变频器的内部结构

浅析交-直-交电压型逆变器的内部结构摘要：本文主要介绍了正交电压型逆变器的整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元的主要形式，以及主要的一些控制方法和PWM技术在逆变器中的应用。关键词：交叉-直线-交叉电压型逆变器IGBT栅极驱动电流检测霍尔传感器矢量控制PMW0、引言交流变频技术的发展至今已有几十年的历史。 由于低压变频器组成的交流调速系统在技术上不断创新，系统在性能上不断完善，在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到广泛应用。 交-正交电压型逆变器是目前市场上低压逆变器的主要形式，简要分析了该逆变器的内部结构。1 .电路结构框图正交交流电压型逆变器主要由整流单元(交流直流)、滤波单元、逆变器单元(直流交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分构成.图1逆变器电路结构框图3 .各单元的电路及原理3.1整流单元整流单元用于电网的三相交流为直流。 可分为可控整流和不可控整流两类。 控制整流具有输出电压含有大量高次谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大容量调压惯性相当慢等缺点，随着PMW技术的出现，控制整流被正交逆变器淘汰。 不可控整流是当前正交逆变器的主流形式，有两种结构形式，由六个整流二极管或六个晶闸管构成三相整流桥。由图26个二极管构成的三相桥式整流电路是由6个二极管构成的三相桥式整流电路，在交流侧具有控制主电路的导通截止的接触器。由图36个晶闸管构成的三相桥式整流电路在由6个晶闸管构成的三相桥式整流电路中，晶闸管仅通过控制导通截止而不控制直流电压的大小。3.2过滤单元滤波器单元主要采用大容量滤波器，直流电压波形比较平坦，理想的是内阻为零的恒压源，输出交流电压为矩形波或阶梯波，是电压型逆变器的主要特征之一。3.3逆变器单元由IGBT模块构成由图IGBT模块构成的逆变器单元和实物IGBT模块内置反向并联二极管，反馈电机制动运行时产生的能量在图4 IGBT模块中内置有反并联二极管3.4制动单元制动单元由IGBT和能量电阻构成。 当电动机从电动状态转移到制动运转时，电动机进入发电状态，其能量通过逆变器电路的反馈二极管流入直流中间电路，使直流电压上升而产生过电压，该过电压称为泵送电压。 为了限制泵的升压电压，在直流侧电容器上并联连接了由功率晶体管和能量电阻构成的泵升压电压限制电路。 泵的升压电压超过一定值时，打开IGBT，将电机反馈的能量消耗到电阻上。3.5驱动单元驱动单元按照控制单元的指令驱动IGBT。 IGBT栅极驱动电路有各种形式。 所述驱动电路元件的配置可以分为包括所述单独元件的驱动电路和集成驱动电路。图5 IGBT驱动电路上图为由光电耦合器、晶体管等个别部件构成的IGBT驱动电路。 当输入控制信号时，导通光耦合器VLC，晶体管V2截止，V3导通，并输出15V的驱动电压。 输入控制信号为零时，VLC为off，V2、V4为on，输出-10V的电压。IGBT的集成门驱动器种类繁多，几乎所有生产IGBT模块的公司都发布了自己的辅助驱动器。图7是由图6集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图该图示出由集成电路TLP250配置的驱动器和TLP250。 TLP250的光耦合隔离电压达到2500V，上升和下降时间均不足0.5s，输出电流达到0.5A，能够直接驱动50A/1200V以内的IGBT。 施加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。 由TLP250构成的驱动器小型、廉价，在无过电流保护的IGBT驱动器中是理想的下图是由EXB8.Series集成芯片构成的驱动电路，EXB8.Series集成芯片是将IGBT专用的集成驱动、保护等功能一体化的复合集成电路。 广泛应用于变频器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。