1、动车组传动与控制动车组传动与控制-交流电动机变频调速交流电动机变频调速主讲：宋雷鸣第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速一、交流电动机调速的优越性一、交流电动机调速的优越性交流调速的应用主要有三个方面：（1）一般性能的节能调速（2）高性能的交流调速系统和伺服系统（3）特大容量、极高转速的交流调速第一节第一节 概述概述二、交流电动机原理及结构 第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速第二节第二节 交流电动机控制基础交流电动机控制基础Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrUs1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrUs1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrEgEgEsEsErE
2、rlrLmL、第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速gEsErEsRrRlsLlrLmLsU1s图中，为气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；为定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；为转子全磁通在转子绕组中的感应电动势折合到定子边。、为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；、为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；、为定子相电压和供电角频率；为转差率。 第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速2rs212rs1r2spr2 r1p1mme/33llLLsRRsRUnsRInPT三、三相异步电动机的机械特性三、三相异步
3、电动机的机械特性TeOnTeOnn0TemaxTemaxsmsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速2rs212srm)(llLLRRs)(232rs212ss12spmaxellLLRRUnT 第四节第四节 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速一、变压变频调速控制基础一、变压变频调速控制基础（一）变压变频的基本控制方式mNs1g44. 4SkNfE 1基频以下调速1fEg常值 恒压频比的控制方式 常值1fUs第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速sUgEsU但是，
4、在低频时和 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 抬高一些，以近似地补偿定子压降。OUsf1OUsf1UsNUsNf1Nf1Na无无补补偿偿b带带定定子子压压降降补补偿偿第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速2基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从向上升高，但定子电压却不可能超过额定电压，最多只能保持，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起 f1Nf1N恒恒转转矩矩调调速速恒恒转转矩矩调调速速恒恒转转矩矩调调速速UsUsNUsNmNm恒恒功功率率调调速速恒恒功功率率调调速速mUs
5、f1OmUsf1O第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速smnn0sTe010Tenn0sTe010TeTemaxTemaxTemaxTemax图2-8 恒压恒频时异步电动机的机械特性第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速eTOneTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Tem ax图2-10 恒Eg /1控制时变频调速的机械特性第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速0s10Te0s10Te恒 Er/1控制恒 Eg/1控制恒 Us/1控制abc图2-11 不同电压频率协调控制方式时的机械特性在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。
6、 恒压频比（ 恒值）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有限，须对定子压降实行补偿。恒 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到为恒值，从而改善了低速性能。线性调节范围比恒压频比宽，为恒值时，恒定不变，稳态性能优于恒 ，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，比较理想。按照转子全磁通恒定进行控制，即得恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统要实现的目标，当然实现起来是比较复杂的。第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速1gE1gE1sU1sU1r
