變頻器的組成及其設計

1、l山東大學山東大學 控制科學與工程學院控制科學與工程學院 變頻器的設計是一個綜合運用多學科知變頻器的設計是一個綜合運用多學科知識、解決系統(tǒng)性能指標及可靠性問題的過程，識、解決系統(tǒng)性能指標及可靠性問題的過程，涉及的知識面較廣。其設計理論涉及電機學、涉及的知識面較廣。其設計理論涉及電機學、計算機技術(shù)、測試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電計算機技術(shù)、測試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電子技術(shù)、自動控制理論、檢測技術(shù)、熱力學、子技術(shù)、自動控制理論、檢測技術(shù)、熱力學、機械結(jié)構(gòu)設計等多個學科。因此它的設計也機械結(jié)構(gòu)設計等多個學科。因此它的設計也是一個復雜的系統(tǒng)工程問題。是一個復雜的系統(tǒng)工程問題。 本章提要本章提要交交-直直-

2、交交PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用變頻器的基本結(jié)構(gòu)及作用 變頻器常用電力電子開關(guān)器件變頻器常用電力電子開關(guān)器件 開關(guān)管緩沖電路設計開關(guān)管緩沖電路設計 變頻器設計方法變頻器設計方法 變頻器散熱系統(tǒng)設計變頻器散熱系統(tǒng)設計 變頻器的類型也很多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也變頻器的類型也很多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各有不同。本節(jié)將以電壓型通用變頻器為各有不同。本節(jié)將以電壓型通用變頻器為例，介紹一下變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及各部例，介紹一下變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及各部分的功能和作用。分的功能和作用。 交交-直直-交交PWM變頻器都具有類似圖變頻器都具有類似圖4-1所示的基本結(jié)構(gòu)。所示的基本結(jié)構(gòu)。 變頻器的主電路是功率變換的執(zhí)行機構(gòu)，相變頻器

3、的主電路是功率變換的執(zhí)行機構(gòu)，相當于是負責承重和出力的當于是負責承重和出力的“骨骼和肌肉骨骼和肌肉”。 變頻器的主電路變頻器的主電路整流電路整流電路直流濾波電路直流濾波電路逆變電路逆變電路輔助電路輔助電路阻容吸收電路，用作阻容吸收電路，用作過壓保護，吸收操作過過壓保護，吸收操作過電壓和浪涌電壓。電壓和浪涌電壓。 交流輸入側(cè)并聯(lián)交流輸入側(cè)并聯(lián)RC阻容吸收電路（星接或角阻容吸收電路（星接或角接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來自三相電網(wǎng)接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來自三相電網(wǎng)的浪涌電壓。的浪涌電壓。 小功率（小功率（10kVA以下）變頻器的整流電路通以下）變頻器的整流電路通常只用一個六單元整流模塊組成，幾十

4、常只用一個六單元整流模塊組成，幾十kVA的變頻器通常用三個兩單元二極管模塊組的變頻器通常用三個兩單元二極管模塊組成整流電路，上百成整流電路，上百kVA的變頻器通常用多組的變頻器通常用多組兩單元二極管模塊并聯(lián)組成電路。如兩單元二極管模塊并聯(lián)組成電路。如Fuji公公司生產(chǎn)的司生產(chǎn)的FRN110G11-4CE型型160kVA變頻器變頻器整流電路由九個兩單元二極管模塊整流電路由九個兩單元二極管模塊DD100HB160組成，每一個橋臂由三個模塊組成，每一個橋臂由三個模塊并聯(lián)而成。并聯(lián)而成。 在通用變頻器中整流電路常常采用全橋式二極管在通用變頻器中整流電路常常采用全橋式二極管不控整流電路。不控整流電路。

