1、變頻器內部原理培訓,變頻器： 將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻轉換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉換器，使電動機可以在變頻電壓的電源驅動下發(fā)揮更好的工作性能。,1,主要的公式,公式：,R為電樞繞組內阻，e為旋轉電動勢,Km:系數(shù)；,：磁通；,：電樞電流,f: 旋轉速度；N：線圈匝數(shù)；,：磁通,2,晶閘管的結構與工作原理,常用晶閘管的結構,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結構,（C）,3,1.4 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。,4,1.4.3 電力場效應晶體管,電力 MOSFET 的結構,是單極型晶體管

2、。 導電機理與小功率 MOS 管相同，但結構上多采用垂直 導電結構，又稱為 VMOSFET 。 采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。 圖 a ) 為垂直導電雙擴散結構，即 VDMOSFET 。,圖1-19 電力 MOSFET 的結構和電氣圖形符號,（B）,a）,b）,5,絕緣柵雙極晶體管,1 ) IGBT 的結構和工作原理 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)，具有很強的通流能力。,圖1-22 IGBT 的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 等效電路 c) 簡化等效電路 d) 電氣圖形

3、符號,（B）,6,功率模塊與功率集成電路,例：部分功率模塊、IPM、電力半導體器件及驅動電路,（A）,7,8,逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率。,圖5-1 逆變電路及其波形舉例,電阻負載時，負載電流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。,阻感負載時，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 個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,（B）,9,6.1 PWM 控制的基本思想,重要理論基礎 面積等效原理,采樣控制理論中的一個重要結論： 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，其效果基本相同。,（B）,10

4、,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。,如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,SPWM 波,（C）,t,t,t,V1 和 V2 、V3 和 V4 的通斷彼此互補。在 ur 和 uc 的交點時刻控制 IGBT 的通斷。,6.2.1 計算法和調制法,ur 正半周，V1 保持通，V2 保持斷。 當 ur uc 時使 V4 通，V3 斷， uo = Ud 。 當 ur uc 時使 V4 斷，V3 通， uo = 0 。 ur 負半周，請同學們自己分析。,圖6-5 單極性 PWM 控制方式波形,（B）,單極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）,11,

5、在 ur 和 uc 的交點時刻控制 IGBT 的通斷。 在 ur 的半個周期內，三角波載波有正有負，所得 PWM 波也有正有負，其幅值只有Ud 兩種電平。 同樣在調制信號 ur 和載波信號 uc 的交點時刻控制器件的通斷。 ur 正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。,圖6-6 雙極性 PWM 控制方式波形,（B）,雙極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）,12,6.2.1 計算法和調制法,對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規(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。2、哪種方式效果相對更好

6、？ 3、若用示波器觀察以上兩波形會看到什么結果？,13,變頻器輸入電流波形,14,2.4.1 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,（C）,實際應用為此情況，但分析復雜。 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。,15,2.4.2 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,（C）,某一對二極管導通時，輸出電壓等于交流側線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。 當沒有二極管導通時，由電

7、容向負載放電，ud 按指數(shù)規(guī)律下降。,16,2.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路,考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況： 電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側電流波形逐漸接近。,圖2-32 考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路及其波形 a）電路原理圖 b）輕載時的交流側電流波形 c）重載時的交流側電流波形,（C）,17,5.4.2 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

8、構，每一組副邊接一個圖 b) 所示的基本功率單元。高壓變頻器每一相由若干個基本功率單元串聯(lián)組成 ( 圖 a) 為 3 個單元串聯(lián) )，實現(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變頻調速的場合。,（A）,b ) 基本功率單元,18,EXB841的工作原理,19,20,1 ）正常開通過程 當控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 有 10mA 的電流流過時，光耦合器 IS0l 就會導通， A 點電位迅速下降至 0V ，使 V1 和 V2 截止； V2 截止使 D 點電位上升至 20V ， V4 導通， V5 截止， EXB

