技术培训教材

1、技术培训教材电动机超级数码节电器技术培训教材内部资料注意保存第二章节电器的结构2第二章节电器工作原理5第三章节电器的特点8第四章节电器的外围配套设备9第五章节电器的电路构成及分析 11第六章主回路元件参数及经验计算 15第七章功率转换和电流显示校正 16第一章节电器的结构一、节电器的主回路节电器主电路包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组成（图 13-01、图 1-01）。VD1整流电路:谑波电路%vm M)5 ；&R 'VD4T)6 VT)2逆变电路C3C2¥D6B2N图1 OR节电器主回路图-UD1D31、整流电路：由VD1VD6组成三相桥式全波整流电路。

2、若电源线电压为UL ,三相桥整流后平均直流电压 UD=1.35UL，直流母线电压为535V。2、中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波。滤波电容C1、C 2除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰给电机感性负载提供必要的无功功率。C1、C 2上并联有泄流电阻R1、R2,保证节电器断电后电容上储存的能量被泄放 掉。由于电容容量大、储存能量多，在断电的短时间内电容两端存在C3、高电压，因此在电容充分放电后才可进行其它操作。无感电容 并联在C1、C 2上用以改善整流电路的高频滤波、去耦特性和消除高频干扰。无感电容 C3与滤波电容C1、 C 2同等重要。3、限流电路：由于滤波电

3、容 C1、 C 2容量很大，接入电源时电容两端电压为零，在上电瞬间C1、C2充电电流很大，过大的充电 电流会损坏整流桥和空气开关。 为保护整流桥、空气开关，上电瞬间 将充电电阻Rs，串入直流母线中以限制充电电流，当C1、C2充电到一定程度时再由接触器13-J的触点Ks将Rs短路，保证节电器大 电流输出。同时13-J的触点K通过3-CN5给接触器吸合检测电路提 供一个开关信号，CPU解除锁定节电器进入工作状态。4、逆变电路：逆变管V1V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、 幅值都可调的交流电，是节电器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、 BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有

4、2单元、4 单元、6单元。节电器使用2单元IGBT模块。5、续流二极管D1D6 :其主要作用为：（1） 电机绕组为感性具有无功分量，VD1VD7为无功电流返 回到直流电源提供通道（2）当电机处于制动状态时，再生电流通过 VD1VD7返回直 流电路。（3）V1V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导 通和截止，在换相过程中也需要 D1D6提供通路。*6、缓冲电路由于逆变管V1V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和 E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增 长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低 V1V6关断时的电压增长率 二、节电器的控制回路节电器控制部分包

5、括：CPU单元、显示单元、电流检测电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等（见图10-01、图 1-02）。开关电滦电路,J电流检测电郢电压检测CPUFWM波形驱输入信号OOOOOO输出信号电源电机图 1-021、 CPU单元：采用富士通16位节电器专用CPU，速度为几 十ns级。2、 开关电源单元：节电器控制电源为开关电源：有 +24V，士 15V, +5V等输出，其输入在主电路直流母线侧取得。3、电流检测单元：采用霍尔电流传感器检测节电器输出侧电流。对于加速、减速、运行中过流、节电器过载及电机过载的检测是由CPU通过检测输入的脉冲频谱来区分的。4、显示单元：其功能为人机界面

6、、参数设定、状态显示、故障显示等。5、控制端子：模拟输入、输出端子；开关量输入输出端子；故 障输出端子；6、 驱动单元电路：CPU产生的 PWM波经A316J专用芯片隔 离放大后驱动IGBT工作，具体电路构成见图5-01。第二章节电器工作原理一、节电器驱动波形合成节电器是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过半导体器件控制电压脉冲宽度和周期以达到变压和 变频目的。波形合成主要有四种方法：脉宽 PWM法、正弦波PWM 法（SPWM ）、磁链追踪PWM法、电流跟踪PWM法，节电器采用 SPWM 法。节电器的输出波形为一系列等幅不等宽的矩形脉冲，脉冲宽度按正弦函数规律变化与正