5、濾波元件：一般用大容量鋁電解電容。濾波元件：一般用大容量鋁電解電容。 如如Fuji公司的公司的FRN110G11-4CE型變頻器的濾波型變頻器的濾波回路由六只回路由六只400V/1000F電解電容三三并聯(lián)后再電解電容三三并聯(lián)后再串聯(lián)組成。串聯(lián)組成。作用：作用：首先是對整流器輸出電壓濾波。首先是對整流器輸出電壓濾波。 其次是吸收來自逆變電路由于元件換向或負其次是吸收來自逆變電路由于元件換向或負載變化等原因而產(chǎn)生的紋波電壓和電流載變化等原因而產(chǎn)生的紋波電壓和電流。逆變部分可采用逆變部分可采用SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IPM、IGCT等器件。等器件。緩沖電路：與逆變電路的功率開

6、關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收緩沖電路：與逆變電路的功率開關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收元件關(guān)斷時的關(guān)斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電元件關(guān)斷時的關(guān)斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電容、二極管組成。容、二極管組成。 快速熔斷器，它只能直接保護由二極管或晶閘管組成的快速熔斷器，它只能直接保護由二極管或晶閘管組成的整流模塊，而對由整流模塊，而對由MOSFETMOSFET或或IGBTIGBT等全控型器件組成的逆等全控型器件組成的逆變電路沒有直接保護作用。變電路沒有直接保護作用。 變頻調(diào)速異步電動機的制動控制：可以通變頻調(diào)速異步電動機的制動控制：可以通過降低變頻器輸出頻率來降低電動機的同步轉(zhuǎn)過降低變頻器輸出頻率來降低電

7、動機的同步轉(zhuǎn)速，達到使電動機減速的目的。速，達到使電動機減速的目的。 在電動機的減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速往在電動機的減速過程中，由于同步轉(zhuǎn)速往往會低于電動機的實際轉(zhuǎn)速，這時異步電動機往會低于電動機的實際轉(zhuǎn)速，這時異步電動機便成為異步發(fā)電機，負載機械和電動機所具有便成為異步發(fā)電機，負載機械和電動機所具有的機械能量被饋還給電動機，并在電動機中產(chǎn)的機械能量被饋還給電動機，并在電動機中產(chǎn)生制動力矩。生制動力矩。 制動電路制動電路l容量大于容量大于18kVA的變頻器：不再內(nèi)裝制動單元的變頻器：不再內(nèi)裝制動單元和制動電阻，需要時必須外接和制動電阻，需要時必須外接制動單元和制動制動單元和制動電阻電阻，利用，

8、利用電阻和開關(guān)器件電阻和開關(guān)器件組成放電回路。組成放電回路。小容量（小容量（0.57-13kVA）變頻器；一般內(nèi)裝）變頻器；一般內(nèi)裝制動制動單元和制動電阻單元和制動電阻。如果內(nèi)裝制動電阻的熱容量。如果內(nèi)裝制動電阻的熱容量不夠，則需要再外加制動電阻。不夠，則需要再外加制動電阻。l對于大、中容量的電壓型變頻器來說，為了節(jié)對于大、中容量的電壓型變頻器來說，為了節(jié)約能源，一般采用約能源，一般采用能量回饋有源逆變裝置能量回饋有源逆變裝置將能量將能量饋還給供電電源。饋還給供電電源。 圖4-2 電壓型通用變頻器控制電路的功能框圖RST保護電路變頻器保護電動機保護驅(qū)動系統(tǒng)保護操作顯示電路運行操作參數(shù)設置運行狀

9、態(tài)顯示故障顯示整流電路逆變電路濾波電路控制電路FUSEC1C2R1R2UVW速度傳感器電動機R0檢測電路電流檢測電壓檢測速度檢測主控制電路輸入信號處理 頻率（速度）指令 運行/停止信號加減速速率調(diào)節(jié)電動機控制運算V/f，轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)矩電流、勵磁電流PWM波形基極（門極）驅(qū)動電路電壓、電流信號放大絕緣波形整形電源主電路電壓檢測電流檢測運行操作運行指令頻率指令J 主控制電路的核心是一主控制電路的核心是一個高性能的微處理器，并配個高性能的微處理器，并配以以EPROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的輔助電路。芯片和其它必要的輔助電路。主控制電路的硬件相當于變主控制電路的硬件相當于變頻器的頻器的“大腦大

