變頻器技術(shù)及應(yīng)用1-3章課件(田慧玲)

1、變頻器技術(shù)及應(yīng)變頻器技術(shù)及應(yīng)用用周斐 主編第第1章章 概概 述述學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、掌握變頻技術(shù)的基本概念。2、認(rèn)識變頻器的功能與發(fā)展趨勢 3、了解變頻器應(yīng)用范圍。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：第第1章章 概概 述述1.1 變頻技術(shù)的概念及其應(yīng)用的歷史變頻技術(shù)的概念及其應(yīng)用的歷史 通過改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與人們的日常生活中，往往根據(jù)節(jié)能、控制等各種不同要求，將公共電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電。常用工業(yè)電源主要有以下幾種： 1工頻電源工頻電源用于工業(yè)生產(chǎn)和生活，頻率為50 Hz。 2整流電源整流電源 將工頻電源通過整流變換成直流電

2、，用于需要直流供電的場合，頻率為0 Hz。 3不間斷電源不間斷電源 平時，電網(wǎng)對蓄電池充電，當(dāng)電網(wǎng)停電時，將蓄電池的直流電逆變成50 Hz的交流電，為設(shè)備提供臨時電源。 4交流調(diào)速電源交流調(diào)速電源 用三相變頻器產(chǎn)生電壓和頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，用于三相交流異步電動機(jī)調(diào)速。 5中頻電源中頻電源 主要用于金屬冶煉、精密鑄造過程中的感應(yīng)加熱。1.2變頻技術(shù)的基本類型變頻技術(shù)的基本類型 變頻技術(shù)的類型有下面幾種：1整流技術(shù)整流技術(shù) 通過二極管組成的不可控或者晶閘管組成的可控整流器，將工頻交流電變換成頻率為0的直流電，稱為整流技術(shù)。2直流斬波技術(shù)直流斬波技術(shù) 通過改變電力半導(dǎo)體器件的通斷時間，也就是脈沖

3、頻率（定寬變頻），或者改變脈沖的寬度（定頻調(diào)寬）達(dá)到調(diào)節(jié)直流平均電壓的目的。3逆變技術(shù)逆變技術(shù) 在變頻技術(shù)中，逆變器是利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，將直流電變換成不同頻率的交流電。4交交變頻技術(shù)交交變頻技術(shù) 通過控制電力半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，將工頻交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。5交直交變頻技術(shù)交直交變頻技術(shù) 先將交流電經(jīng)過整流器變換成直流電，再將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電。1.3變頻技術(shù)的發(fā)展變頻技術(shù)的發(fā)展 變頻技術(shù)是在電力電子技術(shù)、交流調(diào)速控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是應(yīng)交流異步電動機(jī)無級調(diào)速和節(jié)能需求誕生的。 人們根據(jù)變頻技術(shù)制造出用于交流異步電動機(jī)調(diào)速的電氣設(shè)備稱為變頻

4、器，其外形如圖ll所示。 VVVF控制方式的變頻器的特點(diǎn)如下： 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.相對簡單；2.機(jī)械特性硬度也較好；3.能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1.在低頻時由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降 的影響比較顯著；2.其機(jī)械特性沒有直流電動機(jī)硬。 矢量控制變頻調(diào)速的做法是：矢量控制變頻調(diào)速的做法是： 1.將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流IA、IB、IC通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流i、i； 2.通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流IM、IT； 3.模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控

5、制。 矢量控制方法的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 1985年，德國魯爾大學(xué)的Dcpenbrock教授提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。在很大程度上解決了上述矢量控制的不足 。 VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交-直-交變頻中的一種。 他們共同缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 1、輸入功率因數(shù)低； 2、諧波電流大； 3、直流回路需要大的儲能電容； 4、再生能量不能反饋回電網(wǎng)。 矩陣式交交變頻優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 1、省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容； 2、它能實(shí)現(xiàn)

6、功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。1.5變頻器的功能變頻器的功能 變頻器已經(jīng)成為交流異步電動機(jī)最理想的調(diào)速設(shè)備。它的功能與應(yīng)用主要有以下幾個方面：1節(jié)能節(jié)能 節(jié)電可達(dá)20%60%。以節(jié)能為目的，采用變頻器對風(fēng)機(jī)和泵類進(jìn)行的技術(shù)改造，已被家用電器廣泛采用。2自動控制自動控制 變頻器的控制核心是微型計(jì)算機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。3提高產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品質(zhì)量 工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用在：注塑設(shè)備、軋鋼設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備、灌裝設(shè)備以及各類機(jī)床等中以提高產(chǎn)品質(zhì)量。 家電產(chǎn)品應(yīng)用在：家用空調(diào)與中央空詞設(shè)備、電梯設(shè)備、洗衣機(jī)、冰箱、電磁爐等中，可降低設(shè)備的噪聲，延長設(shè)備的使用壽命，使設(shè)備

7、控制方便。1.6我國變頻器應(yīng)用范圍及市場分析我國變頻器應(yīng)用范圍及市場分析 變頻器主要用于交流電動機(jī)(異步電機(jī)或同步電機(jī))轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，具有卓越的調(diào)速性能，顯著的節(jié)能作用。 在電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發(fā)揮著重要作用。 1、變頻器與節(jié)能、變頻器與節(jié)能 變頻器產(chǎn)生的用途是速度控制速度控制和節(jié)能節(jié)能。2、變頻器與工藝控制（速度控制）、變頻器與工藝控制（速度控制） 變頻器發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率的作用。 3、變頻家電、變頻家電 在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪音、提節(jié)電、減小電

