交流變頻器工程設(shè)計2013

1、1基于IGBT的 交流變頻調(diào)速器工程設(shè)計主講人：鐘彥儒 西安理工大學(xué) 教授2013年11月21 1 交交- -直直- -交電壓型變頻調(diào)速器交電壓型變頻調(diào)速器“硬件硬件”電路設(shè)計電路設(shè)計 1.1 IGBT模塊的額定值，特性及應(yīng)用 1.2 IGBT與整流橋的選用 1.3 變頻器功耗計算與熱設(shè)計 1.4 變頻器的各類保護(hù)電路設(shè)計 1.5 變頻器中控制電源的特點與設(shè)計 1.6 變頻器傳動中的制動狀態(tài)與制動器設(shè)計2 2 交交- -直直- -交電壓型變頻調(diào)速器中實用交電壓型變頻調(diào)速器中實用PWMPWM控制策略控制策略3 3 基于基于DSPDSP的變頻調(diào)速器控制器設(shè)計舉例的變頻調(diào)速器控制器設(shè)計舉例31.交直

2、交電壓型變頻調(diào)速器“硬件”電路設(shè)計通用型變頻器原理圖4IGBT是組成通用型交流變頻器的關(guān)鍵電力電子器件功率器件的應(yīng)用5功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍61.1 IGBT模塊的額定值，特性及應(yīng)用 （1）關(guān)斷浪涌電壓附加線路寄生電感的半橋電路7（2）續(xù)流二極管的恢復(fù)浪涌半橋開關(guān)波形圖8功率二極管的開通特性功率二極管的開通特性9雙脈沖運行條件下的驅(qū)動信號以及雙脈沖運行條件下的驅(qū)動信號以及IGBTIGBT和續(xù)流二極管的電流波形和續(xù)流二極管的電流波形10IGBTIGBT模塊的結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)11直接銅熔結(jié)直接銅熔結(jié)DCBDCB與主動金屬釬焊與主動金屬釬焊AMBAMB12含含IGBTIGBT和續(xù)流二

3、極管的功率模塊的常見電路單元和續(xù)流二極管的功率模塊的常見電路單元1113含含IGBTIGBT和續(xù)流二極管的功率模塊的常見電路單元和續(xù)流二極管的功率模塊的常見電路單元2214含含IGBTIGBT和續(xù)流二極管的功率模塊的常見電路單元和續(xù)流二極管的功率模塊的常見電路單元3315（3）接地回路避免接地回路噪聲16（4）減小功率電路的電感迭層母線結(jié)構(gòu)斷面圖17大電流三相逆變器主電路布置實例18三菱第五代IGBT模塊中MPD系列192021EUPEC大功率IGBT模塊EUPEC增強型IGBT模塊外形圖及等效電路圖22EUPEC大功率IGBT模塊的連接EUPEC增強型半橋IGBT模塊主電路布置結(jié)構(gòu)示意圖23

4、（5）緩沖電路設(shè)計 緩沖電路用以控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。 變頻器中IGBT緩沖電路設(shè)計與傳統(tǒng)雙極晶體管緩沖電路在兩個方面有區(qū)別：IGBT有強大的開關(guān)安全工作區(qū)。緩沖電路設(shè)計不要考慮雙極型達(dá)林頓管的二次擊穿超限。它只需控制瞬態(tài)電壓。IGBT工作開關(guān)頻率較高，要考慮到每次開關(guān)循環(huán)中緩沖電路都要通過IGBT器件放電，損耗功率太多。24緩沖電路類型通用IGBT緩沖電路25緩沖電感的作用時間的di/dt關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)di/dt緩沖電路的寄生電感Ldi/dtLVss1采用緩沖電路的典型關(guān)斷電壓波形26母線電感的作用 圖中初始浪涌電壓之后，隨著緩沖電容的充電，瞬時電壓再次上升。第二次

5、上升峰值 是緩沖電容值和寄生電感的函數(shù)緩沖電壓峰值緩沖電容值工作電流母線寄生電感2222212/1VCiLVCiLpp2V222p/ViLC 則有27關(guān)于功率電路和緩沖電路的幾點建議所需電容與母線寄生電感成正比，盡量減少母線電感。C與正被關(guān)斷的電流的平方成正比。在發(fā)生短路時，要采用限流技術(shù)。表2.1給出的推薦值是基于兩個假設(shè)：一是限流技術(shù)已經(jīng)使用，二是要處理的電流僅僅是上限至最大過載電流的常規(guī)電流。若允許在毛刺電壓峰值與 額定值之間有個不大的裕度，會使所需緩沖電容值明顯減小。表2.1是以 100V為前提設(shè)計的。例如AC400V變頻器，最高工作電壓 =800v, =100v, =1200v,當(dāng)有