10、腦”，控制策略，控制策略和軟件則相當于變頻器的和軟件則相當于變頻器的“靈魂靈魂”。功能：功能：輸入信號處理輸入信號處理加減速速率調(diào)節(jié)加減速速率調(diào)節(jié)電機控制運算電機控制運算PWM波形的生成波形的生成 變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡接口，具有與其他設備通信的能力。變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡接口，具有與其他設備通信的能力。 l保護電路是變頻器安全可靠運行的保護電路是變頻器安全可靠運行的“生命線生命線”，其主要作用是根據(jù)檢測電路得到的各種信號來判其主要作用是根據(jù)檢測電路得到的各種信號來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否異常。斷變頻器本身或系統(tǒng)是否異常。 瞬時過電流保護瞬時過電流保護 變頻器輸出電流過大，有可能超過主電路開關(guān)

11、變頻器輸出電流過大，有可能超過主電路開關(guān)器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開關(guān)器件并停止器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開關(guān)器件并停止輸出。過電流保護的電流峰值通常設為變頻器輸出。過電流保護的電流峰值通常設為變頻器額定電流的額定電流的200% 200% 與瞬時過電流保護是兩個相關(guān)而又完全不同的概念與瞬時過電流保護是兩個相關(guān)而又完全不同的概念 。過載保護是逆變器輸出電流超過額定值且維持流通過載保護是逆變器輸出電流超過額定值且維持流通達規(guī)定的時間，即達規(guī)定的時間，即“時間長，過電流幅值小時間長，過電流幅值小”，體，體現(xiàn)發(fā)熱的概念；過電流保護是現(xiàn)發(fā)熱的概念；過電流保護是“瞬間電流幅值大瞬間電流幅值大”，體現(xiàn)過電流

12、峰值而沒有時間的概念。體現(xiàn)過電流峰值而沒有時間的概念。 對地短路保護對地短路保護 過載保護（電子熱繼電器）過載保護（電子熱繼電器） 當檢測出變頻器輸出電路對地短路（如電機繞組絕緣受當檢測出變頻器輸出電路對地短路（如電機繞組絕緣受損），并且短路電流超過變頻器額定輸出電流的損），并且短路電流超過變頻器額定輸出電流的50時，時，該保護功能將起作用，停止變頻器的輸出。該保護功能將起作用，停止變頻器的輸出。 過電壓保護過電壓保護 若變頻器直流側(cè)電壓超過一定值，有可能若變頻器直流側(cè)電壓超過一定值，有可能擊穿濾波電容或電力半導體器件，嚴重時甚擊穿濾波電容或電力半導體器件，嚴重時甚至可能殃及變頻器周圍設備和操

13、作人員。過至可能殃及變頻器周圍設備和操作人員。過電壓保護和過電流保護有相似之處，需要根電壓保護和過電流保護有相似之處，需要根據(jù)過電壓的程度分別處理。據(jù)過電壓的程度分別處理。 當減速時間設置過短時，容易發(fā)生過電壓當減速時間設置過短時，容易發(fā)生過電壓保護，可以適當延長制動時間避免大慣量負保護，可以適當延長制動時間避免大慣量負載制動時可能出現(xiàn)的過電壓。載制動時可能出現(xiàn)的過電壓。 當變頻器的供電電壓降低時，直流中間電當變頻器的供電電壓降低時，直流中間電路的電壓將會下降，從而使變頻器輸出電壓過路的電壓將會下降，從而使變頻器輸出電壓過低，并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱。而低，并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足和過熱

14、。而欠欠電壓保護功能的作用就是，在檢測到直流中間電壓保護功能的作用就是，在檢測到直流中間電路的電壓過低時使變頻器停止工作。電路的電壓過低時使變頻器停止工作。 欠電壓保護欠電壓保護 （6）散熱器過熱保護 熱敏繼電器將動作，使變頻器停止工作或給出警報信號。（7 7）控制電路異常保護）控制電路異常保護 當變頻器在自檢過程中或工作過程中檢測到控制電當變頻器在自檢過程中或工作過程中檢測到控制電路異常，保護電路將起作用，并停止變頻器輸出，路異常，保護電路將起作用，并停止變頻器輸出，以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來更大的破壞。以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來更大的破壞。直流電壓檢測電路直流電壓檢測電路電流檢測電

