變頻器培訓(xùn)

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變頻器培訓(xùn),變頻器： 將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉(zhuǎn)換器，使電動機可以在變頻電壓的電源驅(qū)動下發(fā)揮更好的工作性能。,主要的公式,,,,公式：,,R為電樞繞組內(nèi)阻，e為旋轉(zhuǎn)電動勢,Km:系數(shù)；,：磁通；,：電樞電流,f: 旋轉(zhuǎn)速度；N：線圈匝數(shù)；,：磁通,晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,常用晶閘管的結(jié)構(gòu),螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu),（C）,1.4 典型全控型器件 · 引言,常用的典型全控型器件,（B）,GTR 、電力 MOSFET 和 IGBT 等器件的常用封裝形式。,1.4.3 電力場效應(yīng)晶體管,電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu),是單極型晶體管。 導(dǎo)電機理與小功率 MOS 管相同，但結(jié)構(gòu)上多采用垂直 導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET 。 采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。 圖 a ) 為垂直導(dǎo)電雙擴散結(jié)構(gòu)，即 VDMOSFET 。,圖1-19 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號,（B）,a）,b）,絕緣柵雙極晶體管,1 ) IGBT 的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極 G 、集電極 C 和發(fā)射極 E 。 IGBT 比 VDMOSFET 多一層 P+ 注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。,圖1-22 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 等效電路 c) 簡化等效電路 d) 電氣圖形符號,（B）,功率模塊與功率集成電路,例：部分功率模塊、IPM、電力半導(dǎo)體器件及驅(qū)動電路,（A）,8,逆變電路最基本的工作原理 —— 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。,圖5-1 逆變電路及其波形舉例,電阻負載時，負載電流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。,阻感負載時，io 相位滯后于 uo ，波形也不同。,單相橋式逆變電路,S1 ~ S4 是橋式電路的 4 個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。,（B）,9,6.1 PWM 控制的基本思想,重要理論基礎(chǔ) —— 面積等效原理,采樣控制理論中的一個重要結(jié)論： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。,（B）,10,PWM 控制的基本思想,若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。,,如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,,,SPWM 波,（C）,,,ω,t,ω,t,ω,t,V1 和 V2 、V3 和 V4 的通斷彼此互補。在 ur 和 uc 的交點時刻控制 IGBT 的通斷。,6.2.1 計算法和調(diào)制法,ur 正半周，V1 保持通，V2 保持斷。 當 ur uc 時使 V4 通，V3 斷， uo = Ud 。 當 ur uc 時使 V4 斷，V3 通， uo = 0 。 ur 負半周，請同學(xué)們自己分析。,圖6-5 單極性 PWM 控制方式波形,（B）,單極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）,,,在 ur 和 uc 的交點時刻控制 IGBT 的通斷。 在 ur 的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得 PWM 波也有正有負，其幅值只有±Ud 兩種電平。 同樣在調(diào)制信號 ur 和載波信號 uc 的交點時刻控制器件的通斷。 ur 正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。,圖6-6 雙極性 PWM 控制方式波形,（B）,雙極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）,6.2.1 計算法和調(diào)制法,對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。,（B）,注：1、試比較以上兩種方式的異同點。2、哪種方式效果相對更好？ 3、若用示波器觀察以上兩波形會看到什么結(jié)果？,變頻器輸入電流波形,,2.4.1 電容濾波的單相不可控整流電路,感容濾波的二極管整流電路,圖2-29 感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形 a） 電路圖 b）波形,（C）,實際應(yīng)用為此情況，但分析復(fù)雜。 Ud 波形更平直，電流 i2 的上升段平緩了許多，這對于 電路的工作是有利的。,2.