻的原因可能有三種?！睆埨蠋熣f。（a）

14、（b）（c）圖1-7 限流電阻的充電電流“第一種可能，是限流電阻的容量選小了。因為在限流電阻中通入的電流是按指數(shù)規(guī)律衰減的，且持續(xù)時間很短，如圖1-7所示。所以，其容量可以選得小一些。為了降低元器件成本，有的變頻器生產廠家在決定限流電阻的容量時，常常取較小值。但實際上，流經限流電阻的電流推薦精選是和限流電阻的阻值以及濾波電容器的電容量有關的。比較圖（a）和圖（b）知：大，則電流的初始值較小，但電流的持續(xù)時間長。比較圖（b）和圖（c）知：大，電流的持續(xù)時間將延長。所以，嚴格地說，的容量大小也應該根據(jù)具體情況適當調整。但如前所說，用戶對濾波電容器的充電過程并無嚴格的要求。所以，對的阻值和容量也并無

15、明確的規(guī)定。一般說來，如選，是不會有問題的。第二種可能，是濾波電容器變質了。凡是有電解質的器件，都有一個特點：你一直用它，它不容易壞。你總也不用它，它倒要壞了。你那臺變頻器在倉庫里存放了一年多才拿出來，你應該先打開蓋觀察一下濾波電容器，看它是否“鼓包”？甚至是否有電解液漏出？電解電容器變質的特征，首先是漏電流增大。一臺長時間不用的變頻器，突然加上高電壓，電解電容器的漏電流可能是相當大的。你第一次合上電源時，變頻器內冒煙，很可能就是電解電容器嚴重漏電，甚至已經短路。而直流電壓難以充電到450V以上，短路器件不動作，限流電阻長時間接在電路里，它當然要冒煙、燒斷了?！薄澳?，變頻器在倉庫里時間放長了，

16、就報廢了？”小孫感到疑惑?！爱斎徊皇?。長時間不用的電解電容器，通電時，應該先加約50%的額定電壓，加壓時間應在半小時以上，如圖1-8所示。它的漏電流就會降下去，也就可以正常使用了。圖1-8 長期存放電容器的復原所以，你回去以后，先用萬用表測量一下電容器是否短路。如并未短路，外觀上也沒有異常，則如圖那樣，通電半小時以后，電容器將可以恢復?！薄疤昧?！”小孫高興地說。接著又問：“您說，電阻冒煙還有另一種可能性？”小孫接著問。推薦精選“第三種可能，就是旁路接觸器KM或晶閘管沒有動作。結果，使限流電阻長時間接在電路里?！薄澳牵趺磥砼袛嗯月方佑|器或晶閘管是否動作了呢？”小孫問?！芭月菲骷撛跒V波電容

17、器已經充電到一定程度（例如，電壓已經超過450V）時動作。因此，你可以在確認濾波電容器完好的情況下，通電時，觀察當直流電壓上升到足夠大時，旁路器件是否動作？具體方法之一，是在限流電阻兩端并聯(lián)一個電壓表，同時在濾波電容兩端也接一個電壓表，再將兩個串聯(lián)的燈泡也接到濾波電容的兩端，作為負載，如圖19。（a）原理圖（b）外部接線圖圖1-9 旁路器件的動作檢查通電后，如果顯示已經足夠大，但的讀數(shù)并不為0V，就說明旁路器件并未動作。”“為什么要接兩個燈泡呢？”小孫問?！澳鞘菫橹绷麟娐方右稽c負載。要是沒有負載的話，限流電阻內將沒有電流，即使短路器件未動作，限流電阻上也量不出電壓呀。”“還有一個問題，”小孫拿

18、了一張紙，畫了起來，然后問：“我發(fā)現(xiàn)在濾波電容器兩端，還并聯(lián)了一個0.33uF的小電容，如圖110中和所示，是為什么？”圖1-10 抗干擾電容推薦精選因為電解電容具有一定的電感性質，它不能吸收時間很短的干擾電壓，容易導致“過電壓跳閘”的誤動作。電容器就是用來吸收干擾電壓的。1.4 主控板上的電源指示燈“還有，我發(fā)現(xiàn)在主控板上有一個電源指示燈，為什么把它放在機箱里面，而不放在控制面板上呢？”小孫問。“那么，你每次開機時，怎么知道變頻器是否通電？”張老師反問?！拔沂强醋冾l器的顯示屏上是否有顯示?！薄笆前?，顯示屏已經顯示了通電與否，要是再把里面這個指示燈也放到面板上，豈非疊床架屋了？”張老師說著，隨

