小孙学变频-变频器主电路.doc

小孙学变频第一讲 变频器的主电路/bpq/article/2009-11-30/9444-1.htm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“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，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，电源电压的允许上限误差是，即，全波整流后的峰值电压是。此外，变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达（700800）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，只能用两组电容器串联来解决。”张老师回答说。1.2 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，好像只有左右，它们能起到均压作用吗？”小孙显露出一副疑惑的神情。“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；的充电回路由和构成。和的电阻值是相等的：如果两个电容器组的电容量有差异，假设：则两个电容器组上的电压分配必不相等：而两个电容器的充电电流分别是：很明显：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。结果是和趋向于均衡：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。”“电阻么，好象是30，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来：“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15。（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。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，即使电源电压等于振幅值，最大的冲击电流是多大呢？”“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：“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：“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：“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）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以及滤波电容器的电容量有关的。比较图（a）和图（b）知：大，则电流的初始值较小，但电流的持续时间长。比较图（b）和图（c）知：大，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？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，作为负载，如图19。（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110中和所示，是为什么？”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。1.4 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。小孙学变频第一讲 变频器的主电路（二）/article/2009-11-28/9392-1.htm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“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112。（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。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和源极之间的电压，故称为电压控制器件。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。”“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？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。首先让、导通，、截止。这时候的电流如红色箭头所示：从电源正极P（）出发，经后流经负载，又经流向电源负极N（）。注意：当它流经负载时，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向，即为，幅值等于直流电压，其电压波形如图（b）中时间段所示。（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P（）出发，经后流经负载，又经流向N（）。当它流经负载时，是从b端流向a端的。所以，为，幅值也等于直流电压，电压波形如图（b）中时间段所示。让、为一组，、为另一组，并让它们不断地交替导通和截止，则负载中流过的，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（t3）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t6内，令、导通、第2个t6内，令、导通、，以此类推就可以了。”“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），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。小孙学变频第一讲 变频器的主电路（三）/article/2009-11-27/9339-1.htm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-IGBT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“首先，IGBT管C、E间的额定电压和漏电流，为什么有和，以及和的区别？”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；图1-19（b）所示是5v时的情况，额定电压和漏电流分别是和。”（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；饱和压降：0.3V。饱和导通时的等效电阻：2MB1200N型IGBT管：集电极电流：200A；饱和压降：3.3V。饱和导通时的等效电阻：“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 拿方才举例的2MB1200N型IGBT管来说，它的数据是：1.2us，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的乘积：式中，通态损耗，W；集电极电流，A；饱和压降，V。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。的大小与通过续流二极管的平均电流成正比。”3.2 IGBT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。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，并不是越大越好。通常，选15V10%。（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105v。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100500。”“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，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，截止，号脚的工作电压经到号脚，并输出到IGBT的G极，使G极电位为20v。因为E极已经和号脚的5v相接，所以，15v。当间的输入信号为0时，a点变成低电位，使截止，导通，号脚经与工作电源的0v相接，对于IGBT来说，G极为0v，E极为5v，5v。如图1-23（b）所示。”“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125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410mA之间，测试电流由转换开关SA控制。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，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？”张老师满意地点了点头。3.3 IGBT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，集电极上的高电压。正常情况下，当IGBT导通时，S点的采样电压等于：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：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：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。（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，又并联了一个箝位二极管，如图129（c）所示。在IGBT管截止过程中，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程中，又不影响的限流作用。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“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1520%。例如，两个100a的IGBT管并联后的额定电流大约为160170a左右。”小孙学变频第一讲 变频器的主电路（四）/article/2009-11-26/9298-1.htm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“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：（1-1）式中， 电动机的输入功率，kW；电源线电压，V；电动机定子侧的线电流，A；电动机定子侧的功率因数。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：（1-2）式中， 电动机轴上的输出功率，kW；电动机的电磁转矩，Nm；电动机的转速，r/min。式中的“9550”是单位换算的系数。就是说，当转矩的单位用Nm，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，它的计算公式是：（1-3）式中， 定子每相的反电动势，V；绕组系统；定子每相绕组的匝数；电流的频率，Hz；定子每个磁极下的基波磁通，wb；常数，。瞧，反电动势和频率与磁通的乘积成正比。稍为变换一下：（1-4）式中，常数。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，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：（1-5）式中， 施加于定子每相绕组的电源相电压，V；定子每相绕组的阻抗压降，V。式（1-5）中，阻抗压降在电压中所占比例很小，如果把忽略不计，则有：代入式（1-4），得：（1-6）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：（1-7）式中，脉冲的占空比；脉冲的宽度，s；脉冲的周期，s。变频器实际输出的脉冲不是等宽的，而是使脉冲的占空比按正弦规律分布，叫作正弦脉宽调制，如图（c）那样，代号是SPWM。至于这正弦脉宽调制波形的产生么，好象是求正弦波和三角波的交点得到的。”小孙用了“好象”两个字，意思是，我不大清楚了，请老师说吧。“我们先从比较容易看明白的单极性调制说起吧。”张老师说着，找出LE图1-34。（a）频率较高时（b）频率较低时图1-34 SPWM脉冲序列的产生“总的来说，SPWM脉冲序列，是通过求正弦波和三角波的交点得到的，如图所示。三角波称为载波，正弦波称为调制波。所谓单极性，是指在半个周期内，正弦波和三角波的极性是不变的。调节频率和电压时，三角波的频率和振幅基本不变，只改变正弦波的频率和振幅。图（a）所示，是频率较高时的情形，图（b）所示，是频率较低时的情形。现在的变频器里，单极性调制基本不用。实际用的是双极性调制方式，如图1-35所示。（a）载波与调制波（b）相电压（c）线电压图1-35 双极性调制所谓双极性调制，是指正弦波和三角波都是双极性的，如图（a）所示。双极性调制得到的相电压脉冲序列如图（b）所示，很难看出它的变化规律来。但是，当把它们合成为线电压时，其脉冲序列就和单极性调制的波形一样了，如图（c）的所示。双极性调制的工作特点是，同一桥臂的上下两个逆变管总是交替导通的。就是说，每相脉冲序列的正半周作为管的驱动信号，则其负半周经反相后作为管的驱动信号，如图1-36所示。