15、路電流檢測電路輸出電壓檢測電路輸出電壓檢測電路 輸出電流檢測電路輸出電流檢測電路溫度檢測電路溫度檢測電路 速度檢測電路速度檢測電路 霍爾元件霍爾元件 光電編碼器光電編碼器檢測電路相當于是變頻器的檢測電路相當于是變頻器的“視覺和觸覺視覺和觸覺”。 （1）控制指令輸入電路）控制指令輸入電路（2）頻率指令輸入電路）頻率指令輸入電路（3）監(jiān)控信號輸出電路）監(jiān)控信號輸出電路（4）網(wǎng)絡通訊接口電路）網(wǎng)絡通訊接口電路數(shù)字操作面板的作用主要數(shù)字操作面板的作用主要是給用戶提供一個良好的是給用戶提供一個良好的人機界面人機界面 ，使變頻器及控，使變頻器及控制系統(tǒng)的操作和故障檢測制系統(tǒng)的操作和故障檢測等工作變得更加簡

16、單。等工作變得更加簡單。 驅(qū)動電路是驅(qū)動主電路開驅(qū)動電路是驅(qū)動主電路開關(guān)元件的電路，它是控制電路關(guān)元件的電路，它是控制電路與主電路聯(lián)系的與主電路聯(lián)系的“橋梁和媒橋梁和媒介介”。它將控制電路送往主電。它將控制電路送往主電路開關(guān)元件的驅(qū)動信號放大、路開關(guān)元件的驅(qū)動信號放大、隔離后，控制主電路開關(guān)元件隔離后，控制主電路開關(guān)元件的通斷。的通斷。 l信號隔離是個關(guān)鍵問題，隔離的手段主要有三種：信號隔離是個關(guān)鍵問題，隔離的手段主要有三種：傳統(tǒng)的電力電子器件的驅(qū)動方法是傳統(tǒng)的電力電子器件的驅(qū)動方法是采用脈沖變壓器，但是脈沖變壓器采用脈沖變壓器，但是脈沖變壓器存在一定的漏感，使輸出脈沖陡度存在一定的漏感，使輸

17、出脈沖陡度受到限制。受到限制。 高性能的數(shù)字光耦抗共模干擾能力極高性能的數(shù)字光耦抗共模干擾能力極強，可以有效地抑制來自功率電路的強，可以有效地抑制來自功率電路的干擾信號。其次，光耦的隔離電壓很干擾信號。其次，光耦的隔離電壓很高。高。 l脈沖變壓器脈沖變壓器l光電耦合器光電耦合器光纖光纖在高壓變頻器中使用在高壓變頻器中使用l控制電源是控制電路和驅(qū)動電路的控制電源是控制電路和驅(qū)動電路的“心臟心臟”，為控制電路和驅(qū)動電路提供能源，因而是變頻為控制電路和驅(qū)動電路提供能源，因而是變頻器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 l線性電源線性電源l指用于電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的指用于電壓調(diào)整

18、功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的一種直流穩(wěn)壓電源。一種直流穩(wěn)壓電源。 l開關(guān)電源開關(guān)電源l利用高頻開關(guān)器件并通過變換技術(shù)而制成的高頻開關(guān)利用高頻開關(guān)器件并通過變換技術(shù)而制成的高頻開關(guān)直流電源，簡稱開關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件直流電源，簡稱開關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作。始終以開關(guān)方式工作。 四、控制電源四、控制電源 lIGBTlIGCT IGBT（IPM）已經(jīng)全面取代了）已經(jīng)全面取代了GTR成為通成為通用變頻器逆變電路的主流開關(guān)器件，而綜合了用變頻器逆變電路的主流開關(guān)器件，而綜合了IGBT和和GTO優(yōu)點的優(yōu)點的IGCT則在與則在與IGBT在高壓在高壓領(lǐng)域的競爭中占了上風