7、弦波等效，电动机的驱动电流波形为正弦波。 节电器采用规则采样法合成 SPWM驱动波形（如图2-03）。正弦调制波t3图2-03 :规则采样法合成 SPW波以三角波为载波，正弦波为调制波；在三角波每一周期的正峰值 时找到正弦调制波上的对应点 D，求得电压值Ud，用此电压对三角 波进行采样得A、B两点，则认为它们就是 SPWM波形中脉冲的生 成时刻，为了减少误差取三角波的负峰值为固定时刻，得到输出波形（如图 2-04）。U图2-04:电压输出波形规则采样法的实质是采用阶梯波代替正弦波从而简化计算，只要载波比(载波比二正弦波的周期/三角波周期)足够大，不同的阶梯波 都逼近正弦波，误差就可忽略了。三角

8、波的每个采样值是确定的，如 在负峰值采样则采样值依次为：Msinwlte、Msin (w1te+Te)、Msin(w1+2Te)因而脉宽时间t2和间歇时间 t1分别为：t2=Tc(1+Msinwlte ) ;t1=t3= (Te-t2)。节电器为三相输出，具有三相SPWM波形，三角载波是共用的，原理同上。二、电动机V/F控制特性由电机同步转速公式：n=60f/P (P为极对数)可知通过改变频 率f可改变电机速度，由三相异步电机定子相电动势有效值： E=4.44kfn?，知：当f大于电机额定频率fn时，气隙磁通？将会小 于额定磁通量？N ，结果使电机的铁心没有得到充分利用而造成浪 费；当f小于电

9、机额定频率fN时，气隙磁通？将会大于额定磁通量 ?N，电机铁心饱和，导致过大的励磁电流严重时会因绕组过热而损 坏电机，因而实现变频调速，须保持每极磁通量？不变。基频以下(恒转矩调速)：当频率较低时认为定子相电压UE，要使？不变则：U/f=常数即可。低频时U和E都较小，定子 绕组阻抗不能再忽略，这时可将电压U抬高一些以补偿定子电压，基频以下控制属于恒转矩调速”基频以上控制(恒功率调速)：基频以上调速时电压 U不能 超过额定压Un ,最多只能保持在额定电压 Un。频率上升电压不变将 使磁动势减弱、转矩减小，但由于同步转速上升可认为输出功率基本不变。故基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速”（见图2-0

10、5）L-f图2-05 :异步电机变频调速特性第三章节电器的特点一、波形合成方式和载波频率HYCHX3000系列节电器采用正弦波PWM法和成输出波形，节 电器对外部的射频干扰大幅度减弱，因而产品的EMC各项指标得到 大幅提升。载波频率咼达13KHz，完全实现超静音运行。二、死区补偿技术采用自行开发的专有技术进行死区时间补偿， 可得到近乎完美的 正弦电流波形，保证节电器在咼载波频率下稳定运行。三、自动限流功能节电器内部设有自动限流算法。在正常使用情况下，保证在多种 性质的负载条件下稳定运行。四、自动节能运行独立研制的跟踪节能解藕算法，自动侦测电动机的负载状况并跟踪调节电动机的输入电压微调运行频率，

11、使电动机始终工作在最高效 率和最佳励磁状态，节电率高达 65%。五、内置PID控制功能灵活多变的内置PID控制功能，完全替代传统变频器所需的外加PID控制器，从而简化用户系统。六、可编程多段速运行内置简易PLC功能，7种可编程的运行频率，运行方向和运行 时间分别可任意设定，也可用外部端子选择。第四章、节电器的外围配套设备节电器是一种电力电子设备，其电子元件、计算机芯片易受外界 干扰，同时节电器输入侧为非线性整流电路、 输入输出侧电压、电流 含有高次谐波对电网及周围电子设备也会产生干扰， 对某些特定场合 需要配套一些外围设备。一、电源电网的干扰和防止1、影响输入波形因素1）输入电源三相电压不平衡