8、壓沖擊、降低噪音、提高控制精度高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢 。4、前景廣闊的中國變頻器市場、前景廣闊的中國變頻器市場 市場規(guī)模也從1993年的4億元，1999年的28億元，增長到了2008年的接近140億元及2010年的突破200億元。 目前，變頻器在冶金、水泥、印刷、電梯、電力、化工、醫(yī)療、機(jī)械、交通、通訊、建材等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。2011年，我國整個變頻器市場的增長率在13. 5%左右。 第第2章章 常用電力電子器件常用電力電子器件學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1.掌握晶閘管的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)通與關(guān)斷條件。 2.了解各種電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用特點(diǎn)。3.熟悉智能功率模塊的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。 2.1電力電子器件概述

9、電力電子器件概述 用于電能變換和電能控制電路的大功率半導(dǎo)體器件，稱為電力電子器件，或稱功率電子器件。 1電力電子器件具有如下特征：電力電子器件具有如下特征： a、 一般都工作開關(guān)狀態(tài)； b、開關(guān)狀態(tài)往往需要由外電路來控制； c、處理的電功率大； d、在實(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路控制。2.電力電子器件的分類電力電子器件的分類 1）按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為以下兩類： a、電流控制型 b、電壓控制型 2）按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可分為三類： a、單極型器件 b、雙極型器件 c、復(fù)合型器件 3）按照器件的可控性分類又將電力半導(dǎo)體器

10、件分為不可控型、半控型和全控型三種： a、不可控型 b、半控型 c、全控型中 變頻器的核心元件就是電力半導(dǎo)體開關(guān)器件電力半導(dǎo)體開關(guān)器件。下面詳細(xì)介紹幾種常用電力半導(dǎo)體開關(guān)器件。 2.2晶閘管晶閘管(SCR) 晶閘管又稱作可控硅整流管，簡稱可控硅 （SCR）。晶閘管包括普通晶閘管及其所有派生器件；快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制。被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等大功率電子電路中。2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管

11、的結(jié)構(gòu)和工作原理1.晶閘管的結(jié)構(gòu) 常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，其外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號、文字符號如圖2-1所示。 VT圖2-1 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形、文字符號 a) 螺栓式 b）平板式外形 c）結(jié)構(gòu) d）圖形、文字符號常用的晶閘管散熱器如圖2-2所示。圖2-2 晶閘管的散熱器a)自冷 b)風(fēng)冷 c)水冷2.晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 晶閘管內(nèi)部是由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，如圖2.1c)所示。由P1引出陽極A，N2引出陰極K，P2引出門極G，形成J1、J2、J3三個PN結(jié)。當(dāng)A、K之間施加正向電壓（陽極高于陰極），則J2處于反向偏置狀態(tài)，晶閘管處于正向阻斷

12、狀態(tài)，只能流過很小的正向漏電流。當(dāng)A、K之間施加反向電壓時，J1和J2反偏，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過。 a、晶閘管的導(dǎo)通圖2-3 晶閘管工作原理 晶閘管導(dǎo)通的工作原理如圖2-3所示。將晶閘管可以看作由一個P1N1P2和 N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2組合而成。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未施加電壓的情況下，IG=0，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。如果門極施加正向電壓且門極注入電流IG足夠大時， IG流入晶體管V2的基極，即產(chǎn)生集電極電流IC2，IC2同時又是晶體管V1的基極電流，經(jīng)V1放大成集電極電流IC1，IC1又進(jìn)一步增大V2的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，

13、使V1和V2迅速進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。 其正反饋過程如下 :IGIB2IC2（2IB2）IB1IC1（1IB1） 當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，即使IG=0，因IC1直接流入V2的基極，晶閘管內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反饋會仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。b、晶閘管的關(guān)斷晶閘管的關(guān)斷 晶閘管導(dǎo)通后，由于內(nèi)部正反饋的作用，即使門極電壓降為零或?yàn)樨?fù)值，也不能使管子關(guān)斷，即門極在晶閘管導(dǎo)能后就失去控制作用，要使導(dǎo)通的管子關(guān)斷，只有通過外電路降低管子的陽極所加的正向電壓或給陽極施加反壓，從而減小陽極電流，當(dāng)陽極電流減小到低于某一數(shù)值時，管子內(nèi)部的正反饋已無法維持，晶閘管才能關(guān)斷。我們把晶閘管導(dǎo)通時能維持晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電

14、流稱為維持電流，用IH表示。綜上所述，可得出如下結(jié)論：綜上所述，可得出如下結(jié)論： a、 晶閘管承受反向陽極電壓時； b、 晶閘管具有正向阻斷能力； c、 晶閘管導(dǎo)通的條件是：陽極加 正 向電壓的同時門極加足夠大的觸發(fā)電壓； d、 晶閘管導(dǎo)通后，門極失去控制作用； e、 晶閘管迅速可靠地關(guān)斷，通常在管子的陽極電壓降為零后再給陽極加一段時間的反向電壓。使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通方法歸納為以下幾種：a、 門極加觸發(fā)電壓 ； b、 陽極加較大電壓d、 溫度作用、e、 光觸發(fā)d、 陽極電壓上升率du/dt作用 2.2.2晶閘管的檢測晶閘管的檢測 對于晶閘管的三個電極，可從外觀判斷也可用萬用表來測量并粗測其好壞 ；

15、元件能否可靠觸發(fā)導(dǎo)通，可用直流電源串聯(lián)電燈與晶閘管，當(dāng)門極與陽極接觸一下后，如管子導(dǎo)通燈亮，則說明管子是可觸發(fā)的。 晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間的電壓UAK和陽極電流IA之間的關(guān)系特性。圖2.4所示即為晶閘管陽極伏安特性曲線包括正向特（第一象限）和反向特性（第三象限）兩部分。 晶閘管的正向特性又有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時，晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流IG的增加而不同的曲線簇。當(dāng)IG=0時，逐漸增大陽極電壓UA，只有很小的正向漏電流，晶閘管正向阻斷；隨著陽極電壓的增加，當(dāng)達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時，漏電流突然劇增，品閘管由正向阻斷突變?yōu)檎驅(qū)ね顟B(tài)。 晶閘管正向?qū)ê螅?/p>