19、。領(lǐng)域的競爭中占了上風。 具有工作速度快、輸入阻抗高、具有工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點的優(yōu)點，又包含了，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點。高等多項優(yōu)點。 智能型智能型IGBT功率模塊功率模塊IPM，內(nèi)部集成了驅(qū)，內(nèi)部集成了驅(qū)動和保護電路，使用更方便、體積更小、可靠動和保護電路，使用更方便、體積更小、可靠性更高。性更高。 1） 驅(qū)動參數(shù)要求驅(qū)動參數(shù)要求 IGBT的柵電容較大，所以要提高其開關(guān)速度，就的柵電容較大，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯(lián)電阻。要有合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯(lián)電阻。 （1）柵極電

20、壓）柵極電壓 任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為過參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），最佳柵極正向），最佳柵極正向偏置電壓為偏置電壓為15V10。 雖然柵極電壓為零就可使雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態(tài)，但處于截止狀態(tài)，但為了減小關(guān)斷時間，提高為了減小關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓、的耐壓、dv/dt耐量和抗耐量和抗干擾能力，一般在使干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極加一個加一個-5V-15V的反向電壓。的反向電壓。 （2）柵極串聯(lián)電阻）柵極串聯(lián)電阻RG 選擇合適的柵極

21、串聯(lián)電阻選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG對對IGBT的驅(qū)動相當重要。的驅(qū)動相當重要。RG太小會使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時會使太小會使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時會使IGBT的的dv/dt耐量減小。具體選擇耐量減小。具體選擇RG時，要參考器件的使用時，要參考器件的使用手冊。手冊。（3）驅(qū)動功率的要求）驅(qū)動功率的要求IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗。的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗。 柵極驅(qū)動電路分為直接驅(qū)動、變壓器隔離式和光柵極驅(qū)動電路分為直接驅(qū)動、變壓器隔離式和光耦隔離式三種形式，如圖耦隔離式三種形式，如圖4-11所示。所示。為了減小體積，降低噪音，改善驅(qū)動性能，實現(xiàn)快速保為了減小體

22、積，降低噪音，改善驅(qū)動性能，實現(xiàn)快速保護，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的護，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的IGBT集成驅(qū)動器集成驅(qū)動器用于各種用于各種IGBT模塊。模塊。常用的集成驅(qū)動器有常用的集成驅(qū)動器有富士公司的富士公司的EXB840、841、850、851系列，系列，IR公司的公司的IR2100IR2100系列，系列，MotorolaMotorola公司的公司的MC35153MC35153，U n i t r o d eU n i t r o d e 公 司 的公 司 的 U CU C 7 0 5 7 0 5 7 1 57 1 5 、 H R 0 6 5H R 0 6 5 、M57957M57963M57957

23、M57963系列等等。系列等等。 l主要包括主要包括dv/dt保護、過流保護（包括短保護、過流保護（包括短路保護）、熱保護和非工作狀態(tài)保護路保護）、熱保護和非工作狀態(tài)保護等。等。 l（1）dv/dt保護保護l IGBT的的C、E之間能承受的電壓上升之間能承受的電壓上升率率dv/dt是有限的。為了保證是有限的。為了保證dv/dt產(chǎn)生的產(chǎn)生的位移電流不至于使位移電流不至于使IGBT誤導通，有必要誤導通，有必要限制限制C、E之間的之間的dv/dt。l保護措施：加保護措施：加緩沖電路緩沖電路l（2）過流和負載短路保護）過流和負載短路保護 當當IGBT集電極或負載短路時，由其輸出集電極或負載短路時，由其

