第十章功率驱动

第十章功率驱动第1页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.1引言在测控系统中，最终要控制的往往是高电压、大电流或大功率功率控制中的电路方法与设计与信号检测有很大的不同：1）安全运行的可靠性2）注重效率3）足够的抗干扰措施第2页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.2普通晶闸管10.2.1工作原理第3页，共138页，2023年，2月20日，星期四第4页，共138页，2023年，2月20日，星期四晶闸管的工作规律1）当晶闸管承受反向电压时，截止2）晶闸管导通的条件：一、是阳、阴极间加上正向电压和电流；二是门极、阴极间加上适当的正向电压3）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用4）晶闸管在导通状态下，欲使其关断，必须使流经晶闸管的电流减小到维持电流以下第5页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.2.2伏安特性1)正向特性2)反向特性第6页，共138页，2023年，2月20日，星期四第7页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.3双向晶闸管10.3.1基本结构第8页，共138页，2023年，2月20日，星期四第9页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.3.2伏安特性第10页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.3.3第11页，共138页，2023年，2月20日，星期四第12页，共138页，2023年，2月20日，星期四第13页，共138页，2023年，2月20日，星期四第14页，共138页，2023年，2月20日，星期四第15页，共138页，2023年，2月20日，星期四第16页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.4晶闸管触发电路常用电路:1)采用单结晶闸管作为触发电路,是基本、常用的一种优点：电路简单，可靠性高，适用于小容量的晶闸管电路缺点：输出脉冲不够宽第17页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）采用小容量的晶闸管触发电路，触发大功率晶闸管优点：简单、可靠、触发功率大、可以得到宽脉冲缺点：还需要单结晶体管触发小晶闸管，用的元件多第18页，共138页，2023年，2月20日，星期四3）采用晶体管的触发电路优点：价格便宜，容易实现，输出功率比较大，所以应用很广，特别是广泛用于多相电路中晶体管组成的触发电路种类很多，常用的有正弦拨移相和锯齿移相两种现已有多种单片集成晶闸管触发电路第19页，共138页，2023年，2月20日，星期四4）采用计算机控制晶体管或光电耦合器、固态继电器等触发大功率晶闸管这长用于大功率的控制系统和复杂控制系统中，如变频调速系统中由于采用计算机（微处理器或微控制器）可以实现性能优良的功率驱动和控制，目前已迅速成为应用最多的控制方式第20页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.5全控型器件10.5.1电力晶体管GTR又称功率晶体管，其电流是由电子和空穴两种载流子的运动形成的，故又称为双极型电力晶体管特点：1）耐压高2）工作电流大3）开关时间短第21页，共138页，2023年，2月20日，星期四第22页，共138页，2023年，2月20日，星期四4）饱和压降低5）可靠性高第23页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.5.2电力场效应晶体管MOSFET优点：1）由于电力场效应晶体管是多数载流子导电，故不存在少数载流子的储存效应，从而有更高的开关速度2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它的同态电阻具有正温度系数（这一点对器件并联时的均流有利），所以，容易进行并联使用第24页，共138页，2023年，2月20日，星期四3）具有较高的可靠性4）具有较高的过载能力5）具有较高的开启电压即阈值电压，因此，有较高的噪声容限和抗干扰能力6）由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此，驱动功率很小，对驱动电路的要求也就很低第25页，共138页，2023年，2月20日，星期四第26页，共138页，2023年，2月20日，星期四第27页