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路,1 ) 基本原理,圖2-30 電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形,（C）,某一對二極管導(dǎo)通時，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。 當沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負載放電，ud 按指數(shù)規(guī)律下降。,2.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路,考慮實際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況： 電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側(cè)電流波形逐漸接近。,圖2-32 考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路及其波形 a）電路原理圖 b）輕載時的交流側(cè)電流波形 c）重載時的交流側(cè)電流波形,（C）,5.4.2 多電平逆變電路,a ) 串聯(lián)連接三相高壓 變頻器原理圖,例:“完美無諧波”高壓變頻器 為減少輸入電流中的諧波、提高功率因數(shù)，工頻變壓器采用相位彼此差開相等電角度的多副邊結(jié)構(gòu)，每一組副邊接一個圖 b) 所示的基本功率單元。高壓變頻器每一相由若干個基本功率單元串聯(lián)組成 ( 圖 a) 為 3 個單元串聯(lián) )，實現(xiàn)高壓輸出。 串聯(lián)的單元數(shù)越多，輸出的電壓越高，而輸入電流越接近正弦。 此類變頻器已成功地用于高壓電機變頻調(diào)速的場合。,（A）,b ) 基本功率單元,EXB841的工作原理,1 ）正常開通過程 當控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 有 10mA 的電流流過時，光耦合器 IS0l 就會導(dǎo)通， A 點電位迅速下降至 0V ，使 V1 和 V 2 截止； V 2 截止使 D 點電位上升至 20V ， V4 導(dǎo)通， V5 截止， EXB841 通過 V4 及柵極電阻 Rg 向 IGBT 提供電流使之迅速導(dǎo)通 , Uc 下降至 3V 。與此同時， V1 截止使十 20V 電源通 R3 向電容 C2 充電，時間常數(shù) r1 為 r1=R3c2=2 · 42us （ 2 － 17 ） 又使 B 點電位上升，它由零升到 13V 的時間可用下式求得 : 13 ＝ 20 （ 1 － e ^ (-t/r1) （ 2 － 18 ） t=2 · 54uS （ 2 － 19 ）,然而由于 IGBT 約 lus 后已導(dǎo)通， Uce 下降至 3V ，從而將 EXB841 腳 6 電位箝制在 8V 左右，因此 B 點和 C 點電位不會充到 13V ，而是充到 8V 左右，這個過程時間為 1 ． 24us ；又穩(wěn)壓管 VZ1 的穩(wěn)壓值為 13V ， IGBT 正常開通時不會被擊穿， V3 不通， E 點電位仍為 20V 左右，二極管 VD6 截止，不影響 V4 和 V5 的正常工作。,2 ）正常關(guān)斷過程控制電路使 EXB841 輸入端腳14 和腳15 無電流流過，光耦合器 IS01 不通， A 點電位上升使 V1 和 V2 導(dǎo)通； V 2 導(dǎo)通使 V 4 截止， V 5 導(dǎo)通， IGBT 柵極電荷通過 V 5 迅速放電，使 EXB841 的腳 3 電位迅速下降至 0V （相對于的 EXB841 腳 1 低 5V ），使 IGBT 可靠關(guān)斷， Uce 迅速上升，使 EXB841 的腳 6 “懸空”。與此同時 V1 導(dǎo)通， C2 通過 V1 更快放電，將 B 點和 C 點電位箝在 0V ，使 VZI 仍不通，后繼電路不會動作 , IGBT 正常關(guān)斷。,3 ）保護動作 設(shè) IGBT 已正常導(dǎo)通，則 V1 和 V2 截止，V4 導(dǎo)通，V 5 截止，B 點和C 點電位穩(wěn)定在 8V 左右，VZ1 不被擊穿，V3 不導(dǎo)通， E 點電位保持為 20V ，二極管 VD6 截止。若此時發(fā)生短路， IGBT 承受大電流而退飽和， Uce 上升很多，二極管 VD7 截止，則 EXB841 的腳 6 “懸空”，B 點和C 點電位開始由8V 上升；當上升至 13V 時，VZ1 被擊穿，V 3 導(dǎo)通， C4 通過 R7 和 V 3 放電，E 點電位逐步下降，二極管VD 6 導(dǎo)通時, D 點電位也逐步下降，從而使 EXB841 的腳 3 電位也逐步下降，緩慢關(guān)斷IGBT 。,B 點和 C 點電位由 8V 上升到 13V 的時間可用下式求得: 13 ＝ 20 （ 1--e^ (--t/r1)--8e^ (--t/r1) （ 2 － 20 ） t ＝＝ l · 3uS (2 － 21 ） C3 與 R7 組成的放電時間常數(shù)為 T2 ＝＝ C3R7 ＝ 4 · 84uS （ 2 － 22 ） E 點由2 0V 下降到3 ． 6V 的時間可用下式求得 3 ． 6= 20e^ (--t/r2) （ 2 － 23 ） t ＝ 8 · 3uS （ 2 － 24 ）,此時慢關(guān)斷過程結(jié)束， IGBT 柵極上所受偏壓為 0oV （設(shè)V3 管壓降為0 ． 3V , V6 和V5 的壓降為 O ．7V ）。 這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號使光電耦合器 IS0l 截止，此時 V1 和 V 2 導(dǎo)通， V 2 導(dǎo)通使 D 點下降到 0V ，從而 V 4 完全截止， V 5 完全導(dǎo)通， IGBT 柵極所受偏壓由慢關(guān)斷時的 0V 迅速下降到一 5V ， IGBT 完全關(guān)斷。 V1 導(dǎo)通使 C2 迅速放電、V 3 截止， 20V 電源通過 R8 對 C4 充電，RC 充電時間常數(shù)為 T3 ＝ C4R8 ＝ 48 · 4uS （ 2 · 25 ）,則 E 點由 3 ． 