19、手又畫了個圖1-11。圖1-11 直流指示“其實，里面的這個指示燈，主要不是顯示變頻器是否通電，而是顯示變頻器斷電后，濾波電容器上的電荷有沒有放完，它是為你的人身安全而設置的。就是說，當變頻器發(fā)生了故障，你打開機箱，想要看看里面的零、部件是否發(fā)生問題時，雖然變頻器已經斷了電，但如果濾波電容器上的電荷沒有放完的話，將是很危險的。所以，千萬注意，一定要在指示燈完全熄滅后，才能用手去觸摸里面的元器件。小孫覺得，張老師的講解深入淺出，使自己對問題的理解變得清晰起來。于是，他大著膽子說：“老師，我能不能交點學費，拜您為師，系統(tǒng)地學一學變頻器的知識？”“你不已經叫我老師了么？學費是斷不能收的。其實，我也是

20、有收獲的。我年紀大了，已經不再有到現(xiàn)場處理問題的機會了。你給我?guī)砹爽F(xiàn)場的工況，我也是有提高的。你想系統(tǒng)地學，當然很好，但要堅持學下去，可也不容易呢。我反正是退休老頭一個，整天賦閑在家，你什么時候想來，只要事先通個電話，我在家恭候就是了?！睆埨蠋煹脑?，使小孫感到暖暖地。只見張老師呷了一口茶，說道：推薦精選“既然你想系統(tǒng)地學，那接下來就該討論逆變電路了，你回去先預習一下吧。”1.5 小孫的筆記變頻器因為輸入側直接接電網，所以，它的整流濾波電路就有了許多不同于低壓電路的特點：（1）它的濾波電路不允許有電壓降，所以不能用形濾波。（2）濾波電路由兩組電容器串聯(lián)而成，為了使兩組電容器的電壓分配均衡，必須

21、在電容器旁并聯(lián)均壓電阻。（3）在整流橋和濾波電容器之間，設置了限流電路，以限制剛合上電源時的沖擊電流。（4）變頻器內部控制板上的指示燈，主要是在停電時，顯示濾波電容器上的電荷是否釋放完畢而設置的，目的是保護人身安全。推薦精選小孫學變頻第一講 變頻器的主電路（二）出場人物：張老師：退休高工，對變頻器的應用及推廣頗有研究。小孫：藍天公司電氣工程師課堂風格：深入淺出。2. 逆變電路過了一個星期，小孫又到張老師家去了。“逆變電路預習過了？有問題嗎？”張老師和藹地問?！按篌w的輪廓，好象知道了。但要深究起來，卻還是感到模模糊糊地。首先，對逆變用的IGBT管就不大熟悉?！毙O說。2.1 IGBT管的特點“那

22、我們就先從IGBT管說起吧。”這一次，張老師已經事先畫好了許多的圖，隨手拿出了一張，如圖112。（a）晶體管 （b）場效應管 （c）IGBT圖1-12 IGBT管的構成“IGBT管也叫絕緣柵晶體管，它是晶體管和絕緣柵場效應管的組合。圖（a）是三極晶體管，它的三個極分別是：集電極C、發(fā)射極E和基極B。它的特點是集電極電流的大小取決于基極電流，故稱為電流控制器件。圖（b）是絕緣柵場效應管，它的三個極分別是：漏極D、源極S和柵極G。柵極和源極之間是絕緣的。它的工作特點是漏極電流的大小取決于柵極和源極之間的電壓推薦精選，故稱為電壓控制器件。再看圖（c）所示的IGBT管，它的主體部分和晶體管相同，也是集

23、電極C和發(fā)射極E；控制部分卻是絕緣柵結構，通常稱為控制極G。集電極電流的大小取決于控制極與發(fā)射極之間的電壓。所以，也是電壓控制器件。”“和大功率晶體管GTR相比，IGBT管主要有哪些優(yōu)點呢？”小孫問?！笆紫?，IGBT管允許的開關頻率比GTR高一個數(shù)量級。GTR的最高開關頻率只有2kHz，而IGBT可達20kHz。其次，很明顯的是，它的控制極的功耗要比GTR的基極功耗小得多。這是主要的，其他也還有一些優(yōu)點，就不詳細說了。”“這IGBT管是作為開關用的吧？”小孫問。（a）飽和導通狀態(tài)（b）截止狀態(tài)圖1-13 IGBT管的工作狀態(tài)“是的。”張老師又找出了一張圖，如圖1-13。接著說：“IGBT管和其