12、2）同电网中接有功率补偿电容器及晶体管整流器2、电源电磁干扰的防止方法1）配电变压器容量非常大的情况当配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于节电器容量 的10倍时在节电器的输入侧要加装交流电抗器。2）配电电源三相电压不平衡的情况当电源三相电压不平衡率大于 3%，节电器输入电流峰值将会 很大，很容易使节电器出现过压、过流保护或损坏整流器和电容， 输 入侧要加装交流电抗器，当变压器为V形接法时，情况会更为严重节电器还需加直流电抗器。不平衡率 二（最大相电压-最小相电压）/ 三相平均电压二、节电器谐波干扰的防止1、节电器谐波干扰的途径节电器谐波干扰主要有：1）辐射干扰：对周围电子接收设备的

13、干扰2）电磁耦合干扰：对节电器平行敷设的其它线路产生磁耦合3）传导干扰：对电网干扰；使电机电磁噪声，铁损和铜损增加2、节电器谐波干扰的防止措施1）节电器采用铁壳屏蔽，输入输出线用钢管屏蔽并与弱电信号分别配线2）电源线采用隔离变压器或电源滤波器以避免传导干扰3）为了减少电磁噪音可以配置输出滤波器4）为了减少对电源污染可配置输入滤波器或零序电感5）与晶闸管整流装置、功率因数补偿器并联使用或电源变压器容量大于10倍节电器容量或电源不平衡率超过 3%时需要接电源 匹配电感器。三、节电器常用的配套设备1）电源协调用交流电抗器2）改善功率因数用直流电抗器3）防止传导干扰用电源滤波器4）制动单元和制动电阻四

14、、制动单元与制动电阻节电器控制电机时，当电机实际转速超过同步转速时电动机将工作于发电状态。其能量将通过逆变回路给直流回路滤波电容充电，使直流母线（滤波电容两端）电压不断上升（即所说的泵升电压）。这样节电器将会产生过压保护，甚至可能损坏节电器。为保护节电器需 将这部分能量消耗掉。在节电器的直流侧加装制动单元，当直流侧电 压超过一定值时由制动单元控制制动电阻接通，从而消耗电机反馈回 来的能量，使节电器母线电压保持在正常范围。第五章、节电器的电路构成及分析一、主控板如图1-01、1-02、1-03，以MB90F562B为中心构建电动机数控平台，根据各种取样信号进行定速调功、 变频调速、程序控制、过载

15、、 过压、欠压、上电、显示等一系列运算，合成三相 SPWM驱动信号 和各种保护、显示、开关信号。1）波形合成、放大、驱动：如图 1-01，CPU（MB90F562 ）内 部经分析运算合成三相 SPWM波形U、V、W由50.51、52.53、54.55 脚输出。U、V、W驱动信号经U1隔离放大后输出到图1-03中的1-J3。 再由3-CN1 （如图3-01）分配给5-CN2、5-CN3、5-CN4，经驱动板（图5-01）隔离放大后驱动IGBT工作。2）电流、电压取样：如图 13-01，电动机运行的电流失量信号 经霍尔电流传感器取样后由3-CN12送入电源板。如图3-01,电流失 量信号经电流、电

16、压转换后计作CUR U、CUR V。电流取样信号CUR U、CUR V与直流母线电压取样信号 VOL DC 一起由3-CN1、1-J3 经图1-03、图1-02分别送入运算放大器U11的3、5脚和U9的3脚。 经处理后转换成IU _AD、IV _AD、VDC AD、OC、OE五路信号， 分别送入CPU的4、3、5、34、36脚，参入定速调功、变频调速、 过载、过压、欠压、节电器上电、显示等一系列运算。3） 缺相、接触器吸合检测：如图13-01，缺相检测、接触器吸 合检测信号经3-CN13、3-CN5送入电源板（如图3-01）,经光电耦 合器 U2、U1 隔离后记作 LACK _P、RELAY

