《電力電子技術(shù)（第二版） 》 課件 項目六 變頻器的分析與使用

項目六

變頻器的分析與使用【學習目標】知識目標（1）能說出IGBT器件的基本原理及常用的驅(qū)動保護電路的原理。（2）能說出變頻器的基本概念、作用、分類及應(yīng)用領(lǐng)域。（3）能說出電壓型和電流型變頻電路的特點。能力目標（1）能用MATLAB完成變頻電路的分析。（2）能用變頻器完成電機簡單控制。素養(yǎng)目標（1）培養(yǎng)應(yīng)用信息化方式獲取正確信息的能力。（2）培養(yǎng)查找說明書，耐心細致操作的能力?！卷椖恳搿孔冾l器是應(yīng)用變頻技術(shù)制造的一種靜止的頻率變換器，它是利用半導體器件的通斷將頻率固定的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的控制裝置，一般將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電。變頻器的型號有很多種，常見的變頻器外形如圖6-1所示。（a）三菱變頻器

（b）松下變頻器

（c）歐姆龍變頻器

（d）西門子變頻器圖6-1常見變頻器外形圖

任務(wù)6.1認識絕緣柵雙極晶體管（IGBT）6.1.1了解IGBT基本工作原理1.IGBT的基本工作原理IGBT是三端器件，它的3個極為集電極（C）、柵極（G）和發(fā)射極（E）。圖6-2(a)是一種由N溝道功率MOSFET與晶體管復合而成的IGBT的基本結(jié)構(gòu)。（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號圖6-2IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化效電路和電氣圖形符號6.1.2了解IGBT基本特性及主要參數(shù)l.IGBT的基本特性1）靜態(tài)特性與功率MOSFET相似，IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性分別描述器件的控制能力和工作狀態(tài)。圖6-3（a）為IGBT的轉(zhuǎn)移特性，是指集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。（a）轉(zhuǎn)移特性b）輸出特性圖6-3IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性2）動態(tài)特性。圖6-4給出了IGBT開關(guān)過程的波形圖。IGBT在開通過程中的大部分時間是作為MOSFET管來運行的，因此其開通過程與功率MOSFET相似。只是在集射電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和區(qū)，又增加了一段延緩時間，使集射電壓波形變?yōu)閮啥危瑃fv1段和tfv2段。（a）柵、射電壓波形（b）射極電流波形（c）集、射極間電壓波形圖6-4IGBT的開關(guān)過程2.主要參數(shù)（1）最大集射極間電壓UCES：是指柵射極短路時最大的集射極直流電壓，它是由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。（2）集電極額定電流ICN：是指在額定的測試溫度條件下，元件所允許的集電極最大直流電流。（3）集電極脈沖峰值電流ICP：指在一定脈沖寬度時（常指lms脈沖）,IGBT的集電極所允許的最大脈沖峰值電流。（4）最大集電極功耗PCN：指在額定的測試溫度條件下，元件允許的最大耗散功率。1.3了解IGBT的驅(qū)動電路l.對驅(qū)動電路的要求（1）IGBT是電壓驅(qū)動的，故驅(qū)動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。（2）要用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE的前后沿足夠陡峭，減少IGBT的開關(guān)損耗。

（3）要提供大小適當?shù)恼聪蝌?qū)動電壓UGE。（4）要提供合適的開關(guān)時間。（5）要有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。（6）驅(qū)動電路與信號控制電路在電位上應(yīng)嚴格隔離。2.分立組件組成的驅(qū)動電路

因為IGBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動電路同樣可以用于IGBT。（a）由脈沖變壓器組成的柵極驅(qū)動電路（b)用光電隔離器件組成的柵極驅(qū)動電路圖6-5IGBT基極驅(qū)動電路3.集成化驅(qū)動電路很多生產(chǎn)IGBT器件的公司，為了解決IGBT驅(qū)動的可靠性問題，紛紛推出IGBT專用驅(qū)動電路，如美國MOTOROLA公司的MPD系列、日本東芝公司的KT系列、日本富士公司的EXB系列等。1）EXB841驅(qū)動器圖6-6EXB841外形圖圖6-7EXB841功能原理框圖6.1.4了解IGBT的保護電路1.過電壓保護