24、他三極管一樣，也有三種狀態(tài)：截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)。而我們只用它的截止狀態(tài)和飽和導通狀態(tài)：圖（a）所示，是飽和導通狀態(tài)，猶如開關處于閉合狀態(tài)；圖（b）所示，是截止狀態(tài)，猶如開關處于斷開狀態(tài)?！薄拔矣萌f用表量了一下，怎么覺得它有點像晶閘管呢？”小孫說完，從皮包里拿出了IGBT管模塊、萬用表、電池等器件，看樣子，他是有備而來的?！芭叮磕闶窃趺戳康?？”張老師頗感興趣地問。（a）GE接電池 （b）拿掉電池 （c）接入電阻推薦精選圖1-14 IGBT管的粗測“您瞧，”小孫一邊畫了個圖1-14，一邊演示起來?！爱旊姵氐亩私覩極，端接E極，如圖（a）所示時，IGBT管是導通的?？墒?，我把電池拿掉后

25、，IGBT管仍然是通的，如圖（b）所示。這不和晶閘管差不多么？”“你給我拿一個電阻來，阻值不限?！睆埨蠋熒斐鍪终f。小孫從包里找出一個10的電阻遞給了老張，只見老張把那個電阻往G、E間一接，萬用表的顯示立刻就指向“”了。然后說：“因為IGBT管的G、E間是絕緣的，所以，你方才把電池拿掉時，G極上的電荷不能釋放，所以，IGBT管保持著導通的狀態(tài)。在G、E間接入了一個電阻后，G極上的電荷很快釋放掉了，你所謂的晶閘管現(xiàn)象也就不存在了?！薄霸瓉硎沁@樣?！毙O高興地說，接著又問：“它是怎樣把直流電逆變成交流電的呢？”2.2 直流電怎樣變成交流電？先從簡單一點的單相逆變橋說起吧，”張老師又找出了一張圖，如圖

26、1-15，然后說：“用4個IGBT管組成一個橋形電路，是負載，如圖（a）所示。首先讓、導通，、截止。這時候的電流如紅色箭頭所示：從電源正極P（）出發(fā)，經后流經負載，又經流向電源負極N（）。注意：當它流經負載時，是從a端流向b端的。我們把這種情況下的電壓作為的正方向，即為，幅值等于直流電壓，其電壓波形如圖（b）中時間段所示。（a）v1、v2導通（b）v3、v4導通推薦精選圖1-15 單相逆變橋然后，又讓、導通，、截止。這時候的電流如藍色箭頭所示：從P（）出發(fā)，經后流經負載，又經流向N（）。當它流經負載時，是從b端流向a端的。所以，為，幅值也等于直流電壓，電壓波形如圖（b）中時間段所示。讓、為一組

27、，、為另一組，并讓它們不斷地交替導通和截止，則負載中流過的，便是交變電流了?！保╝）電路結構（b）各管的導通規(guī)律圖1-16 三相逆變橋“啊，我明白了?！毙O從老張的圖紙里找出了一張如圖1-16。說：“這6個IGBT管就組成了三相逆變橋，如圖（a）所示，只要各相之間互差三分之一周期（t3）就可以了，如圖（b）?？墒?，怎么實施呢？”“找出規(guī)律呀?！睆埨蠋熤钢鴪D上說：“在第1個t6內，令、導通、第2個t6內，令、導通、，以此類推就可以了?！薄霸趯嶋H的逆變模塊中，為什么每個IGBT管旁邊，都要反并聯(lián)一個二極管呢？”小孫問。為什么要反并聯(lián)二極管？“要說清楚這個問題，需要先復習一下電工基礎的知識。”張老師

28、說著，又從預備好的圖紙中找出了一張電阻、電感電路圖，如圖1-17。推薦精選（a）R、L電路 （b）電壓電流曲線圖1-17 電阻、電感電路“圖（a）是一個R、L電路，圖（b）是電路內電壓與電流的瞬時值曲線。我們知道，在R、L電路內，電流是比電壓滯后角的。時間段內，電壓為，而電流為（圖（b）中的A區(qū)），說明電流和電壓是反方向的，如圖（a）中的藍色箭頭所示。這時候的電流，是自感電動勢克服電源電壓的結果，是磁場在作功。而在時間段內，電壓和電流都為（圖（b）中的B區(qū)），說明電流和電壓是同方向的，如圖（a）中的紅色箭頭所示。這時候的電流，是電源電壓克服自感電動勢的結果，是電源在作功。就是說，R、L電路在工

29、作過程中，存在著電源和磁場之間不斷地交換能量的過程。當然，因為不是純電感電路，所以，總的來說，B區(qū)比A區(qū)大一些，電源所做的功要多一些?！薄澳钦f，電動機在工作時，也要和電源交換能量？”小孫似有所悟。“因為電動機的定子繞組也是一個R、L電路呀。讓我們看仔細一點，”張老師又拿出了一張圖，如圖1-18。圖1-18 變頻器的輸出電路“和直流電源交換能量？”盡管小孫已經肯定了這個謎底，但一想起直流電源的電壓是不變的，總覺得有點難以理解。“說得更明確一點，是和直流電路里的濾波電容之間進行充、放電啊?！蓖扑]精選張老師笑嘻嘻地說。“您是說，電動機的定子繞組也要對濾波電容充、放電？”小孫已經有點明白了，但因為總

