小孙学变频-变频器主电路

小孙学变频小孙学变频 第一讲第一讲 变频器的主电路变频器的主电路 出场人物 张老师 退休高工 对变频器的应用及推广颇有研究 小孙 蓝天公司电气工程师 课堂风格 深入浅出 小孙是蓝天公司的电气工程师 多年来从事电子设备的维修工作 近几年 来 各种设备里应用的变频器越来越多 小孙被安排来专门从事变频器的调试 和维护 这一天 小孙从仓库里领出了一台变频器 打算配用到鼓风机上 按照规 定 先通电测试一下 谁知一通电 就发现冒烟 立刻切断了电源 把盖打开 后 发现有一个电阻很烫 小孙想 在开盖情况下再通电观察一次 这一回 电阻倒是不冒烟了 但不一会儿 变频器便因 欠压 而跳闸了 用万用表一 量 那个电阻已经烧断了 经人介绍 小孙找到了一位退休老高工张老师 你们那台变频器在仓库里存放了多长时间 听完了小孙的情况介绍后 张老师问 大约一年多一点 我知道了 张老师胸有成竹地说 在分析电阻冒烟的原因之前 先 要弄清楚变频器里整流滤波电路的特点 老师 我不大明白 变频器的中间为什么要加进一个直流电路呢 好吧 那我们就先从交 直 交变频器的基本结构讲起 张老师拿了 一张纸 不紧不慢地画出了交 直 交变频器的框图 如图 1 1 所示 然后说 你瞧 电网的电压和频率是固定的 在我国 低压电网的电压和频率统 一为 是不能变的 要想得到电压和频率都能调节的电源 必须380V50Hz 自己 变出来 才便于控制 所谓 变出来 当然不可能象变魔术那样凭 空产生出来 而只能从另一种能源变过来 这 另一种能源 便是直流电 因此 交 直 交变频器的工作可分为两个基本过程 1 交 直变换过程 就是先把不可调的电网的三相 或单相 交流电经整流桥整流成直流电 2 直 交变换过程 就是反过来又把直流电 逆变 成电压和频率都任意可调的三相交流电 你方才说的那台变频器的问题 我的判断是出在 交 直变换 里 我们 就来讨论这部分电路吧 图 1 1 交 直 交变频器框图 1 交 直变换电路交 直变换电路 所谓交 直变换电路就是是整流和滤波 在低压电路里 哪种滤波方式 效果最好 老张又问 应该是 形滤波 小孙答 可是 变频器里却不能用 形滤波 1 1 变频器不用变频器不用 形滤波形滤波 为什么呢 小孙真还没有想到过这样的问题 不觉来了精神 a 低压整流滤波电路 b 变频器整流滤波电路 图 1 2 整流和滤波电路 其实 你只要比较一下这两种整流滤波电路的区别就明白了 张老师 说着 随手就画出了两个整流滤波电路 如图 1 2 然后说 瞧 形滤波在电路里要串联一个电感或电阻的 不管串LR 联什么 它总要产生一个电压降 使后面的电压比前面的电压小一U 2D U 1D U 点 这在低压电路里是没有关系的 如果觉得太小了 你可以在设计变压 2D U 器时适当提高一点副方电压就可以了 啊 我知道了 小孙如梦初醒 变频器前面没有变压器 不可能提 高电压 可是 稍微有一点电压降不行吗 不行 张老师斩钉截铁地说 因为变频器要求后面逆变出来的三相 交流电 在时的电压能够和前面的电源电压一般大 要是直流电压减小了50Hz 的话 逆变出来的三相交流电压 在时就达不到了 那人家就会说 50Hz380V 你这个变频器不行 电压不够 所以 变频器里只能用电容器滤波 好像是用两组电容器串联起来的 为什么呢 小孙来了兴趣 努力思 索着要主动地问一些问题 那是生产水平的问题 迄今为止 全世界生产的电解电容器的最高耐压 只有 500v 而全波整流后的峰值电压是 按照国家规定 电源电压380V537V 的允许上限误差是 即 全波整流后的峰值电压是 此外 10 418V591V 变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达 700 800 V 而在逆变的过 渡过程中 瞬间的直流电压甚至可能高达呢 所以 只能用两组电容器1000V 串联来解决 张老师回答说 1 2 均压电阻的学问均压电阻的学问 还有 我曾打开变频器看过 每个电容器旁边 都并联一个电阻 好像 叫均压电阻 可它们的电阻值很大 约为几十 而瓦数却不大 好像只有k 左右 它们能起到均压作用吗 小孙显露出一副疑惑的神情 10W 那就让我们来看看吧 张老师随手又画了一个图 如图 1 3 接着说 图中 电容器的充电回路由和构成 的充电回路由和 1 C 1 C 2C R 2 C 2 C 构成 1C R 和的电阻值是相等的 1C R 2C R 12CC RR 如果两个电容器组的电容量有差异 假设 12 CC 则两个电容器组上的电压分配必不相等 12CC UU 而两个电容器的充电电流分别是 12 12 12 CC RR CC UU II RR 很明显 12RR II 图 1 3 滤波电容的均压电路 这样 电容器上要多充一些电 就得到了提高 结果是和趋 2 C 2C U 1C U 2C U 向于均衡 12CC UU 当然 要绝对均衡是不可能的 至于瓦数么 你自己算一算看 小孙立即拿起笔来 刚要下笔 却又难住了 问 电压值按多大算呢 每个电容器上的平均电压可以按算 300V 电阻么 好象是 30 这就好算了 只见小孙在纸上算了起来 k 22 300 3 W 30000 U P R 哟 还绰绰有余呢 小孙说 我以前总喜欢估计一个大概数据 很 少具体计算 看起来 以后还是要算一算的好 1 3 限流电阻的作用限流电阻的作用 