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、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、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   電流檢測  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上低壓變頻器的主要形式，本文簡要對該變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行剖析。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）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、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??？煽卣饔捎诖嬖谳敵鲭妷汉休^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，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)成的逆變單元及實物IGBT模塊中內(nèi)置反并聯(lián)二極管，用于反饋電動機制動運行時產(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 制動單元制動單元由IGBT和能耗電阻組成。當(dāng)電動機由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動運行時，電動機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，其能量通過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)生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。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)泵升電壓超過一定數(shù)值時，使IGBT導(dǎo)通，把電動機反饋的能量消耗在電阻上。3.5 驅(qū)動單元驅(qū)動單元根據(jù)控制單元的指令對IGBT進行驅(qū)動。 IGBT柵極驅(qū)動電路有多種形式。按照驅(qū)動電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動電路和集成化的驅(qū)動電路。 圖5  IGBT驅(qū)動電路

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

7、IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器體積小，價格便宜，是不帶過流保護的IGBT驅(qū)動器中較理想的選下圖為由EXB8.Series集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路，EXB8.Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動用變頻器、伺服電機驅(qū)動、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)動電路3.6  檢測單元控制系統(tǒng)反饋量檢測的精確程度，從某種意義上說，很大程度上決定了控制系統(tǒng)所能達到的控制品質(zhì)。檢測電路是變頻調(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”。檢測與保護電路設(shè)計的合理

8、與否，直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的可靠性和控制精度。3.6.1 電流檢測方法電流信號檢測的結(jié)果可以用于變頻器轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過流保護信號。電流信號的檢測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(主要用來測工頻)，且有一定滯后，多用于高壓大電流的場合。 2010年01月28日 作者：楊喆田志明 來源：中國電源博覽第107期 編輯：李遠芳   圖8 電流互感器上圖中，R

9、為取樣電阻，取樣信號為: 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、過載能力強和不損失測量電路能量等優(yōu)點。其原理如下圖所示。圖9 霍爾傳感器原理圖上圖中，Ip為被測電流，這是一種磁場平衡測量方式，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的主力。3.6.2  電壓檢測方法電壓信號檢測的結(jié)果可以用于變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和電壓控制以及過壓、欠壓保護信號。電壓信號的檢測可用電阻分壓、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)將高壓進行分壓，得到按比例縮小的低電壓。該方法使用簡單，但其精度受外界環(huán)境(主要是溫度)影響較大，且不能實現(xiàn)隔離，如果作為模擬反饋量進行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:與電流互感器類似，只能用于檢測交流電壓，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，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。圖11是一個用HCNR200/201測量電壓的實際電路，光耦實際上起直流變壓器的作用。圖11  用HCNR200/201測量電壓的實際電路上圖中，原邊運放采用的是單電源供電的LM2904，副邊運放采用精密運放OP07。在測量直流高壓時，應(yīng)先采用電阻分壓降壓，以得到一個未經(jīng)隔離的低壓直流信號，然后經(jīng)過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)分流器測量電流。線性光耦法是一種測量變頻器交流輸出電壓的簡單而有效的方法。高速數(shù)字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有體積小、

12、壽命長、抗干擾性強、隔離電壓高、高速度、與TTL電平兼容等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)信號處理和信號傳輸中應(yīng)用的十分廣泛，可用來檢測變頻器交流輸出電壓。下圖所示為一種簡單實用的用線性光耦實現(xiàn)的變頻器輸出電壓檢測的電路。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三相輸出對直流環(huán)節(jié)負極N的電壓信號，這樣三相信號都變?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。 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值，也可以計算出電壓的有效值。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交流輸出電壓的測量，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位單片機或DSP為控制核心，從而實現(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行調(diào)速的同時，又要保證電動機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)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，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，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(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，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，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，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應(yīng)特性。  圖15&

15、#160; 轉(zhuǎn)差頻率控制                  (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。目前在變頻器中實際應(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)過坐標(biāo)變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。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，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。圖17無速度傳感器矢量控制無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復(fù)雜，一般需要專門的

17、處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。4.2  PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。通過控制逆變器中的IGBT導(dǎo)通或斷開，使其輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開關(guān)器件動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法繼稱脈寬調(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進行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。PWM技術(shù)簡化了變頻器的結(jié)構(gòu)，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，使負載電機可在近似正弦波的

18、交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈動小，大大擴展了拖動系統(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，是矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，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