哈工大变频器 变频器1-2

1 3电力电子器件简介 自学 1 4脉冲宽度调制 PWM 原理 自学 1 5变频器的组成和分类 1 3电力电子器件简介 本节主要内容 常用电力电子器件的基本特性 电力电子器件是变频技术发展的基础 在定性分析变频电路时 可将电力电子器件作为理想开关来对待 图1 11理想伏安特性 1 功率二极管 DIODE 电气符号 伏安特性 特性单向导电性 正向导通 反向截至 2 晶闸管 SCR 电气符号 伏安特性 内部结构 开通条件阳极和阴极间承受正向电压时 在门极和阴极间也加正向电压 当阳极电流上升到擎住电流后 门极电压信号即失去作用 若撤去门极信号 晶闸管可继续导通 擎住电流是使晶闸管由关断到导通的最小电流 关断条件使晶闸管阳极电流IA小于维持电流IH 维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流 电气符号 内部结构 GTO是一种多元功率集成器件 它是由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成 伏安特性 与SCR的特性相似 导通与关断条件 导通条件与SCR相同 但关断时门极需要负脉冲 缺点驱动功率大 驱动电路复杂 工作频率不够高 一般在10KHz以下 优点电压 电流容量较大 可达到6000V 6000A 多应用于大功率高压变频器 3 门极可关断晶闸管 GTO 电气符号 工作状态 GTR作为开关器件 应在截止 关 和饱和 开 两种状态之间交替 缺点GTR耐冲击能力差 易受二次击穿损坏 目前GTR的应用一般被IGBT所替代 内部结构 与普通的双极结型晶体管类似 4 电力晶体管 GTR 伏安特性 电气符号 伏安特性 转移特性 导通条件 uDS加正压 且uGS UGS th 开启电压 优点 驱动功率小 开关速度快缺点 电流容量小 耐压低 5 电力场效应晶体管 MOSFET 电气符号 等效电路 输出特性 导通条件 uCE加正压 且uGE UGE th 开启电压 优点 驱动功率小开关速度快电流容量大 耐压高 6 绝缘栅双极晶体管 IGBT IGCT是GTO的派生器件 其基本结构在GTO的基础进行了改进 如特殊的环状门极 与管芯集成在一起的门极驱动电路等等 使IGCT不仅具有与GTO相当的容量 而且具有优良的开通和关断能力 目前 4000A 4500V及5500V的IGCT已研制成功 在大容量变频电路中 IGCT被广泛应用 7 集成门极换流晶闸管 IGCT IPM是将大功率开关器件和驱动电路 保护电路 检测电路等集成在同一个模块内 是电力集成电路的一种 优点 高度集成化 结构紧凑 避免了由于分布参数 保护延迟所带来的一系列技术难题 适合逆变器高频化发展方向的需要 目前 IPM一般以IGBT为基本功率开关元件 构成单相或三相逆变器的专用功能模块 在中小容量变频器中广泛应用 8 智能功率模块 IPM 重点 常用电力电子器件的基本特性难点 复合器件的特点 1 3电力电子器件简介常用电力电子器件的基本特性不控器件 DIODE半控器件 SCR 全控器件 GTO GTR P MOSFET复合器件 IGBT IGCT功率集成电路 IPM 小结 1 4脉冲宽度调制 PWM 原理 电能变换的类型 图1 12电能变换的类型 AC DC变换器 图1 13整流电路 DC DC变换器 图1 14直流斩波电路 DC AC变换器 图1 15单相逆变电路 AC AC变换器 图1 17交交变频器 图1 16单相交流调压器 本节主要内容 PWM的基本原理 调制方法SPWM逆变电路 脉冲宽度调制 缩写为PWM 技术按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制 来得到所需要的等效波形 交直交 变频器的结构 图1 18交直交变频器 理论基础 面积等效原理 1 PWM技术的基本原理 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 图1 19形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 d 单位脉冲函数 f t d t t O a 矩形脉冲 b 三角形脉冲 c 正弦半波脉冲 t O t O t O f t f t f t 图1 21冲量相等的各种窄脉冲的响应波形 具体的实例说明 面积等效原理 a e t 电压窄脉冲 是电路的输入 i t 输出电流 是电路的响应 图1 20惯性环节的电路 SPWM波 