（电力电子与电力传动专业论文）基于igbt的pwm变频器的研究.pdf

摘要 摘要 变频器是指利用电力电子器件将工频的交流电源变换为用户所需频率的交流电 源，它分为直接变频( 交一交变频) 和间接变频( 交一直一交变频) 。间接变频技术 在稳频稳压和调频调压的利用率以及变频电源对负载特性的影响等方面，都具有明显 的优势，是目前变频技术领域普遍采取的方式。本课题所研究的正是间接变频中的脉 宽调制( p w m ) 变频器技术。 由于i g b t 器件的开关速度很快，当i g b t 关断或续流二极管反向恢复时会产生 很大的d i d t ，该d i d t 在主电路的布线电感上引发较大的尖峰电压( 关断浪涌电压) 。 在采用p w m 开关控制模式的i g b t 变频器中，i g b t 的开关状态不但与p w m 脉冲 有关，还与变频器主电路元器件及负载特性有很大关系。为了确保i g b t 安全可靠的 工作，有必要进一步分析主电路和缓冲电路各器件的工作情况和换相过程，以期设计 出有效的i g b t 保护电路。 本文推导了两电平p w m 三相变频器的数学模型，对变频器主电路的换相过程及 缓冲电路的工作方式利用p s i m 软件进行了细致的仿真分析，同时也仿真研究了布线 电感及缓冲电路各参数对i g b t 关断电压的影响；详细介绍了变频器所包含的各电路 环节的理论基础及设计过程；并在大量的文献资料和相关仿真分析的基础上推导出一 套缓冲电路器件参数的计算公式，实践表明计算结果符合要求并取得了良好的效果。 经过大量的实验和反复的改进，并给出了调试结果及变频器的额定输出电压、电流波 形。通过将试验结果与理论分析进行比较验证，证明了理论分析的合理性。本文所研 究设计的变频器性能稳定，运行可靠，完全满足设计要求。 关键词：i g b t ；p w m 变频器；换相过程；缓冲电路 a b s t r a c t a b s t r a c t f r e q u e n c yc o n v e r t e ri s t h ed e v i c et h a tc o n v e r t st h e5 0 h za cp o w e rt o r e q u i r e d f r e q u e n c ya c c o r d i n gt ou s e rn e e d s i tc o n t a i n sd i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ( a c a c ) a n d i n d i r e c t f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ( a c d c a c ) i n d i r e c tf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n i q u e w h i c hi sc o m m o n l yu s e di nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nf i e l dh a v et h ed i s t i n c ta d v a n t a g eo f s om a n ya r e a s ，a st h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fs t a b l ef r e q u e n c ya n d v o l t a g e ( o rf r e q u e n c ya n d v o l t a g em o d u l a t i o n ) a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fl o a d t h i st h e s i sm a i n l y f o c u s e so nt h ep u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n i q u eo ft h ei n d i r e c tf r e q u e n c y c o n v e r s i o n t h ei g b tm o d u l ee m e r g e sal a r g ed i d t ，w h i c hc a u s eg r e a t e ro v e r s h o o tv o l t a g eo n w i r i n gi n d u c t a n c eo ft h em a i nc i r c u i tw h e n 趾i g b tm o d u l ei st u r n e do f fo rt h er e v e r s e r e c o v e r yo ff w dd u et ot h ef a s ts w i t c h i n gs p e e do fi g b tm o d u l e t h es t a t e so fs w i t c h e s o fi g b tn o to n l yd e p e n do nt h ep w mp u l s e , b u ta l s or e l a t e dt ot h