6、1200V900V300V的裕度。CESV1V1VdcUCESV28六合一、七合一、雙單元模塊的緩沖電路291.2IGBT與整流橋的選用1）IGBT安全工作區(qū)關(guān)斷安全工作區(qū)半橋式開關(guān)測試電路及其開關(guān)波形30關(guān)斷安全工作區(qū)及其測試電路31短路安全工作區(qū)把一個IGBT直接開通到短路把一個已經(jīng)開通的IGBT實行負(fù)載短路或?qū)Φ囟搪范搪冯娏鞯拇笮∫啦季€，偏壓條件， 的選配，最高供電電壓來決定。gR32短路的第一種情況33結(jié)論：當(dāng)柵極脈沖寬度 時，SCSOA有效。SCSOA是一種不可重復(fù)的容量。10stw短路的第二種情況342）IGBT的選用a)-th(faCCCCoR&(ambient) -()

7、T (Case) -()T frequency) Switchingfrequency, (Carrier- (kHz) f Factor) -(Power- PF voltage) bus (DC- (v)V Overload)& (Rated -(rms)I 變頻中的運行條件device 1200V800VV device 600V400VV 2I 2(rms) (overload)I 器件的選擇 CCCCCo35IGBT 選擇標(biāo)準(zhǔn)在最大負(fù)載時也運行在開關(guān)SOA內(nèi)即可的流電流二極管整流器的輸出直 CdIIGBTI 363）IGBT模塊柵極驅(qū)動典型的IGBT柵極驅(qū)動電路37柵極驅(qū)動電

8、壓開關(guān)能量和反向偏壓的關(guān)系38）串聯(lián)柵極電阻（RG開關(guān)損耗（左）/開關(guān)時間（右）與柵極電阻的典型關(guān)系39柵極驅(qū)動布線的幾點考慮柵極驅(qū)動布線401.3變頻器功耗計算與熱設(shè)計1）功率損耗的估算導(dǎo)通損耗： 是IGBT導(dǎo)通的平均電流切換感性負(fù)荷時，續(xù)流二極管的損耗近似為 與二極管平均電流值的乘積。開關(guān)損耗CE(sat)CVI FMV)E(EfPSW(OFF)SW(ON)PWMSWCI,411200V級H系列IGBT模塊的開關(guān)損耗42（2）VVVF變頻器功耗計算VVVF變頻器主電路及輸出波形43功率估算公式D DS SW WS SS SD DC CA AS SW W( (o on n) )E EP PD

9、 DS SW WS SS SC CS SW WS SW W( (o of ff f) )S SW W( (o on n) )0 0S SW WS SW W( (o of ff f) )S SW W( (o on n) )S SW WC CE E( (s sa at t) )C CP P0 02 2C CE E( (s sa at t) )C CP PS SS SP PP PP PP PP PP P 部部分分）每每一一臂臂的的功功耗耗（圖圖陰陰影影 C C. .之之中中的的E E關(guān)關(guān)功功耗耗包包括括在在I IG GB BT T( (2 2) )續(xù)續(xù)流流二二極極管管的的開開 c co os s)

10、)3 3D D8 81 1( (V VI IP P 穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)功功耗耗（1 1）每每一一個個二二極極管管的的 二二極極管管功功耗耗 B B. .P PP PP P 的的總總功功耗耗( (3 3) )每每一一個個I IG GB BT T 1 1f f) )E E( (E Es si in nx xd dx x2 21 1f f) )E E( (E EP P G GB BT T的的開開關(guān)關(guān)功功耗耗( (2 2) )每每一一個個開開關(guān)關(guān)用用I I c co os s) )3 3D D8 81 1( (V VI Id dx x2 2D D) )s si in n( (x x1 1x xs si in n

11、2 21 1V VI IP P G GB BT T的的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)功功耗耗（1 1）每每一一個個開開關(guān)關(guān)用用I I I IG GB BT T功功耗耗 A A. .EC44)cos(: PWM:D IGBTIC125T:V )II(:I )ff(PWM:f IGBTIC125T:E IGBTIC125T:E CPojCE(sat)EPCPCPCSWSWCPojSW(off)CPojSW(on)功率因數(shù)相位角輸出電壓與電流之間的占空比信號的飽和電壓降下，時；峰值電流通常正弦輸出電流的峰值通常開關(guān)頻率變頻器每臂的關(guān)斷能量下，每個脈沖對應(yīng)的時；峰值電流開通能量下，每個脈沖對應(yīng)的時；峰值電流注釋：符號453