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.5.3可关断晶闸管GTO优点：1）可以控制元件的导通和关断2）GTO的动态特性较晶闸管好第28页，共138页，2023年，2月20日，星期四第29页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.6固态继电器输入控制电流小，用TTL、HTL、CMOS等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动适宜于在微机测控中作为输出通道的控制元件其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点第30页，共138页，2023年，2月20日，星期四与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等特点并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件第31页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.6.1固态继电器分类1）固态继电器依负载电源类型可分为交流固态继电器（AC-SSR）和直流固态继电器（DC-SSR）2）依控制触发形式，交直流固态继电器可分为过零触发型固态继电器和随机导通型固态继电器3）依开关触点形式，分为常开式固态继电器和常闭式固态继电器4）依安装方式，可分为装配式固态继电器（A、N型）、焊接型固态继电器（C型）、插座式固态继电器（F、H型）第32页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.6.2交流固态继电器的原理1、随机导通型交流固态继电器第33页，共138页，2023年，2月20日，星期四2.过零触发型交流固态继电器第34页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.6.3直流固态继电器第35页，共138页，2023年，2月20日，星期四第36页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.6.4参数固态继电器（PSSR）国产JCG引脚1：有源驱动端（正功率驱动端）引脚2：高无源电阻驱动或负功率驱动端引脚3：低无源阻抗驱动端引脚4：公共地端引脚5、6：输出端“触头”第37页，共138页，2023年，2月20日，星期四第38页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.7功率控制电路10.7.1导电角控制变频电路是将一固定的交流电能变换为另一频率或变换为频率可调的交流电能的装置或系统分交—交（AC—AC）变频器和交—直—交（AC—DC—AC）变频器第39页，共138页，2023年，2月20日，星期四1、可控整流电路单相可控整流电路多用于小容量的设备当设备容量较大时，多采用三相整流电路三相可控整流电路有三相零式（亦称三相半控）、三相全控桥式和三相半控桥式等类型第40页，共138页，2023年，2月20日，星期四第41页，共138页，2023年，2月20日，星期四1）单相可控整流电路①单相半波可控整流电路控制角α：导通角θ：移相控制：同步：第42页，共138页，2023年，2月20日，星期四第43页，共138页，2023年，2月20日，星期四基本数量关系描述：对于电感性负载：第44页，共138页，2023年，2月20日，星期四电流：对于电阻性负载对于电感性负载第45页，共138页，2023年，2月20日，星期四②单相桥式全控整流电路第46页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）三相桥式全控整流电路特点：①在任何时刻必须有两个晶闸管同时导通，方能形成导电回路且分别属于共阴极组和共阳极组②晶闸管换流情况是分属两组的晶闸管之间不换流，而工阴极组晶闸管之间和共阳极组晶闸管之间换流第47页，共138页，2023年，2月20日，星期四③就三相桥式全控整流电路的整体而言，出发脉冲之间的相位差为60°，而要在同一相电源的两个晶闸管，其触发脉冲之间的相位差为180°。