7、E第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速恒恒 功功 率率 调调 速速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1图2-12 基频以上恒压变频调速时的机械特性3基频以上恒压变频时的机械特性第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速二、转速开环恒压频比交流调速系统通用变频器二、转速开环恒压频比交流调速系统通用变频器tff *ufu斜坡函数U / f曲线脉冲发生器tff *ufu工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定驱动电路PWM产生通用变频器是根据异步电动机稳态模型来涉及其控制系统，为了实现电压频率协调控制，它
8、采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。主要可以应用在和通用的笼型异步电机配套使用，同时具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。近年来自动控制功能的变频器质量不断提高。 第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速三、转差频率控制的交流调速系统三、转差频率控制的交流调速系统sUsIFBS电压型逆变器PWMM3 ASRs11saUsbUscU第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速四、矢量控制的交流调速系统四、矢量控制的交流调速系统3/2VR等等效效直直流流电电机机模模型型ABCiAiBiCit1im1ii异异步步电电动动机机3/2VR等等效效直直流流电电机机模模型型ABCiAi
9、BiCit1im1ii异异步步电电动动机机第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速控控制制器器VR-12/3电电流流控控制制变变频频器器3/2VR等等效效直直流流电电机机模模型型+i*m1i*t11i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号控控制制器器VR-12/3电电流流控控制制变变频频器器3/2VR等等效效直直流流电电机机模模型型+i*m1i*t11i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号图2-18 矢量控制系统原理结构图第第6章、交流电动机调速章、交流电动机调速2/3旋转变换VR速度调节器PW
10、M控制器向量分析VA积分函数发生器磁链观测器ACDCDCAC速度传感器电流传感器1s*rr*-+ iCiBiAiA*iB*iC*T*sincosiT1*iP1*iQ1*iM1*图2-19 电流和转速闭环的矢量控制系统7.1 7.1 概述概述1. 1. 交流电动机的调速方法交流电动机的调速方法 1) 同步电动机的调速通过改变供电电压的频率来改变其同步转速。 2) 异步电动机的调速（利用晶闸管控制技术） l 调压调速控制加于电动机定子绕组的电压； l 串级调速控制附加在转子回路的电势； l 变频调速控制定子的供电电压与频率； l 异步电动机矢量变换控制系统； l 无换向器电机调速系统； l 电磁转
11、差离合器调速系统等。2.2. 交流调速技术的优点交流调速技术的优点（半导体变流技术） 1) 优良的调速性能； 2) 节约能源； 3) 减少维护费用； 4) 节约占地面积； 5) 用于大容量或恶劣环境场合。 由上式可知，异步电动机的调速方法分为三种：l l 改变转差率改变转差率S调节定子电压、转子电阻、转子电压、定转子供电频率等。l l 改变极对数改变极对数l l 改变频率改变频率 rpmrpmHzrpmrpmnnpSfSnn00/ )1 (60)1 (pf3.3. 主要公式主要公式 4.4. 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统 通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速（异步电动机本身并
12、不调速）。 1) 优点： l 线路简单，价格便宜； l 速度负反馈后调速相当精确（平滑调速）。 2) 缺点： l 低速运行时损耗较大（增加了滑差离合器）； l 调速效率较低。12.2 12.2 交流调压调速系统交流调压调速系统 改变异步电动机的定子电压，即改变电动机的转矩（T U 2）及机械特性，从而实现调速。12.2.1 12.2.1 采用晶闸管的交流调速电路采用晶闸管的交流调速电路1. 1. 单相交流调压电路单相交流调压电路 应用最广的是反并联电路 1) 电阻性负载l 电源电压正半周，VS1导通；负半周，VS2导通。l 波形与 波形同相。注：在注：在同一控制角同一控制角 下，负载下，负载上