16、要使晶閘管恢復(fù)阻斷，只有逐步減小陽極電流IG，當(dāng)IG下降到小于維持電流IH時，晶閘管由正向?qū)顟B(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)。圖2-4中各物理量的含義如下： UDRM、URRM正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓； UDSM、URSM一正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓； UBO一正向轉(zhuǎn)折電壓； URO反向擊穿電壓。 圖2-4晶閘管陽極伏安特性曲線2.2.3晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)a 正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM b 反向重復(fù)峰值電壓URRM c 額定電壓 d 額定電流IT（AV） e 維持電流IH f 掣住電流IL g 晶閘管的開通與關(guān)斷時間 h. 通態(tài)電流臨界上升率di/dt i 斷態(tài)電壓臨界上升率du/d

17、t 2.2.4 晶閘管的型號及簡單測試方法晶閘管的型號及簡單測試方法a晶閘管的型號 根據(jù)原機(jī)械工業(yè)部頒布發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)JBll4475規(guī)定，KP系列普通硅晶閘管的型號及含義如圖2-5所示。圖2-5 晶閘管型號的含義b晶閘管的簡單測試 對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娫恚萌f用表歐姆擋測試元件的三個電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R1k擋測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很??；用R10或R100擋測量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制

18、極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路，則晶閘管是壞的。2.2.5晶閘管的派生系列晶閘管的派生系列 a 快速晶閘管 b 雙向晶閘管 c 逆導(dǎo)晶閘管 d 光控晶閘管 a） b） a） b） 圖圖2-7 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 圖圖2-8 光控晶閘管光控晶閘管a）電氣圖形符號）電氣圖形符號 b）伏安特性）伏安特性 a）電氣圖形符號）電氣圖形符號 b）伏安特性）伏安特性2.2可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO) 可關(guān)斷晶閘管,簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高（工作電壓可高達(dá) 6000 V）、電流大（電流可達(dá)6000 A等；是全控型器件，即門極正脈沖信號觸發(fā)導(dǎo)通、門極負(fù)脈沖信號觸發(fā)關(guān)斷的特

19、性。它的電氣符號如圖2-9c）所示，也有陽極A、陰極K和門極G三個電極 2.2.1 GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) GTO的工作原理與普通晶閘管相似，其結(jié)構(gòu)也可以等效看成是由PNP與NPN兩個晶體管組成的反饋電路如圖2-9a）、b） 兩個等效晶體管的電流放大倍數(shù)分別為1和2。GTO觸發(fā)導(dǎo)通的條件是：當(dāng)它的陽極與陰極之間承受正向電壓，門極加正脈沖信號（門極為正，陰極為負(fù)）時，可使1+21，從而在其內(nèi)部形成電流正反饋，使兩個等效晶體管接近臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)。其正反饋過程如下： a） b） c）a）結(jié)構(gòu) b）等效電路 c）電氣圖形符號圖2-9 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣圖形符號2.2.2 GTO的主要參數(shù)的主要

20、參數(shù) GTO的基本參數(shù)與普通晶閘管大多相同，現(xiàn)將不同的主要參數(shù)介紹如下 。a最大可關(guān)斷陽極電流IATO b關(guān)斷增益off c開通時間tond關(guān)斷時間toff2.2.3 GTO的緩沖電路的緩沖電路aGTO設(shè)置緩沖電路的目的 GTO設(shè)置緩沖電路的目的是：降低浪涌電壓；抑制du/dt和di/dt；減少器件的開關(guān)損耗；避免器件損壞和抑制電磁干擾；提高電路的可靠性。b緩沖電路的工作原理：圖2-10 GTO緩沖電路 GTO的緩沖電路如圖2-10所示。為了減小電容器CS中電荷的放電速率，在電容器上串聯(lián)一個吸收（阻尼）電阻RS，在吸收電阻RS的兩端又并聯(lián)了二極管VDS，這樣在吸收過電壓時不經(jīng)過RS，以加快對過

21、電壓的吸收，而電容CS只能通過電阻RS放電，這樣就可以衰減放電電流以保護(hù)GTO。 a） b） c） 圖2-11 GTO阻容緩沖電路 圖2-11為GTO的幾種常見的阻容緩沖電路，圖2-11a）只能用于小電流電路；圖2-11b）與圖2-11c）是較大容量GTO電路中常見的緩沖器。2.2.4 GTO的門極驅(qū)動電路的門極驅(qū)動電路GTO 的特點(diǎn)： 1、用門極正脈沖可使GTO開通，門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷； 2、要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的15左右。 a）小容量）小容量GTO門極驅(qū)動電路門極驅(qū)動電路 b）橋式驅(qū)動電路）橋式驅(qū)動電路 c）大容量）大容量GTO門極驅(qū)動電路門極驅(qū)動電路圖圖2

22、-12 GTO門極驅(qū)動電路門極驅(qū)動電路 圖2-12a）所示為小容量GTO門極驅(qū)動電路。工作原理是利用正向門極電流向電容充電觸發(fā)GTO導(dǎo)通；當(dāng)關(guān)斷時，電容儲能釋放形成門極關(guān)斷電流。 圖2-12b）是一種橋式驅(qū)動電路。當(dāng)在晶體管Vl、V3的基極加控制電壓使它們飽和導(dǎo)通時，GTO觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)在普通晶閘V2、V4的門極加控制電壓使其導(dǎo)通時，GTO關(guān)斷。 上述兩種觸發(fā)電路都只能用于300 A以下的GTO的導(dǎo)通。 圖2-12c）所示的觸發(fā)電路用來控制300 A以上的GTO。當(dāng)Vl、VD導(dǎo)通時，GTO導(dǎo)通；當(dāng)V2、V導(dǎo)通時，GTO關(guān)斷。 2.2.5 GTO的應(yīng)用舉例的應(yīng)用舉例 GTO主要用于高電壓、大功率的

