變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)課件

變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)變頻器：將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉(zhuǎn)換器，使電動(dòng)機(jī)可以在變頻電壓的電源驅(qū)動(dòng)下發(fā)揮更好的工作性能。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)主要的公式公式：R為電樞繞組內(nèi)阻，e為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢Km:系數(shù)；：磁通；：電樞電流f:旋轉(zhuǎn)速度；N：線圈匝數(shù)；：磁通變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)（C）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)1.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件（B）GTR、電力MOSFET和

IGBT等器件的常用封裝形式。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)1.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力

MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為

VMOSFET。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。圖a)為垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，即

VDMOSFET。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)（B）a）b）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。IGBT比VDMOSFET多一層P+

注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)等效電路c)簡化等效電路d)電氣圖形符號(hào)（B）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)功率模塊與功率集成電路例：部分功率模塊、IPM、電力半導(dǎo)體器件及驅(qū)動(dòng)電路（A）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io

相位滯后于uo，波形也不同。單相橋式逆變電路S1~

S4是橋式電路的4

個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。（B）8變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)6.1PWM控制的基本思想重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同t)t)f(d(tOtOf(t)圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)a)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOf(t)f(t)（B）9變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ou>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波SPWM波Ou>（C）ωtωtOu>ωt10變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)V1和V2、V3和V4的通斷彼此互補(bǔ)。在ur和uc

的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)

ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud

。

當(dāng)

ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0

。ur負(fù)半周，請同學(xué)們自己分析。圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量（B）單極性

PWM控制方式（單相橋逆變）

變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)在ur

和uc

的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。在

ur

的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號(hào)ur

和載波信號(hào)uc

的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。

ur

正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。圖6-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（B）雙極性

PWM控制方式（單相橋逆變）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法圖6-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。（B）注：1、試比較以上兩種方式的異同點(diǎn)。2、哪種方式效果相對更好？3、若用示波器觀察以上兩波形會(huì)看到什么結(jié)果？變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)變頻器輸入電流波形變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路

感容濾波的二極管整流電路圖2-29感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a）電路圖b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud（C）實(shí)際應(yīng)用為此情況，但分析復(fù)雜。Ud波形更平直，電流

i2的上升段平緩了許多，這對于電路的工作是有利的。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路1)基本原理圖2-30

電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt（C）某一對二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時(shí)的工作情況： 電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負(fù)載的加重，電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)電流波形逐漸接近。圖2-32

考慮電感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路及其波形a）電路原理圖b）輕載時(shí)的交流側(cè)電流波形

c）重載時(shí)的交流側(cè)電流波形b)c)iaiaOO

t

t（C）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)5.4.2多電平逆變電路a)串聯(lián)連接三相高壓變頻器原理圖例:“完美無諧波”高壓變頻器

為減少輸入電流中的諧波、提高功率因數(shù)，工頻變壓器采用相位彼此差開相等電角度的多副邊結(jié)構(gòu)，每一組副邊接一個(gè)圖b)所示的基本功率單元。高壓變頻器每一相由若干個(gè)基本功率單元串聯(lián)組成(圖a)為3個(gè)單元串聯(lián))，實(shí)現(xiàn)高壓輸出。 串聯(lián)的單元數(shù)越多，輸出的電壓越高，而輸入電流越接近正弦。 此類變頻器已成功地用于高壓電機(jī)變頻調(diào)速的場合。（A）b)基本功率單元變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)EXB841的工作原理變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

1）正常開通過程

當(dāng)控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15有

10mA的電流流過時(shí)，光耦合器

IS0l就會(huì)導(dǎo)通，

A點(diǎn)電位迅速下降至

0V，使

V1和

V

2截止；

V

2截止使

D點(diǎn)電位上升至20V，

V4導(dǎo)通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻Rg向IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)通

,

Uc下降至

3V。與此同時(shí)，V1截止使十

20V電源通R3向電容C2充電，時(shí)間常數(shù)r1為

r1=R3c2=2·42us（2－17）又使

B點(diǎn)電位上升，它由零升到

13V的時(shí)間可用下式求得:

13＝20（1－e

^

(-t/r1)

（2－18）

t=2·54uS

（2－19）

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然而由于IGBT約lus后已導(dǎo)通，Uce下降至3V，從而將EXB841腳

6電位箝制在

8V左右，因此

B點(diǎn)和C點(diǎn)電位不會(huì)充到13V，而是充到8V左右，這個(gè)過程時(shí)間為1．24us；又穩(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值為

13V，

IGBT正常開通時(shí)不會(huì)被擊穿，

V3不通，

E點(diǎn)電位仍為20V左右，二極管VD6截止，不影響V4和V5的正常工作。

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2）正常關(guān)斷過程控制電路使

EXB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光耦合器IS01不通，

A點(diǎn)電位上升使V1和

V2導(dǎo)通；V

2導(dǎo)通使

V

4截止，

V

5導(dǎo)通，

IGBT柵極電荷通過

V

5迅速放電，使EXB841的腳3電位迅速下降至0V（相對于的EXB841腳1低5V），使

IGBT可靠關(guān)斷，

Uce迅速上升，使

EXB841的腳

6“懸空”。與此同時(shí)

V1導(dǎo)通，

C2通過

V1更快放電，將

B點(diǎn)和

C點(diǎn)電位箝在

0V，使

VZI仍不通，后繼電路不會(huì)動(dòng)作,

IGBT正常關(guān)斷。

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3）保護(hù)動(dòng)作設(shè)IGBT已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V4導(dǎo)通，V

5截止，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位穩(wěn)定在

8V左右，VZ1不被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點(diǎn)電位保持為20V，二極管VD6截止。若此時(shí)發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退飽和，Uce上升很多，二極管VD7截止，則EXB841的腳

6“懸空”，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由8V上升；當(dāng)上升至13V時(shí)，VZ1被擊穿，V

3導(dǎo)通，

C4通過R7和

V

3放電，E點(diǎn)電位逐步下降，二極管VD

6導(dǎo)通時(shí),D點(diǎn)電位也逐步下降，從而使EXB841的腳

3電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT。

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B點(diǎn)和

C點(diǎn)電位由

8V上升到

13V的時(shí)間可用下式求得:

13＝20（1--e^

(--t/r1)--8e^

(--t/r1)

（2－20）

t＝＝l·3uS

(2－21）

C3與R7組成的放電時(shí)間常數(shù)為

T2＝＝C3R7＝4·

84uS（2－22）

E點(diǎn)由2

0V下降到3．6V的時(shí)間可用下式求得

3．6=

20e^

(--t/r2)（

2－23）

t＝8·3uS

（2－24）

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此時(shí)慢關(guān)斷過程結(jié)束，

IGBT柵極上所受偏壓為0oV（設(shè)V3管壓降為0．3V,V6和V5的壓降為

O．7V）。

這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號(hào)使光電耦合器

IS0l截止，此時(shí)V1和

V

2導(dǎo)通，

V

2導(dǎo)通使

D點(diǎn)下降到

0V，從而

V

4完全截止，V

5完全導(dǎo)通，IGBT柵極所受偏壓由慢關(guān)斷時(shí)的0V迅速下降到一5V，IGBT完全關(guān)斷。V1導(dǎo)通使

C2迅速放電、V

3截止，20V電源通過R8對C4充電，RC充電時(shí)間常數(shù)為

T3＝C4R8＝48·

4uS

（2·25）

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則

E點(diǎn)由

3．6V充至

19V的時(shí)間可用下式求得：19=20（l一e^(－t/r3)＋3.6e^(t/r3)(

2－26）

t

＝

135

uS

（

2

--

2

7）

則E點(diǎn)恢復(fù)到正常狀態(tài)需135us，至此EXB841完全恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進(jìn)行正常的驅(qū)動(dòng)。

與前述的IGBT驅(qū)動(dòng)條件和保護(hù)策略相對照，以上所述說明EXB841確實(shí)充分考慮到

IGBT的特點(diǎn)，電路簡單實(shí)用，有如下特點(diǎn)：

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1）模塊僅需單電源十20V供電，它通過內(nèi)部

5

V穩(wěn)壓管為IGBT提供了十

15V和一

5V的電平，既滿足了

IGBT的驅(qū)動(dòng)條件，又簡化了電路，為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很大方便。

