变频器内部原理培训课件

变频器内部原理培训变频器：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。变频器内部原理培训主要的公式公式：R为电枢绕组内阻，e为旋转电动势Km:系数；：磁通；：电枢电流f:旋转速度；N：线圈匝数；：磁通变频器内部原理培训

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平板型晶闸管外形及结构（C）变频器内部原理培训1.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件（B）GTR、电力MOSFET和

IGBT等器件的常用封装形式。变频器内部原理培训1.4.3电力场效应晶体管电力

MOSFET的结构是单极型晶体管。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。图a)为垂直导电双扩散结构，即

VDMOSFET。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号（B）a）b）变频器内部原理培训绝缘栅双极晶体管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1-22IGBT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)等效电路c)简化等效电路d)电气图形符号（B）变频器内部原理培训功率模块与功率集成电路例：部分功率模块、IPM、电力半导体器件及驱动电路（A）变频器内部原理培训逆变电路最基本的工作原理

——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图5-1逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io

相位滞后于uo，波形也不同。单相桥式逆变电路S1~

S4是桥式电路的4

个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。（B）8变频器内部原理培训6.1PWM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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同t)t)f(d(tOtOf(t)图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOf(t)f(t)（B）9变频器内部原理培训PWM控制的基本思想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。Ou>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波Ou>（C）ωtωtOu>ωt10变频器内部原理培训V1和V2、V3和V4的通断彼此互补。在ur和uc

的交点时刻控制IGBT的通断。6.2.1计算法和调制法ur正半周，V1保持通，V2保持断。当

ur>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。图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量（B）单极性

PWM控制方式（单相桥逆变）

变频器内部原理培训在ur

和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。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。图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（B）双极性

PWM控制方式（单相桥逆变）变频器内部原理培训6.2.1计算法和调制法图6-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。（B）注：1、试比较以上两种方式的异同点。2、哪种方式效果相对更好？3、若用示波器观察以上两波形会看到什么结果？变频器内部原理培训变频器输入电流波形变频器内部原理培训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a）电路图b）波形a)b)u2udi20dqpwti2,u2,ud（C）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。变频器内部原理培训2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路1)基本原理图2-30

电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt（C）某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。变频器内部原理培训2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况： 电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。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b)c)iaiaOO

t

t（C）变频器内部原理培训5.4.2多电平逆变电路a)串联连接三相高压变频器原理图例:“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。（A）b)基本功率单元变频器内部原理培训EXB841的工作原理变频器内部原理培训变频器内部原理培训

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）

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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。

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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。

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3）保护动作设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V

5截止，B点和C点电位稳定在

8V左右，VZ1不被击穿，V3不导通，E点电位保持为20V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，Uce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚

6“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升；当上升至13V时，VZ1被击穿，V

3导通，

C4通过R7和

V

3放电，E点电位逐步下降，二极管VD

6导通时,D点电位也逐步下降，从而使EXB841的脚

3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。

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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）

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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）

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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：

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1）模块仅需单电源十20V供电，它通过内部

5

V稳压管为IGBT提供了十

15V和一

5V的电平，既满足了

IGBT的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。

2）输入采用高速光耦隔离电路，既满足了隔离和快速的要求，又在很大程度上使电路结构简化。

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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。

变频器内部原理培训M57962的应用电路8脚应该接光耦的发射端，为控制电路提供过流信号。变频器内部原理培训变频器内部原理培训图6－34电容器放电a）放电电路b）从接线端放电变频器内部原理培训图6－43单进三出变频器变频器内部原理培训

图6－44单进三出时存在的问题变频器内部原理培训图6－45单进三出的升压电路变频器内部原理培训交流调速控制策略见书矢量控制于电机的参数有关变频器内部原理培训异步电机的坐标变换结构图图6-52异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换;VR——同步旋转变换;

——M轴与

轴（A轴）的夹角

3/2VR等效直流电动机模型ABC

iAiBiCitimi

i

异步电动机变频器内部原理培训矢量控制系统原理结构图

控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电动机模型+i*mi*t

1i*

i*

i*Ai*Bi*CiAiBiCi

iβimit~反馈信号异步电动机给定信号

图6-53异步电机矢量控制系统原理结构图变频器内部原理培训变频器内部原理培训b)tuCEiCOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC缓冲电路作用分析无缓冲电路有缓冲电路图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO

图1-39关断时的负载线（C）变频器内部原理培训

晶闸管的串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。变频器内部原理培训

晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。变频器内部原理培训

晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。

均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的：多个器件并联来承担较大的电流变频器内部原理培训5.2.2三相电压型逆变电路负载中点和电源中点间电压(5-6)负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是(5-7)负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”数量分析见教材。变频器内部原理培训7.1.1硬开关和软开关硬开关开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声。a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图7-1硬开关的开关过程（C）t0uiP0uituuiiP00tt45变频器内部原理培训PI调节图1-24

带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～变频器内部原理培训++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTAIdR1C1UnUd图1-48无静差直流调速系统示例

-+MTG+++-UPE～·变频器内部原理培训工作原理图1-48所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。变频器内部原理培训数字PI调节器模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法智能型PI调节器变频器内部原理培训模拟PI调节器的数字化PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

变频器内部原理培训PI调节器时域表达式：其中：KP=Kpi

为比例系数

KI

=1/

为积分系数PI调节器的传递函数：变频器内部原理培训增量式PI调节器算法：PI调节器的输出可由下式求得：须在程序内设置限幅值um，当u(k)>um时，便以限幅值um作为输出。变频器内部原理培训TMS320F28335F28335:256Kx16Flash,34Kx16SARAM;128-BitSecurityKey/Lock;Upto18PWMOutputs;

SCI,SPI,CAN,I2C,;12-BitADC,16Channels,80-nsConversionRate变频器内部原理培训基于TMS320F28335的电机控制系统TMS320F28335芯片简介美国TI公司的TMS320C28x系列DSP中的TMS320F28335芯片，这是一款32位定点DSP