12、）平均結(jié)溫的估算溫度板模塊基T )P器件的總平均功耗(PP 半導(dǎo)體結(jié)溫T 標(biāo)定的結(jié)殼熱阻這里：RRPTT SSSWTc)th(jc)th(jTCjCj FWDRcjth)( 對的數(shù)目每個模塊中FWDIGBTn/jT ICTfTIGBTPFWDPIGBTRcjth)(nRf)th(cFWDIGBTPP耗開關(guān) IGBT 穩(wěn)態(tài)功耗 IGBT損開關(guān)功耗穩(wěn)態(tài)損耗 FWDFWD464)瞬態(tài)結(jié)溫升的估算IGBT部分和FWD部分的瞬態(tài)熱阻特性器與周圍環(huán)境的熱阻由散熱器制造廠的散熱R 界面電阻R 總功耗IGBT/FWD對的P 這里：)R(RPTT a)-th(ff)-th(cTa)th(ff)th(cTaC 模

13、塊基板的溫度可以用以下公式計算：475）散熱器的安裝推薦的螺釘安裝擰轉(zhuǎn)順序486）功率循環(huán)的考慮熱疲勞的概念功率循環(huán)熱壽命曲線491.4變頻器的各類保護(hù)電路設(shè)計1）IGBT模塊的保護(hù) dv/dt保護(hù)一個逆變橋的單相電路(電感負(fù)載)50dv/dt對IGBT柵極電路的影響51SOA內(nèi)10s，工作在SC短路保護(hù)tw短路保護(hù)示例52的軟開關(guān)技術(shù)控制VGE防止飽和短路示例53箝位VGE電路箝位VGE542）變頻器通常具有的保護(hù)功能故障保護(hù)動作一覽表名稱 功能說明 主電路欠電壓 指示（P.OFF） 電源接通后，主電路電壓低于額定值 20%時顯示 主電路過電流 OC.1 OC.2 OC.3 當(dāng)輸出電流超過變

14、頻器允許的最大電流時， 切斷變頻器輸出并停止運行 主電路過電壓 OE.1 OE.2 OE.3 電機減速時的再生能量使主回路直流電壓上升到大約 400V （對 200V 系列）或 800V（對 400V 系列）以上，變頻器立 即停止輸出并停止運行 5556 過電流，過載信號的取樣采用具有短路過電流保護(hù)（一般具有降 軟關(guān)斷功能）的智能驅(qū)動器驅(qū)動IGBT。采用6個或3個（下橋臂）。在三相輸出u,v,w中取 （或取兩相 ）,采用霍爾電流傳感器，小功率也有用無感電阻線性光電耦合器。 電流的瞬時值1矢量控制用 濾波時間常數(shù)，. 2死區(qū)補償用幾個s三相電流全波整流后變頻器過載保護(hù)，濾波時間常數(shù)數(shù)十 msGE

15、VwvuI ,I ,IwuI ,I57變頻器的工作電源在直流母線上取，可用開關(guān)變壓器副邊繞組（5V或15V）同名端取樣，用一個采樣保持電路。單獨工作電源的情況下，用電壓霍爾傳感器或分壓電阻線性光耦。)的檢測直流母線電壓(UDC58散熱器溫度達(dá)到85左右，保護(hù)動作。載波頻率隨散熱器溫度自動調(diào)整，一般 后降低 ，要求散熱器溫度不要太高，增強可靠性。此功能可選用。70TCsf591.5變頻器中控制電源的特點與設(shè)計與一般電力電子裝置一樣，正常上電時，控制電源先建立，主回路電源再建立；掉電時，主回路電源也下電，控制電源再消失。中小功率變頻器往往采用在直流母線上取控制電源的方式，當(dāng) =800V時，也要工作

16、正常。中、大功率采用獨立380VAC給控制電源供電。dcU60直流母線供電的變頻器控制電源IPM變頻器用的開關(guān)型電源（SMPS）61開關(guān)電源工作，但主電路欠壓，顯示POF 達(dá)到正常工作點，允許變頻器輸出420VdcU160V320V100V主回路欠電壓POF開關(guān)電源停止工作直流母線供電控制電源工作時序62特別要注意控制電源建立和消失過程中控制器對驅(qū)動電路的控制作用在電機控制專用CPU RESET其間輸出端口狀態(tài)已定義的情況下，要注意外圍芯片的輸出狀態(tài)是否確定要確認(rèn)+5V等控制用電源掉電至3V左右時，IC的邏輯狀態(tài)已不能保證正常，不會引起錯誤的觸發(fā)(如果此時主電路并沒有完全失電的話)631.61