過電壓保護措施主要是利用緩沖電路抑制過電壓的產(chǎn)生，如圖6-10所示。圖6-10(a)是最簡單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊。（a）小容量（b）中等容量（c）大容量圖6-10IGBT的緩沖電路2.過電流保護過電流保護措施主要通過檢出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號的辦法來實現(xiàn)。1）集電極電壓識別過電流保護圖6-13為采用集電極電壓識別方法的電路。2）發(fā)射極電流檢測過流的保護電路圖6-12為檢測發(fā)射極電流過流的保護電路。圖6-11經(jīng)集電極電壓識別的IGBT過流保護電路原理圖圖6-12識別發(fā)射極過電流的保護電路任務(wù)6.2認識變頻電路6.2.1了解變頻電路的基本原理變頻器一般由整流電路、濾波電路、逆變電路、控制電路、保護電路等幾部分構(gòu)成，如圖6-13所示為變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖。圖6-13變頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖6.2.2了解交-直-交變頻電路1交-直-交電壓型變頻器1.電路結(jié)構(gòu)圖6-14交-直-交電壓型變頻器主電路

將180°導電型逆變器輸出電壓規(guī)律進行總結(jié)，歸納如下：1）每個脈沖觸發(fā)間隔60°區(qū)間內(nèi)有3個晶閘管導通，它們分別屬于逆變橋的共陰極組和共陽極組。2）在3個導通元件中，若屬于同一組的有2個元件，則元件所對應(yīng)相的相電壓大小為1/3Ud,另1個元件所對應(yīng)相的相電壓大小為2/3Ud。3）共陽極組元件所對應(yīng)相的相電壓為正，共陰極組元件所對應(yīng)相的相電壓為負。4）每個脈沖觸發(fā)間隔60°內(nèi)的相電壓之和為0。3.特點

電壓型變頻因中間直流電路采用大電容濾波，直流電壓脈動很小，近似為電壓源，具有低阻抗特性。由于直流環(huán)節(jié)并聯(lián)有大電容，直流電源極性無法改變，如果由它供電的電動機工作在再生制動狀態(tài)下，要改變電流的方向，把電能反饋到電網(wǎng)，就需要再加一套反并聯(lián)的整流器，這就大大增加了電路的復雜性，實用性不強，所以這種變頻適應(yīng)于不需經(jīng)常起動、制動和反轉(zhuǎn)的場合。2交-直-交電流型變頻器電壓型變頻器，由于再生制動時須再接附加電路，電路比較復雜，而電流型變頻器彌補了它的不足，而且主電路結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。1.電路結(jié)構(gòu)圖6-17三相串聯(lián)二極管式電流型變頻器的主電路

120°導電型逆變器導通規(guī)律總結(jié)如下：1）每個脈沖觸發(fā)間隔60°有兩個晶閘管導通，它們分別屬于逆變橋的共陰極組和共陽極組。2）在兩個導通元件中，每個元件所對應(yīng)相的相電流大小為Id，不導通元件所對應(yīng)相的電流大小為0。3）共陽極組中元件所通過的相電流為正，共陰極組元件所通過的相電流為負。4）每個脈沖觸發(fā)間隔60°內(nèi)的相電流之和為0。圖6-19120°導電型三相電流型逆變器的輸出電流波形6.2.3了解交-交變頻電路1.單相輸出交-交變頻器的工作原理1.工作原理電路由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路反并聯(lián)構(gòu)成，將其中一組稱為正組整流器P，另外一組稱為反組整流器N。如果P組整流器工作，N組整流器被封鎖，負載端輸出電壓為上正示負；如果N組整流器工作，P組整流器被封鎖，則負載端得到的輸出電壓為上負下正。這樣，只要兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電，如果改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率