em a i nc i r c u i t c o m p o n e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a d s i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ew o r k i n gs t a t e s a n dp h a s e - s h i f t i n gp r o c e s so fm a i nc i r c u i ta n ds n u b b e rc i r c u i tt od e s i g ne f f e c t i v ei g b t p r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h u s ，e n s u r et h ei g b td e v i c e sw o r ks a f e l ya n dr e l i a b l y t h et h e s i sd e d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft w o l e v e lp w m t h r e e - - p h a s ef r e q u e n c y c o n v e r t e r , a n a l y z e sa n de m u l a t e st h ep h a s e - s h i f t i n gp r o c e s so ft h em a i nc i r c u i to ft h e i n v e r t e r , a n dt h ew o r kp a t t e r no fs n u b b e rc i r c u i t , a sw e l la st h ei n f l u e n c eo fw i r i n g i n d u c t a n c ea n ds n u b b e rc i r c u i to ni g b tt u r n - o f f v o l t a g e i ta l s oi n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a l p r i n c i p l ea n dd e s i g np r o c e s so ft h ec i r c u i t st h a tt h ec o n v e r t e rc o n s i s t s ，a n dd e d u c e sas e r i e s o ff o r m u l at oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e ro fs n u b b e rc i r c u i tb a s e do nd o c u m e n t a t i o na n d e m u l a t i o n , i ti sb e e ni m p r o v e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sw e l la p p l i e di np r a c t i c a li s s u e s t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t sa n di m p r o v e m e n t s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si si m p r o v e d r e a s o n a b l eb yc o m p a r i n gw i mt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s t h ei n v e r t e rd e s i g n e db ym yt h e s i s i ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dc o n f o r m st ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：i g b t ；p w mf r e q u e n c yc o n v e r t e r ；p h a s e - s h i r i n gp r o c e s s ；s n u b b e rc i r c u i t 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第l 章绪论。l 1 1 变频器概况1 1 2 变频器技术的发展趋势3 1 3 论文的选题思想及主要研究工作4 1 3 1论文的选题思想4 1 3 2 本文的主要研究工作7 第2 章p w m 变频器的数学模型8 2 1 变频器的结构和原理8 2 2 变频器的数学模型1 0 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究1 4 3 1 缓冲电路拓扑。