17、_FL。LACK _P、 RELAY FL 信号经 3-CN1、1-J3、图 1-03 送入 CPU 的 38、46 脚， 作缺相和接触器未吸合保护。二、键盘板如图1-01,其主要功能是人机界面、参数设定、状态/故障显示。三、电源板如图3-01,主要功能是为主板、键盘板、驱动板、霍尔电流传 感器提供稳定纯净的直流供电。直流母线电压经3-CN6给开关管2SK1317供电，振荡板（如图4-01）由UC2844B作为波形发生器给 开关管提供驱动信号，开关电源输出电压经取样由VFB送入振荡板调整开关管k1317的占空比实现稳压输出四、驱动板如图5-01,其主要功能及要求：动态驱动能力强，能为IGBT栅

18、极提供陡峭前后沿驱动脉冲。能给IGBT提供适当的正向驱动栅压。IGBT导通后Vce与栅 极电压有关，Vge越高则Vce越低，Vge 般为17V左右。在导通、关断过程中，为尽快抽取栅极电容Cge中的存贮电荷，驱动电路必须具有一定的输出功率。能给IGBT提供足够的反向栅压，幅值一般为7.5V，保证IGBT 可靠关断。有足够的输入、输出隔离能力。具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。具有短路保护和故障 封锁输出功能。1、 驱动信号隔离放大输出：主板驱动信号 Pw+、Pw-送入光电 耦合器A316J的2脚，经隔离放大后由11脚输出，再经Q1、Q2放 大后由R8、R9输出到IGBT的基极（G ）。R8、R

19、9按Rg （厂家提 供IGBT参数）的23倍选取。2、 IGBT驱动电压和栅极保护：D2、D3为18V1W稳压二级管 对IGBT进行栅压限幅保护，限幅电压=18V+0.8V = ± 18.8V。D4、 D5为7.5V1W稳压二级管为IGBT关断提供一个负栅压=7V °Q1、 Q2的供电电压为24V，因此IGBT驱动电压Vge= 24V-7V = 17V。3、IGBT短路保护（E009）: A316J的14脚为IGBT短路保护 信号输入端，当11脚输出高电位（IGBT导通）时，如果IGBT的C、 E极之间的饱合电压降 Vce6.5V, A316J自动封锁信号输出11脚 输出“

20、0”电位，强行关断IGBT实现短路保护。同时6脚输出一个 低电位故障信号给CPU，节电器显示E009模块驱动保护。IGBT短路保护与过流保护是两个不同的概念。过流是指某种原因引起的负载过载，过流保护常用电流传感器检测电动机电流，配合CPU完成；短路是指桥臂直通，短路保护是通过检测IGBT饱合电压降Vce，配合驱动电路实现的。短路保护响应时间必须快，通常在 10uS以内完成。4、模块驱动保护故障分析：实际应用中IGBT饱合电压降Vce的升高有两个原因，一是IGBT的导通电流增大，二是干扰电压升高。 由于节电器工作在高压、大电流、高速开关状态干扰较大，大多数情 况下出现的E009模块驱动保护故障都

21、与干扰有关。因此合理安排节 电器的内部结构和布线工艺减小干扰，十分重要，大功率节电器尤其如此。具体布线要求参阅“节电器的结构要求”。同时也希望广大技 术人员不断学习在实践中总结经验逐步提高技术水平。五、IGBT驱动电阻Rg选择栅极驱动电阻非常重要，Rg对IGBT的动态特性有较大影 响，Rg越小，栅电容放电较快，开关速度较快开关损耗比较低。但 发生短路时或与IGBT反并联的续流二极管关断期间，施加在集电极 -栅极电容上的di/dt和dv/dt可引起栅极电路有电流流过，若电流足 够大，则在栅极电阻上产生电压，严重后果是引起IGBT误导通，或 在栅极驱动电路产生振荡。此外Rg比较小时，使得IGBT开

