變頻器的組成及其設(shè)計(jì)演示教學(xué)

1、變頻器的組成及其設(shè)計(jì) 變頻器的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用多學(xué)科知變頻器的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、解決系統(tǒng)性能指標(biāo)及可靠性問(wèn)題的過(guò)程，識(shí)、解決系統(tǒng)性能指標(biāo)及可靠性問(wèn)題的過(guò)程，涉及的知識(shí)面較廣。其設(shè)計(jì)理論涉及電機(jī)學(xué)、涉及的知識(shí)面較廣。其設(shè)計(jì)理論涉及電機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、數(shù)字電路、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)、熱力學(xué)、子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科。因此它的設(shè)計(jì)也機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科。因此它的設(shè)計(jì)也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。 變頻器的主電路是功率變換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相變頻器的主電路是功率變換的

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于是負(fù)責(zé)承重和出力的當(dāng)于是負(fù)責(zé)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(guò)壓保護(hù)，吸收操作過(guò)過(guò)壓保護(hù)，吸收操作過(guò)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(lái)自三相電網(wǎng)接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來(lái)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(gè)六單元整流模塊組成，幾十常只用一個(gè)六單元整流

3、模塊組成，幾十kVA的變頻器通常用三個(gè)兩單元二極管模塊組的變頻器通常用三個(gè)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(gè)兩單元二極管模塊整流電路由九個(gè)兩單元二極管模塊DD100HB160組成，每一個(gè)橋臂由三個(gè)模塊組成，每一個(gè)橋臂由三個(gè)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。 濾波元件：一般用大容

4、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(duì)整流器輸出電壓濾波。首先是對(duì)整流器輸出電壓濾波。 其次是吸收來(lái)自逆變電路由于元件換向或負(fù)其次是吸收來(lái)自逆變電路由于元件換向或負(fù)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(kāi)關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收

5、緩沖電路：與逆變電路的功率開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)，用以吸收元件關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電元件關(guān)斷時(shí)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(hù)由二極管或晶閘管組成的快速熔斷器，它只能直接保護(hù)由二極管或晶閘管組成的整流模塊，而對(duì)由整流模塊，而對(duì)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(méi)有直接保護(hù)作用。變電路沒(méi)有直接保護(hù)作用。 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制：可以通變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制：可以通過(guò)降低變頻器輸出頻率來(lái)降低電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)過(guò)降低變頻器輸出頻率來(lái)降低電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到

6、使電動(dòng)機(jī)減速的目的。速，達(dá)到使電動(dòng)機(jī)減速的目的。 在電動(dòng)機(jī)的減速過(guò)程中，由于同步轉(zhuǎn)速往在電動(dòng)機(jī)的減速過(guò)程中，由于同步轉(zhuǎn)速往往會(huì)低于電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)往會(huì)低于電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)便成為異步發(fā)電機(jī)，負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)所具有便成為異步發(fā)電機(jī)，負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)所具有的機(jī)械能量被饋還給電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)的機(jī)械能量被饋還給電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)力矩。生制動(dòng)力矩。 制動(dòng)電路制動(dòng)電路l容量大于容量大于18kVA的變頻器：不再內(nèi)裝制動(dòng)單元的變頻器：不再內(nèi)裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，需要時(shí)必須外接和制動(dòng)電阻，需要時(shí)必須外接制動(dòng)單元和制動(dòng)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻電阻，利用，利用電阻和開(kāi)關(guān)器件電

7、阻和開(kāi)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(dòng)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻單元和制動(dòng)電阻。如果內(nèi)裝制動(dòng)電阻的熱容量。如果內(nèi)裝制動(dòng)電阻的熱容量不夠，則需要再外加制動(dòng)電阻。不夠，則需要再外加制動(dòng)電阻。l對(duì)于大、中容量的電壓型變頻器來(lái)說(shuō)，為了節(jié)對(duì)于大、中容量的電壓型變頻器來(lái)說(shuō)，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(hù)電路變頻器保護(hù)電動(dòng)機(jī)保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)操作顯示電路運(yùn)行操作參數(shù)設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)顯示故障顯示整流電