23、直流變換電路（即斬波電路）、逆變器電路及調(diào)頻調(diào)壓電源 。 由于GTO的耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、控制電路簡單方便，因此還特別適用于汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。 圖圖2-13 2-13 用電感、電容關(guān)斷用電感、電容關(guān)斷GTOGTO的點(diǎn)火電路的點(diǎn)火電路 圖2-13所示為一種用電感、電容關(guān)斷GTO的點(diǎn)火電路。 圖中GTO為主開關(guān)，在晶體管V的基極輸入脈沖電壓，低電平時，V截止，電源對電容C充電，同時觸發(fā)GTO。由于L和C組成LC諧振電路，C兩端可產(chǎn)生高于電源的電壓。脈沖電壓為高電平時，晶體管V導(dǎo)通，C放電并將其電壓加于GTO門極，使GTO迅速、可靠地關(guān)斷。R為限電流電阻，C1（0.5F）與GTO并聯(lián)，可限制G

24、TO的電壓上升率。 2.3功率晶體管功率晶體管(GTR) 雙極型功率晶體管GTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管，它是一種全控型電力電子器件，具有控制方便、開關(guān)時間短、高頻特性好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn) 。目前GTR的容量已達(dá)400 A1200 V、1000 A400 V，工作頻率可達(dá)5 kHz，模塊容量可達(dá) 1000 A1800 V，頻率為30 kHz，因此也可被用于不停電電源、中頻電源和交流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。 2.3.12.3.1 GTRGTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與普通的雙極型晶體管基本原理一樣，GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個PN結(jié)組成，有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)。如圖2-14所示 。a a）P

25、NP bPNP b）NPNNPN圖圖2-14 GTR2-14 GTR的結(jié)構(gòu)示意圖及電氣圖的結(jié)構(gòu)示意圖及電氣圖形符號形符號 GTR是電流控制型器件，常用的是NPN型，其工作在正偏（IB0）時大電流導(dǎo)通；反偏（IB0）時處于截止?fàn)顟B(tài)。在電力電子技術(shù)應(yīng)用中，GTR大多工作在功率開關(guān)狀態(tài)，對其要求與小信號晶體管有所不同，主要是：足夠的容量、適當(dāng)?shù)脑鲆妗⑤^高的開關(guān)速度和較低的功率損耗等。 目前GTR器件的結(jié)構(gòu)有單管、達(dá)林頓管和達(dá)林頓晶體管模塊三大系列。單管GTR的電流增益較低，而達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的有效方式。 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR由兩個或多個晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其類型由驅(qū)

26、動管決定。圖2-15a)表示兩個NPN晶體管組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，V1為驅(qū)動管，V2為輸出管，屬NPN型；圖2-15b)的驅(qū)動管V1為PNP晶體管，輸出管V2為NPN晶體管，故屬PNP型。 實(shí)用達(dá)林頓電路是將達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR、穩(wěn)定電阻R1、R2、加速二極管VD1和續(xù)流二極管VD2等制作在一起，如圖2-15c)所示。R1和R2提供反向電流通路，以提高復(fù)合管的溫度穩(wěn)定性；加速二極管VD1的作用是在輸入信號反向關(guān)斷GTR時，反向驅(qū)動信號經(jīng)VD1迅速加到V2基極，加速GTR關(guān)斷過程。 圖2-15 達(dá)林頓GT R a)NPN型 b）PNP型 c）實(shí)用達(dá)林頓電路2.3.2 GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)a電流放

27、大倍數(shù)b集電極最大電流ICM（最大電流額定值 c集電極最大耗散功率PCM dGTR的反向擊穿電壓 e. GTR的二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū) 在工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓逐漸增大到擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這時首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿，如圖2.16所示 GTR發(fā)生二次擊穿損壞是它在使用中最大的弱點(diǎn)。但要發(fā)生二次擊穿，必須同時具備三個條件：高電壓、大電流和持續(xù)時間。 發(fā)生一次擊穿時，只要IC不超過與最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，一般不會引起GTR的特性變壞。但如果繼續(xù)增大UCE，又不限制IC的增長，則當(dāng)IC上升到A點(diǎn)（臨界值）時會突然急劇上升，同時伴隨著UCE突然下降

28、，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線，臨界線上的點(diǎn)反映了二次擊穿功率PSB。 GTR工作時不僅不能超過最高電壓UCEM、集電極最大電流和最大耗散功率PCM ，也不能超過二次擊穿臨界線。這些限制條件就規(guī)定了GTR的安全工作區(qū)，如圖2-17中的陰影區(qū)所示。圖圖2-16 二次擊穿示意圖二次擊穿示意圖 圖圖2-17 GTR安全工作區(qū)安全工作區(qū)2.3.3 GTR的基極驅(qū)動電路的基極驅(qū)動電路1基極驅(qū)動電路 GTR基極驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。理想基極驅(qū)動電有如下功能： a）提供全程的正、反向基極電

29、流，以保證 GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷（理想的基極驅(qū)動電流波形如圖2-18所示）。b）實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。 c）具有自動保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅(qū)動信號，避免損壞GTR。 d）電路盡可能簡單，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng) 圖圖2-18 2-18 理想的基極驅(qū)動電流波理想的基極驅(qū)動電流波形形 2GTR驅(qū)動電路 GTR驅(qū)動電路的形式很多，下面分別介紹幾種，以供參考。 a）簡單的雙電源驅(qū)動電路如圖2-19所示 圖圖2-19 2-19 雙電源驅(qū)動電路雙電源驅(qū)動電路3GTR的應(yīng)用 GTR的應(yīng)用已發(fā)展到晶閘管領(lǐng)域，與一般晶閘管比較，GTR有以下應(yīng)用特點(diǎn)： a）具有自關(guān)斷能力 b）能在較高頻率