30、也沒有這樣思考過，總覺得不大有把握似地?！盀槭裁床荒?？不過在這里，要事先說明一下，變頻器的輸出電壓里，是有一些諧波分量的，我們這里，只看它的基波分量。當電流與電壓反方向（如圖中的A區(qū)所示）時，實際上是電動機的反電動勢在向濾波電容充電。但是，IGBT管是只能單方向導電的，所以，必須要為充電電流提供一條路徑，這就是反向二極管的作用。充電電流的路徑如圖中的藍色箭頭所示。當電流和電壓同方向（如圖中的B區(qū)所示）時，則是濾波電容通過IGBT管向電動機繞組放電的過程，放電電流的路徑如圖中的紅色箭頭所示?！薄霸瓉硎沁@樣。”小孫趕緊在筆記本上記錄了起來。等小孫記錄完畢，張老師說：“對于變頻器主電路結構的討論，恐

31、怕可以告一段落了。接下來要討論的是主電路里的運行數(shù)據(jù)了，如輸出電壓和電流、輸入電流等等，你先回去預習吧?！?.3 小孫的筆記1直流電逆變成交流電的基本方法，是使幾個開關器件不斷地按照一定的規(guī)律交替導通的結果。2目前在低壓變頻器中，普遍采用的是IGBT管，它的主體部分和晶體管相同，也有集電極和發(fā)射極。而它的控制極卻和絕緣柵場效應管類似，稱為控制極。3電動機定子的等效電路是電阻電感電路，它和直流電路之間，存在著能量交換的過程。具體地說，要對濾波電容器進行充放電。為此，在每個IGBT管旁邊，都必須反并聯(lián)二極管，為電動機繞組向濾波電容器充電提供通路。推薦精選小孫學變頻第一講 變頻器的主電路（三）出場人

32、物：張老師：退休高工，對變頻器的應用及推廣頗有研究。小孫：藍天公司電氣工程師課堂風格：深入淺出。3 變頻器的逆變器件-IGBT管小孫對于低壓電子技術是比較熟悉的，但對于變頻器用的IGBT管，總覺得還了解得不大深入，這天晚上，他專門準備了一些關于IGBT管的問題，來向張老師請教。3.1 IGBT管的主要參數(shù)“首先，IGBT管C、E間的額定電壓和漏電流，為什么有和，以及和的區(qū)別？”因為事先已經通了電話，張老師已經準備好不少圖紙了。只見他拿出了圖1-19，說：“在變頻器里，IGBT管是用來作為開關器件的。具體地說，是利用它的飽和導通和截止這兩種狀態(tài)。為了使這兩種狀態(tài)能夠比較地可靠，在飽和導通時，應該

33、盡量加大G、E間的驅動電壓，而在截止時，通常在G、E間加入反向電壓。當然，如果并非用在開關狀態(tài)的話，G、E間的反向電壓是沒有必要的。于是，IGBT就有兩種截止狀態(tài)：G、E間不加反向電壓和加入反向電壓。圖1-19（a）所示是0v時的情況，額定電壓和漏電流分別是和；圖1-19（b）所示是5v時的情況，額定電壓和漏電流分別是和?！保╝）Uge=0V（b）Uge=-5V推薦精選圖1-19 IGBT的額定電壓和漏電流“我查了一下資料，發(fā)現(xiàn)IGBT管在飽和導通時的管壓降達3.3V，有的甚至還要大呢。這和低壓開關管的飽和壓降0.3V比較起來，大了10倍還多呢。”小孫說?！疤罅?，是不是？”張老師反問了一句，

34、他拿出了兩本手冊，說：“讓我們用數(shù)據(jù)來說話吧?！苯又衷诩埳袭嬃似饋?，如圖1-20所示。然后說：“3DK4是低壓開關管中比較大的一種，它的額定集電極電流是800mA，也就是0.8A，飽和壓降如你所說，是0.3V；2MB1200N是一種不算很大的IGBT管，其額定集電極電流是200A，飽和壓降是3.3V。你來算一算這兩種管子在飽和導通時的等效電阻吧?！保╝）開關晶體管（b）IGBT管圖1-20 晶體管和IGBT的飽和壓降小孫于是在紙上演算了起來：3DK4開關管：集電極電流：0.8A；飽和壓降：0.3V。飽和導通時的等效電阻：2MB1200N型IGBT管：集電極電流：200A；飽和壓降：3.3V

