小孙学变频(1-6讲全本)

1、小孙学变频一变频器的主电路（一）张燕宾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

2、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？”图11交直交变频器框图“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11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380v、50hz，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

3、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”。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。”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。 “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

4、滤波电路，如图12。然后说：图12整流和滤波电路（a）低压整流滤波电路（b）变频器整流滤波电路“瞧，形滤波在电路里要串联一个电感l或电阻r的。不管串联什么，它总要产生一个电压降u，使后面的电压ud2比前面的电压ud1小一点。这在低压电路里是没有关系的，如果觉得ud2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，稍为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50hz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5

5、0hz时就达不到380v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。”“好象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380v全波整流后的峰值电压是537v。按照国家规定，电源电压的允许上限误差是10%，即418v，全波整流后的峰值电压是591v。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1000v呢。所以，只能用两组电容器串联来解决。”张老师回答说。“还有，我曾打开变

6、频器看过。每个电容器旁边，都并联一个电阻，好象叫均压电阻。可它们的电阻值很大，约为几十k，而瓦数却不大，好象只有10w左右，它们能起到均压作用吗？”小孙显露出一副疑惑的神情。均压电阻的学问图13滤波电容的均压电路“那就让我们来看看吧。”张老师随手又画了一个图，如图13。接着说：“图中，电容器c1的充电回路由c1和rc2构成；c2的充电回路由c2和rc1构成。rc1和rc2的电阻值是相等的：rc1rc2如果两个电容器组的电容量有差异，假设：c1c2则两个电容器组上的电压分配必不相等：uc1uc2而两个电容器的充电电流分别是：ir1；ir2很明显：ir1ir2这样，电容器c2上要多充一些电，uc2

7、就得到了提高。结果是uc1和uc2趋向于均衡：uc1uc2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300v算。”“电阻么，好象是30 k，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来：p3w“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。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？”限流电阻的作用图14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

8、了个整流滤波电路，如图14，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。图15高、低压整流电路的区别（a）低压整流电路（b）高压整流电路（c）限流电路第二个问题，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。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

9、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rl。至于它的原理，你该是明白的吧？”“我来试试看吧，”

10、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”，于是他耐性地等着小孙的下文。“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。图16限流电路里的电流“我们通过具体例子来说明。”张老师一边说，一边画出了图16。然后说：“我们分开来说吧。先看限

11、流电阻rl。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rl50，那么，即使电源电压等于振幅值ulm1.41380537v，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5000f，充电时间有多长呢？”小孙很快算了起来：trlc505000250000s250ms0.25s“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0.75 s到1

12、.25 s之间，笼统一点说，是1 s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rl中通电流的时间很短，只有1 s，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

13、呢？”张老师看着小孙，问。小孙会意，马上在纸上算了起来：id25a“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：id222a“应该选额定电流为80a的接触器。”小孙肯定地说。“所以，

14、你刚才提的问题不就解决了吗。”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。图17限流电阻的充电电流（a）rl80、cf1000f（b）rl40、cf1000f（c）rl40、cf2000f“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17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ir是和限流电阻的阻值rl以及滤波电容器的电容量cf有关的。比较图（a）

15、和图（b）知，rl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：cf大，电流的持续时间将延长。所以，严格地说，rl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rl的阻值和容量也并无明确的规定。一般说来，如选rl50，pr50w是不会有问题的。图18长期存放电容器的复原第二种可能，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

16、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18所示。它的漏电流就会降下去，也就可以正常使用了。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

17、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。图19旁路器件的动作检查（a）原理图（b）外部接线图“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ud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pv1，同时在滤波电容两端也接一个电压表pv2，再将两个串联的灯泡也接到滤波电容的两

18、端，作为负载，如图19。通电后，如果pv2显示ud已经足够大，但pv1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。图110抗干扰电容“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0.33f的小电容，如图110中和c0所示，那是为什么？”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c0就是用来吸收干扰电压的。主控板上的电源指示灯图111直流指示“还有

19、，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111。 “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，想要看看里面的另、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。

20、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

21、就该讨论逆变电路了，你回去先预习一下吧。”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。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

22、到模模糊糊地。首先，对逆变用的igbt管就不大熟悉。”小孙说。图112igbt管的构成（a）晶体管（b）场效应管（c）igbtigbt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。“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ic的大小取决于基极电流ib，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id的大小取决于栅极和源极之间的电压ugs