30、下工作 下面介紹幾個簡單的例子來說明GTR的應(yīng)用。 （a）直流傳動 GTR在直流傳動系統(tǒng)中的功能是直流電壓變換，即斬波調(diào)壓，如圖2-20所示。所謂斬波調(diào)壓，是利用電力電子開關(guān)器件將直流電變成另一固定或大小可調(diào)的直流電，有時又稱此為直流變換或開關(guān)型 DC/DC變換電路。 圖中VD1VD6構(gòu)成一個三相橋式整流電路，獲得一個穩(wěn)定的直流電壓。VD為續(xù)流二極管，作用是在GTR關(guān)斷時為直流電機(jī)提供電流，保證直流電機(jī)的電樞電流連續(xù)。通過改變GTR的基極輸入脈沖的占空比來控制GTR的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，在直流電機(jī)上就可獲得電壓可調(diào)的直流電。圖圖2-20 直流斬波調(diào)速直流斬波調(diào)速2.4 功率場效晶體管功率場效晶體管

31、( MOSFET) 功率場效應(yīng)晶體管，有時也被稱為功率MOSFET。它是用柵極電壓來控制漏極電流的電 壓控制型器件，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，它是采用場效應(yīng)機(jī)理控制器件導(dǎo)通或關(guān)斷的。 2.4.1 功率功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) MOSFT的種類和結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電流道可分為P溝道和N溝道。 圖圖2-21a所示為N溝道MOSFET的基本結(jié)構(gòu)示意圖，功率MOSFET的電氣圖形符號如圖2-21b所示，3個引線端分別稱為源極S、漏極D、柵板G。 電力MOSFET在導(dǎo)通時，只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，從源極S流向漏極 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)

32、構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號圖圖2-21 MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的基本結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號MOSFET主要有以下特點(diǎn)：a. 開關(guān)頻率高開關(guān)頻率高 b. 輸入阻抗高輸入阻抗高c. 驅(qū)動電路簡單驅(qū)動電路簡單2.4.2 電力場效晶體管的主要參數(shù)電力場效晶體管的主要參數(shù)a漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓UDSb柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓UGSc漏極連續(xù)電流漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流和漏極峰值電流IDM2.4.3使用功率場效晶體管的注意事項(xiàng)使用功率場效晶體管的注意事項(xiàng)a. MOSFET器件的存放和運(yùn)輸需要有防靜電裝置。 b. MOSFET的柵極絕對不能開路工作 。c. 對于電感性負(fù)

33、載，在起動和停止時，由于產(chǎn)生感生電壓，會發(fā)生過電壓或過電流而損壞MOSFET，因此要有防護(hù)措施 2.5 絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 絕緣柵雙極型晶體管,簡稱 IGBT，它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，目前，IGBT已經(jīng)成為中小功率電力電子設(shè)備或裝置的主導(dǎo)器件。 IGBT的結(jié)構(gòu)是在 MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善，相當(dāng)于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)雙極型電力晶體管GTR，如圖2-22所示，其簡化等效電路如圖2-23所示，電氣符號如圖2-24所示。IGBT有三個電極，分別是集

34、電極C、發(fā)射極E和柵極G。2.5.1絕緣柵雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)圖圖2-22 IGBT基本結(jié)構(gòu)示意圖基本結(jié)構(gòu)示意圖 圖圖2-23 IGBT等效電路等效電路 圖圖2-24 IGBT符號符號2.5.2絕緣柵雙極晶體管的主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管的主要參數(shù)a 集射極額定電壓UCESb. 柵射極額定電壓UGE c 柵射極開啟電壓UGE（th） d. 集電極額定電流IC e 集射極飽和電壓UCEO f 集電極功耗PCM2.5.3 IGBT的柵極驅(qū)動電路及其保護(hù)的柵極驅(qū)動電路及其保護(hù)a柵極驅(qū)動電路 IGBT與GTR相比的優(yōu)點(diǎn)是：IGBT的開關(guān)頻率比GTR的開關(guān)頻率提高了一個數(shù)量級，I

35、GBT的驅(qū)動功率要比GTR的驅(qū)動功率小得多。bIGBT的保護(hù) IGBT作為一種大功率電力電子器件常用于大電流、高電壓的場合，因此對其采取保護(hù)措施以防器件損壞就顯得非常重要。 2.6智能功率模塊智能功率模塊(IPM) 智能功率模塊(IPM)是特大功率的開關(guān)器件，它集驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路以至微機(jī)接口電路于一個模塊內(nèi)，它是繼電力晶閘管(STR)、功率晶體管(GTR)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)后的第三代電力電子器件。2.6.1眢能功率模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)眢能功率模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn) IPM內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。通常，大功率IPM采用陶瓷絕緣和銅骨架連接結(jié)構(gòu)。IPM有四種功率電路結(jié)構(gòu)類型，分別是單管

36、、雙管、6管和7管型 智能電力模塊由于集多種功能于一身，其主要特點(diǎn)如下：a.用IGBT集成的模塊稱為IPM模塊。在IPM模塊內(nèi)有電流傳感器，可檢測過電流及短路電流。b.驅(qū)動回路和保護(hù)回路等集成化 c.模塊內(nèi)帶有過流、短路、欠壓和過熱等保護(hù)功能。若某種保護(hù)功能動作，則向外發(fā)出保護(hù)信號。同時，輸出端變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。d.不需要如同MOSFET的防靜電措施 2.6.2智能功率模塊的功能智能功率模塊的功能 a. IPM具有多種保護(hù)功能，如圖2-26所示。其主要保護(hù)功能有 a. SC短路保護(hù)，其中RTC為實(shí)時控制電路。b. UV電源欠壓連鎖保護(hù)。c. DriveIGBT的柵極驅(qū)動電路 。d. OC過電流保護(hù)