还有一个问题 那个冒烟的电阻是在整流桥和滤波电容之间的 这在低压 整流电路里是没有的 它起什么作用呢 图 1 4 整流电路的合闸 就整流和滤波的基本过程而言 低压和高压是相同的 张老师又画了 个整流滤波电路 如图 1 4 接着说 问题的关键 是合上电源前 电容器上是没有电荷的 电压为 0V 而电 容器两端的电压又是不能突变的 就是说 在合闸瞬间 整流桥两端 P N 之 间 相当于短路 因此 在合上电源时 就出现了两个问题 第一个问题 是有很大的冲击电流 如图中的曲线 这有可能损坏整流 管 第二个问题 是进线处的电压将瞬间下降到 0V 如图中之曲线 所示 这两个特点 高 低压整流电路完全一样 张老师又画了起来 如图 1 5 a 低压整流电路 b 高压整流电路 c 限流电路 图 1 5 高 低压整流电路的区别 接着说 瞧 低压整流电路是要通过变压器来降压的 变压器的绕组是 一个大电感 它犹如一个屏障 能对合闸时的冲击电流起到限制作用 如图 a 中的曲线 而变频器的整流电路中 就没有这样的屏障 冲击电流就要 严重得多 如图 b 中之曲线 所示 至于进线侧的电压波形 其实 在低压整流电路中 变压器的副方电压 也同样要瞬间降到 0V 的 如图 a 中之曲线 但反映到变压器的原方 这 样的瞬间降压 就被缓冲了 如图 a 中之曲线 对同一网络中的其他设备 不构成干扰 变频器整流电路中没有这样的缓冲 它进线电压就是电网电压 所以 在 合闸瞬间 电网电压要降到 0V 这将影响同一网络中其他设备的正常工作 通 常称之为干扰 所以 在整流桥和滤波电容之间 就需要接入一个限流电阻 至于它的 L R 原理 你该是明白的吧 我来试试看吧 小孙鼓足了勇气 说 接入了限流电阻后 非但减 小了通电时的冲击电流 并且 瞬间的电压降 也都降到限流电阻上了 电源 侧的电压波形也解决了 真是一举两得啊 等到电容器上的电压上升到一定程 度时 再把限流电阻短路掉 对吧 可是 张老师正想夸赞小孙几句 没 想到他又来了个 可是 于是他耐心地等着小孙的下文 我曾经查看过几台变频器 发现短路器件 晶闸管或接触器 的大小是 随变频器的容量而变的 但限流电阻的阻值和容量却差别不大 这是怎么回事 呢 说得好 也问得好 张老师高兴地夸赞了小孙几句 我们通过具体例子来说明 张老师一边说 一边画出了图 1 6 图 1 6 限流电路里的电流 然后说 我们分开来说吧 一 先看限流电阻 L R 严格地说 容量大的变频器里 整流管的允许电流也较大 滤波电容的容 量也要大一些 限流电阻的阻值应该小一些 而容量 瓦数 应该大一些 但 是 让我们举一个例子来看一下 假设所选用限流电阻的阻值 50 那么 L R 即使电源电压等于振幅值 最大的冲击电流是多大呢 2380537V Lm U 只有 10A 多一点 小孙说 还有 假设滤波电容的电容量是 5000uF 充电时间有多长呢 小孙很快算了起来 50 5000250000us250ms0 25s L TR C 只有 0 25s 小孙抬起头来 说 那是充电时间常数 充电时间应该是它的 3 倍到 5 倍 张老师更正说 就是说 充电时间大约是 0 75s 到 1 25s 之间 笼统一点说 是 1s 左右吧 这样的充电电流 和这样的充电时间 对于大多数规格的变频器来说 都 是可以接受的吧 所以 生产厂家为了减少另部件的种类 采取了多种规格的 变频器选用同一规格限流电阻的做法 至于电阻的容量 瓦数 因为中通电流的时间很短 只有 1s 真正达 L R 到 10A 的时间更短 所以 一般说来 容量只要不小于 20W 就可以了 再看旁路接触器 KM 还是用具体例子来说明吧 假设电动机容量是 7 5kW 15 4A 配用变频器的容量是 13kVA 18A 一般说来 直流回路的容量和变频器的输入容量应该是相等的 当电源电 压是 380V 时 直流电压的平均值是 513V 那么 直流电流应该有多大呢 张老师看着小孙 问 小孙会意 马上在纸上算了起来 13000 25 A 513 D D D P I U 那就只有选标称值为 30A 的接触器了 小孙不假思索说 要动动脑筋么 你想 这里用接触器的几个触点呀 啊 小孙拍着自己的脑袋说 接触器的三个触点是可以并联起来用 的 那就只要 10A 的接触器就可以了 张老师微笑着点了点头 又补充说 不过 要是用晶闸管的话 还是要 用 30A 的 张老师略顿了顿 接着又问 那么 要是电动机容量是 75kW 139 7A 配用变频器的容量是 114kVA 150A 该配用多大的接触器呢 这回小孙心里有底了 他很快地算了起来 114000 222 A 513 D D D P I U 应该选额定电流为 80A 的接触器 小孙肯定地说 所以 你刚才提的问题不就解决了嘛 张老师笑嘻嘻地说 可是 限流电阻为什么会冒烟 并且烧断呢 小孙问 就我所接触到的情况而言 烧断限流电阻的原因可能有三种 张老师 说 a b c F 80C 1000uF L R F 40C 1000uF L R F 40C 2000uF L R 图 1 7 限流电阻的充电电流 第一种可能 是限流电阻的容量选小了 因为在限流电阻中通入的电流 是按指数规律衰减的 且持续时间很短 如图 1 7 所示 所以 其容量可以选 得小一些 为了降低元器件成本 有的变频器生产厂家在决定限流电阻的容量 时 