變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、淺析交-直-交電壓型變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)摘要：本文主要介紹了交-直-交電壓型變頻器的整流單元、濾波單元、逆變單元、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、控制單元的主要形式，以及主要的幾種控制方法及PWM技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：交-直-交電壓型變頻器   IGBT   柵極驅(qū)動(dòng)   電流檢測(cè)  霍爾傳感器   矢量控制 PMW 0、引言交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史。低壓變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)，因其技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，使系統(tǒng)在性能上不斷地完善，并在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域挑戰(zhàn)直流調(diào)速系統(tǒng)，已得到了廣泛的應(yīng)用。交-直

2、-交電壓型變頻器是目前市場(chǎng)上低壓變頻器的主要形式，本文簡(jiǎn)要對(duì)該變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。1、電路結(jié)構(gòu)框圖交直交電壓型變頻器主要由整流單元（交流變直流）、濾波單元、逆變單元（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、控制單元等部分組成的。 圖1 變頻器電路結(jié)構(gòu)框圖 3、各單元電路及原理3.1 整流單元整流單元用于電網(wǎng)的三相交流電變成直流?？煞譃榭煽卣骱筒豢煽卣鲀纱箢?lèi)。可控整流由于存在輸出電壓含有較多的諧波、輸入功率因數(shù)低、控制部分復(fù)雜、中間直流大電容造成的調(diào)壓慣性大相應(yīng)緩慢等缺點(diǎn)，隨著PMW技術(shù)的出現(xiàn)可控整流在交直交變頻器中已經(jīng)被淘汰。不可控整流是目前交直交變頻器的主流形式，它有2

3、種構(gòu)成形式，6支整流二極管或6支晶閘管組成三相整流橋。 圖2  6支二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路由6支二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路，交流側(cè)有控制主回路通斷的接觸器。                  圖3  6支晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路由6支晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路，晶閘管只用于控制通斷不控制直流電壓的大小。3.2 濾波單元濾波單元主要采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，在理想

4、情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這是電壓型變頻器的一個(gè)主要特征。 3.3 逆變單元由IGBT模塊構(gòu)成             圖3 由IGBT模塊構(gòu)成的逆變單元及實(shí)物IGBT模塊中內(nèi)置反并聯(lián)二極管，用于反饋電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的能量                 圖4 

5、0; IGBT模塊中內(nèi)置反并聯(lián)二極管3.4 制動(dòng)單元制動(dòng)單元由IGBT和能耗電阻組成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，其能量通過(guò)逆變電路中的反饋二極管流入直流中間回路，使直流電壓升高而產(chǎn)生過(guò)電壓，這種過(guò)電壓稱(chēng)為泵升電壓。為了限制泵升電壓給直流側(cè)電容并聯(lián)一個(gè)由電力晶體管和能耗電阻組成的泵升電壓限制電路。當(dāng)泵升電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，使IGBT導(dǎo)通，把電動(dòng)機(jī)反饋的能量消耗在電阻上。3.5 驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制單元的指令對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路有多種形式。按照驅(qū)動(dòng)電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成化的驅(qū)動(dòng)電路。 圖5  IGBT驅(qū)動(dòng)電路

6、上圖為用光耦合器、三極管等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入控制信號(hào)時(shí)，光耦VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止，V3導(dǎo)通輸出15V驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)輸入控制信號(hào)為零時(shí)，VLC截止，V2、V4導(dǎo)通，輸出10V電壓。IGBT的集成柵極驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)繁多,幾乎各生產(chǎn)IGBT模塊的公司都推出了自己的配套驅(qū)動(dòng)器。 圖6 集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器及TLP250的管腳圖上圖為由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器及TLP250的管腳圖。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達(dá)2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5s，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動(dòng)50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動(dòng)電流容量更大的

7、IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過(guò)流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)器中較理想的選下圖為由EXB8.Series集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，EXB8.Series集成芯片是一種專(zhuān)用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。 圖7  EXB8.Series集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路3.6  檢測(cè)單元控制系統(tǒng)反饋量檢測(cè)的精確程度，從某種意義上說(shuō)，很大程度上決定了控制系統(tǒng)所能達(dá)到的控制品質(zhì)。檢測(cè)電路是變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛和觸覺(jué)”。檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)的合理

8、與否，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和控制精度。3.6.1 電流檢測(cè)方法電流信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于變頻器轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過(guò)流保護(hù)信號(hào)。電流信號(hào)的檢測(cè)主要有以下幾種方法。（1） 直接串聯(lián)取樣電阻法這種方法簡(jiǎn)單、可靠、不失真、速度快，但是有損耗，不隔離，只適用于小電流并不需要隔離的情況，多用于只有幾個(gè)kVA的小容量變頻器中。（2）電流互感器法這種方法損耗小，與主電路隔離，使用方便、靈活、便宜，但線性度較低，工作頻帶窄(主要用來(lái)測(cè)工頻)，且有一定滯后，多用于高壓大電流的場(chǎng)合。 2010年01月28日 作者：楊喆田志明 來(lái)源：中國(guó)電源博覽第107期 編輯：李遠(yuǎn)芳   圖8 電流互感器上圖中，R