1 4 3 2 主电路换相过程1 7 3 2 1p s i m 仿真软件介绍1 7 3 2 2 p w m 控制模式l8 3 2 3换相过程2 0 3 3 小结3 6 第4 章i g b t 变频器主电路及缓冲电路研究3 8 4 1 变频器主电路的研究3 8 4 1 1主电路参数的选择3 8 4 1 2i g b t 的特性3 9 4 2 变频器缓冲电路的研究。4 2 4 2 1 布线电感及缓冲电路中各参数对i g b t 关断电压的影响4 2 1 1 1 i v 第l 章绪论 1 1 变频器概况 第1 章绪论 随着微电子技术、电力电子技术以及计算机技术的发展，不断涌现出新型的电力 半导体器件，并以器件特征为依据将电力电子技术划分为传统的电力电子技术和现代 电力电子技术两个阶段【1 1 1 2 ) 。前者以半控型电力半导体器件( s c r ) 为核心，带动了 整流领域的飞速发展；后者以全控型器件( g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、i g b t 、s i t 等) 为核心，带动了逆变领域的飞速发展。 电力电子器件的发展经历了晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、晶体管( b j t ) 、 绝缘栅晶体管( i g b t ) 等阶段【3 】【4 】。目前，应用在中压大功率领域的电力电子器件， 已形成g t o 、i g c t 、i g b t 、i e g t 相互竞争不断创新的技术市场，在大功率( 1 m w ) ， 低频率( 1 k h z ) 的传动领域，如电力牵引机车领域g t o 、i g c t 有着独特的优势，而 在高载波频率、高斩波频率下，i g b t 、i e g t 有着广阔的发展前景，在现阶段中压 大功率变频领域将由这4 种电力电子器件构成其主流器件陬6 】f 8 】。 直流电机拖动和交流电机拖动先后诞生于1 9 世纪，已成为动力机械的主要驱动 装置。到了2 0 世纪7 0 年代随着同时期内电力电子技术的发展，作为交流调速系统中 心的变频器技术也得到了显著发展并进入了实用阶段【2 4 】【2 6 】。与传统的交流拖动系统 相比，利用变频器对交流电机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容 易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现 电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行对电动机的高速驱动等 箜 9 1 u 3 1 2 2 ) 口。 变频器自2 0 世纪6 0 年代问世，到2 0 世纪8 0 年代在主要工业化国家已广泛使用。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及，广 泛应用于国民经济的各行各业和人民的日常生活中，变频器产品也从以大功率双极晶 体管( g t r ) 为主的时代发展为以绝缘栅晶体管( i g b t ) 为主的时代。 相对于工业化国家来说，我国变频器行业起步比较晚，到2 0 世纪9 0 年代初，国 内企业才开始认识变频器的作用，并开始尝试使用，国外的变频器产品正式涌进中国 的市场【1 6 】【1 9 1 。最先进入中国变频器市场的是日本厂家，较早进入的有三肯、东芝、 第1 章绪论 三菱等。此时进入国内的变频器多为以大功率晶体管为逆变元件的产品，属于变频器 的第二代产品。随后进入中国的有日本的其他厂家以及其他国家的一些厂家，如日本 的富士、日立，德国的西门子、德国的伦茨( l e n z e ) 、法国的施耐德等等。国际知名 的“a r c 机构 研究统计1 9 9 8 年世界交流电动机实施调速控制的传动产品的销售额 为4 8 5 亿美元，其中北美占2 1 ，日本占2 7 ，日本之外的亚洲占1 2 ，欧洲、中 东及非洲占3 9 ，拉丁美洲占1 。1 9 9 9 年国际大功率交流调速装置的销售额为2 4 亿美元【1 6 】。 相对于国际上先进的变频调速技术，我国变频器生产技术落后表现在以下几个方 面幅1 。首先在变频技术研究方面投人的人力物力不集中，没有形成市场竞争力，这是 落后的根本。其次配套产业以及工艺加工设备的落后，难以适应变频器生产的发展。 国产变频器无论在产品性能上还是在外观设计上都落后于国外，只相当于国外2 0 世 纪8 0 年代的水平。近年来国内变频器行业发展的特点为： ( 1 ) 生产厂家增多、发展速度较快，国外知名厂家也纷纷来华合资、投资建厂， 以降低成本，以更优的价格供应国内市场，并已挤占相当的市场份额，如a b b 、西 门子、富士和三肯等。 ( 2 ) 国内变频技术的理论研究与国外相差不多，但在变频器的开发和生产上， 由于中国的工业基础较薄弱，制造技术不及发达国家，功率开关器件的质量难以与发 达国家抗衡。变频器整机技术落后，国产变频器的档次较低，主要是低压( 4 0 0 v ) 小容量( 3 1 5 k w 以内) 产品。而对功能先进( 含矢量控制、直接转矩控制) 、高电压 ( 3 0 0 0 v 以上) 、大容量( 1 0 0 0 k w 以上) 变频器，国内还处于研制阶段，少见成熟 产品，而且核心部件受制于人，基本依靠进口。 ( 3 ) 与国外大公司相比，国产企业进入电气传动领域时间短，无拳头产品，无 成套电气设备。