35、。飽和導通時的等效電阻：“沒想到，IGBT管在飽和導通時的等效電阻要小得多呢?！毙O抬起頭來，說。接著又問：“IGBT管還有哪些重要參數(shù)？”“作為一個開關器件，很重要的一件事情，就是它的開關速度了。具體地說，就是開通時間和關斷時間。1秒=1000毫秒 1毫秒=1000微秒 推薦精選拿方才舉例的2MB1200N型IGBT管來說，它的數(shù)據(jù)是：1.2us，1.5us。需要注意的是，環(huán)境溫度升高，或者集電極電流增大，都會使開通時間和關斷時間有所延長?！薄癐GBT管的功耗怎樣？”小孫又問?！癐GBT管的功耗主要有三個部分：第一個部分叫作通態(tài)功耗，粗略地說，它就等于集電極電流與飽和壓降的乘積：式中，通態(tài)損

36、耗，W；集電極電流，A；飽和壓降，V。第二個部分，IGBT管每開關一次，都會消耗一定的功率，稱為開關損耗，具體地，則有開通損耗和關斷損耗，它們和集電極電流以及溫度之間的關系如圖1-21所示。由圖可知：（1）集電極電流越大，開關損耗越大；（2）溫度越高，開關損耗也越大。（a）開通損耗（b）關斷損耗圖1-21 IGBT的開關損耗第三個部分，是和IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管的功耗。的大小與通過續(xù)流二極管的平均電流成正比。”3.2 IGBT管的驅動電路“IGBT管的驅動電路有什么要求和特點？”小孫又問?！昂冒桑日f說對驅動電路的主要要求。首先，是對驅動電壓的要求：（1）正向電壓的大小，直接影響著IGBT

37、的飽和壓降，越大，就越小。但在負載側發(fā)生短路時，IGBT承受短路電流的能力將越差。所以，并不是越大越好。通常，選推薦精選15V±10%。（2）反向電壓反向電壓的作用，一是縮短關斷時間；二是萬一在G、E間出現(xiàn)干擾信號，也能保證IGBT處于截止狀態(tài)。但太大了也會產生副作用，如不利于下一次IGBT管的迅速導通等。通常，選105v。其次，是對控制極電阻的要求。在驅動模塊和IGBT的控制極之間，是需要接入控制極電阻的，如圖1-22（a）所示。而的大小，將直接影響著IGBT的開通時間和關斷時間，如圖1-22（b）所示。（a）控制極電阻（b）rge的影響圖1-22 控制極電阻的影響通常，選1005

38、00。”“現(xiàn)在，驅動模塊的品種繁多，有沒有一個共同的框圖？”小孫接著問。有一種exb系列的驅動模塊，其框圖如圖1-23（a）所示。（a）exb模塊框圖 （b）控制電壓圖1-23 IGBT的驅動電路工作電源施加于號腳和號腳之間：號腳為20v，號腳為0v。在號腳和號腳之間，又有一個由和構成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓值為5v，接到號腳，并與IGBT的E極相接?？刂菩盘枏哪_輸入。推薦精選當間有輸入信號時，經放大后的A點處于高電位，使導通，截止，號腳的工作電壓經到號腳，并輸出到IGBT的G極，使G極電位為20v。因為E極已經和號腳的5v相接，所以，15v。當間的輸入信號為0時，a點變成低電位，使截止，導通，號腳經

39、與工作電源的0v相接，對于IGBT來說，G極為0v，E極為5v，5v。如圖1-23（b）所示?！薄拔以屑毧戳艘幌拢l(fā)現(xiàn)六個驅動電路好象不大一樣？”小孫不大有把握地問?！澳闱?，”張老師邊拿出了圖1-24，邊說：“下面的三個驅動電路，都和直流的負極相接。所以，它們就可以共用一個驅動電源?？缮厦娴娜齻€驅動電路呢，它們分別和U相、V相和W相相接，要是共電源的話，豈不把輸出的三相短路了？所以上面的三個驅動電路只能單獨供電，且相互之間必須可靠絕緣。”圖1-24 驅動電路的電源“驅動電路的好壞，能不能用萬用表粗測？”小孫問?！爱斎豢梢?，如圖125所示。但是，在不掌握確切數(shù)據(jù)的情況下，只能采取對六個模塊的輸