常常取较小值 但实际上 流经限流电阻的电流是和限流电阻的阻值 R I 以及滤波电容器的电容量有关的 比较图 a 和图 b 知 大 则 L R F C L R 电流的初始值较小 但电流的持续时间长 比较图 b 和图 c 知 大 F C 电流的持续时间将延长 所以 严格地说 的容量大小也应该根据具体情况 L R 适当调整 但如前所说 用户对滤波电容器的充电过程并无严格的要求 所以 对的阻值和容量也并无明确的规定 一般说来 如选 是 L R50 L R 50W R P 不会有问题的 第二种可能 是滤波电容器变质了 凡是有电解质的器件 都有一个特点 你一直用它 它不容易坏 你总也不用它 它倒要坏了 你那台变频器在仓库 里存放了一年多才拿出来 你应该先打开盖观察一下滤波电容器 看它是否 鼓包 甚至是否有电解液漏出 电解电容器变质的特征 首先是漏电流增 大 一台长时间不用的变频器 突然加上高电压 电解电容器的漏电流可能是 相当大的 你第一次合上电源时 变频器内冒烟 很可能就是电解电容器严重 漏电 甚至已经短路 而直流电压难以充电到 450V 以上 短路器件不动作 限流电阻长时间接在电路里 它当然要冒烟 烧断了 那 变频器在仓库里时间放长了 就报废了 小孙感到疑惑 当然不是 长时间不用的电解电容器 通电时 应该先加约 50 的额定 电压 加压时间应在半小时以上 如图 1 8 所示 它的漏电流就会降下去 也 就可以正常使用了 图 1 8 长期存放电容器的复原 所以 你回去以后 先用万用表测量一下电容器是否短路 如并未短路 外观上也没有异常 则如图那样 通电半小时以后 电容器将可以恢复 太好了 小孙高兴地说 接着又问 您说 电阻冒烟还有另一种可 能性 小孙接着问 第三种可能 就是旁路接触器 KM 或晶闸管没有动作 结果 使限流电 阻长时间接在电路里 那 怎么来判断旁路接触器或晶闸管是否动作了呢 小孙问 旁路器件应该在滤波电容器已经充电到一定程度 例如 电压已经超过 450V 时动作 因此 你可以在确认滤波电容器完好的情况下 通电时 观察 当直流电压上升到足够大时 旁路器件是否动作 D U 具体方法之一 是在限流电阻两端并联一个电压表 同时在滤波电容 1 PV 两端也接一个电压表 再将两个串联的灯泡也接到滤波电容的两端 作为 2 PV 负载 如图 1 9 a 原理图 b 外部接线图 图 1 9 旁路器件的动作检查 通电后 如果显示已经足够大 但的读数并不为 0V 就说明旁 2 PV D U 1 PV 路器件并未动作 为什么要接两个灯泡呢 小孙问 那是为直流电路接一点负载 要是没有负载的话 限流电阻内将没有电 流 即使短路器件未动作 限流电阻上也量不出电压呀 还有一个问题 小孙拿了一张纸 画了起来 然后问 我发现在滤 波电容器两端 还并联了一个 0 33uF 的小电容 如图 1 10 中和所示 是为 0 C 什么 图 1 10 抗干扰电容 因为电解电容具有一定的电感性质 它不能吸收时间很短的干扰电压 容 易导致 过电压跳闸 的误动作 电容器就是用来吸收干扰电压的 0 C 1 4 主控板上的电源指示灯主控板上的电源指示灯 还有 我发现在主控板上有一个电源指示灯 为什么把它放在机箱里面 而不放在控制面板上呢 小孙问 那么 你每次开机时 怎么知道变频器是否通电 张老师反问 我是看变频器的显示屏上是否有显示 是啊 显示屏已经显示了通电与否 要是再把里面这个指示灯也放到面 板上 岂非叠床架屋了 张老师说着 随手又画了个图 1 11 图 1 11 直流指示 其实 里面的这个指示灯 主要不是显示变频器是否通电 而是显示变 频器断电后 滤波电容器上的电荷有没有放完 它是为你的人身安全而设置的 就是说 当变频器发生了故障 你打开机箱 想要看看里面的零 部件是否发 生问题时 虽然变频器已经断了电 但如果滤波电容器上的电荷没有放完的话 将是很危险的 所以 千万注意 一定要在指示灯完全熄灭后 才能用手去触 摸里面的元器件 小孙觉得 张老师的讲解深入浅出 使自己对问题的理解变得清晰起来 于是 他大着胆子说 老师 我能不能交点学费 拜您为师 系统地学一学变频器的知识 你不已经叫我老师了么 学费是断不能收的 其实 我也是有收获的 我年纪大了 已经不再有到现场处理问题的机会了 你给我带来了现场的工况 我也是有提高的 你想系统地学 当然很好 但要坚持学下去 可也不容易呢 我反正是退休老头一个 整天赋闲在家 你什么时候想来 只要事先通个电话 我在家恭候就是了 张老师的话 使小孙感到暖暖地 只见张老师呷了一口 茶 说道 既然你想系统地学 那接下来就该讨论逆变电路了 你回去先预习一下 吧 1 5 小孙的笔记小孙的笔记 变频器因为输入侧直接接电网 所以 它的整流滤波电路就有了许多不同 于低压电路的特点 1 它的滤波电路不允许有电压降 所以不能用 形滤波 2 滤波电路由两组电容器串联而成 为了使两组电容器的电压分配均衡 必须在电容器旁并联均压电阻 3 在整流桥和滤波电容器之间 设置了限流电路 以限制刚合上电源时 的冲击电流 4 变频器内部控制板上的指示灯 主要是在停电时 显示滤波电容器上 的电荷是否释放完毕而设置的 目的是保护人身安全 小孙学变频小孙学变频 第一讲第一讲 变频器的主电路 二 变频器的主电路 二 出场人物 张老师 退休高工 对变频器的应用及推广颇有研究 小孙 蓝天公司电气工程师 课堂风格 