图7 exb8.由series集成芯片构成的驱动电路3.6检测单元从某种意义上说，控制系统反馈量的检测的正确性较大地决定了控制系统可以实现的控制质量。 检测电路是变频调速系统的重要组成部分，相当于系统的“眼睛和触觉”。 合理的检测和保护电路设计与系统运行的可靠性和控制精度直接相关。3.6.1电流检测方法电流信号检测的结果可用于变频器的转矩和电流控制、过电流保护信号。 电流信号的检测主要有以下方法。(1)直接串联采样电阻法该方法适用于简单、可靠、无畸变、速度快、损耗大、不隔离、不需要仅隔离小电流的情况，多用于仅kVA的小容量逆变器。(2)电流互感器法该方法损耗小，与主电路隔离，易用性好，灵活廉价，但线性低，工作频带窄(主要用于测量工频)，具有一定的延迟，常用于高压大电流的情况。2010年01月28日作者：杨喆田志明源： 中国电源博览第107期编辑：李远芳图8变流器在上图中，r为采样电阻，采样信号为：Us=I2R=I1R/M式中，m为变压器绕组匝数。(3)霍尔传感器法具有精度高、线性好、频带带宽、响应快、过载能力强、无损测量电路能量等优点。 其原理如下图所示。图9霍尔传感器电路图在上图中，Ip是被测定电流，磁场平衡测定方式中精度高，如果LEM的变流比为1:M，则取得电压Us也相当于Us=IpR/M。 在通用变频器中，霍尔传感器是电流检测的主力。3.6.2电压检测方法电压信号检测的结果可用于变频器输出转矩和电压控制、过电压、欠电压保护信号。 电压信号的检测可以通过电阻分压、线性光耦合、变压器和霍尔传感器等方法进行。(1)电阻分压法：在电阻网络中对高电压进行分压，得到比例缩小的低电压。 该方法虽然容易使用，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，无法实现隔离，因此需要插入隔离放大器作为模拟反馈量进行A/D转换。 该方法适用于低压系统。(2)变流器方法：与变流器类似，只要检测交流电压，就能适用于高压系统。(3)霍尔电压传感器方法：的原理与霍尔电流传感器相似，如下图所示。图10霍尔电压传感器(4)线性光耦合法：霍尔电压传感器具有反应速度和精度高的特征，但是在小功率的逆变器中采用霍尔传感器的成本高，采用高性能的光耦合可以降低成本。 HP公司制造的线性光耦合器HCNR200/201等具有高线性和灵敏度，可以正确地传输电压信号。 图11是在HCNR200/201处测量电压的实际电路，其中，光耦合器实际上用作直流变压器。图用HCNR200/201测量电压的实际电路在上述图中，原稿边传送采用单电源供给用的LM2904，副边传送采用精密传送OP07。 测量直流高压时，首先采用电阻分压降压，得到未被隔离的低压直流信号，经过线性光耦合隔离，变换为与其成比例的直流电压，发送给A/D变换测量。 此外，利用光耦合器的线性和分离功能，可以与串联分流器直接耦合以测量电流。线性光耦合法是测量逆变器交流输出电压的简单有效的方法。 高速数字光耦合器6n136、6n137、HCPL3120、PC900V等具有体积小、寿命长、抗噪性强、隔离电压高、高速、兼容于TTL电平等优点，应用于数据信号处理和信号传输非常宽，用于检测逆变器的交流输出电压下图显示了通过简单实用的线性光耦合检测变频器输出电压的电路。图12是使用光电耦合器6N137和电阻降压电路收集逆变器图利用光耦合器6N137和电阻降压电路，逆变器u、v、w三相输出收集直流链路负极n的电压信号，三相信号均为单极性SPWM电压脉冲，易于与单向光耦合匹配。 当对单极性SPWM脉冲电压进行小容量滤波时，成为如下图所示的比较平滑的正弦半波信号。图13单极性SPWM脉冲电压被小容量滤波前后电压它可以反映逆变器交流电压(半波)的瞬时值，向适当的CPU或ASIC进行处理，根据需要得到电压的瞬时值，也可以计算电压的有效值。 日本三垦公司研究的电压矢量控制逆变器利用该电路完成交流输出电压的测量，控制效果良好。4 .控制单元现代变频调速基本以16位、32位单片机或DSP为控制核心，实现全数字控制。