24、輸出特性可知，其飽和壓降會顯著上升。通過檢測特性可知，其飽和壓降會顯著上升。通過檢測IGBT的導通壓降就可以判定它是否過流和短的導通壓降就可以判定它是否過流和短路。路。 如果過流，首先削弱驅(qū)動約如果過流，首先削弱驅(qū)動約810s，再加，再加反向驅(qū)動電壓，關(guān)斷反向驅(qū)動電壓，關(guān)斷IGBT，以免因產(chǎn)生過高，以免因產(chǎn)生過高的的dv/dt和浪涌電壓導致和浪涌電壓導致IGBT關(guān)斷失敗而造成關(guān)斷失敗而造成損壞。損壞。l（3）非工作狀態(tài)保護）非工作狀態(tài)保護l 由于由于IGBT的柵極是薄的絕緣柵，在運輸、的柵極是薄的絕緣柵，在運輸、貯存、測量、裝焊等方面都應采取相應的保護貯存、測量、裝焊等方面都應采取相應的保護措

25、施。在任何時候都要小心，防止柵極靜電擊措施。在任何時候都要小心，防止柵極靜電擊穿。穿。IGBT模塊在出廠時一般都在控制極與發(fā)模塊在出廠時一般都在控制極與發(fā)射極上裝有導電泡沫塑料或粘有導電銅箔，要射極上裝有導電泡沫塑料或粘有導電銅箔，要一直保留到往柵極上壓線或進行無靜電焊線時一直保留到往柵極上壓線或進行無靜電焊線時再拿下來。再拿下來。l特點：特點：保護功能齊全，使用方便保護功能齊全，使用方便l1 1）開關(guān)速度快）開關(guān)速度快l2 2）低功耗）低功耗l3 3）快速過流保護）快速過流保護l4 4）過熱保護）過熱保護l5 5）橋臂對管互鎖保護）橋臂對管互鎖保護l6）優(yōu)化的柵極驅(qū)動電路和保護電路）優(yōu)化的柵

26、極驅(qū)動電路和保護電路l7 7）驅(qū)動電源欠壓保護。）驅(qū)動電源欠壓保護。l l 9090年代中期，年代中期，ABBABB公司通過優(yōu)化公司通過優(yōu)化GTOGTO門極驅(qū)動單元和門極驅(qū)動單元和器件外殼設計，采用集成門極等技術(shù)，大大降低了門極器件外殼設計，采用集成門極等技術(shù)，大大降低了門極驅(qū)動回路中的電感，并采用負門極電流上升率的方法來驅(qū)動回路中的電感，并采用負門極電流上升率的方法來縮短貯存時間，這就是所謂的縮短貯存時間，這就是所謂的GTOGTO“硬驅(qū)動硬驅(qū)動”技術(shù)技術(shù)，從而，從而產(chǎn)生了新型功率器件產(chǎn)生了新型功率器件集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管Integrated Gate-Commutated T

27、hyristorIGCT），），它將門極換它將門極換流晶閘管通過印刷電路板與門極驅(qū)動裝置連成一個整體流晶閘管通過印刷電路板與門極驅(qū)動裝置連成一個整體l。l 它不僅有與它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它綜合了相同的開關(guān)性能，即它綜合了GTO和和IGBT兩者的優(yōu)點。兩者的優(yōu)點。 l 目前，目前，IGBT 和和IGCT占領(lǐng)了大功率器件的占領(lǐng)了大功率器件的應用領(lǐng)域。就功率裝置的電流和電壓而言，這應用領(lǐng)域。就功率裝置的電流和電壓而言，這兩種器件具有很大的互補性。兩種器件具有很大的互補性。l 在實際應用中：電壓較低時選用

28、在實際應用中：電壓較低時選用IGBT，電，電壓較高時選用壓較高時選用IGCT。根據(jù)應用和設計的標準。根據(jù)應用和設計的標準不同，在不同，在18003300V之間，兩種器件交叉使用，之間，兩種器件交叉使用，IGBT較適于功率較小的裝置，而較適于功率較小的裝置，而IGCT則更適則更適用于功率較大的裝置。用于功率較大的裝置。 l一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設計的一般性一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設計的一般性方法方法 l（1）控制系統(tǒng)總體方案設計，明確系）控制系統(tǒng)總體方案設計，明確系統(tǒng)的總體要求。統(tǒng)的總體要求。l（2 2）設計主電路拓撲結(jié)構(gòu)，選定逆變）設計主電路拓撲結(jié)構(gòu)，選定逆變器件類型；器件類型；l（3 3）確定控制策略和控