40、入側和輸出側進行比較的辦法來進行判斷?！蓖扑]精選圖1-25 驅動電路的粗測“難道就沒有辦法對一塊單獨的驅動電路進行測試么？”小孫窮追不舍地問?！稗k法總是有的，”張老師找出了圖1-26，接著說：“仍以exb為例，用一個20V的穩(wěn)壓電源，接到號腳和號腳之間。在驅動電路的輸入側通入測試電流，測試電流的大小應該在410mA之間，測試電流由轉換開關SA控制。在號腳和號腳之間，接入電壓表，以測量其輸入到IGBT的G、E之間的電壓。你能不能試著分析一下？”圖1-26 驅動電路的測試“試試看吧，”小孫點點頭，把圖拿到了自己身邊，然后說：“當把SA閉合時，測試電流流入輸入端，A點應該是電位，導通，截止，電壓表上

41、應該是15V；當斷開SA時，流入輸入端的測試電流為0A，A點應該是電位，截止，導通，電壓表上應該是-5v。對不對？”張老師滿意地點了點頭。3.3 IGBT管的保護“圖中的過電流保護，是什么保護？”小孫指著圖，問。“驅動電路里的過電流保護，實際上主要是短路保護。一般的過電流保護，是根據(jù)實測電流和基準電流進行比較的結果來實現(xiàn)保護的。推薦精選圖1-27 驅動電路中的短路保護短路保護的基本思路，是通過IGBT管的飽和壓降的大小，來判斷其集電極電流是否太大。如圖1-27所示，二極管用于阻隔當IGBT截止時，集電極上的高電壓。正常情況下，當IGBT導通時，S點的采樣電壓等于：R點是參考點，R點的電壓稱為參

42、考電壓，或基準電壓，略大于IGBT在額定電流下正常運行時的采樣電壓。所以，在正常情況下，有：當發(fā)生短路時，IGBT的飽和壓降uces迅速上升，采樣電壓us也隨之上升，使：經運算放大器比較和放大，又經保護鎖定電路后，將A點電位鎖定在低電位，迫使IGBT管迅速截止?！毙O看了看筆記本上記錄的問題，接著問：“還有，IGBT管旁邊，好象還有一個緩沖電路，是不是也是保護IGBT管的？”“是的，緩沖電路也叫吸收電路，主要是吸收IGBT管從飽和導通到截止過程中的電壓變化率的。如圖1-28，IGBT管從飽和導通（圖（a）到截止（圖（b）的過程中，C-E間的電壓在3us左右的時間內，從3v迅速地上升到530v，

43、電壓變化率是很高的，如圖（c）所示。這樣大的電壓變化率，很容易通過集電極和控制極之間的結電容串入控制極，導致IGBT管的誤動作，甚至損壞IGBT管。（a）飽和導通狀態(tài)（b）截止狀態(tài)（c）電壓變化率推薦精選圖1-28 IGBT管在截止過程中的電壓變化率那么，怎樣來吸收這么大的電壓變化率呢？我們首先想到的當然是電容了，如圖1-29（a）所示。由于電容器兩端的電壓不能躍變，就減緩了C、E間的電壓上升率。電容器最終充入了530V的高電壓。但是，當IGBT管從截止變?yōu)轱柡蛯〞r，電容器上的高電壓將通過IGBT管放電。可以想象，這瞬間的放電電流是非常大的，這很大的放電電流疊加到IGBT管的負載電流上，IG

44、BT管怎么能承受得了？為了把放電電流限制在允許范圍內，在放電回路內串聯(lián)了限流電阻，如圖1-29（b）所示。（a）接入吸收電容（b）串聯(lián)限流電阻（c）并聯(lián)二極管圖1-29 IGBT管的緩沖電路然而，這限流電阻在限制放電電流的同時，也使電容器失去了吸收電壓變化率的作用。為了使電容器仍能發(fā)揮吸收電壓變化率的作用，在旁邊，又并聯(lián)了一個箝位二極管，如圖129（c）所示。在IGBT管截止過程中，使C、E間的電壓基本上與上的電壓相等；而在IGBT管轉為飽和導通的過程中，又不影響的限流作用。圖1-29（c）所示，是比較完整的緩沖電路。在一些容量較小的變頻器中，常常有所簡化?！?.4 IGBT管的并聯(lián)“還有，”

45、小孫瞧著他的筆記本，繼續(xù)問道：“我發(fā)現(xiàn)在大容量變頻器中，常常有幾個IGBT管并聯(lián)的情形，IGBT管容易并聯(lián)么？”“當然不容易。（1）IGBT管并聯(lián)的基本要求a、在飽和導通時，兩管的集電極電流和飽和壓降都應該相等。b、兩管的開關過程應該均衡。（2）具體措施a、應選擇封裝結構相同的IGBT管，最好是同一批次的管子。推薦精選b、應該共用一個驅動電路，其接線如圖1-30所示。圖1-30 IGBT管的并聯(lián)c、安裝和接線的布局力求對稱。d、并聯(lián)后的額定電流應適當降低，一般應降低1520%。例如，兩個100a的IGBT管并聯(lián)后的額定電流大約為160170a左右?！蓖扑]精選小孫學變頻第一講 變頻器的主電路（四