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波的特点 脉冲的宽度与正弦波的大小成正比 N值越高 即脉冲频率越高 SPWM越接近正弦波 正弦脉宽调制 SPWM 将一个正弦波电压分为N等份 把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 等效 对于正弦波的负半周 采取同样的方法 得到PWM波形 因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为 根据面积等效原理 正弦波还可等效为下图中的PWM波 而且这种方式在实际应用中更为广泛 调制方法 利用载波和调制波相比较的方式来确定SPWM波的脉宽和间隔 调制波ur 所希望生成的正弦波载波uc 等腰三角波或锯齿波 2 单相SPWM逆变电路 图1 22单相桥式SPWM逆变电路 控制方式 按照调制脉冲的极性关系 SPWM逆变电路的控制方式分 单极性控制双极性控制 单极性控制 任一时刻载波与调制波的极性相同 在任意半个周期SPWM波单方向变化 ur uc时 有脉冲ur uc时 无脉冲 图1 23单极性SPWM ur uc时 VT1 VT3开通输出正脉冲ur uc时 VT2 VT4开通负脉冲 图1 24双极性SPWM 双极性控制 载波双方向变化 在任意半个周期SPWM波双方向变化 电路结构 3 三相桥式SPWM逆变电路 IGBT 图1 25三相桥式逆变电路 调制原理 调制信号为三相正弦波 载波公用 控制方式双极性SPWM调频方法 改变三相调制信号的频率调压方法 改变三相调制信号的幅度 小结 重点 脉宽调制的基本原理难点 SPWM逆变电路的变压变频原理 1 4脉冲宽度调制 PWM 原理脉宽调制的基本原理面积等效原理SPWM波的生成方法调制法三相桥式SPWM逆变电路SPWM逆变电路的结构和变压变频原理 前面学习了 1 1三相异步电动机 1 2三相异步电动机的起动和制动 1 3电力电子器件简介 1 4脉冲宽度调制 PWM 原理本讲将学习 1 5变频器的组成和分类 1 5变频器的组成和分类 变频器组成 主电路控制电路 图1 18佳灵JP67型变频器的主电路 主电路 完成电能变换的功率电路 控制电路为主电路提供控制信号完成检测 各种保护接受外部控制信号实现输出指示 图1 19佳灵JP67型变频器控制电路 本节主要内容 变频器的主电路变频器的控制电路变频器的分类 整流电路组成 VD1 VD6 三相桥式二极管整流器 功能 将工频交流电整流为脉动直流电 滤波电路组成 C1 C2 R1 R2 R3功能 将脉动直流电变为较平滑的直流电 1 变频器的主电路 逆变电路组成 VT1 VT6 VD7 VD12功能 将直流电变为频率和电压可调的三相交流电 制动单元组成 VT7 R5功能 消耗电动机制动过程中的回馈能量 制动单元工作原理 电动机制动时 回馈电流通过VD7 VD12给C1 C2充电 当电容两端电压升到一定程度时 计算机控制VT7导通 电容通过R5和VT7放电 电阻发热消耗能量 电容两端电压降低 电动机制动 输入端子 R S T 连接电源输出端子 U V W 连接电动机 主控制板 核心为单片机 是变频器的控制中心 由以下各部分组成 操作面板 包括键盘及显示屏等 键盘 运行操作或程序预置其上有 运行键 模式转换键 数据增减键 复位键等 显示屏 显示控制板提供的各种显示数据 LED数码显示屏和液晶显示屏 显示的数据类型 运行数据 功能参数码 故障代码等 2 变频器的控制电路 电源为控制电路提供直流电源该电源具有电压稳定性好 抗干扰能力强等优点与主电路电气隔离 控制电路的输入端子模拟量输入端子 接收模拟信号调节运行频率开关量输入端子 接收开关信号进行运行控制 控制电路的输出端子模拟量输出端子 输出与内部变量成正比的模拟信号 用于指示内部数据 开关量输出端子 输出开关信号用于报警或运行状态指示 通信接口用于多个变频器之间或变频器与计算机之间进行联网控制 按变换环节分 3 变频器的分类 交 直 交型 低压变频器通用 调节频率范围较宽交 交型 用于低速大容量的调速系统 可调频率范围窄 交 交型 交 直 交型 按电压等级分 低压变频器 220V 460V 一般为中小容量 中压变频器 电压等级3kV 10kV 大容量 按用途分 专用型 为具体应用而设计 使用面窄 价格低 操作简单 通用型 用于机械传动调速 功能齐全 性能好 价格贵 小结 重点 变频器的组成难点 制动单元的功能 1 5变频器的组成和分类变频