共阴极组或共阳极组晶闸管的触发脉冲之间相位差120°④为保证共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管导通，必须给这两只晶体管同时施加触发脉冲⑤三相桥式全控整流电路电流连续的条件是晶闸管的导通角θ=120°，对于电阻性负载，晶闸管控制角α>60°时，电流出现断续现象第48页，共138页，2023年，2月20日，星期四⑥晶闸管承受的正反向电压的最大值均为√6Vi⑦整流电压平均值：当电感性负载和控制角α≤60°时当控制角α>60°时，电阻性负载整流电压平均值第49页，共138页，2023年，2月20日，星期四3）可控整流电路的控制晶闸管整流电路对触发电路的要求：①出发脉冲必须与主电路的电源电压同步，并有一定的移相范围②应有一定的宽度，保证晶闸管可靠导通③触发脉冲前沿应尽量陡，这样有助于各工作的晶闸管导通时间趋于变小④应有足够的功率（电压、电流）第50页，共138页，2023年，2月20日，星期四2、逆变器逆变器是一种将直流电能转为交流电能的设备逆变器常用于电动机的变频调速控制和功率电源输出控制等1）无源逆变器的工作原理第51页，共138页，2023年，2月20日，星期四第52页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）无源逆变器换流的工作原理①晶闸管的关断特性：②换流装置的作用③换流装置的类型第53页，共138页，2023年，2月20日，星期四第54页，共138页，2023年，2月20日，星期四3、三相逆变器在变频调速系统的变频电路内，其逆变器采用三相桥式电路1)120°导通型逆变器①纯电阻负载时输出电压波形②纯电感负载时输出电压波形第55页，共138页，2023年，2月20日，星期四第56页，共138页，2023年，2月20日，星期四第57页，共138页，2023年，2月20日，星期四第58页，共138页，2023年，2月20日，星期四第59页，共138页，2023年，2月20日，星期四第60页，共138页，2023年，2月20日，星期四第61页，共138页，2023年，2月20日，星期四第62页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）180°导通型逆变器与120°导通型逆变器主要不同的地方有：①每个主晶闸管逆变器最大导通角为180°②在任何瞬间逆变器最多有三个晶闸管同时导通③正常工作时，不会引起过电压④180°导通型逆变器可在同一桥臂上、下两个主晶闸管之间换流⑤不论是纯感性负载还是纯阻性负载，输出电压的波形是相同的第63页，共138页，2023年，2月20日，星期四第64页，共138页，2023年，2月20日，星期四第65页，共138页，2023年，2月20日，星期四第66页，共138页，2023年，2月20日，星期四3）脉冲列逆变器上述逆变器的优点：控制简单、主开关管的开关损耗较小缺点：输出电压波形中包含高次谐波，这对异步电动机的工作不利。且在输出频率较低时逆变器的换流能力变弱当直流电压恒定时，输出交流电压值不能改变，这样的逆变器只能改变输出电压的批率，而幅值不变因此，不能满足异步电机变频调速的要求第67页，共138页，2023年，2月20日，星期四第68页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.7.2脉宽调制（PWM）控制电路采用电压控制（通过可控整流）和变频控制分开进行（称之为PAM）控制方式脉宽调制控制电路（PWM）是通过调节控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期来控制输出电压和频率通过利用PWM信号触发可关断晶闸管（GTO）或功率晶体管等开关器件的导通和关断，把直流电压边为电压脉冲列第69页，共138页，2023年，2月20日，星期四1、脉宽调制控制电路的基本原理输出正向脉冲的占空比为：负载两端平均电压与站空比的关系第70页，共138页，2023年，2月20日，星期四第71页，共138页，2023年，2月20日，星期四第72页，共138页，2023年，2月20日，星期四脉冲宽度调制器是一个电压—脉宽转换器对它的基本要求是死区要小，脉宽脉冲的前后沿要陡，以减小对脉冲逆变器触发的死区死区大会影响DC-AC转换的精度及其输出波形这就要求脉冲宽度调制器的比较器有足够高的灵敏度和分辨率第73页，共138页，2023年，2月20日，星期四2、PWM的典型电路典型调制电路依调制信号的特点分，有锯齿拨脉宽调制电路、三角波脉宽调制电路等按控制电压波形的不同有矩形波和正弦波脉宽调制控制电路等1）三角波脉宽调制电路第74页，共138页，2023年，2月20日，星期四第75页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）锯齿波脉宽调制电路3）数字式脉宽调制电路第76页，共138页，2023年，2月20日，星期四第77页，共138页，2023年，2月20日，星期四第78页，共138页，2023年，2月20日，星期四3、常用触发脉宽调制方法1）矩形波控制电压第79页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）正弦波控制电压第80页，共138页，2023年，2月20日，星期四第81页，共138页，2