37、電路 。e. 0T過熱保護(hù)電路，其中TS為溫度傳感器。圖圖2-25 IPM內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖圖2-26 IPM的保護(hù)功能的保護(hù)功能 IPM內(nèi)部有欠電壓保護(hù)，當(dāng)電源電壓小于規(guī)定值時發(fā)揮其保護(hù)功能 。 IPM有過熱保護(hù)電路，可防止IGBT和續(xù)流二極管過熱 。b智能功率模塊的優(yōu)點(diǎn)智能功率模塊的優(yōu)點(diǎn) IPM把功率開關(guān)器件與驅(qū)動電路集成在一起，IPM就是IGBT芯片、驅(qū)動器、全面的傳感保護(hù)以及自動識別系統(tǒng)的集合。在變頻器中相對成為一個小的獨(dú)立系統(tǒng)。這個系統(tǒng)所能完成的功能相當(dāng)于一個功率變換核心所做的全部工作。 由于IPM工作頻率高，電流、電壓容量都很大，所以IPM正以強(qiáng)大的功能和較高的可靠性贏得越

38、來越廣泛的市場。第第3章章 變頻器的工作原理及控制方式變頻器的工作原理及控制方式學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解PWM技術(shù) 。2.熟悉通用變頻器結(jié)構(gòu)及基本技術(shù)指標(biāo)。3.掌握變頻器主電路及工作原理，了解控制電路的作用。4.熟悉變頻器的控制方式和應(yīng)用。3.1 變頻調(diào)速原理及變頻器的分類變頻調(diào)速原理及變頻器的分類3.1.1變頻調(diào)速基本原理變頻調(diào)速基本原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為)-1 (60)-1 (10spfsnn （3-1） 式中n0為異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速；f1為定子供電頻率；p為電動機(jī)的極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。 由此可見，若連續(xù)改變異步電動機(jī)的供電頻率f1，就可以平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)

39、速及電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)第異步電動機(jī)的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。 變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速范圍大、調(diào)速平滑、機(jī)械特性較硬、效率高。高性能的異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。變頻調(diào)速是近代交流調(diào)速發(fā)展的主要方向之一。3.1.2 變頻器分類變頻器分類 異步電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式頻率變換器，一般稱為變頻器。 變頻器實(shí)際上就是一個逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笥秒娮釉χ绷麟娺M(jìn)行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。一般分為

40、整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 變頻器按變換方式可分兩大類，即交交變頻器和交直交變頻器。a.交一交變頻器交一交變頻器 交-交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變流電路，交一交變頻電路也叫周波變流器(cyclo converter)。其特點(diǎn)為: (a) 因?yàn)槭侵苯幼儞Q，故比一般的變頻器有更高的效率; (b)變頻器按電網(wǎng)電壓過零自然換相，可采用變通晶閘管 (c)因電路構(gòu)成方式的特點(diǎn)，所用晶閘管元件數(shù)量較多； (d)功率因數(shù)較低，特別在低速運(yùn)行時更低，需要適當(dāng)補(bǔ)償。圖圖3-1單相交單相交-交變頻器主電路原理示意圖交變頻器主電路原理示意圖

41、由圖中可以看出，控制正組橋和反組橋交替地導(dǎo)通，在負(fù)載上就可以產(chǎn)生新的電壓和頻率的交流電。因?yàn)闆]有中間直流環(huán)節(jié)，所以，能量轉(zhuǎn)換效率高 。 交交變頻器可分為方波型交交變頻器和正弦波型交一交變頻器兩種。b.交直交變頻器的組成交直交變頻器的組成 交直交變頻器是先將電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過整流器變換成直流電，再經(jīng)過逆變器變換成電壓和頻率任意可調(diào)的交流電。 交交直交變頻器由：主電路和控制電路組成。主電路包括整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器，其基本組成如圖3-2所示 圖圖3-2 交交-直直-交變頻器的基本組成交變頻器的基本組成3.2 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制接術(shù)（脈沖寬度調(diào)制）控制接術(shù) 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文

42、“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。 脈脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到

43、200kHz之間。將PWM控制技術(shù)應(yīng)用于逆變電路，可以使逆變器輸出變壓變頻的交流電壓 。3.2.1 PWM原理原理 目前目前，應(yīng)用較普遍的變頻調(diào)速系統(tǒng)是恒幅脈寬調(diào)制變頻電路。三相或單相交流電壓經(jīng)整流器整流濾波后得到直流電壓，將這個恒定的直流電壓輸入逆變器，調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻的雙重任務(wù)。 圖3-3所示為單相逆變電路，其實(shí)質(zhì)是直流斬渡器，電路以IGBT為逆變管。通過控制逆變管VT1、VT4和VT2、VT3的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時間，達(dá)到控制逆變器的輸出波形與頻率的目的。圖3-4所示為單相逆變器輸出波形。 圖圖3-3 單相逆變電路單相逆變電路圖圖3-4 單相逆變器輸出波形單相逆

44、變器輸出波形3.2.2 SPWM調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) PWM技術(shù)源于無線電中的載波調(diào)制技術(shù)。在交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速中，通常采用正弦波脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal PWM)技術(shù)，簡稱SPWM技術(shù)。在PWM技術(shù)中，如果脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布，則為正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)。從脈寬調(diào)制的極性來看，有單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方法。a單極性調(diào)制原理單極性調(diào)制原理 三三角波單極性調(diào)制SPWM原理如圖3-5所示。以正弦波usi作為參考調(diào)制信號，用三角波uti作為載波信號。如果正弦波信號和三角波信號都是正極性信號，稱為單極性SPWM調(diào)制。圖3-5中，在比較器A的“+”端輸入正弦波參考調(diào)