0；如果改變變流電路工作時的控制角

，就可以改變交流輸出電壓的幅值。圖6-20單相橋式交-交變頻電路輸出電壓uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。圖6-21單相交-交變頻電路的輸出電壓波形圖（控制角變化）2.3.2三相輸出交-交變頻器1.三相輸出交-交變頻器主電路交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。三相輸出交-交變頻器由三套輸出電壓彼此相差120°電角度的單相輸出交-交變頻器組成。圖6-22公共交流母線的三相輸出交-交變頻器圖6-23輸出Y形連接的三相交-交變頻器4.交-交變頻的特點

交-交變頻器屬于直接變換，沒有中間環(huán)節(jié)，所以效率比較高。交交變頻電路接線較復雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜；輸入功率因數(shù)較低，特別在低速運行時更低，因此需要進行適當補償。6.2.4了解正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器1.電壓正弦脈寬調(diào)制原理

電壓SPWM技術(shù)就是希望逆變器的輸出電壓是正弦波形，它是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)平均電壓的大小。

電壓正弦脈寬調(diào)制法的基本思想是是把一個正弦半波分作n等分，在圖6-25（a）中n=12，然后把每一等分正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與之面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周波形等效，稱作SPEW。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負脈沖等效。這種正弦波正、負半周分別用等幅不等寬的正、負矩形脈沖等效的SPWM波形稱作單極式SPWM。圖6-25與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖波形

在SPWM中常用等腰三角波當作載波。當調(diào)制波與載波相交時（如圖6-26所示)，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻。具體的做法是，當U相的調(diào)制波電壓ur高于載波電壓uc時，使相應(yīng)的開關(guān)器件VT1導通，輸出正的脈沖電壓，如圖6-26(b)所示；當ur低于uc時使VT1關(guān)斷，輸出電壓為零。在ur的負半周中，可用類似的方法控制下橋臂的VT4，輸出負的脈沖電壓序列。圖6-26單極式脈寬調(diào)制波的形成

2.SPWM逆變器的同步調(diào)制和異步調(diào)制SPWM逆變器有一個重要參數(shù)為載波比N,載波比被定義為載波頻率ft與調(diào)制波頻率fr之比，用N表示，即：

視載波比的變化與否，有同步調(diào)制與異步調(diào)制之分。1）同步調(diào)制在改變fr的同時成正比地改變ft，使載波比N為常數(shù)，這就是同步調(diào)制方式，采用同步調(diào)制的優(yōu)點是可以保證輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會顯著增加。

2）異步調(diào)制采用異步調(diào)制方式是為了消除上述同步調(diào)制的缺點。在異步調(diào)制中，在變頻器的整個變頻范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比。這樣，輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負載電機的轉(zhuǎn)矩脈動與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。

3）分段同步調(diào)制將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成為分段同步調(diào)制方式，實用的SPWM變頻器多采用此方式。即在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點，當頻率降低較多時，如果仍保持載波比N不變的同步調(diào)制，輸出電壓諧波將會增大。為了避免這個缺點，可使載波比N分段有級地加大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。

3.SPWM的實現(xiàn)方法SPWM的控制就是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波比較后的交點來確定逆變器功率器件的開關(guān)時刻，這個任務(wù)可以用模擬電子電路、數(shù)字電路或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路芯片等硬件電路來完成，也可以用微型計算機通過軟件生成SPWM波形?，F(xiàn)在一般采用專門產(chǎn)生SPWM控制信號的集成電路芯片來生成SPWM波形。