46、）出場人物：張老師：退休高工，對變頻器的應用及推廣頗有研究。小孫：藍天公司電氣工程師課堂風格：深入淺出。4 變頻器的輸出電壓小孫又到張老師家里，就迫不及待地拿出一張單子，打算開始提問了?！奥?，”張老師見狀，做了個等一等的手勢。然后說：“我先問你，變頻器在變頻的同時，為什么還要變壓？”“要保持電動機里的磁通不變?！毙O因為已經預習過了，所以回答得很痛快?！叭绻妷翰浑S頻率改變的話，磁通為什么就要變化了呢？”張老師又問。4.1 變頻還須變壓“這個么，”小孫有點抓耳撓腮了。他這幾天翻了一些書，好象是要用公式推導的，三言兩語說不大清楚。于是說：“好象知道一點，但不是很清楚，還是請老師講一講吧?！薄拔覀?/p>

47、先看一看異步電動機的能量關系吧?！睆埨蠋熡帜贸隽艘粡垐D，如圖1-31。圖1-31 異步電動機的能量關系推薦精選接著說：“電動機輸入的是三相電功率，計算公式是：（1-1）式中， 電動機的輸入功率，kW；電源線電壓，V；電動機定子側的線電流，A；電動機定子側的功率因數(shù)。式（1-1）表明，電動機輸入電功率的大小和頻率并無直接關系。另一方面，電動機輸出的是機械功率，計算公式是：（1-2）式中， 電動機軸上的輸出功率，kW；電動機的電磁轉矩，N·m；電動機的轉速，r/min。式中的“9550”是單位換算的系數(shù)。就是說，當轉矩的單位用N·m，轉速的單位用r/min時，則除以9550后，

48、算出的功率單位就是kW了。很明顯，輸出功率的大小是和頻率有關系的，因為頻率下降了，轉速也跟著下降，如果負載轉矩不變的話，輸出功率也必下降。電動機從輸入電能，到輸出機械能，中間是怎樣轉換的呢？原來，轉子繞組因為切割了旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，所產生的電流又和磁場相互作用而產生電磁轉矩，使轉子旋轉。顯然，中間起能量的傳遞和轉換作用的是磁場能，其功率稱為電磁功率，用表示。而電磁功率的具體體現(xiàn)就是磁通的大小?，F(xiàn)在來看看頻率減小后的情形：當頻率下降時，電動機的轉速必跟著下降。如上述，電動機的輸入功率并無直接影響，但輸出功率卻減小了。其結果，必然是電磁功率的增加。就好象一個人吃得挺多，卻不大活動，消

49、耗得少，于是肚子就大了起來，人們常戲稱之為“中部崛起”。但人的“中部崛起”，主要是體型難看一點，還不至于馬上就死。電動機的“中部崛起”是內在的，“體型”并無變化，它不會發(fā)胖，然而，它卻要冒煙了，活不成了。”“磁通多了也會發(fā)熱嗎？我只知道電流大了要發(fā)熱?！毙O問?！澳阏f得對，發(fā)熱的主要因素是電流。雖然磁通多了，渦流損失和磁滯損失也會增加，但到不了冒煙的程度。問題在于，磁通的大小將影響到勵磁電流。推薦精選”張老師一邊說，一邊拿出了圖1-32。（a）磁化曲線（b）磁路未飽和時（c）磁路飽和時圖1-32 磁化曲線與勵磁電流“電動機磁路里的磁通和勵磁電流之間的關系，服從磁化曲線的規(guī)律，如圖（a）所示。其

50、特點是：在起始階段，磁通大小和勵磁電流是呈線性關系變化的，如曲線之OA段。但鐵心里的磁通大到一定程度后，磁路要飽和。就是說，勵磁電流再增加，磁通就增加得緩慢了，如曲線之AB段。勵磁電流如果繼續(xù)增加，磁通幾乎不再增加了，這叫做深度飽和，如曲線之B點以后。當線圈中通入交變電流時，磁通和電流的波形如圖（b）和圖（c）所示。圖（b）是磁化曲線處于線性段的情形，其特點是：要得到曲線所示的磁通，只需要很小的勵磁電流，（如曲線所示）就可以了。圖（c）是磁路飽和后的情形，其特點是：磁通增加得不多，如曲線所示，但所需的勵磁電流卻很大。并且，勵磁電流的波形發(fā)生了畸變，產生了尖峰電流，如曲線所示?！蓖扑]精選（a）占