8、路逆變電路濾波電路控制電路FUSEC1C2R1R2UVW速度傳感器電動(dòng)機(jī)R0檢測(cè)電路電流檢測(cè)電壓檢測(cè)速度檢測(cè)主控制電路輸入信號(hào)處理 頻率（速度）指令 運(yùn)行/停止信號(hào)加減速速率調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)控制運(yùn)算V/f，轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)矩電流、勵(lì)磁電流PWM波形基極（門(mén)極）驅(qū)動(dòng)電路電壓、電流信號(hào)放大絕緣波形整形電源主電路電壓檢測(cè)電流檢測(cè)運(yùn)行操作運(yùn)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(gè)高性能的微處理器，并配個(gè)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(dāng)于變主控制電路的硬件相當(dāng)于變頻器的頻器的“大腦大腦”，控制策略，控制

9、策略和軟件則相當(dāng)于變頻器的和軟件則相當(dāng)于變頻器的“靈魂靈魂”。功能：功能：輸入信號(hào)處理輸入信號(hào)處理加減速速率調(diào)節(jié)加減速速率調(diào)節(jié)電機(jī)控制運(yùn)算電機(jī)控制運(yùn)算PWM波形的生成波形的生成 變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，具有與其他設(shè)備通信的能力。變頻器大部分都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，具有與其他設(shè)備通信的能力。 l保護(hù)電路是變頻器安全可靠運(yùn)行的保護(hù)電路是變頻器安全可靠運(yùn)行的“生命線生命線”，其主要作用是根據(jù)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)來(lái)判其主要作用是根據(jù)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)來(lái)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(shí)過(guò)電流保護(hù)瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù) 變頻器輸出電流過(guò)大，有可能超過(guò)主電路開(kāi)關(guān)變頻器輸出電流過(guò)大，

10、有可能超過(guò)主電路開(kāi)關(guān)器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件并停止器件的容許值，變頻器將關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件并停止輸出。過(guò)電流保護(hù)的電流峰值通常設(shè)為變頻器輸出。過(guò)電流保護(hù)的電流峰值通常設(shè)為變頻器額定電流的額定電流的200% 200% 與瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)是兩個(gè)相關(guān)而又完全不同的概念與瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)是兩個(gè)相關(guān)而又完全不同的概念 。過(guò)載保護(hù)是逆變器輸出電流超過(guò)額定值且維持流通過(guò)載保護(hù)是逆變器輸出電流超過(guò)額定值且維持流通達(dá)規(guī)定的時(shí)間，即達(dá)規(guī)定的時(shí)間，即“時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)電流幅值小時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)電流幅值小”，體，體現(xiàn)發(fā)熱的概念；過(guò)電流保護(hù)是現(xiàn)發(fā)熱的概念；過(guò)電流保護(hù)是“瞬間電流幅值大瞬間電流幅值大”，體現(xiàn)過(guò)電流峰值而沒(méi)有時(shí)間的概念

11、。體現(xiàn)過(guò)電流峰值而沒(méi)有時(shí)間的概念。 對(duì)地短路保護(hù)對(duì)地短路保護(hù) 過(guò)載保護(hù)（電子熱繼電器）過(guò)載保護(hù)（電子熱繼電器） 當(dāng)檢測(cè)出變頻器輸出電路對(duì)地短路（如電機(jī)繞組絕緣受當(dāng)檢測(cè)出變頻器輸出電路對(duì)地短路（如電機(jī)繞組絕緣受損），并且短路電流超過(guò)變頻器額定輸出電流的損），并且短路電流超過(guò)變頻器額定輸出電流的50時(shí)，時(shí)，該保護(hù)功能將起作用，停止變頻器的輸出。該保護(hù)功能將起作用，停止變頻器的輸出。 過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù) 若變頻器直流側(cè)電壓超過(guò)一定值，有可能若變頻器直流側(cè)電壓超過(guò)一定值，有可能擊穿濾波電容或電力半導(dǎo)體器件，嚴(yán)重時(shí)甚擊穿濾波電容或電力半導(dǎo)體器件，嚴(yán)重時(shí)甚至可能殃及變頻器周圍設(shè)備和操作人員。過(guò)至可能殃及