023年，2月20日，星期四10.7.3变频控制电路变频调速器（VVVF）具有显著的节能效果，较宽的调速范围等优点，在交流调速系统中越来越广泛地被应用1、变频调速器原理同步电动机、磁阻式电动机等电机中第82页，共138页，2023年，2月20日，星期四对于鼠笼式或绕线转子异步电动机改变极对数p、转差率s和调节定子电源频率f都可以调速变频器的作用是将固定的电压和频率的交流电压换为电压可调、频率可调的交流电第83页，共138页，2023年，2月20日，星期四2、变频器分类1）按直流电源的性质：分成电压型变频器和电流型变频器两大类2）按输出直流电压控制方式：分成PAM方式，PWM方式和高速PWM方式3）按功率转换控制方式：分成恒功率调速（VVVF）、转差频率控制和矢量控制4）按开关器件：分成IGBT、BJT、GTO和SCR型第84页，共138页，2023年，2月20日，星期四第85页，共138页，2023年，2月20日，星期四3、变频调速的控制方式和特性电动机每相的反电动势为：当忽略定子阻抗压降时，有第86页，共138页，2023年，2月20日，星期四但是在低频时，定子绕组电阻已不能忽略，Vi≈Ei的条件已不成立，电动机的最大转矩将随频率的减小而减小为提高低频区的电动机输出转矩和过载能力，常常采用低频补偿，即随f的降低适当提高Vi/f值，以补偿定子阻抗压降，是Φ近似恒值第87页，共138页，2023年，2月20日，星期四1）交流—交流变频器AC—AC变频器又称为直接变频器（或周期变频器、循环变频器和相控变频器等）是一种将一种频率的交流直接变换为另一种频率可调的交流电源，而不需要中间支流耦合的变频电路①三相—单相直接变换电路②三相—三相直接变频电路第88页，共138页，2023年，2月20日，星期四第89页，共138页，2023年，2月20日，星期四第90页，共138页，2023年，2月20日，星期四2）交流—直流—交流变频器AC—DC—AC变频器又称为间接变频器，它由整流器（交流器）和逆变器组成按变频器的控制方式可分为直流型、电压型、PWM型和矢量控制型等①电流型变频器AC—DC—AC电流型变频器的中间滤波环节是在直流回路中串入电抗器第91页，共138页，2023年，2月20日，星期四电流型变频器的主要特点是：a）主回路简单b）快速响应好c）限流能力强，电流保护可靠d）调速范围宽，静态性能好e）主晶闸管利用率和运行效率高f）主晶闸管要求耐压高，调试困难第92页，共138页，2023年，2月20日，星期四第93页，共138页，2023年，2月20日，星期四②电压型变频器电压型变频器的中间滤波环节采用电容器滤波第94页，共138页，2023年，2月20日，星期四第95页，共138页，2023年，2月20日，星期四第96页，共138页，2023年，2月20日，星期四③脉宽调制型（PWM）变频控制电路脉宽调制型变频器控制系统由主回路、PWM信号产生电路和驱动电路等组成特点：调压和调频都由脉冲列逆变器完成逆变器输出不会影响电网的功率因数输出电压的谐波含量可以极大地减少，特别是可以减小和消除某些较低次谐波。还减小了电动机的谐波损耗和减轻了转矩脉动第97页，共138页，2023年，2月20日，星期四第98页，共138页，2023年，2月20日，星期四变频器主开关器件的开关频率高，可以实现快速电流控制PWM信号生成由模拟电路、数字电路实现或由应用软件生成常用的生成方法主要有正弦波和三角波交点法、软件生成法及专用集成电路法a）正弦波和三角波交点法：这是用正弦波（调制波）和三角波（载波）相交产生PWM信号的方法，即SPWM法改变正弦波、三角波的频率及幅值比，即可调节PWM波形中的基波频率和幅值第99页，共138页，2023年，2月20日，星期四b）软件生成法：表格型SPWM法：在一个正弦波周期内，将六个功率器件利用三相SPWM方式通断时序进行区间分割和数据编码，从而得到SPWM数据表存储，CPU将此表依次输出，驱动逆变器工作，周而复始，即可得到连续的SPWM信号第100页，共138页，2023年，2月20日，星期四采样型SPWM法：分为自然采样法和规则采样法自然采样法：是对正弦波与三角波相交时刻进行采样，这样方法采样数量大，而且采样点对三角波中心线不对称，导致程序较大，影响控制的实时性对称规则采样法：第101页，共138页，2023年，2月20日，星期四第102页，共138页，2023年，2月20日，星期四相脉宽之和为：由于采样的对称性，故三相间歇时间之和为：第103页，共138页，2023年，2月20日，星期四c）专用集成电路法（ASIC）：④矢量控制型变频器a）等效变换的基本原理：b）控制思路：第104页，共138页，2023年，2月20日，星期四第105页，共138页，2023年，2月20日，星期四第106页，共138页，2023年，2月20日，星期四第107页，共138页，2023年，2