45、制信號電壓usi在A的“一”端輸入三角波載頻信號電壓Utio當(dāng)Usi Uti時，電壓比較器A輸出高電平。當(dāng)Usi Uti時，電壓比較器A輸出低電平。在電壓比較器A輸出端就得到了SPWM電壓脈沖序列。在SPWM脈沖序列中，各脈沖的幅度相等，而脈沖寬度不等。圖圖3-5 三角波單極性調(diào)制三角波單極性調(diào)制SPWM原理原理 圖圖3-6所示為單極性調(diào)制波形。由圖3-6可知，脈沖寬度也就是開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷時間，它取決于兩個比較電壓usi和uti的交叉點(diǎn)及交叉點(diǎn)之間的距離（時間）。在這個序列脈沖中，占空比是按正弦規(guī)律變化的。所以脈沖序列的瞬時電壓平均值也是正弦規(guī)律。只有采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，才能在較短的時間內(nèi)，

46、計(jì)算出正弦波與三角波的所有的交叉點(diǎn)，并且使逆變器的功率開關(guān)器件按各交叉點(diǎn)所規(guī)定的時刻有序?qū)ɑ蜿P(guān)斷。 圖圖3-6 單極性單極性SPWM波形波形b雙極性調(diào)制原理雙極性調(diào)制原理 正弦波參考調(diào)制信號和三角波載波信號均為正、負(fù)極性信號，稱為雙極性SPWM調(diào)制，其波形如圖3.7所示。雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制原理基本相同。雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓的規(guī)律交替導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過負(fù)載的電流則是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 SPWM逆變電路輸出的交流電壓和頻率，均可由調(diào)制波參考信號來控制。改變參考信號的電壓大小，即可以改變逆變器輸出的電壓大小 。圖圖3-7 雙極性雙

47、極性SPWM波形波形3.3變頻器主電路變頻器主電路 不同的交直交變頻器內(nèi)部主電路基本相同。在變頻調(diào)速過程中出現(xiàn)的許多問題，都可以通過對主電路進(jìn)行檢修分析得到解決。因此，熟悉和掌握主電路的各部分結(jié)構(gòu)與原理，對于變頻器使用者來說，具有十分重要的意義。 3.3.1交直變換環(huán)節(jié)交直變換環(huán)節(jié) 交直變換環(huán)節(jié)就是整流濾波電路。其任務(wù)是將工頻電源的三相或單相交流電變換成穩(wěn)、恒的直流電。交直變換環(huán)節(jié)電路如圖3-8所示。a整流電路整流電路 圖3-8中VD1VD6組成了三相橋式不可控全波整流電路。通常小功率變頻器多采用單相220 V整流。大功率變頻器通常采用380 V整流。當(dāng)輸入交流電壓為380 V時，整流后的脈動

48、直流峰值電壓可達(dá)537 V，平均電壓可達(dá)515 V b濾波電路濾波電路 整流電路輸出的是脈動直流電壓。要想得到穩(wěn)、恒的直流電壓，必須加以濾波。CF1和CF2為濾波電容。濾渡電路的作用是濾除整流后的電壓紋波。還具有在整流器和逆變器之間的去耦作用，消除相互干擾。c電源指示電路電源指示電路 HL為電源指示燈，RH為指示燈的限流電阻。指示燈除了顯示變頻器電源是否接通外，還有一個重要功能，就是當(dāng)變頻器切斷電源后，用來表示濾波電容CF1和CF2上的電荷是否已經(jīng)放電完畢。 3.3.2中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié) 中間直流環(huán)節(jié)采用大 容量電感器作為緩沖元件，負(fù)載為異步電動機(jī)時，輸出電壓波形近似正弦，且輸出電流波形

49、為矩形波，這種變頻器稱為電流型變頻器，如圖9(b)所示。3.3.3直交變換環(huán)節(jié)直交變換環(huán)節(jié) 直交變換環(huán)節(jié)即逆變電路，其功能是將直流電逆變成電壓和頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電，直交變換環(huán)節(jié)電路如圖3-10所示。a.三相逆變橋電路三相逆變橋電路 三相逆變橋原理電路如圖311所示。圖中VT1VT6以IGBT為逆變管，組成三相橋式逆變電路，把VD1VD6整流的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，這是變頻器的核心部分。其工作原理與單相逆變電路的工作原理相同，只是輸出三相交流電相位互差T3，U相超前V相T/3、V相超前W相T/3 、W相超前U相T/3，各逆變管在SPWM信號的控制下變替導(dǎo)通與截止 圖3 -12所示為三相逆變橋

50、控制電路框圖。一組三相對稱正弦調(diào)制波信號Usiu、Usiv、Usiw由正弦波信號發(fā)生器提供，其頻率大小決定逆變橋輸出的基波頻率，在所要求的頻率范圍內(nèi)可調(diào)；幅值可在一定范圍內(nèi)變化，以決定逆變橋輸出電壓的大小。三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生的三角形載波信號是共用的，分別與每相正弦波信號相比較，產(chǎn)生SPWM信號Udu、UdV、UdW，以驅(qū)動逆變管VT1- VT6。b續(xù)流電路續(xù)流電路 圖310中，由二極管VD7- VD12構(gòu)成續(xù)流電路，其作用有三： 一是當(dāng)電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時，再生電流將通過續(xù)流二極管回饋到直流電源； 二是由于電動機(jī)是感性負(fù)載，功率因數(shù)必然小于l，因此，電流中存在無功分量，續(xù)流二極管為無功分

51、量的回饋提供通道； 三是為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供必要的通道。c緩沖電路緩沖電路 圖3 -13所示是具有代表性的緩沖電路。圖中C01-C06、R01-R06及VD01VD06構(gòu)成了緩沖電路。其主要功能是：1. 逆變管在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間，由電阻、電容和二極管組成的緩沖電路;2. 減緩電流和電壓的變化對逆變管的沖擊，從而保護(hù)逆變管安全工作。其電路具體分析如下： (a)電容C01-C06的作用(b)電阻R01-R06的作用(c)二極管VD01VD06的作用d制動單元制動單元 在變在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)的降速和停車是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的 。電動機(jī)的再生電能將通過如圖3 -13所示中