12、變頻器周圍設(shè)備和操作人員。過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)有相似之處，需要根電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)有相似之處，需要根據(jù)過(guò)電壓的程度分別處理。據(jù)過(guò)電壓的程度分別處理。 當(dāng)減速時(shí)間設(shè)置過(guò)短時(shí)，容易發(fā)生過(guò)電壓當(dāng)減速時(shí)間設(shè)置過(guò)短時(shí)，容易發(fā)生過(guò)電壓保護(hù)，可以適當(dāng)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間避免大慣量負(fù)保護(hù)，可以適當(dāng)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間避免大慣量負(fù)載制動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的過(guò)電壓。載制動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的過(guò)電壓。 當(dāng)變頻器的供電電壓降低時(shí)，直流中間電當(dāng)變頻器的供電電壓降低時(shí)，直流中間電路的電壓將會(huì)下降，從而使變頻器輸出電壓過(guò)路的電壓將會(huì)下降，從而使變頻器輸出電壓過(guò)低，并造成電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足和過(guò)熱。而低，并造成電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足和過(guò)熱。而欠欠電壓保護(hù)功能

13、的作用就是，在檢測(cè)到直流中間電壓保護(hù)功能的作用就是，在檢測(cè)到直流中間電路的電壓過(guò)低時(shí)使變頻器停止工作。電路的電壓過(guò)低時(shí)使變頻器停止工作。 欠電壓保護(hù)欠電壓保護(hù) （6）散熱器過(guò)熱保護(hù) 熱敏繼電器將動(dòng)作，使變頻器停止工作或給出警報(bào)信號(hào)。（7 7）控制電路異常保護(hù)）控制電路異常保護(hù) 當(dāng)變頻器在自檢過(guò)程中或工作過(guò)程中檢測(cè)到控制電當(dāng)變頻器在自檢過(guò)程中或工作過(guò)程中檢測(cè)到控制電路異常，保護(hù)電路將起作用，并停止變頻器輸出，路異常，保護(hù)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(lái)更大的破壞。以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來(lái)更大的破壞。直流電壓檢測(cè)電路直流電壓檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路輸出電

14、壓檢測(cè)電路輸出電壓檢測(cè)電路 輸出電流檢測(cè)電路輸出電流檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路 速度檢測(cè)電路速度檢測(cè)電路 霍爾元件霍爾元件 光電編碼器光電編碼器檢測(cè)電路相當(dāng)于是變頻器的檢測(cè)電路相當(dāng)于是變頻器的“視覺(jué)和觸覺(jué)視覺(jué)和觸覺(jué)”。 （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(hào)輸出電路）監(jiān)控信號(hào)輸出電路（4）網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路）網(wǎng)絡(luò)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(gè)良好的是給用戶提供一個(gè)良好的人機(jī)界面人機(jī)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(cè)制系統(tǒng)的操作和故障檢測(cè)等工作變得更加簡(jiǎn)單。等工作變得更加簡(jiǎn)

15、單。 驅(qū)動(dòng)電路是驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)驅(qū)動(dòng)電路是驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)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“橋梁和媒介橋梁和媒介”。它將控制電路送往主電路開(kāi)關(guān)它將控制電路送往主電路開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大、隔離后，元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大、隔離后，控制主電路開(kāi)關(guān)元件的通斷?？刂浦麟娐烽_(kāi)關(guān)元件的通斷。 l信號(hào)隔離是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，隔離的手段主要有三種：信號(hào)隔離是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)方法是傳統(tǒng)的電力電子器件的驅(qū)動(dòng)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，使輸出脈沖陡度受到限制。受

16、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(qiáng)，可以有效地抑制來(lái)自功率電路的強(qiáng)，可以有效地抑制來(lái)自功率電路的干擾信號(hào)。其次，光耦的隔離電壓很干擾信號(hào)。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(dòng)電路的控制電源是控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的“心臟心臟”，為控制電路和驅(qū)動(dòng)電路提供能源，因而是變頻為控制電路和驅(qū)動(dòng)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)整功能的器件始終工作在線

17、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(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源l利用高頻開(kāi)關(guān)器件并通過(guò)變換技術(shù)而制成的高頻開(kāi)關(guān)利用高頻開(kāi)關(guān)器件并通過(guò)變換技術(shù)而制成的高頻開(kāi)關(guān)直流電源，簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件直流電源，簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源。用于電壓調(diào)整功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作。始終以開(kāi)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(kāi)關(guān)器件，而綜合了用變頻器逆變電路的主流開(kāi)關(guān)器件，而綜合了IGBT和和GTO優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)的IGCT則在與則在與IGBT在高壓在高壓領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中占了上風(fēng)。領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中占了上風(fēng)