深入浅出 2 逆变电路逆变电路 过了一个星期 小孙又到张老师家去了 逆变电路预习过了 有问题吗 张老师和蔼地问 大体的轮廓 好象知道了 但要深究起来 却还是感到模模糊糊地 首 先 对逆变用的 IGBT 管就不大熟悉 小孙说 2 1 IGBT 管的特点管的特点 那我们就先从 IGBT 管说起吧 这一次 张老师已经事先画好了许多 的图 随手拿出了一张 如图 1 12 a 晶体管 b 场效应管 c IGBT 图 1 12 IGBT 管的构成 IGBT 管也叫绝缘栅晶体管 它是晶体管和绝缘栅场效应管的组合 图 a 是三极晶体管 它的三个极分别是 集电极 C 发射极 E 和基极 B 它的特点是集电极电流的大小取决于基极电流 故称为电流控制器件 C I B I 图 b 是绝缘栅场效应管 它的三个极分别是 漏极 D 源极 S 和栅极 G 栅极和源极之间是绝缘的 它的工作特点是漏极电流的大小取决于栅极 D I 和源极之间的电压 故称为电压控制器件 GS U 再看图 c 所示的 IGBT 管 它的主体部分和晶体管相同 也是集电极 C 和发射极 E 控制部分却是绝缘栅结构 通常称为控制极 G 集电极电流的 C I 大小取决于控制极与发射极之间的电压 所以 也是电压控制器件 GE U 和大功率晶体管 GTR 相比 IGBT 管主要有哪些优点呢 小孙问 首先 IGBT 管允许的开关频率比 GTR 高一个数量级 GTR 的最高开关 频率只有 2kHz 而 IGBT 可达 20kHz 其次 很明显的是 它的控制极的功耗 要比 GTR 的基极功耗小得多 这是主要的 其他也还有一些优点 就不详细说 了 这 IGBT 管是作为开关用的吧 小孙问 a 饱和导通状态 b 截止状态 图 1 13 IGBT 管的工作状态 是的 张老师又找出了一张图 如图 1 13 接着说 IGBT 管和其 他三极管一样 也有三种状态 截止状态 放大状态和饱和导通状态 而我们 只用它的截止状态和饱和导通状态 图 a 所示 是饱和导通状态 犹如开关 处于闭合状态 图 b 所示 是截止状态 犹如开关处于断开状态 我用万用表量了一下 怎么觉得它有点像晶闸管呢 小孙说完 从皮 包里拿出了 IGBT 管模块 万用表 电池等器件 看样子 他是有备而来的 哦 你是怎么量的 张老师颇感兴趣地问 a GE 接电池 b 拿掉电池 c 接入电阻 图 1 14 IGBT 管的粗测 您瞧 小孙一边画了个图 1 14 一边演示起来 当电池的 端 接 G 极 端接 E 极 如图 a 所示时 IGBT 管是导通的 可是 我把 电池拿掉后 IGBT 管仍然是通的 如图 b 所示 这不和晶闸管差不多么 你给我拿一个电阻来 阻值不限 张老师伸出手说 小孙从包里找出一个 10的电阻递给了老张 只见老张把那个电阻往k G E 间一接 万用表的显示立刻就指向 了 然后说 因为 IGBT 管的 G E 间是绝缘的 所以 你方才把电池拿掉时 G 极 上的 电荷不能释放 所以 IGBT 管保持着导通的状态 在 G E 间接入 了一个电阻后 G 极上的 电荷很快释放掉了 你所谓的晶闸管现象也就 不存在了 原来是这样 小孙高兴地说 接着又问 它是怎样把直流电逆变成 交流电的呢 2 2 直流电怎样变成交流电 直流电怎样变成交流电 先从简单一点的单相逆变桥说起吧 张老师又找出了一张图 如图 1 15 然后说 用 4 个 IGBT 管组成一个桥形电路 是负载 如图 a 所示 首先 L Z 让 导通 截止 这时候的电流如红色箭头所示 从电源正极 1 V 2 V 3 V 4 V P 出发 经后流经负载 又经流向电源负极 N 注意 当 1 V L Z 3 V 它流经负载时 是从 a 端流向 b 端的 我们把这种情况下的电压作为的正方 ab U 向 即为 幅值等于直流电压 其电压波形如图 b 中时间段 ab U D U 所示 1 0 t a v1 v2 导通 b v3 v4 导通 图 1 15 单相逆变桥 然后 又让 导通 截止 这时候的电流如蓝色箭头所示 从 3 V 4 V 1 V 2 V P 出发 经后流经负载 又经流向 N 当它流经负载时 3 V L Z 4 V 是从 b 端流向 a 端的 所以 为 幅值也等于直流电压 电压波 ab U D U 形如图 b 中时间段所示 12 tt 让 为一组 为另一组 并让它们不断地交替导通和截止 则 1 V 2 V 3 V 4 V 负载中流过的 便是交变电流了 a 电路结构 b 各管的导通规律 图 1 16 三相逆变桥 啊 我明白了 小孙从老张的图纸里找出了一张如图 1 16 说 这 6 个 IGBT 管就组成了三相逆变桥 如图 a 所示 只要各相之间互 差三分之一周期 t 3 就可以了 如图 b 可是 怎么实施呢 找出规律呀 张老师指着图上说 在第 1 个 t 6 内 令 1 V 6 V 导通 第 2 个 t 6 内 令 导通 以此类推就可以了 5 V 1 V 6 V 2 V 在实际的逆变模块中 为什么每个 IGBT 管旁边 都要反并联一个二极 管呢 小孙问 为什么要反并联二极管 要说清楚这个问题 需要先复习一下电工基础的知识 张老师说着 又从预备好的图纸中找出了一张电阻 电感电路图 如图 1 17 a R L 电路 b 电压电流曲线 图 1 17 电阻 电感电路 图 a 是一个 R L 电路 图 b 是电路内电压与电流的瞬时值曲线 