像a b b 公司生产的a c s - - 6 0 0 1 0 0 0 系列；法国s c h n e i d e r ( 施耐德) 的t e 系列是世界领先的电气产品；s i e m e n s ( 西门子) 更是电力、电气传动行业里 的名牌，变频器产品也在不断更新。 ( 4 ) 国内变频器整机技术落后，国内虽有很多机构投入了一定的人力、物力， 但由于力量分散，并没有形成一定的技术优势与规模。而且变频器产品所需半导体功 率器件的制造业国内几乎是空白，严重影响整机的质量。 2 第l 章绪论 ( 5 ) 变频器有3 - - 5 年的产品成熟期，质量是否可靠，性能是否稳定，有待于实 践检验。一些国产品牌质量差，性能不稳定，返修率高，售后服务跟不上，影响国产 品牌的声誉，更甚至于国内有些人本来就对国产变频器不信任，使该行业更缺少资金， 限制了其快速发展。 ( 6 ) 目前一些变频器生产厂家实际上还是处于手工生产阶段。事实上变频器生 产工艺要求很高，有些工序手工操作( 如贴片工艺) 几乎是不可能的，有些工序所需 的设备( 如整机测试设备，整机老化设备、标准化试验) 很多厂家无能力拥有。 ( 7 ) 国产变频器产品多数在于仿制，基本缺少创新内容，除了低价并无明显特 点，在产品创新上很少有所作为。 变频器作为一种新兴的高技术产品，从一开始国外品牌就占据了绝大部分市场， 在国外变频器产品占据我国变频器市场的同时，国内变频器的研制和生产也在夹缝中 艰难中向前发展，但许多都是拷贝或者是仿制国外产品，缺乏自主知识产权的优秀产 品，因此，研究和开发具有自主知识产权的高性能变频器成为摆在我们面前的重大课 题，值得投入大量资源进行研制。 1 2 变频器技术的发展趋势 近年来随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术的不断发展，变频器的性能 不断提高，其应用范围也越来越广。目前变频驱动的应用已经非常广泛，新型变频器 产品不断出现，变频器的性能和可靠性也在不断地完善和提高。总体上讲，目前变频 器已经从简单的整流逆变装置进化为集驱动控制、v o 逻辑现场编程、通讯组网连接 等为一体，可以适应不同应用场合的过程控制单元，并在工业自动化生产线和许多领 域中得到了广泛应用【1 2 】【m 。从市场需求和技术发展趋势来看，今后一段时间内，变 频器技术将会在下面几个方面得到进一步发展。 ( 1 ) 大容量和小体积化。大容量化和小体积化将会随着半导体器件的发展而得 到不断发展。近年来，随着i g b t 、s i c - - i g b t 器件的发展和以i g b t 为开关器件的 口m 、a s i p m 、单片m m 等新型功率器件的发展以及热设计技术的进步，使得变频 器的容量越来越大，体积越来越小，而在温升等关键指标上并未下降。 ( 2 ) 高性能和多功能化。随着微电子技术和半导体技术的发展，用于变频器的 各种半导体器件的和传感器的性能和可靠性越来越高。随着高性能d s p 和a i s c 在 三l 第1 章绪论 变频器中的广泛应用和交流调速理论的不断成熟，各种先进的控制算法的实现成为可 能，从而进一步提高变频器的性能提供了条件。 ( 3 ) 易操作性的提高。随着变频器的市场的不断扩大，如何进一步提高变频器 的易操作性，使变频器产品能够满足不同应用场合的需要，仍然是变频器生产厂商所 必需考虑的问题。为了进一步扩大市场和不断争取新的用户，变频器厂商必然会在丰 富变频器功能的同时不断提高变频器的易操作性，新型变频器将更加容易操作和更加 容易适合特定的应用背景。 ( 4 ) 寿命可可靠性的提高。随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变 频器中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高。此外，随着交流调速理论 和相关技术的不断发展，新的控制方法和驱动方式也不断出现，从而使变频器的寿命 和可靠性得到进一步提高。 ( 5 ) 减少对环境的影响。近年来随着变频器的推广和普及，如何减少变频器尤 其是大功率变频器对周围环境影响的问题越来越受到重视。例如，目前变频器中内置 a cr e a c t o r ( 电抗器) 或d cc h o k e ( 扼流圈) 已经非常普遍，这对减小变频器产生 的高次谐波对环境的影响起到了重要作用。未来的新型传感器中将会通过先进的控制 方法和新的驱动方式来达到减小高次谐波对环境的影响的目的。而各种新技术和新器 件的应用，也将进一步减小变频器对所处环境的影响。 ( 6 ) 网络化和智能化。尽管当前变频器单独使用的场合仍然占多数，但作为工 业生产过程中一个重要的执行单元，变频器具有网络化运行的能力将成为工业自动化 的趋势。目前许多变频器厂商的新产品都已经具有网络连接能力，通过选件形式支持 多种现场总线，可以通过p c 机方便地完成频率设定、参数设置、工作状态给定及在 线监测、系统维护、远程诊断等。 总而言之，未来的变频器产品将朝着高性能、多功能、长寿命、高可靠、易使用、 绿色化、智能化的方向发展。变频器将不仅仅是一个简单的交流调速装置，而将成为 实现自动化过程的一个重要处理单元。变频器技术将不断得到提高，而变频器的应用 领域将不断得到拓展。 1 3 论文的选题思想及主要研究工作 1 3 1 论文的选题思想 4 第l 章绪论 本文主要研究的为中大功率的基于i g b t 的两电平p w m 变频器，目前的研究主 要存在以下几个问题。 