23、，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ic的大小取决于控制极与发射极之间的电压uge。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。图113igbt管的工作状态（a）饱和导通状态（b）截止状态“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ibgt管是作为开

24、关用的吧？”小孙问。“是的。”张老师又找出了一张图，如图113。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，怎么觉得它有点象晶闸管呢？”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。图114igbt管的粗测（a）ge接电池（b）拿掉电池（c）接入电阻“哦？你是怎么量的？”张老师颇感兴趣地问。“您瞧，”小孙一边画了个图114，一边演示起来。“当电池的端接g极

25、，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10k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？”直流电怎样变成交流

26、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115，然后说：“用4个igbt管组成一个桥形电路，zl是负载，如图（a）所示。首先让v1、v2导通，v3、v4截止。这时候的电流如红色箭头所示：从电源正极p（）出发，经v1后流经负载zl，又经v3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uab的正方向，即uab为，幅值等于直流电压ud，其电压波形如图（b）中时间段0t1所示。图115单相逆变桥（a）v1、x2导通（b）v3、v4导通然后，又让v3、v4导通，v1、v2截止。这时候的电流如蓝色箭头所示：从p（）出发，经v3后流经负载

27、zl，又经v4流向n（）。当它流经负载时，是从b端流向a端的。所以， uab为，幅值也等于直流电压ud，电压波形如图（b）中时间段t1t2所示。让v1、v2为一组，v3、v4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。”“啊，我明白了。”小孙从老张的图纸里找出了一张如图116。说：图116三相逆变桥（a）电路结构（b）各管的导通规律“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v1、v6、v5导通、第2个t6内，令v1、v6、v

28、2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117。图117电阻、电感电路（a）r、l电路（b）电压电流曲线“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。0t1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

29、t1t2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，电源所作的功要多一些。”“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118。图118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

30、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

31、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。”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

32、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。一变频器的主电路（二）（2）张燕宾3变频器的逆变器件igbt管图119igbt的额定电压和漏电流（a）uge0v （b）uge5v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。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uceo和ucex，以及iceo和icex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119 ，说：

33、“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119（a）所示是uge0v时的情况，额定电压和漏电流分别是uceo和iceo；图（b）所示是uge5v时的情况，额定电压和漏电流分别是ucex和icex。”图120晶体管和igbt的饱和压降（a）开关晶体管（b）igbt管“我查了一下资料，发现igbt管在

34、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120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。”小孙于是在纸上演算了起来：3dk4开关管：集电极电流：ic0.8a；饱和压降：uces0.3

35、v。饱和导通时的等效电阻：rces0.3752mb1200n型igbt管：集电极电流：ic200a；饱和压降：uces3.3v。饱和导通时的等效电阻：rces0.0165“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ton和关断时间toff。拿方才举例的2mb1200n型igbt管来说，它的数据是：ton1.2s，toff1.5s。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

36、问。“igbt管的功耗主要有三个部分：第一个部分叫作通态功耗ps，粗略地说，它就等于集电极电流与饱和压降的乘积：psicuces式中，ps通态损耗，w；ic集电极电流，a；uces饱和压降，v。图121igbt的开关损耗（a）开通损耗（b）关断损耗第二个部分，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pon和关断损耗poff，它们和集电极电流以及温度之间的关系如图121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。第三个部分，是和igbt反并联的续流二极管的功耗pd。pd的大小与通过续流二极管的平均电流id成正比。”igb

37、t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：图122控制极电阻的影响（a）控制极电阻（b）rge的影响（1）正向电压uge的大小，直接影响着igbt的饱和压降uces，uge越大，uces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，uge并不是越大越好。通常，选uge15v10%。（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uger105v。其次，是对

38、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rge的，如图122（a）所示。而rge的大小，将直接影响着igbt的开通时间和关断时间，如图（b）所示。图123igbt的驱动电路（a）exb模块框图（b）控制电压uge通常，选rge100500。”“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123（a）所示。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r1和dw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

39、点处于高电位，使v01导通，v02截止，号脚的工作电压经v01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，uge15v。图124驱动电路的电源当间的输入信号为0时，a点变成低电位，使v01截止，v02导通，号脚经v02与工作电源的0v相接，对于igbt来说，g极为0v，e极为5v，uge5v。如图（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。图125驱动电路的粗测“你瞧，”张老师边拿出了图124，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