29、制方式；）確定控制策略和控制方式；（4 4）選擇主控制芯片；）選擇主控制芯片；（5 5）選擇各物理量的傳感器和檢測電路；）選擇各物理量的傳感器和檢測電路； （6 6）系統(tǒng)硬件設計，軟件設計）系統(tǒng)硬件設計，軟件設計 l（1 1）普通三相變頻器）普通三相變頻器 通常也稱為二電平變通常也稱為二電平變頻器，即第二章中所講的交頻器，即第二章中所講的交- -直直- -交型變頻器，交型變頻器，這種拓撲結(jié)構(gòu)比較簡單，為了獲得大功率可采這種拓撲結(jié)構(gòu)比較簡單，為了獲得大功率可采用器件的串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)。用器件的串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)。 l根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實際要求選擇合理的根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實際要求選擇合理

30、的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)。變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)。l（2）交）交-交變頻電路交變頻電路 主要用于主要用于500kW或或1000kW以以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。l（3 3）高）高- -低低- -高電路高電路 這是高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)這是高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)之一。之一。 l（4）直接高壓變頻調(diào)速）直接高壓變頻調(diào)速 l 在高壓大功率的場合，采用三電平技術(shù)直接獲得在高壓大功率的場合，采用三電平技術(shù)直接獲得高壓輸出，或采用多重化技術(shù)將多個低壓逆變橋并聯(lián)高壓輸出，或采用多重化技術(shù)將多個低壓逆變橋并聯(lián)/串聯(lián)起來獲得大電流串聯(lián)起來獲得大電流/高電壓，再加

31、上一定的相移，可高電壓，再加上一定的相移，可得到接近正弦的電壓輸出。得到接近正弦的電壓輸出。 l確定控制系統(tǒng)方案確定控制系統(tǒng)方案 根據(jù)系統(tǒng)的要求根據(jù)系統(tǒng)的要求: :l首先首先確定系統(tǒng)是通用型的，還是高性能的，還是有特確定系統(tǒng)是通用型的，還是高性能的，還是有特殊要求的；殊要求的；l其次其次要確定系統(tǒng)的控制策略，是采用要確定系統(tǒng)的控制策略，是采用U/f控制、矢量控控制、矢量控制，還是采用直接轉(zhuǎn)矩控制等；制，還是采用直接轉(zhuǎn)矩控制等；l第三第三要確定是采用單機控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。要確定是采用單機控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。 l在確定總體方案時，必須首先選擇好傳在確定總體方案時，必須首先選擇好傳

32、感器和檢測電路，它是影響控制精度的感器和檢測電路，它是影響控制精度的重要因素之一。主要測量電壓、電流、重要因素之一。主要測量電壓、電流、溫度、速度等物理量。溫度、速度等物理量。 l4. 4. 選擇選擇CPU和輸入和輸入/輸出通道及外輸出通道及外圍設備圍設備 l5.5.畫出整個系統(tǒng)原理圖畫出整個系統(tǒng)原理圖 l整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時流過變壓器副邊的定工作時流過變壓器副邊的相電流如圖相電流如圖4-24所示。所示。整流二極管（整流二極管（VD1VD6）的選擇）的選擇 通過三相整流橋的每個整流通過三相整流橋的每個整流二極管的電流波形近似為方二極管的電流波形近似為方波，如

33、圖波，如圖4-254-25所示。所示。l則流過二極管的電流有效值為則流過二極管的電流有效值為m3202mVD31)d(21ItIIl故二極管的電流定額值為故二極管的電流定額值為 mVDed72. 2157. 1/III二極管的耐壓二極管的耐壓 ml2DV)32(UU式中，式中，U2lm整流器輸入線電壓峰值。整流器輸入線電壓峰值。 l平滑濾波電容（平滑濾波電容（C）的選擇）的選擇l考慮電解電容用作濾波時，和負載的等效電阻考慮電解電容用作濾波時，和負載的等效電阻的乘積（時間常數(shù)）應遠遠大于三相整流橋輸?shù)某朔e（時間常數(shù)）應遠遠大于三相整流橋輸出電壓的脈動周期出電壓的脈動周期T T=0.0033s=0