1 i g b t 的过压保护研究 为了确保i g b t 安全可靠地工作，则i g b t 必须工作在安全区。但在硬开关条件 下，i g b t 在开通和关断过程中可能承受过大的d i d t 的冲击，如不采取保护措施，由 于回路中的布线电感可能使i g b t 超出安全工作区而损坏。现代的电路设计中，布线 电感可以大幅度的降低，特别是续流二极管的性能优化，使d i d t 大大降低。但是随 着i g b t 开关速度的加快，电流容量的增大，关断时的电流变化率仍然很大。为此， 在功率电路中通常设置缓冲电路或采用软开关技术，减小开关损耗，确保开关管工作 在安全工作区。为了减少吸收电路的损耗，人们在u n d e l a n d 、m c m u r y 等缓冲电路的 基础上对i g b t 逆变器的保护进行了卓有成效的研究【4 2 1 。 缓冲电路的形式很多，可根据不同的场合合理选用。简单的有无源的并联r c 电 路、并联r c d 缓冲电路、r c d 限幅箝位缓冲电路等，还有较复杂的有源缓冲、谐振 变换器、无源无损缓冲电路都是常用的软开关技术【2 3 1 。 无源缓冲电路结构简单，往往是用缓冲电容c 来吸收功率开关器件关断时的能 量，然后消耗在缓冲电阻r 上，虽然可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路 的变换效率，并且在大功率场合，需要大功率的电阻，从而电路产生的损消相对较大。 有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电 路的复杂程度，从而降低了性价比，也降低了可靠性；谐振变换器虽然实现了z v s 或z c s ，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大，才能创造z v s 或z c s 条件，而 且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加 了通态损耗、增加了成本、降低了可靠性。目前已有很多文献对无源无损缓冲电路和 软开关技术作了大量的研究，但是这些无源无损缓冲电路一方面电路结构比较复杂， 另一方面其使用具有一定的局限性。 目前在两电平结构的中大功率i g b t 变频器中一般都采用简单可靠、性价比较高 的无源r c d 限幅箝位缓冲电路( 即放电阻止型r c d 缓冲电路) 。图1 1 所示为放电 阻止型r c d 缓冲电路的结构图。几种常用的无源缓冲电路的拓扑结构及特点在后面 的章节中有详细的介绍 5 第l 章绪论 p n 图1 1 放电阻止型r c d 缓冲电路 2 变频器主电路的换相过程和缓冲电路工作机理的研究 在i g b t 变频器的设计中，变频器的性能很大程度上取决于i g b t 是否可以安全 可靠的工作。然而在p w m 变频器中i g b t 的工作状态不但与p w m 脉冲有关，还与 变频器主电路元器件及负载特性有很大关系。为确保i g b t 安全可靠的工作，必须弄 清主电路各器件的工作情况和换相过程。关于两电平i g b t 变频器的换相过程的研究 的相关文献中多数为针对采用并联r c d 缓冲电路( 全桥保护方式) 的主电路的换相 过程分析 2 9 1 ，而并联r c d 缓冲电路多应用于小功率变频器中，其分析的主电路结构 如图1 2 所示。 图1 2 采用r c d 型缓冲电路的逆变器主电路结构 全桥保护的缺点是逆变桥内部连接部分的布线电感能量仍然消耗在i g b t 上，无 法通过r c d 回路吸收，在较高的开关频率场合( 4 0 0 h z 以上) ，i g b t 开关速度快， 换相次数多，就不宜采用全桥保护方式。而目前还没有针对采用放电阻止型r c d 缓 冲电路( 单管保护方式) 的主电路换相过程的研究，因此有必要此种类型的主电路中 各器件特别是缓冲电路各器件的在换相过程中的工作原理进行研究，分析此种缓冲电 路的工作机理，在此基础上对主电路各器件进行选择，确保变频器安全可靠工作。 6 第1 章绪论 3 变频器主电路和缓冲电路器件参数的研究 在变频器主电路和缓冲电路器件参数的研究中，必须深入研究变频器主电路和缓 冲电路布线电感、缓冲电路各器件参数对i g b t 关断过电压的影响，才能更好的对变 频器结构及缓冲电路的设计计算。 很多国内外文献中都提及了放电阻止型r c d 缓冲电路的参数计算方法，如富士 电机的“富士i g b t 模块应用手册”中就有相关的计算公式【3 2 1 。这些文献中只是给出 了几个简单的计算公式，并无详细的推导过程，对于p w m 逆变器的缓冲电路的工作 原理和参数计算也没有一个统一的认识，远远不能满足实际工程设计的需要。因此有 必要弄清缓冲电路的工作原理并推导出一套可行的参数计算公式。 1 3 2 本文的主要研究工作 本课题基于冶金自动化研究设计院金自天正智能控制股份有限公司的“1 3 m v a 车载牵引变频器 研发项目，重点进行了变频器主电路的选择与设计、主电路的换相 过程、变频器主要器件的选择及缓冲电路的设计和参数计算三个方面的研究。