40、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。”“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126驱动电路的测试“难道就没有办法对一块单独的驱动电路进行测试么？”小孙穷追不捨地问。“办法总是有的，”张老师找出了图126，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ih，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

41、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？”“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ih流入输入端，a点应该是电位，v01导通，v02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，v01截止，v02导通，电压表上应该是5v。对不对？”张老师满意地点了点头。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127驱动电路中的短路保护短路保

42、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127所示，二极管d1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：usueucesud1r点是参考点，r点的电压称为参考电压，或基准电压ur，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：usur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：usur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

43、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。图128igbt管在截止过程中的电压变化率（a）饱和导通状态（b）截止状态（c）电压变化率如图128，igbt管从饱和导通（图（a）到截止（图（b）的过程中，ce间的电压在3s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c0窜入控制极，导致igbt管的误动作，甚至损坏igbt管。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129（a）所示。由于电容

44、器c01两端的电压不能跃变，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。图129igbt管的缓冲电路（a）接入吸收电容（b）串联限流电阻（c）并联二极管可以想象，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r01，如图（b）所示。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r01旁边，又并联了一个箝位二极管vd

45、01，如图（c）所示。vd01在igbt管截止过程中，使c、e间的电压基本上与c01上的电压相等；而在igbt管转为饱和导通的过程中，又不影响r01的限流作用。图（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。”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？”图130igbt管的并联“当然不容易。1igbt管并联的基本要求（1）在饱和导通时，两管的集电极电流和饱和压降都应该相等。（2）两管的开关过程应该均衡。2具体措施（1）应选择封装结构相同的igbt管，最好是同一批次的管子。（

46、2）应该共用一个驱动电路，其接线如图130所示。（3）安装和接线的布局力求对称。（4）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。”小孙的笔记1igbt管的额定电压和漏电流中，下标带“ceo”者（uceo、iceo）是g、e间电压为0v时的数据；下标带“cex”者（ucex、icex）是g、e间接负电压（如uge5v）时的数据。2igbt管的饱和压降uces看起来数值挺大（如3.3v），但因为其集电极电流很大，实际上等效电阻是很小的。3作为开关器件，igbt管的开通时间ton和关断时间toff是两个十分重要的数据，和

47、这两个数据有关的因素有：（1）温度：温度越高，开通时间ton和关断时间toff越长。（2）集电极电流：ic越大，开通时间ton和关断时间toff也越长。（3）控制极电阻:rg越大，开通时间ton和关断时间toff也越长。4igbt管在导通时的正向驱动电压的范围是1215v；截止时的反向驱动电压的范围是105v。5驱动模块中的过电流保护，实际上主要是短路保护。保护的依据是igbt管饱和压降的大小。短路时，uces将上升较快。6缓冲电路主要是为了吸收igbt管从饱和导通到截止过程中，过大的电压变化率而设置的。7igbt管在并联时，必须使两个管子的负荷分配以及它们的过渡过程都比较均衡。4变频器的输出

48、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？”“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。变频还须变压图131异步电动机的能量关系“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131。接着说：“电动机输入的是三相电功率

49、，计算公式是：p1ulilcos1（11）式中，p1电动机的输入功率，kw；ul电源线电压，v；il电动机定子侧的线电流，a；cos1电动机定子侧的功率因数。式（11）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：p2（12）式中，p2电动机轴上的输出功率，kw；tm电动机的电磁转矩，nm；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

50、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pm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

51、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。图132磁化曲线与励磁电流（a）磁化曲线（b）磁路未饱和时（c）磁路饱和时“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132。“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

52、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。”“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，

53、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e1，它的

54、计算公式是：e14.44ken1f1ke f1（13）式中，e1定子每相的反电动势，v；ke绕组系统；n1定子每相绕组的匝数；f电流的频率，hz；1定子每个磁极下的基波磁通，wb；ke常数，ke4.44ken1。瞧，反电动势和频率与磁通的的乘积成正比。稍为变换一下：1k（14）式中，k常数。式（14）告诉我们：如果能够保持反电动势e1与频率f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：（15）式中，u1施加于定子每相绕组的电源相电压，v；u1定子每相绕组的阻抗压降，v。式（15）中，阻抗压降u1在电压u1中所占比例很小，如果把u1忽略不计，则有：u1e1代入式（14），得：1k（16）所以，改变频率的同时，也要改变电压。但要注意，式（16）只是一种近似的替代方