变频器培训

变频器输入电流波形
2.4.1 电容滤波的单相不可控整流 电路
感容滤波的二极管整流电路
实际应用为此情况，但分析复杂。 Ud 波形更平直，电流 i2 的上升段平缓了许多，这对于 电路的工作是有利的。
i2,u2,ud u2 ud
i2
d
0
q
p
wt
a)
b)
图2-29 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形
绝缘栅双极晶体管
1 ) IGBT 的结构和工作原理
三端器件：栅极 G 、集电极 C 和发射极 E 。 IGBT 比 VDMOSFET 多一层 P+ 注入区，具有很强的通流 能力。
图1-22 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号
（B）
a) 内部结构断面示意图 b) 等效电路 c) 简化等效电路 d) 电气图形符号
然而由于 IGBT 约 lus 后已导通， Uce 下降 至 3V ，从而将 EXB841 脚 6 电位箝制 在 8V 左右，因此 B 点和 C 点电位不会充 到 13V ，而是充到 8V 左右，这个过程时 间为 1 〃 24us ；又稳压管 VZ1 的稳压值 为 13V ， IGBT 正常开通时不会被击 穿， V3 不通， E 点电位仍为 20V 左 右，二极管 VD6 截止，不影响 V4 和 V5 的正常工作。
变频器培训
变频器： 将电网电压提供的恒压恒频转换成电压 和频率都可以通过控制改变的转换器，使电 动机可以在变频电压的电源驱动下发挥更好 的工作性能。
主要的公式
u iR e
60 f 公式： n 2p
R为电枢绕组内阻，e为旋转电动势
u iR 4.44 fN
f: 旋转速度；N：线圈匝数；
（A）
b ) 基本功率单元
a ) 串联连接三相高压 变频器原理图
EXB841的工作原理
• 1 ）正常开通过程 • 当控制电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 有 10mA 的电流流过时，光耦合器 IS0l 就会导通， A 点电位迅 速下降至 0V ，使 V1 和 V 2 截止； V 2 截止使 D 点电位上升至 20V ， V4 导通， V5 截止， EXB841 通 过 V4 及栅极电阻 Rg 向 IGBT 提供电流使之迅速导 通 , Uc 下降至 3V 。与此同时， V1 截止使十 20V 电源 通 R3 向电容 C2 充电，时间常数 r1 为 • r1=R3c2=2 ·42us （ 2 － 17 ） • 又使 B 点电位上升，它由零升到 13V 的时间可用下式 求得 : • 13 ＝ 20 （ 1 － e ^ (-t/r1) （ 2 － 18 ） • t=2 ·54uS （ 2 － 19 ）
•
• • • • • • •
B 点和 C 点电位由 8V 上升到 13V 的时间可用下式 求得: 13 ＝ 20 （ 1--e^ (--t/r1)--8e^ (--t/r1) （ 2 － 20 ） t ＝＝ l ·3uS (2 － 21 ） C3 与 R7 组成的放电时间常数为 T2 ＝＝ C3R7 ＝ 4 · 84uS （ 2 － 22 ） E 点由2 0V 下降到3 〃 6V 的时间可用下式求得 3 〃 6= 20e^ (--t/r2) （ 2 － 23 ） t ＝ 8 ·3uS （ 2 － 24 ）
（B）
1.4.3 电力场效应晶体管
电力 MOSFET 的结构
b） a） 图1-19 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号
是单极型晶体管。 导电机理与小功率 MOS 管相同，但结构上多采用垂直 导电结构，又称为 VMOSFET 。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
（B）
图 a ) 为垂直导电双扩散结构，即 VDMOSFET 。
Tm KmIa
P T M nM 9550
Km:系数；


：磁通
：磁通；
Ia ：电枢电流
晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
（C）
平板型晶闸管外形及结构
1.4 典型全控型器件 ·引言
常用的典型全控型器件
GTR 、电力 MOSFET 和 IGBT 等器件
的常用封装形式。
（C）
10
• 单极性 PWM 控制方式（单相桥 V1 和 逆变）V2 、V3 和 V4 的通断
彼此互补。在 ur 和 uc 的交 点时r > uc 时使 V4 通，V3 断， uo = Ud 。 当 ur < uc 时使 V4 断，V3 通， uo = 0 。 ur 负半周，请同学们自己分析。 表示 uo 的基波分量
wt
ia
O
wt
c)
图2-32 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 （C）