34、.0033s（即為（即為3.3ms3.3ms），），則則 )F(100033. 0*36fRC其中其中Rf為負載等效電阻。為負載等效電阻。 l考慮將用作吸收異步電動機的回饋能量時，其容量只考慮將用作吸收異步電動機的回饋能量時，其容量只能按能量關(guān)系來近似估計。電動機驟停時，機械儲能能按能量關(guān)系來近似估計。電動機驟停時，機械儲能與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即 l設過壓系數(shù)設過壓系數(shù)K=u1/u0（K1），則），則 22D20212121)(21LIJuuC20222D1uKLIJC上式表明，上式表明，當電壓泵升值一定時，負載側(cè)儲能越大，當電壓泵升值一定時，負載

35、側(cè)儲能越大，濾波電容的容量也越大。而當儲能一定時，泵升電壓濾波電容的容量也越大。而當儲能一定時，泵升電壓值越低，值越低，K越小，所需的電容量也就越大。越小，所需的電容量也就越大。 lIGBT（VT1VT6）的選擇）的選擇l（1 1）要根據(jù)負載的最嚴重情況選擇）要根據(jù)負載的最嚴重情況選擇IGBTIGBT，如要適當考，如要適當考慮異步電動機的啟動電流，要考慮交流電流的峰值。慮異步電動機的啟動電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過因此，通過IGBTIGBT的集電極電流的集電極電流l（2）IGBT的耐壓的耐壓Uceo至少應為實際承擔的最大峰值電至少應為實際承擔的最大峰值電壓的壓的1.2倍以上，即倍以上

36、，即 l mc22 . 1II）（dceo22 . 1UU）（l某雙面銑組合機床的機械滑臺，由原來的齒輪變速改某雙面銑組合機床的機械滑臺，由原來的齒輪變速改造成變頻調(diào)速。要求速度變化范圍為造成變頻調(diào)速。要求速度變化范圍為16750r/min，以，以滿足工作進給和快速返回的加工工藝要求。試設計變滿足工作進給和快速返回的加工工藝要求。試設計變頻器。頻器。l已知被控對象的原始數(shù)據(jù)：已知被控對象的原始數(shù)據(jù)：l 異步電動機型號：異步電動機型號：Y132M2Y132M26 6l 額定功率：額定功率：5.5kW5.5kWl 額定電壓：額定電壓：380V380Vl 額定電流：額定電流：12.6A12.6Al

37、額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速：960r/min960r/minl 系統(tǒng)能提供系統(tǒng)能提供2 2倍的額定轉(zhuǎn)矩。倍的額定轉(zhuǎn)矩。 l決定變頻器的工作方式?jīng)Q定變頻器的工作方式 由設計要求可知，調(diào)速范圍為由設計要求可知，調(diào)速范圍為1:47，低速性能要求高，故，低速性能要求高，故選用雙極性選用雙極性IGBT-SPWM工作方式。工作方式。l設計變頻器的主電路設計變頻器的主電路 由于采用雙極性由于采用雙極性IGBT-SPWM變頻器，變頻器的主電路如變頻器，變頻器的主電路如圖圖2-18所示。所示。變頻器的功率開關(guān)管的計算變頻器的功率開關(guān)管的計算（1）計算通過）計算通過IGBT的峰值電流的峰值電流Im Im由系統(tǒng)工作的最嚴重情況決定。由題意要求可知，系統(tǒng)由系統(tǒng)工作的最嚴重情況決定。由題意要求可知，系統(tǒng)要具有要具有2倍額定電流的電磁轉(zhuǎn)矩，再考慮交流電流的峰值，倍額定