17、.6變頻器傳動中的制動狀態(tài)與制動器設(shè)計變頻器傳動中的制動狀態(tài)與制動器設(shè)計 在通用變頻器中，對再生能量的處理方式有三種：耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動電阻”中；由并聯(lián)在直流回路上的其他傳動系統(tǒng)吸收； 這兩種稱為“動力制動狀態(tài)”再生能量回饋到電網(wǎng)。稱回饋制動狀態(tài)或再生制動狀態(tài)。也有日文資料從電動機狀態(tài)出發(fā)，、稱“再生制動”，稱“電源再生制動”。641)動力制動一般中、小容量將制動單元（制動用IGBT，控制器）在變頻器內(nèi)置，制動電阻外置；也有中、大功率將制動單元和制動電阻均外置；多采用電壓滯環(huán)比較器控制用IGBT開關(guān)，一般AC400V系列變頻器制動動作電壓可選擇在DC650V左右。O

18、FF650VdcU制動ON5VV 左：動力制動單元652)制動電阻的計算 制動力矩的計算減速時間（s）t in）減速完了速度（r/mn in）減速開始速度（r/mn ）m（N的GD負(fù)載折算到電動機軸上GD ）m（N電動機的GDGD m）負(fù)載轉(zhuǎn)矩（NT m）制動轉(zhuǎn)矩（NT 式中T375t)n)(nGD(GDT s21222L222MLBLs212L2MB66制動電阻阻值的計算 設(shè)附加制動電阻進(jìn)行制動的情況下，電動機內(nèi)部的有功損耗部分，折合成制動轉(zhuǎn)矩，大約為電動機額定轉(zhuǎn)矩的20%，則min）開始減速時速度（r/n m）電動機額定轉(zhuǎn)矩（NT m）制動轉(zhuǎn)矩（NT 直流回路電壓（V）U 式中)n0.2T

19、0.1047(TUR 1MBC1MB2CB00BBminCCminMBRRR 則 IUR 又 。則不需另外的制動電阻,0.2T若系統(tǒng)所需制動轉(zhuǎn)矩T67制動時平均消耗功率的計算 制動電阻上消耗的平均功率 可以按下式求出： 電阻器額定功率的計算 根據(jù)減速模式不同，引入功率增加系數(shù)m，允許選用小于平均功率 的額定功率電阻)(0KWPr321102)2 . 0(1047. 00nnTTPMBr0rPrP1 ,0mmPPrr一般68減速模式減速模式a)重復(fù)減速 b)非重復(fù)減速69m的選取制動電阻允許功率增加系數(shù)a)重復(fù)減速情況 b)非重復(fù)減速情況703）回饋電網(wǎng)的再生制動電源再生制動單元能為正弦波電流盡

20、可方式。與電網(wǎng)的相位同步問題元向電網(wǎng)回饋能量?？刂齐娫丛偕苿訂纹髡鳂虿还ぷ鳎冾l時 ,PWM ,RSdcu2當(dāng)u714)直流制動(DC制動) 以上動力制動和電源再生制動電動機均處于發(fā)電狀態(tài) 。直流制動時，電動機處于能耗制動狀態(tài)。直流制動時，電動機定子通直流電（逆變器中某3個橋臂短時間內(nèi)連續(xù)導(dǎo)通，不再換相），變頻器輸出頻率為零，定子磁場不再旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子切割這個靜止磁場產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動機的轉(zhuǎn)子回路中。直流制動的用途：用于準(zhǔn)確停車控制用于制止在起動前電動機由外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)72 通用變頻器中，設(shè)定DC制動的起始頻率 ，制動電流 和制動時間 來

21、選擇最佳的制動力矩。DBfDBIDBt利用DC制動實現(xiàn)準(zhǔn)確停車a)時序關(guān)系 b)靜態(tài)機械特性732.交直交電壓型變頻調(diào)速器中實用PWM控制策略1）PWM控制策略的分類（三類）l正弦PWM控制策略電壓正弦PWM自然采樣法 規(guī)則采樣法 *準(zhǔn)優(yōu)化的PWM電流正弦PWM電流反饋控制（PI調(diào)節(jié)器分別控制三相） 電流反饋控制（滯環(huán)控制) 電流反饋無差拍控制磁通正弦PWM*空間電壓矢量法（SVPWM）磁通軌跡法3sin41sin)(kkkttmtF74l優(yōu)化PWM方法諧波消除法-特定次數(shù)諧波消除 效率最優(yōu)PWM技術(shù) 轉(zhuǎn)矩脈動最小PWMl隨機PWM控制策略 使逆變器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，以達(dá)到抑制噪聲和機械共振的目的。 75雙極性調(diào)制的三相SPWM的波形雙極性調(diào)制的三相SPWM變頻器的輸出波形76電流跟蹤P