6V 充至 19V 的時間可用下式求得： 19=20（l 一 e^( － t/r3)＋3.6e^( t/r3)( 2－26 ） t ＝ 135 uS （ 2 -- 2 7 ） 則 E 點恢復(fù)到正常狀態(tài)需 135us ，至此 EXB841 完全恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進行正常的驅(qū)動。 與前述的 IGBT 驅(qū)動條件和保護策略相對照，以上所述說明 EXB841 確實充分考慮到 IGBT 的特點，電路簡單實用，有如下特點：,1 ）模塊僅需單電源十 20V 供電，它通過內(nèi)部 5 V 穩(wěn)壓管為 IGBT 提供了十 15V 和一 5V 的電平，既滿足了 IGBT 的驅(qū)動條件， 又簡化了電路，為整個系統(tǒng)設(shè)計提供了很大方便。 2 ）輸入采用高速光耦隔離電路，既滿足了隔離和快速的要求，又在很大程度上使電路結(jié)構(gòu)簡化。,3 ）通過精心設(shè)計，將過流時降低 Uge 與慢關(guān)斷技術(shù)綜合考慮 , 按前面所述，短路時 EXB841 各引腳波形如圖 2 － 68 所示。可見一旦電路檢測到短路后，要延遲約 1 ． 5 us （ VZI 導(dǎo)通時， R4 會有壓降） Uge 才開始降低，再過約 8us 后 Uge 才降低到 0V （相對 EXB841 的腳 1 ）。在這 10us 左右的時間內(nèi)，如果短路現(xiàn)象消失， Uge 會逐步恢復(fù)到正常值，但恢復(fù)時間決定于時間常數(shù) t3 ，時間是較長的。,M57962的應(yīng)用電路,8腳應(yīng)該接光耦的發(fā)射端，為控制電路提供過流信號。,圖6－34 電容器放電 a）放電電路 b）從接線端放電,圖6－43 單進三出變頻器,圖6－44 單進三出時存在的問題,圖6－45 單進三出的升壓電路,交流調(diào)速控制策略,見書 矢量控制于電機的參數(shù)有關(guān),異步電機的坐標變換結(jié)構(gòu)圖,,,圖6-52 異步電動機的坐標變換結(jié)構(gòu)圖 3/2——三相/兩相變換; VR——同步旋轉(zhuǎn)變換; ? ——M軸與?軸（A軸）的夾角,,,,,,,,,,3/2,VR,等效直流 電動機模型,A,B,C,?,?,iA,iB,iC,it,im,i?,i?,異步電動機,,,矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,圖6-53 異步電機矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,,,b),緩沖電路作用分析 無緩沖電路 有緩沖電路,圖1-38 di / dt 抑制電路和 充放電型 RCD 緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形,圖1-39 關(guān)斷時的負載線,（C）,晶閘管的串聯(lián),問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。 靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。 動態(tài)不均壓：由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。,目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。,晶閘管的串聯(lián),靜態(tài)均壓措施： 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件。 采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。,圖1-41 晶閘管的串聯(lián) a) 伏安特性差異 b) 串聯(lián)均壓措施,動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。 用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間的差異。,晶閘管的并聯(lián),問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。 均流措施： 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。 采用均流電抗器。 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。,目的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流,5.2.2 三相電壓型逆變電路,負載中點和電源中點間電壓 (5-6) 負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 負載已知時，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。 橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。 防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通” 數(shù)量分析見教材。,45,7.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān),硬開關(guān),開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。 電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。