18、。 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(dòng)電路簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 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(dòng)和保護(hù)電路，使用更方便、體積更小、可靠動(dòng)和保護(hù)電路，使用更方便、體積更小、可靠性更高。性更高。 1） 驅(qū)動(dòng)參數(shù)要求驅(qū)動(dòng)參數(shù)要求 IGBT的柵電容較大，所以要提高其開(kāi)關(guān)速度，就的柵電容較大，所以要提高其開(kāi)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）柵極電壓）柵極電壓 任何情況

19、下，開(kāi)通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超任何情況下，開(kāi)通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過(guò)參數(shù)表給出的限定值（一般為過(guò)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?fàn)顟B(tài)，但處于截止?fàn)顟B(tài)，但為了減小關(guān)斷時(shí)間，提高為了減小關(guān)斷時(shí)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(shí)，可在柵極處于阻斷狀態(tài)時(shí)，可在柵極加一個(gè)加一個(gè)-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 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻選擇合適的柵極

20、串聯(lián)電阻RG對(duì)對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG太小會(huì)使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時(shí)會(huì)使太小會(huì)使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，同時(shí)會(huì)使IGBT的的dv/dt耐量減小。具體選擇耐量減小。具體選擇RG時(shí)，要參考器件的使用時(shí)，要參考器件的使用手冊(cè)。手冊(cè)。（3）驅(qū)動(dòng)功率的要求）驅(qū)動(dòng)功率的要求IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗。的開(kāi)關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗。 柵極驅(qū)動(dòng)電路分為直接驅(qū)動(dòng)、變壓器隔離式和光柵極驅(qū)動(dòng)電路分為直接驅(qū)動(dòng)、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(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)快速保為了減小體積，降低噪音，改善驅(qū)動(dòng)

21、性能，實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的護(hù)，現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的IGBT集成驅(qū)動(dòng)器集成驅(qū)動(dòng)器用于各種用于各種IGBT模塊。模塊。常用的集成驅(qū)動(dòng)器有常用的集成驅(qū)動(dòng)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 、M57957M57963M57957M57963系列等等。

22、系列等等。 l主要包括主要包括dv/dt保護(hù)、過(guò)流保護(hù)（包括短保護(hù)、過(guò)流保護(hù)（包括短路保護(hù)）、熱保護(hù)和非工作狀態(tài)保護(hù)路保護(hù)）、熱保護(hù)和非工作狀態(tài)保護(hù)等。等。 l（1）dv/dt保護(hù)保護(hù)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(dǎo)通，有必要誤導(dǎo)通，有必要限制限制C、E之間的之間的dv/dt。l保護(hù)措施：加保護(hù)措施：加緩沖電路緩沖電路l（2）過(guò)流和負(fù)載短路保護(hù)）過(guò)流和負(fù)載短路保護(hù) 當(dāng)當(dāng)IGBT集電極或負(fù)載短路時(shí)，由其輸出集電極或負(fù)載短路時(shí)，由其輸出特性可知，其飽和壓

23、降會(huì)顯著上升。通過(guò)檢測(cè)特性可知，其飽和壓降會(huì)顯著上升。通過(guò)檢測(cè)IGBT的導(dǎo)通壓降就可以判定它是否過(guò)流和短的導(dǎo)通壓降就可以判定它是否過(guò)流和短路。路。 如果過(guò)流，首先削弱驅(qū)動(dòng)約如果過(guò)流，首先削弱驅(qū)動(dòng)約810s，再加，再加反向驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)斷反向驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)斷IGBT，以免因產(chǎn)生過(guò)高，以免因產(chǎn)生過(guò)高的的dv/dt和浪涌電壓導(dǎo)致和浪涌電壓導(dǎo)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(hù)）非工作狀態(tài)保護(hù)l 由于由于IGBT的柵極是薄的絕緣柵，在運(yùn)輸、的柵極是薄的絕緣柵，在運(yùn)輸、貯存、測(cè)量、裝焊等方面都應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)貯存、測(cè)量、裝焊等方面都應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。在任何時(shí)候都要小心