圖6-27HEF4752芯片圖6-52SLE4520實物圖6.2.5完成交-直-交變頻電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope不可控整流橋模塊SimpowerSystems/PowerElectronics/UniversityBridge逆變模塊SimpowerSystems/PowerElectronics/UniversityBridge電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchPWM發(fā)生器模塊SimpowerSystems/PowerElectronics/DiscreteControlBlocks/DiscretePWMGenerator萬用表模塊Simulink/SimpowerSystems/Measurements/Multimeter用戶界面分析模塊Powergui表6-3仿真模塊提取路徑圖6-28仿真電路圖2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：（1）電源ACVoltagesource：初相位角0，頻率為50Hz，采樣時間為0(默認值0表示交流電源為連續(xù)源)。（2）PWM發(fā)生器模塊：其參數(shù)設(shè)置如圖6-29所示。（3）逆變模塊UniversityBridge：采用默認參數(shù)設(shè)置。（4）負載RLC：濾波電感L1電感值設(shè)置為80e-3；濾波電感L2電感值設(shè)置為30e-3；濾波電容C1電容值設(shè)置為1800e-6；濾波電容C2電容值設(shè)置為320e-6。（5）不可控整流橋Universalbridge，其參數(shù)設(shè)置如圖6-30所示。圖6-29PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置圖6-30Universalbridge參數(shù)設(shè)置3.仿真參數(shù)的設(shè)置設(shè)置仿真時間為0.5s，算法為ode45。其余參數(shù)保持不變。圖6-31整流與濾波輸出電壓波形

圖6-32逆變電壓輸出波形經(jīng)過濾波電路，可以得到正弦波輸出，以負載為純電阻負載為例如圖6-33所示。圖6-33逆變?yōu)V波輸出波形（1）采用純電阻負載，設(shè)置R=100歐。此時輸出電流電壓波形如圖6-34所示。圖6-34純電阻負載電流電壓輸出波形5.交-直-交變頻電路帶感性負載電路如圖6-28所示，將其中的負載改為阻感性負載，設(shè)置R=100Ω,L=100H，此時輸出電流電壓波形如圖6-35所示。圖6-35阻感負載電流電壓輸出波形任務(wù)6.3應(yīng)用變頻器控制電機

2.轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對U/F控制的一種改進。在采用這種控制方式的變頻器中，電動機的實際速度由安裝在電動機上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動機的實標轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率的和自動設(shè)定，從而達到在進行調(diào)速控制的同時，控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的。

轉(zhuǎn)差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制，并可以在一定程度上對輸出轉(zhuǎn)矩進行控制,所以和控制方式相比，在負載發(fā)生較大變化時，仍能達到較高的速度精度和具有較好的轉(zhuǎn)矩特性。但是，由于采用這種控制方式時，需要在電動機上安裝速度傳感器,并需要根據(jù)電動機的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差，通常多用于廠家指定的專用電動機,通用性較差。3.矢量控制

矢量是一種高性能的異步電動機的控制方式,它是從直流電動機的調(diào)速方法得到啟發(fā)，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)解決了大量的計算問題，是異步電動機一種理想的調(diào)速方法。

矢量控制的基本思想是將異步電動機的定子電流在理論上分成兩部分：產(chǎn)生磁場的電流分量(磁場電流)和與磁場相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)，并分別加以控制。4.3種控制方式的特性比較名稱U/F控制轉(zhuǎn)差頻率控制矢量控制加減速特性急加減速控制有限，4象限運轉(zhuǎn)時在零速度附近有空載時間，過電流抑制能力小急加減速控制有限度（比U/f控制有提高），4象限運轉(zhuǎn)時通常在零速度附近有空載時間，過電流抑制能力中急加減速時的控制無限度，可以進行連續(xù)4象限運轉(zhuǎn)，過電流抑制能力強速度控制范圍1：101：201：100以上響應(yīng)-5～10rad/s30～100rad/s定常精度根據(jù)負載條件轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生變動與速度檢出精度、控制運算精度有關(guān)模擬最大值的0.5％數(shù)字最大值的0.05％轉(zhuǎn)矩控制原理上不可能除車輛調(diào)速等外，一般不適用適用可以控制靜止轉(zhuǎn)矩通用性基本上不需要因電動機特性差異進行調(diào)整需要根據(jù)電動機特性給定轉(zhuǎn)差頻率按電動機不同的特性需要給定磁場電流，轉(zhuǎn)矩電流、轉(zhuǎn)差頻率等多個控制量控制構(gòu)成最簡單較簡單稍復雜表6-43種控制方式的特性比較6.3.2通用變頻器的結(jié)構(gòu)及接線3.2.1通用變頻器結(jié)構(gòu)