52、的續(xù)流二極管VD7VD12進(jìn)行全波整流回饋到直流電路。與此同時，電動機(jī)中的無功分量也要通過續(xù)流二極管VD7VD12回饋到直流電路。能耗制動電路由圖3 -14所示中的制動電阻RB和制動單元VB組成。制動電阻RB的作用是消耗直流電路中多余的電能。制動單元中的開關(guān)器件VB的作用是提供放電通路,當(dāng)直流電壓超過一定限值時，VB導(dǎo)通，使直流回路通過RB消耗電能，降低直流電壓。當(dāng)直流電壓在正常范圍內(nèi)時，在正常范圍內(nèi)時，VB將可靠地截止將可靠地截止。 d主電路主電路 將上述分析的各環(huán)節(jié)電路組合在一起，即為變頻器的主電路，如圖3 - 14所示。 3.4變頻器的控制電路變頻器的控制電路 變頻器采用微機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控

53、制，整個控制由軟件來實(shí)現(xiàn)。在變頻器中，全部控制電路裝配在同一塊電路板上，是變頻器的核心部件之一。3.4.1控制電路的組成及端子控制電路的組成及端子 圖3-15所示為變頻器控制電路原理框圖?？刂齐娐芬晕C(jī)為核心，基本構(gòu)成如下：a. 控制電源控制電源b微機(jī)控制單元微機(jī)控制單元; 其主要功能是：處理外部控其主要功能是：處理外部控制信號、內(nèi)部檢測信號和用戶對變頻器的設(shè)定制信號、內(nèi)部檢測信號和用戶對變頻器的設(shè)定信號，實(shí)現(xiàn)對變頻器的各種控制。信號，實(shí)現(xiàn)對變頻器的各種控制。c檢測電路檢測電路d驅(qū)動電路驅(qū)動電路e保護(hù)及報(bào)警電路保護(hù)及報(bào)警電路f操作面板操作面板g主電路端子主電路端子h控制信號端子控制信號端子3.

54、4.2控制電路的作用控制電路的作用a接收信號接收信號b進(jìn)行各種運(yùn)算進(jìn)行各種運(yùn)算c輸出各種運(yùn)算結(jié)果輸出各種運(yùn)算結(jié)果3.5變頻器對異步電動機(jī)的控制方式變頻器對異步電動機(jī)的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交-直-交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。3.5.1 V/F控制方式控制方式a. V/F控制原理控制原理 由公式n1= 60f1/p可知，當(dāng)電機(jī)極對數(shù)不變時，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和頻率成正比，若連續(xù)改變頻率就可以連續(xù)改變同步轉(zhuǎn)速，從而連續(xù)平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 根據(jù)電機(jī)理論，在忽略定子繞組阻抗壓降時，交流異步電動機(jī)每相繞

55、組感應(yīng)電動勢的有效值為 由式由式(3-3)和式(3-4)可知，當(dāng)定子繞組中感應(yīng)電動勢的有效值E不變時，如果改變交流電的頻率，必然導(dǎo)致電動機(jī)主磁通M的變化，使電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM發(fā)生改變。這樣也就影響了電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速指標(biāo)。 由式(3-3)可知，若保持電動機(jī)的主磁通M不變，在改變交流電源頻率的同時，還必須改變電壓U，保持U/比值不變，從而保證在調(diào)速范圍內(nèi)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM不變。所以，這種方式稱為V/F控制，即可調(diào)電壓可調(diào)頻率（Variable Voltage Variable Frequency VVVF），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（3 變頻調(diào)速是以交流電源頻率（異步電動機(jī)額定頻率）N50 Hz為基

56、本頻率，簡稱基頻,其所對應(yīng)的電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為基速?；绢l率的U/曲線如圖3-16所示。圖圖3-16 基本頻率的基本頻率的U/曲線曲線b.變頻調(diào)速的機(jī)械特性變頻調(diào)速的機(jī)械特性a）基頻以下調(diào)速）基頻以下調(diào)速 b）基頻以上調(diào)速）基頻以上調(diào)速 機(jī)械特性如圖318所示。功率表達(dá)式為（3-6）式中：PM異步電動機(jī)的功率，單位kW。 c）電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速控制）電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速控制 V/F控制方式是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無速度傳感器，控制電路簡單，適用于標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，具有通用性好、性能價格比高等優(yōu)點(diǎn)。但是，對于調(diào)速精度要求較高和負(fù)載變動較大的場合.V/F控制方式就存在以下問題：1.異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率s的存在,則無法準(zhǔn)確控

57、制電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 2.在對靜態(tài)指標(biāo)與動態(tài)指標(biāo)要求較高時必須采用新的控制方式，即矢量控制方式，以滿足生產(chǎn)工藝的機(jī)械特性和調(diào)速要求。3.5.2矢量控制方式矢量控制方式(VC ) 交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速也能通過控制兩個相互垂直的直流磁場來進(jìn)行調(diào)節(jié)。a.直流電動機(jī)調(diào)速特征直流電動機(jī)調(diào)速特征 直流電動機(jī)具有兩套繞組，即勵磁繞組和電樞繞組。 a）在圖3-19中，磁場繞組的勵磁電流I0產(chǎn)生磁場，其磁通稱為勵磁磁通（主磁通）M。電樞電流IA流過電樞產(chǎn)生磁場，其磁通稱為電樞磁通A。勵磁磁通M和電樞磁通A在空間上是相互垂直互垂直的的。b）兩個電路各自獨(dú)立）兩個電路各自獨(dú)立 直流達(dá)到等效電路如圖3-20所示。產(chǎn)生主磁通的勵磁電路和提供轉(zhuǎn)子電流的電樞電路由各自電源供電（也可以是并聯(lián)）。 b.交流電動機(jī)調(diào)速特征交流電動機(jī)調(diào)速特征c.矢量控制方式基本思想矢量控制方式基本思想d.矢量控制方式原理矢量控制方式原理 既然三相