主要内 容安排如下： ( 1 ) 在第1 章中，详细叙述了变频器在国内外的发展状况、变频器技术的发展 趋势，并简要论述了选题的目的和意义； ( 2 ) 在第2 章中，研究了两电平电压型p w m 变频器的结构，并推导了两电平 逆变器带电机负载的数学模型； ( 3 ) 在第3 章中，介绍了变频器缓冲电路的几种拓扑结构，并对加入缓冲电路 的逆变器的主电路换相过程进行了仿真分析； ( 4 ) 在第4 章中，对中大功率的i g b t 两电平变频器的主电路和缓冲电路的设 计、器件的选择及参数计算等若干关键问题进行研究，并推导出一套可行的计算公式， 并给出设计实例； ( 5 ) 在第5 章中，在车载牵引变频器的实验过程中对前面章节的理论分析和计 算结果进行验证； ( 6 ) 最后给出全文总结。 7 第2 章p w m 变频器的数学模型 第2 章p w m 变频器的数学模型 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的 变频器，其内部结构也各有不同，下面主要讲述的为交一直一交型变频器的结构、原 理及其数学模型。 2 1变频器的结构和原理 变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子装置，可分为间接变频器和 直接变频器两大类。间接变频器先将工频交流电源整流变成电压可控的直流，再经过 逆变器变换成频率可调的交流，由此也称交一直一交变频器；直接变频器则将工频电 流一次性变换成可变频率的交流，故可称交一交变频器。交交直接变频电路虽然省去 中间直流环节，一次功率变换控制效率高，但是输出频率低，最高输出频率一般为输 入频率的1 1 3 - - 1 1 2 ，而且控制复杂，对电网产生很大的无功和谐波污染，通常仅用于 低频场合【2 4 1 。交一直一交变频器相对交交变频器调频范围较宽，因而目前应用较为广 泛，本文所述的变频器就属于这一类。 o 丝厂 q 生广 - ( a ) o _ 一可控整流li逆交卜_ 一f o 叫卜。1 卜 d基调k ( b ) ( c ) 谓压调频 调调翔 图2 1 交直交变频器结构图 按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器有三种结构形式： ( 1 ) 可控整流器调压、逆变器调频方式，如图2 1 ( a ) 所示。其调压和调频功 能分别在两个环节上实现，有控制电路进行协调配合，结构简单，控制方便。装置输 入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角很大，致使装置功率因数低下， 此外逆变器多用晶闸管型逆变器，开关频率低输出谐波成分大 ( 2 ) 不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式，如图2 1 ( b ) 所示。采 r 第2 章p i b t 变频器的数学模型 用二极管整流输入功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，输出谐波 成分仍然较大。 ( 3 ) 不控整流器整流、脉宽调制型( p w m ) 逆变器同时实现调压调频方式。如 图2 1 ( c ) 所示。此种结构的装置不但输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变 器，输出谐波很小，性能优良。 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以分为两种，直流侧为电压源的为电压型 逆变电路，直流侧为电流源的为电流型逆变电路。 一一， 叫，叫5) 叫) 电动耄 一【】l l ，、 = ， 、j 平滑电容 、， 一 【jl 一【叫孑叫) 叫) 一 ( a ) 一，一 乙f 平滑电感叫53 叫 3 叫 j 一l 一 i _ j i f 、 一，一 o l1 b 孑叫) 叫) 一l 一l 一 ( b ) 图2 2 ( a ) 电压型和( b ) 电流型变频器主电路基本结构 电压型逆变器的主要特点：直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无 脉动，直流回路呈现低阻抗；由于直流电压源的箝位作用，逆变交流输出的电压波形 为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧的电流波形和相位因负载的阻抗角不同而不 同，其波形接近三角波或正弦波；当交流侧为感性负载时需提供无功功率，直流侧电 容起缓冲无功能量的作用，为给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各桥臂都反并 联了二极管；逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动， 故传送功率的脉动是由直流电流的脉动体现出来的。电压型逆变器不能进行四象限运 行，当负载电动机需要制动时，需要另行安装制动电路。 电流型逆变器的主要特点：直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无 脉动，直流回路呈现高阻抗；因为各开关器件主要起改交直流电流流通路径的作用， o 第2 章p i 瓢, t 变频器的数学模型 交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧的电压波形和相位因负载的阻抗角 不同而不同，其波形接近三角波或正弦波；直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电 流不能反向，故可控器件不必反并联二极管；逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率 是脉动的，因直流电流无脉动，故传送功率的脉动是由直流电压的脉动体现出来的。 