9、841 通過 V4 及柵極電阻 Rg 向 IGBT 提供電流使之迅速導通 ,Uc 下降至 3V 。與此同時， V1 截止使十 20V 電源通 R3 向電容 C2 充電，時間常數(shù) r1 為 r1=R3c2=2 42us （ 2 17 ） 又使 B 點電位上升，它由零升到 13V 的時間可用下式求得 : 13 20 （ 1 e(-t/r1) （ 2 18 ） t=2 54uS （ 2 19 ）,21,然而由于 IGBT 約 lus 后已導通， Uce 下降至 3V ，從而將 EXB841 腳 6 電位箝制在 8V 左右，因此 B 點和 C 點電位不會充到 13V ，而是充到 8V 左右，這個過程時

10、間為 1 24us ；又穩(wěn)壓管 VZ1 的穩(wěn)壓值為 13V ， IGBT 正常開通時不會被擊穿， V3 不通， E 點電位仍為 20V 左右，二極管 VD6 截止，不影響 V4 和 V5 的正常工作。,22,2 ）正常關斷過程控制電路使 EXB841 輸入端腳14 和腳15 無電流流過，光耦合器 IS01 不通， A 點電位上升使 V1 和 V2 導通； V2 導通使 V4 截止， V5 導通， IGBT 柵極電荷通過 V5 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 可靠關斷， Uce 迅速上升，使 EXB841

11、的腳 6 “懸空”。與此同時 V1 導通， C2 通過 V1 更快放電，將 B 點和 C 點電位箝在 0V ，使 VZI 仍不通，后繼電路不會動作 ,IGBT 正常關斷。,23,3 ）保護動作 設 IGBT 已正常導通，則 V1 和 V2 截止，V4 導通，V5 截止，B 點和C 點電位穩(wěn)定在 8V 左右，VZ1 不被擊穿，V3 不導通， E 點電位保持為 20V ，二極管 VD6 截止。若此時發(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 點和C 點電位開始由8V 上升；當上升至 13V 時，VZ1 被擊穿，V3

12、導通，C4 通過 R7 和 V3 放電，E 點電位逐步下降，二極管VD6 導通時, D 點電位也逐步下降，從而使 EXB841 的腳 3 電位也逐步下降，緩慢關斷IGBT 。,24,B 點和 C 點電位由 8V 上升到 13V 的時間可用下式求得: 13 20 （ 1-e(-t/r1)-8e(-t/r1) （ 2 20 ） t l 3uS(2 21 ） C3 與 R7 組成的放電時間常數(shù)為 T2 C3R7 4 84uS （ 2 22 ） E 點由20V 下降到3 6V 的時間可用下式求得 3 6=20e(-t/r2) （ 2 23 ） t 8 3uS （ 2 24 ）,25,此時慢關斷過程結束

13、， IGBT 柵極上所受偏壓為 0oV （設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)到控制信號使光電耦合器 IS0l 截止，此時 V1 和 V2 導通， V2 導通使 D 點下降到 0V ，從而 V4 完全截止， V5 完全導通， IGBT 柵極所受偏壓由慢關斷時的 0V 迅速下降到一 5V ， IGBT 完全關斷。 V1 導通使C2 迅速放電、V3 截止， 20V 電源通過 R8 對 C4 充電，RC 充電時間常數(shù)為 T3 C4R8 48 4uS （ 2 25 ）,26,則 E 點由 3 6V 充至 19V 的時間可用下式求得： 19=20（l 一

14、 e( t/r3)3.6e( t/r3)( 226 ） t 135uS （ 2-27 ） 則 E 點恢復到正常狀態(tài)需 135us ，至此 EXB841 完全恢復到正常狀態(tài)，可以進行正常的驅動。 與前述的 IGBT 驅動條件和保護策略相對照，以上所述說明 EXB841 確實充分考慮到 IGBT 的特點，電路簡單實用，有如下特點：,27,1 ）模塊僅需單電源十 20V 供電，它通過內部 5V 穩(wěn)壓管為 IGBT 提供了十 15V 和一 5V 的電平，既滿足了 IGBT 的驅動條件， 又簡化了電路，為整個系統(tǒng)設計提供了很大方便。 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