4.1变频器中常用的控制方式交流变频器使用的非智能控制方式有V/f协调控制、滑差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。(1) V/f控制V/f控制是基于为了得到理想的转矩-速度特性，改变电源频率进行调速，同时保持电动机的磁通一定的思想而提出的，通用型逆变器基本采用该控制方式。图14 V/f控制逆变器的结构V/f控制变频器的结构非常简单，但该变频器采用开环控制方式，因此无法实现高控制性能，另外，低频时需要进行转矩补偿，改变低频转矩特性。(2)滑动频率控制滑差频率控制是直接控制转矩的控制方式，根据V/f控制知道与异步电动机的实际转速对应的电源频率，根据求出的转矩调节逆变器的输出频率，由此能够具有与电动机对应的输出转矩。 该控制方式是在控制系统中设置速度传感器，根据情况加上电流反馈来控制频率和电流，因此使逆变器具有稳定性，并具有快速加减速和负载变动的响应特性的闭环控制方式。图15滑差频率控制(3)矢量控制矢量控制通过矢量坐标电路控制电动机的定子电流的大小和相位，分别控制电动机在d、q、0坐标系中的励磁电流和转矩电流，达到控制电动机转矩的目的。现在逆变器中实用的矢量控制方式主要有基于滑差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。图16基于滑差频率的矢量控制方式基于滑动频率的矢量控制方式和滑动频率控制方式两者的稳定特性一致，但是基于滑动频率的矢量控制为了消除转矩电流转移中的波动，经过坐标变换来控制电动机定子电流的相位。 因此，基于滑差频率的矢量控制方式与滑差频率控制方式相比，输出特性得到了较大的改善。 然而，该控制方式是闭环控制方式，需要在电动机上安装加速度传感器，因此适用范围受到限制。图17无速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制通过坐标变换处理分别控制励磁电流和转矩电流，然后通过控制电机的定子绕组的电压、电流来确定转速，达到控制励磁电流和转矩电流的目的。 该控制方式调速范围宽，启动扭矩大，工作可靠，操作方便，但计算复杂，一般需要专用处理器进行计算，因此实时性不太理想，控制精度受计算精度的影响。4.2脉冲宽度调制(PWM )控制脉冲宽度调制技术。通过控制逆变器中的IGBT的接通或关断，在其输出端获得一系列宽度不同的矩形脉冲波形，来确定所述切换装置的操作次序和时间分配规则的控制方法被称为脉冲宽度调制方法。 改变矩形脉冲宽度可以控制逆变器单元的交流基波电压的振幅，改变调制周期可以控制其输出频率，因此逆变器单元可以同时控制输出电压的振幅和频率，满足逆变器速度对电压和频率协调控制的要求。 PWM技术简化了变频器的结构，提高了电网功率因数，加快了系统的动态响应，使负载电机能够在接近正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，扩大了系统的调速范围，提高了系统的性能。图19正弦波电压的脉冲宽度调制示意图如上图所示，当正弦半波形被n等分时，正弦半波可以看作是由n个连续脉冲构成的波形。 所述脉冲宽度相等且全部等于/N，但振幅不相等，脉冲的顶部为曲线而非水平直线，且每一脉冲的振幅随正弦规律而变化。 当把所述脉冲序列变换为具有相同数目的等宽度的不等宽度的矩形脉冲序列且重叠对应于所述矩形脉冲的中点的正弦等分的中点且等同于对应于所述矩形脉冲的正弦部分的面积时，获得如上所述的脉冲序列。 这是PWM波形。 这种与脉冲宽度按正弦规律变化的正弦波等价的PWM波形也称为SPWM波形。图20三相PWM波形SPWM的控制是根据三角波载波和正弦调制波的交点来决定逆变器功率开关元件的开关定时的控制，在模拟点通过电路、数字电子电路、专用的大规模集成电路芯片等硬件来实现，或者通过微机通过软件来生成SPWM波形应用SPWM技术时，多采用振荡器、比较器等模拟电路，使用元件多，因此控制电路复杂，难以保证控制精度。 在微电子技术快速发展的今天，日益采用以自我为基础的数字控制方案，提出了多种SPWM波形的软件生成方法。当前，微处理器生成SPWM驱动信号通常有查找表和实时计算这两种方法，查找表法通过将三角载波与正弦调制波进行比较来确定开