2）輸入采用高速光耦隔離電路，既滿足了隔離和快速的要求，又在很大程度上使電路結(jié)構(gòu)簡化。

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3）通過精心設(shè)計(jì)，將過流時(shí)降低Uge與慢關(guān)斷技術(shù)綜合考慮,按前面所述，短路時(shí)EXB841各引腳波形如圖2－68所示。可見一旦電路檢測到短路后，要延遲約

1．5

us（

VZI導(dǎo)通時(shí)，

R4會(huì)有壓降）

Uge才開始降低，再過約8us后

Uge才降低到

0V（相對

EXB841的腳1）。在這

10us左右的時(shí)間內(nèi)，如果短路現(xiàn)象消失，

Uge會(huì)逐步恢復(fù)到正常值，但恢復(fù)時(shí)間決定于時(shí)間常數(shù)t3，時(shí)間是較長的。

變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)M57962的應(yīng)用電路8腳應(yīng)該接光耦的發(fā)射端，為控制電路提供過流信號(hào)。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)圖6－34電容器放電a）放電電路b）從接線端放電變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)圖6－43單進(jìn)三出變頻器變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

圖6－44單進(jìn)三出時(shí)存在的問題變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)圖6－45單進(jìn)三出的升壓電路變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)交流調(diào)速控制策略見書矢量控制于電機(jī)的參數(shù)有關(guān)變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖圖6-52異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2——三相/兩相變換;VR——同步旋轉(zhuǎn)變換;

——M軸與

軸（A軸）的夾角

3/2VR等效直流電動(dòng)機(jī)模型ABC

iAiBiCitimi

i

異步電動(dòng)機(jī)變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電動(dòng)機(jī)模型+i*mi*t

1i*

i*

i*Ai*Bi*CiAiBiCi

iβimit~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

圖6-53異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)b)tuCEiCOdidt抑制電路時(shí)無didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無緩沖電路時(shí)uCEiC緩沖電路作用分析無緩沖電路有緩沖電路圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖1-39關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線（C）變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

晶閘管的串聯(lián)問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。動(dòng)態(tài)不均壓：由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施：選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2圖1-41晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間的差異。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)

晶閘管的并聯(lián)問題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。

均流措施：挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。采用均流電抗器。用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。目的：多個(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)5.2.2三相電壓型逆變電路負(fù)載中點(diǎn)和電源中點(diǎn)間電壓(5-6)負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0，于是(5-7)負(fù)載已知時(shí)，可由uUN波形求出iU波形。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動(dòng)一次，直流電壓基本無脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”數(shù)量分析見教材。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)7.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。a）硬開關(guān)的開通過程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程圖7-1硬開關(guān)的開關(guān)過程（C）t0uiP0uituuiiP00tt45變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)PI調(diào)節(jié)圖1-24

帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTAIdR1C1UnUd圖1-48無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例

-+MTG+++-UPE～·變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)工作原理圖1-48所示是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。當(dāng)電流超過截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化改進(jìn)的數(shù)字PI算法智能型PI調(diào)節(jié)器變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)PI調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式：其中：KP=Kpi

為比例系數(shù)

KI

=1/

為積分系數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)增量式PI調(diào)節(jié)器算法：PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得：須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um，當(dāng)u(k)>um時(shí)，便以限幅值um作為輸出。變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)TMS320F28335F28335:256Kx16Flash,34Kx16SARAM;128-BitSecurityKey/Lock;Upto18PWMOutputs;

SCI,SPI,CAN,I2C,;12-BitADC,16Channels,80-nsConversionRate變頻器內(nèi)部原理培訓(xùn)基于TMS320F28335的電機(jī)控制系統(tǒng)TMS320F28335芯片簡介美國TI公司的TMS320C28x系列DSP中的TMS320F28335芯片，這是一款32位定點(diǎn)DSP