變頻器一般由主電路和控制電路組成。主電路主要包括整流電路、中間直流電路和逆變電路三部分，其中，中間直流電路又由限流單元、濾波器、制動電路、電源再生單元以及直流電源檢測電路等組成。圖6-39通用變頻器結(jié)構(gòu)圖FR-E700系列變頻器是FR-E500系列變頻器的升級產(chǎn)品，是一種小型、高性能變頻器。工業(yè)應(yīng)用中常選用三菱FR-E700系列變頻器中的FR-E740-0.75K-CHT型變頻器來進行變頻器，該變頻器額定電壓等級為三相400V，適用電機容量0.75kW及以下的電動機。FR-E700系列變頻器的外觀和型號的定義如圖6-40所示。圖6-40FR-E700系列變頻器3.2.2通用變頻器的標準接線圖6-41三菱FR-E740系列變頻器的基本接線圖6-42FR-E740系列變頻器主電路實物圖2.控制電路接線FR-E740系列變頻器實物控制電路端子分布如圖6-43所示，總體分為控制輸入、頻率設(shè)定（模擬量輸入）、繼電器輸出（異常輸出）、集電極開路輸出（狀態(tài)檢測）和模擬電壓輸出等5部分區(qū)域。圖6-43FR-E740系列變頻器控制電路實物端子分布圖3.制動電阻器與制動單元的連接1）制動電阻器的連接使用變頻器驅(qū)動的電機通過負載旋轉(zhuǎn)時、或需要急速減速時，需要在外部安裝專用制動電阻器。專用制動電阻器連接到端子P/+、PR，如圖6-44所示，除在連接直流電抗器以外，端子P/+-P1間短路片不得拆除。圖6-44制動電阻的連接

圖6-45熱敏繼電器接線圖2）制動單元的連接

為了提高減速時的制動能力，需要按照圖6-46連接制動單元。萬一制動單元內(nèi)部的晶體管故障時，電阻器會異常發(fā)熱，為了防止電阻器過熱，需要在變頻器的輸入側(cè)安裝電磁接觸器，并設(shè)計可在故障時切斷電流的電路。圖6-46與FR-BR制動單元的連接6.3.3變頻器的功能設(shè)定1.控制面板控制面板主要有以下幾方面的功能：顯示頻率、電流、電壓等；設(shè)定操作模式、操作命令、功能碼；讀取變頻器運行信息和故障報警信息；監(jiān)視變頻器運行；變頻器運行參數(shù)的自整定；故障報警狀態(tài)的復位。圖6-47FR-E740系列變頻器的控制面板（1）運行模式顯示燈：PU--面板調(diào)試模式時亮燈，EXT--外部運行模式時亮燈；NET--網(wǎng)絡(luò)運行模式時亮燈。（2）單位顯示燈：Hz--顯示頻率時亮燈；A--顯示電流時亮燈；顯示電壓時兩燈均熄，顯示設(shè)定頻率監(jiān)視時閃爍。（3）監(jiān)視器（4位LED）：顯示頻率、參數(shù)編號等。（4）M旋鈕：用于變更頻率設(shè)定、參數(shù)的設(shè)定值，按該旋鈕可顯示以下內(nèi)容：監(jiān)視模式時的設(shè)定頻率，校正時的當前設(shè)定值，錯誤歷史模式時的順序。（5）模式切換鍵MODE：用于切換各設(shè)定模式。（6）設(shè)定確定鍵SET：用于確認設(shè)定集參數(shù)修改，運行時按此鍵則監(jiān)視器輪番出現(xiàn)：運行頻率、輸出電流、輸出電壓。（7）啟動指令鍵RUN：通過參數(shù)的設(shè)定，可以選擇旋轉(zhuǎn)方向。（8）運行狀態(tài)指示燈RUN：亮燈表示正轉(zhuǎn)運行中；緩慢閃爍表示反轉(zhuǎn)運行中；快速閃爍表示按RUN鍵或輸入啟動指令都無法運行時