变频器的设计应根据配套系统容量的大小以及一些具体要求来选择适当的主电 路拓扑结构。对于电流型变频器来说，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实 现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困 难。另外由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对电网会 有一定的影响，因而一般多选用电压型逆变器。 2 2 变频器的数学模型 本文主要研究的为两电平的电压型p w m 变频器，开关器件选用i g b t ，通过不 控整流器整流、脉宽调制型逆变器同时实现调压调频方式的结构，其主电路结构原理 图如图2 3 所示。整流侧采用二极管不控桥式整流，逆变部分采用个功率器件为i g b t ， 三相逆变器每个桥臂有两个i g b t 模块组成，通过p w m 调制模式来控制功率开关器 件的导通和关断来达到调压调频的目的【3 4 】【3 7 1 。 - - _ 匕叫) 叫(3 叫53 j ljl l 一 - q 一 瓠 v 一厂兔 ， v 一_ - _ - - _ = 叫3 叫) 叫j 一l 一 l 一【 _ j 图2 3 两电平p w m 燹频器的结构原理图 对于三相电压型p w m 逆变器，分析时假设系统参数都是对称稳定的。基于图 2 3 所示的两电平电压型p w m 变频器主电路结构进行分析，变频器主电路的逆变部 分及负载电机的等效电路如图2 4 所裂3 9 1 。根据其等效开关器件墨、最、岛、墨、墨、 瓯，定义变频器模型中的开关函数嘲疋、瓯、疋，可得如下关系式： ( 1 ) 当焉导通，墨关闭时，疋= l ；当墨关闭，墨导通时，疋= o 。 ( 2 ) 当岛导通，瓯关闭时，邑= l ；当岛关闭，瓯导通时，瓯= 0 。 1 n 第2 章p 删变频器的数学模型 ( 3 ) 当s 导通，& 关闭时，= l ；当墨关闭，是导通时，- - 0 。 u d 图2 4 逆变器主电路逆变部分的等效结构 根据图2 4 ，可得下面的数学表达式： 三譬+ 甄： 出 ” 拿+ 戤： d t 三车+ 瓯= d t 。 n ( 2 1 ) 设负载中点n 与直流电源假想中n 之间的电压为，则负载各相的相电压可 由下式求出： 把式2 2 中的各式相加并整理可得如下式： ( 2 2 ) = 三( + + ) - ；( + + ) ( 2 3 ) 设负载为三相对称负载，则有+ + = 0 ，故可得： = ( + + ) ( 2 4 ) 又有： f = 瓯 = 墨 l i = & ( 2 5 ) 脯脚 第2 章p 删变频器的数学模型 综合式2 3 、2 4 、2 5 可得： ：瓯一妻( 瓯+ s v + & ) j u o ：s 一委( 瓯+ s + s 。) j = 瓯一三( 瓯+ 瓯+ 乱) 将式2 1 代入式2 6 的下式： 可有。= 瓯屯+ 鼠+ 瓯0 得到变频器的逆变部分的数学模型如下： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 哮+ 矾= 瓯一三( 鼠+ & + & ) 三盟d t + 戤= s 一；( 鼠+ 鼠+ 瓯) ( 2 8 ) 哮+ r 。= & 一号( 瓯+ & + 瓯) 屯。= 瓯屯+ s + 0 对逆变器的数学模型进行的d - q 坐标变换，可得到三相逆变器在d - q 坐标系的数 学模型如下： d i d 出 心 出 丸。 出 刈叫i 尺 三 国 3 & 2 c 国 r 三 3 & 2 c r 三 s q 三 - 1 1 聃一由 1 2 ( 2 9 ) d d l ， ， 己 肌 肌 j j & & 峪 + + ， p 跗 瓯 + + h 跆 跗 皈 一 一 一， 聃 观 观 一 一 嘲 k i 矾 戤 矾 盟出织百饥百 第2 章p 1 i m 变频器的数学模型 甲 2 l 批由2j c o s 缈r c 。s ( o t - 詈万) c o s ( 刎+ ；万) 一s i n 研一s i n ( c o t - - ；刀) 一s i n ( 缈r + 詈万) 以上详细分析并建立了变频器逆变部分的数学模型。由于变频器的整流部分采用 二极管不可控整流，其输出通过大容量电容进行稳压，对于整个变频器系统而言它的 影响较小，因此主要对变频器逆变部分进行了分析和数学模型的推导。 1 3 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 电路中的电力半导体器件关断时，由于电路中电感的存在，在器件关断时往往会 在开关元件的两端产生很高的过电压。在i g b t 逆变器中由于i g b t 器件的开关速度 很快时间约为l 炒，当i g b t 关断或续流二极管反向恢复时会产生很大的d i d t 产生， 该d i d t 在主电路的布线电感上引发较大的尖峰电压l d i d t ( 关断浪涌电压) ，图3 1 所示为i g b t 关断时的动作波形。