《变频器单元讲义》PPT课件.ppt

1、功率单元,高压变频器控制型式,PWM控制技术：所谓PWM技术就是利用半导体 器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术，自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术，PWM用于变频器控制可以明显改善输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。 矢量控制技术：把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦，它调速精度高，并具有恒功率控制、转矩按比例控制等优良的特性，动态响应快，可实

2、现快速四象限运行，可控制失速转矩，起动转矩大，在低速时采用减小转矩脉动的措施，可扩大调速范围，缺点是控制特性受电机参数影响大，需要输入准确的电机参数，否则转矩控制不够准确。,功率单元分类,1、通用型功率单元 2、能量回馈功率单元,通用型功率单元外形,能量回馈型功率单元外形,通用型功率单元介绍,原理介绍 器件介绍 内部原理框图介绍,单元原理介绍,功率单元原理框图,原理说明,输入电源端R、S、T接移相变压器二次线圈的三相低压输出（690VAC），经三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。,功率单元控制方式说明,功率单元通过光纤接收信号，采用空间

3、矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。,输出波形图,功率单元旁路介绍,功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相故障、过热和驱动故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时旁路开关K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低

4、，如6kV系列运行频率低于40Hz时， 10kV系列运行频率低于43.7Hz时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。（注：功率单元故障有驱动故障、过热故障、缺相故障三种）,功率单元控制以及驱动介绍,每个功率单元内均由一块控制板和一块驱动板构成。,控制板,控制板原理图,控制板工作原理介绍 控制板通过光纤（XS4）接收来自控制器的信号，经CPLD接收解码器解码后用于对IGBT及旁路开关（可选）的控制。同时，控制板上还有各种单元故障检测电路，如过热检测、缺相检测、直流母线过压检测、电源故障监测、光纤故障监测、驱动故障检测等，这些故障信号经过故障编码逻辑电

5、路编码后，由光纤（XS3）发送回控制器，实现故障保护（接口板输出故障保护跳闸及故障报警指示）和故障记忆（人机界面显示故障原因、时间、位置，并保存）。 控制板上的控制电源直接取自直流母线（通过XS1），经过开关电源的隔离和变换后得到所需控制电源。因此，高压电源失电后，控制电源并不会立即消失，控制板上的电源指示灯经过几分钟后才能熄灭。这种取电方式可以确保高压电源瞬时停电跟踪功能的实现。,单元驱动板,单元驱动板原理框图,单元驱动板原理及其功能介绍： 驱动板用于产生IGBT的驱动信号，并将IGBT的故障信号反馈到单元控制板。驱动板通过端子XS5与控制板端子XS6相连，其中L控制左桥臂上的Q1、Q3 两

6、个IGBT，R控制右桥臂上的Q2、Q4 两个IGBT，Q1、Q3和Q2、Q4通过反相器互锁；/INHB为IGBT禁止信号；/DR为IGBT的故障信号，反馈回控制板用于单元保护。 驱动板上的电源来自控制板，其中+15V电源被隔离成4路电源，输出为：+15V和-10V电源分别用于4个IGBT的驱动。,能量回馈型功率单元介绍,能量回馈型功率单元原理介绍,功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之电

7、功率由电网注入功率单元。电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。,器件介绍,熔断器,熔断器介绍,熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。熔断器是一种过电流保护电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规

8、定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器。串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。,整流桥,二极管只允许电流单向通过，所以将其接入交流电路时它能使电路中的电流只按单向流动，即所谓“整流”。 整流电路一般分“半波整流电路”和“全波整

9、流电路”以及所谓“桥式整流电路”，其连接方式与所用整流元件数量都不同，效率也不相同，以四个性能相同的整流元件（二极管）连接成桥式电路整流效果最好，将构成桥式整流电路的整流元件封装在一起，成为一个整体的元件，一般叫整流电桥，或桥堆. 交流输入接整流桥串联点，整流输出是：正出负，负出正，整流桥是双正出负，双负出正。,如图所示单相整流电路:,三相整流电路介绍:,三相整流电路介绍,通用型变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电

10、网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相690V时，整流器件的最大反向电压一般为16002200V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。,整流桥实物图,电解电容滤波电路介绍,滤波电路 变频器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容

11、器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命,IGBT逆变电路,逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

12、通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。 逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，

13、当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。,电力电子器件器件的驱动,1. 电力电子器件器件的驱动 A、电力电子器件驱动电路概述 B、晶闸管的触发电路 C、典型全控型器件的驱动电路,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现 驱动电路的基本

14、任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图C-1 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,电流驱动型和电压驱动型 具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用 专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电

15、路也集成在内的混合集成电路 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,1. 电流驱动型器件的驱动电路 GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流 使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力,图C-2推荐的GTO门极电压电流波形,典型全控型器件的驱动电路,驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可

16、得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低 典型的直接耦合式GTO驱动电路：,典型全控型器件的驱动电路,二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整 流电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压,图C-3 典型的直接耦合 式GTO驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之 不进入放大区和深饱和区 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同

17、样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压 图C-4理想的GTR基极驱动电流波形,典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。 C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通 图C-5GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路：THOMSON公司的UAA4

18、002和三菱公司的M57215BL,典型全控型器件的驱动电路,2. 电压驱动型器件的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小,典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分 无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压 当有输

19、入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,图1-32 电力MOSFET的 一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器 图C-6M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,典型全控型器件的驱动电路,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过

20、电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。,图C-7M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点， 具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位,绝缘栅双极晶体管 IGBT,1. IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极

21、G、集电极C和发射极E 图C-8 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGBT的结构 图C-7N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻,绝缘栅双极晶体管

22、 IGBT,IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定 导通：，uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断,绝缘栅双极晶体管 IGBT,2. IGBT的基本特性 1)IGBT的静态特性 图C-8 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,绝缘栅双极晶体管 IGBT,转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似 开启电

23、压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V 输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应 uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态,绝缘栅双极晶体管 IGBT,2)IGBT的动态特性 图1-24 IGBT的开关过程,绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻

24、，到iC上升至10% ICM 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间 开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 （开关过程图）,绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGBT的关断过程（开关过程图） 关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅 值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM 电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM 关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi

25、2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢,绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 3. IGBT的主要参数 1) 最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2) 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3)最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗,绝缘栅双极晶体管 IGBT,IGB

26、T的特性和参数特点 (1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上 时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力 MOSFET相当 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力 (3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较 大的区域 (4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 (5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可 以进一步提高，同时保持开关频率高的特点,绝缘栅双极晶体管 IGBT,4. IGBT的擎住效应和安全工作区 寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成 正偏安全工作区（FBSOA）最大集电极电流

27、、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 反向偏置安全工作区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定,图C-9 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始

28、逐渐解决 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件,其他新型电力电子器件,其他新型电力电子器件 MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT 功率模块与功率集成电路,MOS控制晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程 晶闸管的高电压大电流、低导通压降 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关

29、断的MOSFET MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用,静电感应晶体管SIT,SIT（Static Induction Transistor）1970年，结型场效应晶体管 小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用 缺点： 栅极不加信

30、号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用,静电感应晶闸管SITH,SITH（Static Induction Thyristor）1972年，在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT） 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类

31、似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展,集成门极换流晶闸管IGCT,IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置,单元故障检测及其维护,故障检测及排除方法： 熔断器故障：检测到单元缺相时，报单元熔断器故障。请检查是否因为主电源停电引起；单元的三相进线是否松动；进线熔断器是否完好。若熔断器开路，请更换单元。 驱动故障：请检查单元检测