a）电路原理图 b）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形
5.4.2 多电平逆变电路
例:“完美无谐波”高压变频器
为减少输入电流中的谐波、提高 功率因数，工频变压器采用相位彼此 差开相等电角度的多副边结构，每一 组副边接一个图 b) 所示的基本功率 单元。高压变频器每一相由若干个基 本功率单元串联组成 ( 图 a) 为 3 个单 元串联 )，实现高压输出。 串联的单元数越多，输出的电压 越高，而输入电流越接近正弦。 此类变频器已成功地用于高压电 机变频调速的场合。
• 则 E 点由 3 〃 6V 充至 19V 的时间可用下式 求得： • 19=20（l 一 e^( － t/r3)＋3.6e^( t/r3)( 2－26 ） • t ＝ 135 uS （ 2 -- 2 7 ） • 则 E 点恢复到正常状态需 135us ，至此 EXB841 完全恢复到正常状态，可以进行正常的 驱动。 • 与前述的 IGBT 驱动条件和保护策略相对照， 以上所述说明 EXB841 确实充分考虑到 IGBT 的特点，电路简单实用，有如下特点：
同样在调制信号 ur 和载波信号 uc 的交点时刻控制器件的通断。 ur 正负半周，对各开关器件的 控制规律相同。
（B）
u
ur
uc
O
wt
uo Ud O -Ud
u of
uo
wt
图6-6 双极性 PWM 控制方式波形
u
uc
ur
6.2.1 计算法和调制法
u ur uc
O uo uof
wt
O
wt
uo Ud O -Ud
3 ）通过精心设计，将过流时降低 Uge 与慢 关断技术综合考虑 , 按前面所述，短路时 EXB841 各引脚波形如图 2 － 68 所示。可 见一旦电路检测到短路后，要延迟 约 1 〃 5 us （ VZI 导通时， R4 会有 压降） Uge 才开始降低，再过约 8us 后 Uge 才降低到 0V （相对 EXB841 的脚 1 ）。在这 10us 左右的时间内，如 果短路现象消失， Uge 会逐步恢复到正常 值，但恢复时间决定于时间常数 t3 ，时间 是较长的。
• 此时慢关断过程结束， IGBT 栅极上所受偏压为 0oV （设V3 管压降为0 〃 3V , V6 和V5 的压降 为 O 〃7V ）。 • 这种状态一直持续到控制信号使光电耦合 器 IS0l 截止，此时 V1 和 V 2 导通， V 2 导 通使 D 点下降到 0V ，从而 V 4 完全截止， V 5 完全导通， IGBT 栅极所受偏压由慢关断时的 0V 迅速下降到一 5V ， IGBT 完全关断。 V1 导 通使 C2 迅速放电、V 3 截止， 20V 电源通过 R8 对 C4 充电，RC 充电时间常数为 • T3 ＝ C4R8 ＝ 48 · 4uS （ 2 ·25 ）
效果基本相同
f (t) f (t)
O
a) 矩形脉冲
t O
b) 三角形脉冲
t
c) 正弦半波脉冲
O
t
O
d) 单位脉冲函数
9
t
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
（B）
PWM 控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
SPWM 波
>
u
O
ωt
O
>t ω
u
O
ωt
>
若要改变等效输出正 弦波幅值，按同一比例 改变各脉冲宽度即可。
（B）
u
6.2.1 计算法和调制法
uc
ur
O
wt
uo Ud
uo
u of
O -U d
wt
图6-5 单极性 PWM 控制方式波形
• 双极性 PWM 控制方式（单相桥 在 ur 和 逆变） uc 的交点时刻控制
IGBT 的通断。 在 ur 的半个周期内，三角波载
波有正有负，所得 PWM 波也 有正有负，其幅值只有±Ud 两 种电平。
（B）
uo
a)
io
t1 t2
t b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
8
6.1 PWM 控制的基本思想
重要理论基础 —— 面积等效原 理 采样控制理论中的一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量 窄脉冲的面积 环节的输出响应波形基本相同
f (t) f (t) d (t)
2 ）正常关断过程控制电路使 EXB841 输 入端脚14 和脚15 无电流流过，光耦合器 IS01 不通， A 点电位上升使 V1 和 V2 导 通； V 2 导通使 V 4 截止， V 5 导 通， IGBT 栅极电荷通过 V 5 迅速放电， 使 EXB841 的脚 3 电位迅速下降至 0V （相对于的 EXB841 脚 1 低 5V ）， 使 IGBT 可靠关断， Uce 迅速上升， 使 EXB841 的脚 6 “悬空”。与此同 时 V1 导通， C2 通过 V1 更快放电， 将 B 点和 C 点电位箝在 0V ，使 VZI 仍不通，后继电路不会动作 , IGBT 正常关 断。