如果尖峰电压很大可能使叠加后的超出反向安全工 作区，或者由于d u d t 太大引起误导通，两者均会导致i g b t 的损坏【4 3 1 。 图3 1i g b t 关断时动作波形 在第2 章中介绍的i g b t 变频器的主电路结构为理想结构，实际应用中不可避免 的电路电感的存在，为保护逆变器中的主要器件i g b t ，抑制其开关过程中产生的过 电压，在应用中应加入缓冲电路。 3 1 缓冲电路拓扑 缓冲电路一般用于在i g b t 开关( 特别是i g b t 关断) 时，减小由于线路电感上的 能量而造成的过压。缓冲电路主要分为两种：一种是在直流母线间集中安装的集中式 缓冲电路，另一种是在所有的元件上以一对一安装缓冲电路的个别式缓冲电路，下面 对两种类型缓冲电路进行分析和介绍【7 】 1 0 】【2 0 1 。 一、集中式缓冲电路 t c 缓冲电路 1 4 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 1 j k本 l 一 j k本 1 j p n 图3 2c 缓冲电路 图3 2 中的c 缓冲电路中电容c 直接并联接在桥臂的两端，其电压总为电源电压 并吸收电路的过冲电压，易与主电路直流母线布线电感产生l c 谐振电路反而加剧电 压的过冲，同时在开关频率较高的情况下电容c 上的过冲电压不能及时回馈到直流 母线上造成累积效应从而导致i g b t 过压损坏，c 缓冲电路一般用于电路杂散电感较 小的变频器中。 2 r c d 缓冲电路 p n 图3 3r c d 缓冲电路 图3 3 中的r c d 缓冲电路的电容c 总为电源电压并吸收过冲电压，吸收的能量全部 消耗在缓冲电路的电阻上。此缓冲电路可以有效降低母线电压的振荡，母线配线较长 的情况下效果明显。但需注意的是如果二极管选择错误，会造成较高的电压尖峰，同 时二极管的反向恢复易造成母线电压的振荡，一般用于小功率的变频器中。 二、个别式缓冲电路 1 r c 缓冲电路 1 5 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 p n 图3 4r c 缓冲电路 图3 4 中r c 缓冲电路在每个桥臂开关状态转换时反复在0 v 和电源电压之间进行 充放电。此缓冲电路对关断浪涌电压吸收效果明显，最适合应用于斩波电路中。在应 用于大容量i g b t 时，缓冲电阻较小会导致关断时的i g b t 集电极电流增大，i g b t 负荷 加重。由于缓冲损耗较大，一般不用于高频用途。 2 充放电型r c d 缓冲电路 p n 图3 5 充放电型r c d 型缓冲电路 图3 5 中充放电型r c d 型缓冲电路与r c 缓冲电路相似，缓冲电容c 总是在每 个桥臂开关状态转换时反复在0 v 和电源电压之间进行充放电。由于加入了二极管， 缓冲电阻可以较大，从了回避了i g b t 开通时的负荷问题，但缓冲电路损耗较大( 主 要为缓冲电阻) ，同样不适于高频用途，一般不与i g b t 模块一起使用。 3 放电阻止型r c d 缓冲电路 1 6 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 p n 图3 6 放电阻止型r c d 缓冲电路 图3 6 中的r c d 缓冲电路的电容c 总为电源电压并吸收过冲电压，缓冲电容吸 收的能量全部消耗在缓冲电路的电阻上。此缓冲电路适用于高频用途，对关断浪涌电 压吸收效果显著，且缓冲电路的损耗较小，大功率的变频器一般都采用此种缓冲电路， 本文所研究的变频器就是采用此型缓冲电路。 3 2 主电路换相过程 在采用p w m 开关控制模式的i g b t 变频器中，i g b t 的开关状态不但与p w m 脉冲有关，还与变频器主电路元器件及负载特性有很大关系。为了确保i g b t 安全可 靠的工作，有必要进一步弄清主电路各器件的工作情况和换相过程，以期设计出有效 的i g b t 保护电路【2 7 1 3 0 1 。下面将对i g b t 变频器的主电路换相过程进行定性的仿真分 析，仿真软件采用p o w e r s i m 公司的p s i m 软件。 3 2 1 p s i m 仿真软件介绍 p s i m 是一种功能强大的电力电子和自动控制建模和仿真软件，该软件能够提供 友好的用户界面，并包含有丰富的控制元件库和强大的数学运算模型，还可将其它仿 真软件中的元器件容易地转化为通用数学模型。 p s i m 具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、 控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。本仿真解析系统，不只 是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环 境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用m a t l a b s i m u l i n k 实现，主电路部分 以及其周边电路用p s i m 实现，电机部分用电磁界解析软件j m a g 实现，由此进行连 成解析，实现更高精度的全面仿真系统。 1 7 第3 章i g b t 变频器换相过程的研究 p s i m 仿真软件包括3 个方面：电路示