24、，防止柵極靜電擊措施。在任何時(shí)候都要小心，防止柵極靜電擊穿。穿。IGBT模塊在出廠時(shí)一般都在控制極與發(fā)模塊在出廠時(shí)一般都在控制極與發(fā)射極上裝有導(dǎo)電泡沫塑料或粘有導(dǎo)電銅箔，要射極上裝有導(dǎo)電泡沫塑料或粘有導(dǎo)電銅箔，要一直保留到往柵極上壓線或進(jìn)行無(wú)靜電焊線時(shí)一直保留到往柵極上壓線或進(jìn)行無(wú)靜電焊線時(shí)再拿下來(lái)。再拿下來(lái)。l特點(diǎn)：特點(diǎn)：保護(hù)功能齊全，使用方便保護(hù)功能齊全，使用方便l1 1）開(kāi)關(guān)速度快）開(kāi)關(guān)速度快l2 2）低功耗）低功耗l3 3）快速過(guò)流保護(hù)）快速過(guò)流保護(hù)l4 4）過(guò)熱保護(hù)）過(guò)熱保護(hù)l5 5）橋臂對(duì)管互鎖保護(hù)）橋臂對(duì)管互鎖保護(hù)l6）優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路）優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路l

25、7 7）驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)。）驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)。l l 9090年代中期，年代中期，ABBABB公司通過(guò)優(yōu)化公司通過(guò)優(yōu)化GTOGTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元和門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元和器件外殼設(shè)計(jì)，采用集成門(mén)極等技術(shù)，大大降低了門(mén)極器件外殼設(shè)計(jì)，采用集成門(mén)極等技術(shù)，大大降低了門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路中的電感，并采用負(fù)門(mén)極電流上升率的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)回路中的電感，并采用負(fù)門(mén)極電流上升率的方法來(lái)縮短貯存時(shí)間，這就是所謂的縮短貯存時(shí)間，這就是所謂的GTOGTO“硬驅(qū)動(dòng)硬驅(qū)動(dòng)”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(mén)極換流晶閘管集成門(mén)極換流晶閘管Integrated Gate-Commutated ThyristorIGC

26、T），），它將門(mén)極換它將門(mén)極換流晶閘管通過(guò)印刷電路板與門(mén)極驅(qū)動(dòng)裝置連成一個(gè)整體流晶閘管通過(guò)印刷電路板與門(mén)極驅(qū)動(dòng)裝置連成一個(gè)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(kāi)關(guān)性能，即它綜合了相同的開(kāi)關(guān)性能，即它綜合了GTO和和IGBT兩者的優(yōu)點(diǎn)。兩者的優(yōu)點(diǎn)。 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(yīng)用領(lǐng)域。就功率裝置的電流和電壓而言，這應(yīng)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(bǔ)性。兩種器件具有很大的互補(bǔ)性。l 在實(shí)際應(yīng)用中：電壓較低時(shí)選用在實(shí)際應(yīng)用中：電壓較低

27、時(shí)選用IGBT，電，電壓較高時(shí)選用壓較高時(shí)選用IGCT。根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的一般性一、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般性方法方法 l（1）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，明確系）控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)的總體要求。統(tǒng)的總體要求。l（2 2）設(shè)計(jì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定逆變）設(shè)計(jì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定逆變器件類型；器件類型；l（3 3）確定控制策略和控制方式；）確定控制策略

28、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(cè)電路；）選擇各物理量的傳感器和檢測(cè)電路； （6 6）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì) 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，為了獲得大功率可采這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，為了獲得大功率可采用器件的串并聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。用器件的串并聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 l根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實(shí)際要求選擇合理的根據(jù)系統(tǒng)容量的大小以及實(shí)際要求選擇合理的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓

29、撲結(jié)構(gòu)。變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(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(chǎng)合，采用三電平技術(shù)直接獲得在高壓大功率的場(chǎng)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(gè)低壓逆變橋并聯(lián)高壓輸出，或采用多重化技術(shù)將多個(gè)低壓逆變橋并聯(lián)/串聯(lián)起來(lái)獲得大電流串聯(lián)起來(lái)獲得大電流/高電壓，再加上一定的相移，可高電壓