我们知道 在 R L 电路内 电流是比电压滞后角的 时间段内 电压为 而电流为 图 b 中的 A 区 1 0 t 说明电流和电压是反方向的 如图 a 中的蓝色箭头所示 这时候的电流 是 自感电动势克服电源电压的结果 是磁场在作功 而在时间段内 电压和电流都为 图 b 中的 B 区 说明 12 tt 电流和电压是同方向的 如图 a 中的红色箭头所示 这时候的电流 是电源 电压克服自感电动势的结果 是电源在作功 就是说 R L 电路在工作过程中 存在着电源和磁场之间不断地交换能量的过程 当然 因为不是纯电感电路 所以 总的来说 B 区比 A 区大一些 电源所做的功要多一些 您是说 电动机在工作时 也要和电源交换能量 小孙似有所悟 因为电动机的定子绕组也是一个 R L 电路呀 让我们看仔细一点 张老师又拿出了一张图 如图 1 18 图 1 18 变频器的输出电路 和直流电源交换能量 尽管小孙已经肯定了这个谜底 但一想起直流 电源的电压是不变的 总觉得有点难以理解 说得更明确一点 是和直流电路里的滤波电容之间进行充 放电啊 张老师笑嘻嘻地说 您是说 电动机的定子绕组也要对滤波电容充 放电 小孙已经有点 明白了 但因为总也没有这样思考过 总觉得不大有把握似地 为什么不呢 不过在这里 要事先说明一下 变频器的输出电压里 是 有一些谐波分量的 我们这里 只看它的基波分量 当电流与电压反方向 如 图中的 A 区所示 时 实际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电 但是 IGBT 管是只能单方向导电的 所以 必须要为充电电流提供一条路径 这就是 反向二极管的作用 充电电流的路径如图中的蓝色箭头所示 当电流和电压同 方向 如图中的 B 区所示 时 则是滤波电容通过 IGBT 管向电动机绕组放电 的过程 放电电流的路径如图中的红色箭头所示 原来是这样 小孙赶紧在笔记本上记录了起来 等小孙记录完毕 张 老师说 对于变频器主电路结构的讨论 恐怕可以告一段落了 接下来要讨论的 是主电路里的运行数据了 如输出电压和电流 输入电流等等 你先回去预习 吧 2 3 小孙的笔记小孙的笔记 1 直流电逆变成交流电的基本方法 是使几个开关器件不断地按照一定的 规律交替导通的结果 2 目前在低压变频器中 普遍采用的是 IGBT 管 它的主体部分和晶体管 相同 也有集电极和发射极 而它的控制极却和绝缘栅场效应管类似 称为控 制极 3 电动机定子的等效电路是电阻电感电路 它和直流电路之间 存在着能 量交换的过程 具体地说 要对滤波电容器进行充放电 为此 在每个 IGBT 管旁边 都必须反并联二极管 为电动机绕组向滤波电容器充电提供通路 小孙学变频小孙学变频 第一讲第一讲 变频器的主电路 三 变频器的主电路 三 出场人物 张老师 退休高工 对变频器的应用及推广颇有研究 小孙 蓝天公司电气工程师 课堂风格 深入浅出 3 变频器的逆变器件变频器的逆变器件 IGBT 管管 小孙对于低压电子技术是比较熟悉的 但对于变频器用的 IGBT 管 总觉 得还了解得不大深入 这天晚上 他专门准备了一些关于 IGBT 管的问题 来 向张老师请教 3 1 IGBT 管的主要参数管的主要参数 首先 IGBT 管 C E 间的额定电压和漏电流 为什么有和 CEO U CEX U 以及和的区别 CEO I CEX I 因为事先已经通了电话 张老师已经准备好不少图纸了 只见他拿出了图 1 19 说 在变频器里 IGBT 管是用来作为开关器件的 具体地说 是利用 它的饱和导通和截止这两种状态 为了使这两种状态能够比较地可靠 在饱和 导通时 应该尽量加大 G E 间的驱动电压 而在截止时 通常在 G E 间加 入反向电压 当然 如果并非用在开关状态的话 G E 间的反向电压是没有必 要的 于是 IGBT 就有两种截止状态 G E 间不加反向电压和加入反向电压 图 1 19 a 所示是 0v 时的情况 额定电压和漏电流分别是和 GE U CEO U CEO I 图 1 19 b 所示是 5v 时的情况 额定电压和漏电流分别是和 GE U CEX U CEX I a Uge 0V b Uge 5V 图 1 19 IGBT 的额定电压和漏电流 我查了一下资料 发现 IGBT 管在饱和导通时的管压降达 3 3V 有的甚 至还要大呢 这和低压开关管的饱和压降 0 3V 比较起来 大了 10 倍还多呢 小孙说 太大了 是不是 张老师反问了一句 他拿出了两本手册 说 让 我们用数据来说话吧 接着他又在纸上画了起来 如图 1 20 所示 然后说 3DK4 是低压开关管中比较大的一种 它的额定集电极电流是 800mA 也就是 0 8A 饱和压降如你所说 是 0 3V 2MB1200N 是一种不算很大的 IGBT 管 其额定集电极电流是 200A 饱和压降是 3 3V 你来算一算这两种管 子在饱和导通时的等效电阻吧 a 开关晶体管 b IGBT 管 图 1 20 晶体管和 IGBT 的饱和压降 小孙于是在纸上演算了起来 3DK4 开关管 集电极电流 0 8A C I 饱和压降 0 3V CES U 饱和导通时的等效电阻 0 3 0 375 0 8 CES CES C U R I 2MB1200N 型 IGBT 管 集电极电流 200A C I 饱和压降 3 