15、上使電路結構簡化。,28,3 ）通過精心設計，將過流時降低 Uge 與慢關斷技術綜合考慮 , 按前面所述，短路時 EXB841 各引腳波形如圖 2 68 所示?？梢娨坏╇娐窓z測到短路后，要延遲約 1 5us （ VZI 導通時， R4 會有壓降） 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 左右的時間內，如果短路現(xiàn)象消失，Uge 會逐步恢復到正常值，但恢復時間決定于時間常數(shù) t3 ，時間是較長的。,29,M57962的應用電路,8腳應該接光耦的發(fā)射端，為控制電路提供過流信號。,30,31,圖634電容器放電 a）放電電路b

16、）從接線端放電,32,圖643 單進三出變頻器,33,圖644 單進三出時存在的問題,34,圖645 單進三出的升壓電路,35,交流調速控制策略,見書 矢量控制于電機的參數(shù)有關,36,異步電機的坐標變換結構圖,圖6-52 異步電動機的坐標變換結構圖 3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉變換; M軸與軸（A軸）的夾角,3/2,VR,等效直流 電動機模型,A,B,C,iA,iB,iC,it,im,i,i,異步電動機,37,矢量控制系統(tǒng)原理結構圖,圖6-53 異步電機矢量控制系統(tǒng)原理結構圖,38,39,b),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 R

17、CD 緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形,圖1-39關斷時的負載線,（C）,40,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。 動態(tài)不均壓：由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。,目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。,41,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的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。,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,動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。 用R

18、C并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間的差異。,42,晶閘管的并聯(lián),問題：會分別因靜態(tài)和動態(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。 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。,目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流,43,5.2.2 三相電壓型逆變電路,負載中點和電源中點間電壓 (5-6) 負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 負載已知時，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

19、流側電流id的波形，id每60脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側向直流側傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。 防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源短路，應采取“先斷后通” 數(shù)量分析見教材。,44,45,7.1.1 硬開關和軟開關,硬開關,開關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，導致開關噪聲。,a）硬開關的開通過程,b）硬開關的關斷過程,圖7-1 硬開關的開關過程,（C）,PI調節(jié),圖1-24 帶轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖,+,-,M,TG,+,-,+,-,+,-,Utg,Ud,Id,n,+,-,-,

20、+,Un,Un,U*n,Uc,UPE,+,-,Id,Un,Ud,Uc,tg,46,+,+,-,RP2,n,RP1,U*n,R0,R0,Rbal,Uc,VBT,VS,Ui,TA,Id,R1,C1,Un,Ud,圖1-48 無靜差直流調速系統(tǒng)示例,+,+,+,+,-,UPE,47,工作原理,圖1-48所示是一個無靜差直流調速系統(tǒng)的實例，采用比例積分調節(jié)器以實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(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。當電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導通，則PI調節(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

21、下降，達到限制電流的目的。,48,數(shù)字PI調節(jié)器,模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化 改進的數(shù)字PI算法 智能型PI調節(jié)器,49,模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化,PI調節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。,50,PI調節(jié)器時域表達式：,其中 ： KP= Kpi 為比例系數(shù) KI =1/ 為積分系數(shù),PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)：,51,增量式PI調節(jié)器算法：,PI調節(jié)器的輸出可由下式求得 ：,須在程序內設置限幅值u m，當 u(k) u m 時，便以限幅值 u m

22、作為輸出。,52,TMS320F28335,F28335: 256K x 16 Flash, 34K x 16SARAM; 128-Bit Security Key/Lock; Up to 18 PWM Outputs; SCI, SPI,CAN, I2C,; 12-Bit ADC, 16 Channels,80-ns Conversion Rate,53,基于TMS320F28335的電機控制系統(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DSP芯片，具有數(shù)字信號處理能力以及強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，非常適用于電機、馬達伺服控制系統(tǒng)等。 C28x系列芯片主要性能有： 最高150MHz的系統(tǒng)主頻，CPU核心電壓1.8V/1.9V，I/O口電壓3.3V CPU是哈佛總線結構，支持16*16位與32*32位的乘且累加操作，16*16位的兩個乘且累加操作。 片內具有256K*16位的線性FLASH存儲器，1K*16位的OTP型只讀存儲器。一共具有34K*16位的單口隨機存儲器。 芯片內部有出廠固化好了的8K*16位的Boot Rom，其內部具