30、，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(jī)控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。要確定是采用單機(jī)控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。 l在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好傳在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好傳感器和檢測(cè)電路，它是影

31、響控制精度的感器和檢測(cè)電路，它是影響控制精度的重要因素之一。主要測(cè)量電壓、電流、重要因素之一。主要測(cè)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(shè)備圍設(shè)備 l5.5.畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)原理圖畫(huà)出整個(gè)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(shí)流過(guò)變壓器副邊的定工作時(shí)流過(guò)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(guò)三相整流橋的每個(gè)整流通過(guò)三相整流橋的每個(gè)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，如圖波，如圖4-254-

32、25所示。所示。l則流過(guò)二極管的電流有效值為則流過(guò)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(shí)，和負(fù)載的等效電阻考慮電解電容用作濾波時(shí)，和負(fù)載的等效電阻的乘積（時(shí)間常數(shù)）應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相整流橋輸?shù)某朔e（時(shí)間常數(shù)）應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三相整流橋輸出電壓的脈動(dòng)周期出電壓的脈動(dòng)周期T T=0.0033s=0.0033s（即為（即

33、為3.3ms3.3ms），），則則 )F(100033. 0*36fRC其中其中Rf為負(fù)載等效電阻。為負(fù)載等效電阻。 l考慮將用作吸收異步電動(dòng)機(jī)的回饋能量時(shí)，其容量只考慮將用作吸收異步電動(dòng)機(jī)的回饋能量時(shí)，其容量只能按能量關(guān)系來(lái)近似估計(jì)。電動(dòng)機(jī)驟停時(shí)，機(jī)械儲(chǔ)能能按能量關(guān)系來(lái)近似估計(jì)。電動(dòng)機(jī)驟停時(shí)，機(jī)械儲(chǔ)能與漏感儲(chǔ)能之和等于電容上的儲(chǔ)能，即與漏感儲(chǔ)能之和等于電容上的儲(chǔ)能，即 l設(shè)過(guò)壓系數(shù)設(shè)過(guò)壓系數(shù)K=u1/u0（K1），則），則 22D20212121)(21LIJuuC20222D1uKLIJC上式表明，上式表明，當(dāng)電壓泵升值一定時(shí)，負(fù)載側(cè)儲(chǔ)能越大，當(dāng)電壓泵升值一定時(shí)，負(fù)載側(cè)儲(chǔ)能越大，濾波電容的

34、容量也越大。而當(dāng)儲(chǔ)能一定時(shí)，泵升電壓濾波電容的容量也越大。而當(dāng)儲(chǔ)能一定時(shí)，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(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇）要根據(jù)負(fù)載的最嚴(yán)重情況選擇IGBTIGBT，如要適當(dāng)考，如要適當(dāng)考慮異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，要考慮交流電流的峰值。慮異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過(guò)因此，通過(guò)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(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最大峰值電至少應(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最大峰值電壓的壓的1.2倍以上，即倍以上，即 l mc22 .

35、 1II）（dceo22 . 1UU）（l某雙面銑組合機(jī)床的機(jī)械滑臺(tái)，由原來(lái)的齒輪變速改某雙面銑組合機(jī)床的機(jī)械滑臺(tái)，由原來(lái)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(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計(jì)變滿足工作進(jìn)給和快速返回的加工工藝要求。試設(shè)計(jì)變頻器。頻器。l已知被控對(duì)象的原始數(shù)據(jù)：已知被控對(duì)象的原始數(shù)據(jù)：l 異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)：異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)：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 額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速：9

36、60r/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(shè)計(jì)要求可知，調(diào)速范圍為由設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變頻器的主電路設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管的計(jì)算變頻器的功率開(kāi)關(guān)管的計(jì)算（1）計(jì)算通過(guò)）計(jì)算通過(guò)IGBT的峰值電流的峰值電流Im Im由系統(tǒng)工作的最嚴(yán)重情況決定。由題意要求可知，系統(tǒng)由系統(tǒng)工作的最嚴(yán)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，倍額定電流的電磁轉(zhuǎn)矩，再考慮交流電流的峰值，則則（2）選用IGBT的