3V CES U 饱和导通时的等效电阻 3 3 0 0165 200 CES CES C U R I 没想到 IGBT 管在饱和导通时的等效电阻要小得多呢 小孙抬起头来 说 接着又问 IGBT 管还有哪些重要参数 作为一个开关器件 很重要的一件事情 就是它的开关速度了 具体地 说 就是开通时间和关断时间 1 秒 1000 毫秒 1 毫秒 1000 微秒 ON T OFF T 拿方才举例的 2MB1200N 型 IGBT 管来说 它的数据是 1 2us ON T 1 5us 需要注意的是 环境温度升高 或者集电极电流增大 都会使开 OFF T 通时间和关断时间有所延长 IGBT 管的功耗怎样 小孙又问 IGBT 管的功耗主要有三个部分 第一个部分叫作通态功耗 粗略地说 它就等于集电极电流与饱和压降 S P 的乘积 SCCES PI U 式中 通态损耗 W S P 集电极电流 A C I 饱和压降 V CES U 第二个部分 IGBT 管每开关一次 都会消耗一定的功率 称为开关损耗 具体地 则有开通损耗和关断损耗 它们和集电极电流以及温度之间的 ON P OFF P 关系如图 1 21 所示 由图可知 1 集电极电流越大 开关损耗越大 2 温度越高 开关损耗也越大 a 开通损耗 b 关断损耗 图 1 21 IGBT 的开关损耗 第三个部分 是和 IGBT 反并联的续流二极管的功耗 的大小与通过 D P D P 续流二极管的平均电流成正比 D I 3 2 IGBT 管的驱动电路管的驱动电路 IGBT 管的驱动电路有什么要求和特点 小孙又问 好吧 先说说对驱动电路的主要要求 首先 是对驱动电压的要求 1 正向电压 的大小 直接影响着 IGBT 的饱和压降 越大 就越小 GE U CES U GE U CES U 但在负载侧发生短路时 IGBT 承受短路电流的能力将越差 所以 并不是 GE U 越大越好 通常 选 15V 10 GE U 2 反向电压 反向电压的作用 一是缩短关断时间 二是万一在 G E 间出现干扰信号 也能保证 IGBT 处于截止状态 但太大了也会产生副作用 如不利于下一次 IGBT 管的迅速导通等 通常 选 10 5v CER U 其次 是对控制极电阻的要求 在驱动模块和 IGBT 的控制极之间 是需 要接入控制极电阻的 如图 1 22 a 所示 而的大小 将直接影响着 GE R GE R IGBT 的开通时间和关断时间 如图 1 22 b 所示 a 控制极电阻 b rge 的影响 图 1 22 控制极电阻的影响 通常 选 100 500 GE R 现在 驱动模块的品种繁多 有没有一个共同的框图 小孙接着问 有一种 exb 系列的驱动模块 其框图如图 1 23 a 所示 a exb 模块框图 b 控制电压 GE U 图 1 23 IGBT 的驱动电路 工作电源施加于 号脚和 号脚之间 号脚为 20v 号脚为 0v 在 号脚和 号脚之间 又有一个由和构成的稳压电路 稳压值为 5v 1 RDW 接到 号脚 并与 IGBT 的 E 极相接 控制信号从 脚输入 当 间有输入信号时 经放大后的 A 点处于高电位 使导通 01 V 截止 号脚的工作电压经到 号脚 并输出到 IGBT 的 G 极 使 G 极 02 V 01 V 电位为 20v 因为 E 极已经和 号脚的 5v 相接 所以 15v GE U 当 间的输入信号为 0 时 a 点变成低电位 使截止 导通 01 V 02 V 号脚经与工作电源的 0v 相接 对于 IGBT 来说 G 极为 0v E 极为 02 V 5v 5v 如图 1 23 b 所示 GE U 我曾仔细看了一下 发现六个驱动电路好象不大一样 小孙不大有把 握地问 你瞧 张老师边拿出了图 1 24 边说 下面的三个驱动电路 都和 直流的负极相接 所以 它们就可以共用一个驱动电源 可上面的三个驱动电 路呢 它们分别和 U 相 V 相和 W 相相接 要是共电源的话 岂不把输出的 三相短路了 所以上面的三个驱动电路只能单独供电 且相互之间必须可靠绝 缘 图 1 24 驱动电路的电源 驱动电路的好坏 能不能用万用表粗测 小孙问 当然可以 如图 1 25 所示 但是 在不掌握确切数据的情况下 只能 采取对六个模块的输入侧和输出侧进行比较的办法来进行判断 图 1 25 驱动电路的粗测 难道就没有办法对一块单独的驱动电路进行测试么 小孙穷追不舍地 问 办法总是有的 张老师找出了图 1 26 接着说 仍以 exb 为例 用 一个 20V 的稳压电源 接到 号脚和 号脚之间 在驱动电路的输入侧通入测 试电流 测试电流的大小应该在 4 10mA 之间 测试电流由转换开关 SA 控 H I 制 在 号脚和 号脚之间 接入电压表 以测量其输入到 IGBT 的 G E 之 间的电压 你能不能试着分析一下 图 1 26 驱动电路的测试 试试看吧 小孙点点头 把图拿到了自己身边 然后说 当把 SA 闭合时 测试电流流入输入端 A 点应该是 电位 导通 截止 H I 01 V 02 V 电压表上应该是 15V 当断开 SA 时 流入输入端的测试电流为 0A A 点应该 是 电位 截止 导通 电压表上应该是 5v 对不对 01 V 02 V 张老师满意地点了点头 3 3 IGBT 管的保护管的保护 图中的 过电流保护 是什么保护 小孙指着图 问 