,a）硬開關(guān)的開通過程,b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程,圖7-1 硬開關(guān)的開關(guān)過程,（C）,PI調(diào)節(jié),,,圖1-24 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,,+,-,,,,,,,,,M,,,,,,,,,TG,,,,,,,+,-,,,,,,,,,,,,,+,-,+,-,,,Utg,,,Ud,Id,n,+,,-,-,+,,Un,?Un,U*n,,,Uc,UPE,,+,-,Id,Un,Ud,Uc,tg,,,～,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,,,,,,,,,,,,,,+,-,RP2,n,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RP1,U*n,R0,R0,,,,,,,,,Rbal,Uc,VBT,VS,Ui,TA,Id,R1,C1,Un,Ud,圖1-48 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例,+,,,,,,,,+,+,+,-,UPE,～,·,工作原理,圖1-48所示是一個無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號。當電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達到限制電流的目的。,數(shù)字PI調(diào)節(jié)器,模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化 改進的數(shù)字PI算法 智能型PI調(diào)節(jié)器,模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化,PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。,PI調(diào)節(jié)器時域表達式：,其中 ： KP= Kpi 為比例系數(shù) KI =1/? 為積分系數(shù),PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：,增量式PI調(diào)節(jié)器算法：,PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 ：,須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值u m，當 u(k) u m 時，便以限幅值 u m作為輸出。,TMS320F28335,F28335: 256K x 16 Flash, 34K x 16SARAM; 128-Bit Security Key/Lock; Up to 18 PWM Outputs; SCI, SPI,CAN, I2C,; 12-Bit ADC, 16 Channels,80-ns Conversion Rate,基于TMS320F28335的電機控制系統(tǒng),TMS320F28335芯片簡介 美國TI公司的TMS320C28x系列DSP中的TMS320F28335芯片，這是一款32位定點DSP芯片，具有數(shù)字信號處理能力以及強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，非常適用于電機、馬達伺服控制系統(tǒng)等。 C28x系列芯片主要性能有： 最高150MHz的系統(tǒng)主頻，CPU核心電壓1.8V/1.9V，I/O口電壓3.3V CPU是哈佛總線結(jié)構(gòu)，支持16*16位與32*32位的乘且累加操作，16*16位的兩個乘且累加操作。 片內(nèi)具有256K*16位的線性FLASH存儲器，1K*16位的OTP型只讀存儲器。一共具有34K*16位的單口隨機存儲器。 芯片內(nèi)部有出廠固化好了的8K*16位的Boot Rom，其內(nèi)部具有啟動判定函數(shù)以及標準的數(shù)學(xué)表。 芯片具有外部存儲器接口，可擴展多大1MB的存儲器，并且具有可編程的等待狀態(tài)數(shù)。 通過中斷擴展模塊支持96個外部中斷，但芯片只用到了45個。 3個CPU定時器。 具有128位的密鑰保護，可防止ROM，F(xiàn)lash，OTP中的程序被盜。 具有強大的內(nèi)部外設(shè)，包括2個事件管理器，2個串行通信接口，1個串行外圍接口，增強的CAN，多通道緩沖串行接口，12位的AD模塊，最大的轉(zhuǎn)換速率是12位.5MSPS（80nS）等。 12路PWM脈沖寬度調(diào)制功能，很方便實現(xiàn)對電機的控制。,,轉(zhuǎn)速測量,利用TMS320F2812的三路中斷捕獲CAPTURE功能，對不同位置傳感器送回的脈沖上升沿進行捕獲。再進入中斷服務(wù)程序計算得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。 需要時，還要對信號進行整形。,防止橋臂直通的措施： 在TMS320F2812的觸發(fā)逆變器橋臂的成對信號中有加入觸發(fā)死區(qū)的功能，使橋臂直通的故障不會發(fā)生； 即橋臂的上、下二個功率器件的門極信號不能同時高，而且一個變低后要延時必要的時間才能使另外的門極信號變高。 PWM1 PWM2,防止直通的方法,對PWM0,PWM1; PWM2,PWM3; PWM4,PWM5; 可以用死區(qū)寄存器進行死區(qū)設(shè)置，避免逆變橋發(fā)生直通，保證逆變器的正常工作。,缺相檢測： 但缺相時，會出現(xiàn)電壓的過零點，光藕原邊無電流，副邊輸出電平的變化，由DSP的對波形邊沿進行中斷檢測得到發(fā)生缺相的信息。,過流、過壓的檢測,二種方法： 軟件方法： 利用DSP的12位A/D采樣，隨時將電壓、電流采樣，在軟件里面做比較，超過閾值，則停機并發(fā)出故障報警信號。 硬件方法： 利用比較器對傳感器檢測的電壓、電流值與保護值進行比較，超過保護值則自動停機和報警。,