22、通di/dt 变大，从而引起较高的dv/dt。相反Rg较大时降低了 IGBT的开关 速度，增加了开关损耗。因此，选择 Rg时需要折衷考滤。不同厂家不同型号的IGBT其栅极驱动电阻Rg不同，厂家产品 说明书中均有标明。厂家资料中给出的驱动电阻 Rg是用来测定数据 曲线的参考电阻。由于节电器主要是低频应用，开关损耗不是主要问 题，因此可适当加大Rg以减慢开关速度减少瞬态电压和寄生振荡。IGBT基极驱动电阻通常可按 Rg的23倍选取R8=R9=R18=R19=R g x(23)。第六章主回路元件选择及经验计算一、整流桥三相整流桥的耐压为1200V，电流电动机额定电流X2 =(A )。如果用三个单相整

23、流桥组成三相整流桥， 则三相整流桥电流单 相整流桥电流X 2=(A)。二、接触器13-J接触器触点电流电动机额定电流，由于接触器在小电流时吸合 和断开，其触点可并联使用，并联总电流等于各触点电流之和。30KW 以下节电器可选用24VDC-80A接触器，由Q2 MJE182 (图3-01) 直接驱动，30KW以上的加装中间接触器。三、限流电阻Rs限流电阻Rs100 ?限流电阻功率电动机额定电流(A) = ( W)四、滤波电容、无感电容、泄流电阻滤波电容C1 = C2120X电动机额定电流(A) = ( uF)无感电容 C312X电动机额定电流(A) / 1000=( uF)如果电动机负荷加重节电

24、器电流增加时节电器 E009保护，多为直流母线高频电磁干扰太大所至，应加大 C3容量。泄流电阻 R1 = R2200/C1 (uF) X 1000=( K ?)泄流电阻功率1.6X C1 ( uF) /1000=( W)五、IGBT1、耐压=1200V2、电流电动机额定电流(A) X 2=( A)3、饱和电压降 Vce，不同品牌、不同型号产品的Vce不同,(1.7V、2.1V、2.5V、2.9V、3.4V)。同等技术参数时 Vce越低产品性能越好，发热量越小，技术越先进。4、开关频率fk。由于节电器工作在低频大电流状态，IGBT的通态损耗是主要矛 盾，应选择低饱和压降型的IGBT (Vce=l

25、 .7 V、2.1V),西门子、EUPEC的KT3、KE3和DLC系列是比较好的选择。六、主回路铜排、接线板接线板电流电动机额定电流主回路铜排：W 200A1平方毫米5A200A400A1平方毫米4A400A600A1平方毫米3A第七章功率转换和电流显示校正一、功率转换功率转换实际就是改变节电器的过载保护电流和与之对应的跟 踪节能特性。如图13-01，电动机运行电流经霍尔电流传感器取样后 由3-CN12送入电源板（如图3-01）,在电阻R1、R2上转换成电 压VI、V2,电动机运行电流增大VI、 V2交流电压升高。VI、 V2经CUR U、CUR V，送入主控板 U11的3、5脚（如图1-02）。 主控板U11的3、5脚的默认额定电压=2.4V，当电动机运行电 流超过额定电流，VI、 V2电压升高超过2. 4V时节电器过载保 护。跟踪节能算法也以电压2.4V为参照进行相关运算。因此，改 变霍尔电流传感器的比值或Rl、R2的阻值，可以得到不同的过载保护电流和相对应的跟踪特性，也就改变了节电器的功率。例：节电器额定电流16A,计算电流传感器的比值和Rl、R2 的阻值。如果选用10 0A/50mA的电流传感器，电动机运行电流为16A时电流传感