驱动电路里的 过电流保护 实际上主要是短路保护 一般的过电流 保护 是根据实测电流和基准电流进行比较的结果来实现保护的 图 1 27 驱动电路中的短路保护 短路保护的基本思路 是通过 IGBT 管的饱和压降的大小 来判断其集电 极电流是否太大 如图 1 27 所示 二极管用于阻隔当 IGBT 截止时 集电极 1 D 上的高电压 正常情况下 当 IGBT 导通时 S 点的采样电压等于 1 SECESD UUUU R 点是参考点 R 点的电压称为参考电压 或基准电压 略大于 IGBT S U 在额定电流下正常运行时的采样电压 所以 在正常情况下 有 SR UU 当发生短路时 IGBT 的饱和压降 uces 迅速上升 采样电压 us 也随之上升 使 SR UU 经运算放大器比较和放大 又经保护锁定电路后 将 A 点电位锁定在低电 位 迫使 IGBT 管迅速截止 小孙看了看笔记本上记录的问题 接着问 还有 IGBT 管旁边 好象还 有一个缓冲电路 是不是也是保护 IGBT 管的 是的 缓冲电路也叫吸收电路 主要是吸收 IGBT 管从饱和导通到截止 过程中的电压变化率的 如图 1 28 IGBT 管从饱和导通 图 a 到截止 图 b 的过程中 C E 间的电压在 3us 左右的时间内 从 3v 迅速地上升到 530v 电压变化率 是很高的 如图 c 所示 这样大的电压变化率 很容易通过集电极和控 du dt 制极之间的结电容 串入 控制极 导致 IGBT 管的误动作 甚至损坏 0 C IGBT 管 a 饱和导通状态 b 截止状态 c 电压变化率 图 1 28 IGBT 管在截止过程中的电压变化率 那么 怎样来吸收这么大的电压变化率呢 我们首先想到的当然是电容了 如图 1 29 a 所示 由于电容器两端的电压不能跃变 就减缓了 C E 间 01 C 的电压上升率 电容器最终充入了 530V 的高电压 但是 当 IGBT 管从截止变为饱和导通时 电容器上的高电压将通过 IGBT 管放电 可以想象 这瞬间的放电电流是非常大的 这很大的放电电流叠加到 IGBT 管的负载电流上 IGBT 管怎么能承受得了 为了把放电电流限制在允许 范围内 在放电回路内串联了限流电阻 如图 1 29 b 所示 01 R a 接入吸收电容 b 串联限流电阻 c 并联二极管 图 1 29 IGBT 管的缓冲电路 然而 这限流电阻在限制放电电流的同时 也使电容器失去了吸收电压变 化率的作用 为了使电容器仍能发挥吸收电压变化率的作用 在旁边 又并 01 R 联了一个箝位二极管 如图 1 29 c 所示 在 IGBT 管截止过程中 01 VD 01 VD 使 C E 间的电压基本上与上的电压相等 而在 IGBT 管转为饱和导通的过 01 C 程中 又不影响的限流作用 01 R 图 1 29 c 所示 是比较完整的缓冲电路 在一些容量较小的变频器中 常常有所简化 3 4 IGBT 管的并联管的并联 还有 小孙瞧着他的笔记本 继续问道 我发现在大容量变频器中 常常有几个 IGBT 管并联的情形 IGBT 管容易并联么 当然不容易 1 IGBT 管并联的基本要求 a 在饱和导通时 两管的集电极电流和饱和压降都应该相等 b 两管的开关过程应该均衡 2 具体措施 a 应选择封装结构相同的 IGBT 管 最好是同一批次的管子 b 应该共用一个驱动电路 其接线如图 1 30 所示 图 1 30 IGBT 管的并联 c 安装和接线的布局力求对称 d 并联后的额定电流应适当降低 一般应降低 15 20 例如 两个 100a 的 IGBT 管并联后的额定电流大约为 160 170a 左右 小孙学变频小孙学变频 第一讲第一讲 变频器的主电路 四 变频器的主电路 四 出场人物 张老师 退休高工 对变频器的应用及推广颇有研究 小孙 蓝天公司电气工程师 课堂风格 深入浅出 4 变频器的输出电压变频器的输出电压 小孙又到张老师家里 就迫不及待地拿出一张单子 打算开始提问了 慢 张老师见状 做了个等一等的手势 然后说 我先问你 变频器在变频的同时 为什么还要变压 要保持电动机里的磁通不变 小孙因为已经预习过了 所以回答得很 痛快 如果电压不随频率改变的话 磁通为什么就要变化了呢 张老师又问 4 1 变频还须变压变频还须变压 这个么 小孙有点抓耳挠腮了 他这几天翻了一些书 好象是要用公 式推导的 三言两语说不大清楚 于是说 好象知道一点 但不是很清楚 还是请老师讲一讲吧 我们先看一看异步电动机的能量关系吧 张老师又拿出了一张图 如 图 1 31 图 1 31 异步电动机的能量关系 接着说 电动机输入的是三相电功率 计算公式是 1 K M GearMM P P 1 式中 电动机的输入功率 kW 1 P 电源线电压 V L U 电动机定子侧的线电流 A L I 电动机定子侧的功率因数 1 cos 式 1 1 表明 电动机输入电功率的大小和频率并无直接关系 另一方面 电动机输出的是机械功率 计算公式是 1 33 0max 1 10 10 3 6 K MM P 2 式中 电动机轴上的输出功率 kW 2 P 电动机的电磁转矩 N m M T 电动机的转速 r min M n 式中的 9550 是单位换算的系数 就是说 当转矩的单位用 N m 转 速的单位用 r min 时 则除以 9550 后 算出的功率单位就是 kW 了 很明显 