9、為取樣電阻，取樣信號(hào)為: Us=I2R=I1R/M  式中，M為互感器繞組匝數(shù)。（3） 霍爾傳感器法它具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。其原理如下圖所示。圖9 霍爾傳感器原理圖上圖中，Ip為被測(cè)電流，這是一種磁場(chǎng)平衡測(cè)量方式，精度比較高，若LEM的變流比為1:M，則取得電壓Us也符合式Us= IpR/M。在通用變頻器中霍爾傳感器已成為電流檢測(cè)的主力。3.6.2  電壓檢測(cè)方法電壓信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和電壓控制以及過(guò)壓、欠壓保護(hù)信號(hào)。電壓信號(hào)的檢測(cè)可用電阻分壓、線性光耦、電壓互感器或霍爾傳感器等方法。（1） 電阻分壓法:

10、用電阻網(wǎng)絡(luò)將高壓進(jìn)行分壓，得到按比例縮小的低電壓。該方法使用簡(jiǎn)單，但其精度受外界環(huán)境(主要是溫度)影響較大，且不能實(shí)現(xiàn)隔離，如果作為模擬反饋量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要加入隔離放大器。該方法適用于低壓系統(tǒng)。（2） 電壓互感器法:與電流互感器類(lèi)似，只能用于檢測(cè)交流電壓，適用于高壓系統(tǒng)中。（3）霍爾電壓傳感器法:原理與霍爾電流傳感器類(lèi)似，如下圖所示。 圖10  霍爾電壓傳感器 （4） 線性光耦法: 霍爾電壓傳感器具有反應(yīng)速度快和精度高的特點(diǎn)，但是在小功率的變頻器中，采用霍爾傳感器的成本昂貴，而采用高性能的光耦則可降低成本。像HP公司生產(chǎn)的線性光耦HCNR200/201等具有很高的線性度和靈敏度

11、，可精確地傳送電壓信號(hào)。圖11是一個(gè)用HCNR200/201測(cè)量電壓的實(shí)際電路，光耦實(shí)際上起直流變壓器的作用。圖11  用HCNR200/201測(cè)量電壓的實(shí)際電路上圖中，原邊運(yùn)放采用的是單電源供電的LM2904，副邊運(yùn)放采用精密運(yùn)放OP07。在測(cè)量直流高壓時(shí)，應(yīng)先采用電阻分壓降壓，以得到一個(gè)未經(jīng)隔離的低壓直流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)線性光耦隔離將其變換成與之成正比的直流電壓送入A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量。另外，完全可以利用光耦的線性和隔離功能結(jié)合直接串聯(lián)分流器測(cè)量電流。線性光耦法是一種測(cè)量變頻器交流輸出電壓的簡(jiǎn)單而有效的方法。高速數(shù)字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有體積小、

12、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度、與TTL電平兼容等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信號(hào)處理和信號(hào)傳輸中應(yīng)用的十分廣泛，可用來(lái)檢測(cè)變頻器交流輸出電壓。下圖所示為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的用線性光耦實(shí)現(xiàn)的變頻器輸出電壓檢測(cè)的電路。圖12  利用光耦6N137和電阻降壓電路采集逆變器利用光耦6N137和電阻降壓電路采集逆變器U、V、W三相輸出對(duì)直流環(huán)節(jié)負(fù)極N的電壓信號(hào)，這樣三相信號(hào)都變?yōu)閱螛O性SPWM電壓脈沖，便于與單向光耦匹配。單極性SPWM脈沖電壓經(jīng)小電容濾波后便成為如下圖所示的比較平滑的正弦半波信號(hào)。 圖13  單極性SPWM脈沖電壓經(jīng)小電容濾波前后的電壓它反映了逆變器交流電壓(半波)的瞬時(shí)值，然

13、后送相應(yīng)的CPU或 ASIC處理，根據(jù)需要既可以得到電壓的瞬時(shí)值，也可以計(jì)算出電壓的有效值。日本Sanken公司研究的電壓矢量控制變頻器就是利用這種電路完成對(duì)交流輸出電壓的測(cè)量，控制效果良好。4、控制單元 現(xiàn)代變頻調(diào)速基本是用16位、32位單片機(jī)或DSP為控制核心，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。4.1變頻器中常用的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。(1) V/f控制V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。  圖14

14、  V/f控制變頻器結(jié)構(gòu) V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。  圖15&

15、#160; 轉(zhuǎn)差頻率控制                  (3) 矢量控制 矢量控制是通過(guò)矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。圖16   基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)

16、差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過(guò)渡過(guò)程中的波動(dòng)。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。圖17無(wú)速度傳感器矢量控制無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)坐標(biāo)變換處理分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專(zhuān)門(mén)的

17、處理器來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。4.2  PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。通過(guò)控制逆變器中的IGBT導(dǎo)通或斷開(kāi)，使其輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作順序和時(shí)間分配規(guī)律的控制方法繼稱(chēng)脈寬調(diào)制方法。改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變單元輸出交流基波電壓的幅值，通過(guò)改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而在逆變單元上可以同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對(duì)電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。PWM技術(shù)簡(jiǎn)化了變頻器的結(jié)構(gòu)，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使負(fù)載電機(jī)可在近似正弦波的

18、交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。 圖19  正弦電壓的脈寬調(diào)制示意圖如上圖所示的正弦半波波型分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，是矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積相等，就得到上圖中的脈沖序列。這就是PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱(chēng)為SPWM波形。圖20 三相PWM波形SPWM的控制就是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)