51、空比較大（b）占空比較?。╟）正弦脈寬調制圖1-33 脈寬調制“啊，我明白了。電磁功率“中部崛起”的結果，是磁路飽和，勵磁電流大幅增加，并且發(fā)生畸變，所以繞組要冒煙。歸根結底，還是電流大了導致繞組發(fā)熱的?！毙O對于自己這一段小結，頗有點得意的感覺。張老師微笑著點了點頭，接著問：“那怎樣“減肥”呢？”小孫本來想回答 “減小電壓唄”。卻被老張那風趣的問話弄得不知所措了，只好聳了聳肩，意思是還是請老師講吧。只聽張老師說：“現(xiàn)代醫(yī)學證明，減肥的有效方法是節(jié)制飲食。就是說，要少吃一點。那么，看看電動機的輸入功率吧，輸入功率的主要因素是電壓和電流。電流是不能減小的，因為電流要用來產生電磁轉矩的，電磁轉矩小

52、了，是帶不動負載的。所以，少吃一點的唯一方法，就是降低電壓了?！薄罢嬗幸馑肌！毙O聽得入神了?！爱斎贿@是定性的、形象化的說法?！睆埨蠋熃又贸鲆粡埌准垇?，看樣子是要寫字了?！半妱訖C里，直接反映磁通大小的，是定子繞組的反電動勢，它的計算公式是：（1-3）式中， 定子每相的反電動勢，V；繞組系統(tǒng)；定子每相繞組的匝數(shù)；電流的頻率，Hz；定子每個磁極下的基波磁通，wb；常數(shù)，。瞧，反電動勢和頻率與磁通的乘積成正比。稍為變換一下：（1-4）式中，常數(shù)。式（1-4）告訴我們：如果能夠保持反電動勢與頻率之比不變，那么，磁通大小也就保持不變了。但是，反電動勢是定子繞組切割自己產生的旋轉磁場的結果，無法人為地控

53、制其大小。推薦精選考慮到定子繞組的電動勢平衡方程是：（1-5）式中， 施加于定子每相繞組的電源相電壓，V；定子每相繞組的阻抗壓降，V。式（1-5）中，阻抗壓降在電壓中所占比例很小，如果把忽略不計，則有：代入式（1-4），得：（1-6）所以，改變頻率的同時，也要改變電壓。但要注意，式（1-6）只是一種近似的替代方法，并不能真正保持磁通不變。4.2 變頻器的變壓手段下面的問題是怎樣實現(xiàn)變頻的同時也變壓？”張老師捧起了茶杯，眼睛瞧著小孫，仿佛說：你對這個問題了解到什么程度呢？“這個問題我大概能夠說清楚?！毙O大著膽子說。接著，從張老師的一堆圖畫里，找出了一張圖1-33，仔細地看了一會兒，然后說。“把

54、變頻器的輸出電壓分成許多個小脈沖，并假設每半個周期中，小脈沖的個數(shù)是一定的。那么，當這些小脈沖之間的間隔很小時，總的周期較小，而脈沖的占空比則較大，半個周期中的平均電壓也較大，如圖（a）所示；反之，當這些小脈沖之間的間隔較大時，總的周期就增大了，而脈沖的占空比則變小了，平均電壓也降低了，如圖（b）所示。占空比的定義么，是：（1-7）式中，脈沖的占空比；脈沖的寬度，s；脈沖的周期，s。變頻器實際輸出的脈沖不是等寬的，而是使脈沖的占空比按正弦規(guī)律分布，叫作正弦脈寬調制，如圖（c）那樣，代號是SPWM。推薦精選至于這正弦脈寬調制波形的產生么，好象是求正弦波和三角波的交點得到的。”小孫用了“好象”兩個

55、字，意思是，我不大清楚了，請老師說吧。“我們先從比較容易看明白的單極性調制說起吧?！睆埨蠋熣f著，找出LE圖1-34。（a）頻率較高時（b）頻率較低時圖1-34 SPWM脈沖序列的產生“總的來說，SPWM脈沖序列，是通過求正弦波和三角波的交點得到的，如圖所示。三角波稱為載波，正弦波稱為調制波。所謂單極性，是指在半個周期內，正弦波和三角波的極性是不變的。調節(jié)頻率和電壓時，三角波的頻率和振幅基本不變，只改變正弦波的頻率和振幅。圖（a）所示，是頻率較高時的情形，圖（b）所示，是頻率較低時的情形?，F(xiàn)在的變頻器里，單極性調制基本不用。實際用的是雙極性調制方式，如圖1-35所示。（a）載波與調制波（b）相電壓（c）線