输出功率的大小是和频率有关系的 因为频率下降了 转速也跟 着下降 如果负载转矩不变的话 输出功率也必下降 电动机从输入电能 到输出机械能 中间是怎样转换的呢 原来 转子绕 组因为切割了旋转磁场的磁力线而产生感应电流 所产生的电流又和磁场相互 作用而产生电磁转矩 使转子旋转 显然 中间起能量的传递和转换作用的是 磁场能 其功率称为电磁功率 用表示 而电磁功率的具体体现就是磁通的 M P 大小 现在来看看频率减小后的情形 当频率下降时 电动机的转速必跟着下降 如上述 电动机的输入功率并无直接影响 但输出功率却减小了 其结果 必 然是电磁功率的增加 就好象一个人吃得挺多 却不大活动 消耗得少 于是 肚子就大了起来 人们常戏称之为 中部崛起 但人的 中部崛起 主要 是体型难看一点 还不至于马上就死 电动机的 中部崛起 是内在的 体 型 并无变化 它不会发胖 然而 它却要冒烟了 活不成了 磁通多了也会发热吗 我只知道电流大了要发热 小孙问 你说得对 发热的主要因素是电流 虽然磁通多了 涡流损失和磁滞损 失也会增加 但到不了冒烟的程度 问题在于 磁通的大小将影响到励磁电流 张老师一边说 一边拿出了图 1 32 a 磁化曲线 b 磁路未饱和时 c 磁路饱和时 图 1 32 磁化曲线与励磁电流 电动机磁路里的磁通和励磁电流之间的关系 服从磁化曲线的规律 如 图 a 所示 其特点是 在起始阶段 磁通大小和励磁电流是呈线性关系变化 的 如曲线 之 OA 段 但铁心里的磁通大到一定程度后 磁路要饱和 就是 说 励磁电流再增加 磁通就增加得缓慢了 如曲线 之 AB 段 励磁电流如 果继续增加 磁通几乎不再增加了 这叫做深度饱和 如曲线 之 B 点以后 当线圈中通入交变电流时 磁通和电流的波形如图 b 和图 c 所示 图 b 是磁化曲线处于线性段的情形 其特点是 要得到曲线 所示的磁通 只需要很小的励磁电流 如曲线 所示 就可以了 图 c 是磁路饱和后的 情形 其特点是 磁通增加得不多 如曲线 所示 但所需的励磁电流却很大 并且 励磁电流的波形发生了畸变 产生了尖峰电流 如曲线 所示 a 占空比较大 b 占空比较小 c 正弦脉宽调制 图 1 33 脉宽调制 啊 我明白了 电磁功率 中部崛起 的结果 是磁路饱和 励磁电流 大幅增加 并且发生畸变 所以绕组要冒烟 归根结底 还是电流大了导致绕 组发热的 小孙对于自己这一段小结 颇有点得意的感觉 张老师微笑着点了点头 接着问 那怎样 减肥 呢 小孙本来想回答 减小电压呗 却被老张那风趣的问话弄得不知所措了 只好耸了耸肩 意思是还是请老师讲吧 只听张老师说 现代医学证明 减肥的有效方法是节制饮食 就是说 要少吃一点 那 么 看看电动机的输入功率吧 输入功率的主要因素是电压和电流 电流是不 能减小的 因为电流要用来产生电磁转矩的 电磁转矩小了 是带不动负载的 所以 少吃 一点的唯一方法 就是降低电压了 真有意思 小孙听得入神了 当然这是定性的 形象化的说法 张老师接着拿出一张白纸来 看样 子是要写字了 电动机里 直接反映磁通大小的 是定子绕组的反电动势 它的计算 1 e 公式是 1 11 1112 2122 2 iny S oy GsGsisds Y GsGs sds 3 式中 定子每相的反电动势 V 1 e 绕组系统 e k 定子每相绕组的匝数 1 n 电流的频率 Hz f 定子每个磁极下的基波磁通 wb 1 常数 e k 1 4 44 ee kk n 瞧 反电动势和频率与磁通的乘积成正比 稍为变换一下 1 1212 1212 AByyinin ininyy sds Vds VDsDs 4 式中 常数 k 式 1 4 告诉我们 如果能够保持反电动势与频率之比不变 那么 1 ef 磁通大小也就保持不变了 但是 反电动势是定子绕组切割自己产生的旋转磁场的结果 无法人为地 控制其大小 考虑到定子绕组的电动势平衡方程是 1 1 1 1 1 LdCf LdCf oAB LdCf f LdCf RRCs RRCs ss RRCs Ls RRCs 5 式中 施加于定子每相绕组的电源相电压 V 1 u 定子每相绕组的阻抗压降 V 1 u 式 1 5 中 阻抗压降在电压中所占比例很小 如果把忽略不 1 u 1 u 1 u 计 则有 11 ue 代入式 1 4 得 1 11 1 inyLf oy isIdsisD 6 所以 改变频率的同时 也要改变电压 但要注意 式 1 6 只是一种近 似的替代方法 并不能真正保持磁通不变 4 2 变频器的变压手段变频器的变压手段 下面的问题是怎样实现变频的同时也变压 张老师捧起了茶杯 眼睛瞧 着小孙 仿佛说 你对这个问题了解到什么程度呢 这个问题我大概能够说清楚 小孙大着胆子说 接着 从张老师的一 堆图画里 找出了一张图 1 33 仔细地看了一会儿 然后说 把变频器的输出电压分成许多个小脉冲 并假设每半个周期中 小脉冲 的个数是一定的 那么 当这些小脉冲之间的间隔很小时 总的周期较小 而 脉冲的占空比则较大 半个周期中的平均电压也较大 如图 a 所示 反之 当这些小脉冲之间的间隔较大时 总的周期就增大了 而脉冲的占空比则变小 了 平均电压也降低了 如图 b 所示 占空比的定义么 是 1 1 1 CfLd Lfo CfLd RCsR iss RCsR 7 式中 脉冲的占空比 脉冲的宽度 s p t 脉冲的周