13、得到上得到正负对称正负对称的交流电压。的交流电压。iu l 波形滞后于 波形（延迟角）； l 延迟角与 （负载功率因数角）有关。iu、 2) 电感性负载 2) 要求： l 触发信号应与交流电源有一致的相序和相位差。 l 在感性负载或小导通角情况下，如三相全控桥式电路，采用 （脉宽 ）的双脉冲或宽脉冲触发电路。601202. 2. 三相交流调压电路三相交流调压电路 常用 1) Y形接法的电阻性负载 A-B-C-A A-C-B-A12.2.2 12.2.2 异步电动机的调压特性异步电动机的调压特性 1. 改变定子电压，调速范围不大（如a、b、c三点）。 2. 低速时运行稳定性不好（如d点），转子电
14、流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。 3.采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。注：注： 电源电压；电源电压； 控制电压；控制电压； 可变电压（输出可变电压（输出电压）；电压）； 给定信号；给定信号； 反馈信号。反馈信号。1UUxUgUnfU1) ， ， ， ， ， ，与 平衡。LTn )(nUnf)(nfgUUUxUMTLT注：机械特性基本上是一簇平行的特性。注：机械特性基本上是一簇平行的特性。2) 特点：特点： l 平滑改变定子电压，就平滑调速； l 低速的特性较硬； l 调速范围较宽。12.2.3 12.2.3
15、调压调速时的损耗及容量限制调压调速时的损耗及容量限制1. 转差功率为（电磁功率）（机械功率）（电磁功率）（机械功率） 低速时， ，损耗 。2. 不适合于长期工作在低速的工作机械。3. 特别适合于通风机及泵类等机械。 （TL = Kn2） kWrpmrpmmNkWmkWPSnnTPP9550/)(0SPSPPTnL12.3 12.3 线绕式异步电动机调速系统线绕式异步电动机调速系统 由异步电动机和交流装置组成串级调速系统。 （转子电路串接电阻能耗大或串接电势）12.3.112.3.1串级调速的一般原理串级调速的一般原理在异步电动机转子电路内引入附加电势 ，以调节异步电动机的转速。 1.1. 附加
16、电势的方向（或相位）附加电势的方向（或相位） l 与转子电势E2相同超同步转速调速 l 与转子电势E2相反低于同步转速调速 2.2. 的频率的频率与E2的频率相同adEadE12.3.2 12.3.2 串级调速时的机械特性串级调速时的机械特性1.与直流电动机的特性很相似。2.转速低于（ ）或超（ ）同步转速（ 或 ）。”“adE”“adEnn12.3.3 12.3.3 串级调速的优缺点串级调速的优缺点 1.调速范围宽； 2.效率高（转差功率可反馈电网）； 3.容量大； 4.应用范围广（通风机或恒T型负载）； 5.功率因素 较差（电容补偿， ）。作业：作业：P:348 12.6712.4 12.
17、4 晶闸管变频调速系统晶闸管变频调速系统12.4.1 12.4.1 变频调速原理变频调速原理 1.1. 变频调速变频调速 改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速。 l 具有高效率、宽范围和高精度的调速性能； l 变频调速是异步电动机调速的主要发展方向。 1.1. 变频调速原理变频调速原理 1) 实质电压 与频率 成比例变化。 2) 恒T变频调速中， 定值，保证过载能力 不变，磁通 基本不变。 3) 恒P变频调速中， l 定值， 不变， 变； l 定值， 变， 基本不变。xUffCEUxfUfExfUxmfUxfUxmm12.4.2 12.4.2 变频调速系统的分类变频调速系统的分类 1
18、. 交直交变频调速交直交变频调速带直流环节的间接变频调速 2. 交交变频调速交交变频调速不带直流环节的直接变频调速无环流有环流有无环流交叉连接整流电路反并联整流电路连接方式三相三相单相单相相数交变频调速交脉冲宽度调制型晶闸管直流开关相位控制晶闸管整流调压方式电流型电压型直流电源型式通电型）带辅助晶闸管（通电型）带辅助晶闸管（串级二极管式串级电感式换流电路交变频调速直交12018012.4.3 12.4.3 交直交变频调速系统交直交变频调速系统 l 电压型变频调速系统电压型变频调速系统 1.1. 主电路主电路 整流器、逆变器（逆变电路和换流电路）和电容（中间环节、滤波）。 2. 2. 逆变器的换
19、流原理逆变器的换流原理 工作方式180o、120o 通电型。 以单相为例，C预充电 稳态导通阶段 开始换流阶段 振荡换流阶段 振荡衰减阶段 反馈阶段 换流结束阶段。 1) 1) VS1、VS2主晶闸管，VS1、VS2 辅助换流晶闸管，作为LC振荡电路的充放电开关。 2) 2) 通过触发VS1、VS2，反向关断VS1、VS2。 3) 3) 通过LC串联谐振电路中的电流反向，关断VS1、VS2。l 电流型变频调速系统电流型变频调速系统1.1. 主电路主电路 整流器、逆变器和直流滤波电抗器（中间环节）。 l 常用串联二极管式逆变电路。 l 电抗器滤波，输出电流较平直，为矩形波。 2.2. 强迫换向电
20、路强迫换向电路 1) C为换向电容，V为隔离二极管，与主晶闸管串联。 2) 换流电路为120o导电型，同一相两只SCR同时导通，脉冲间隔（相位差）为180o。 3) 两只相邻SCR，脉冲间隔为60o（正转时触发VS1、2、3、4、5、6、1，反转时触发VS6、5、4、3、2、1、6）。 4) 两相轮流导通，脉冲间隔为120o（1-3-5或2-4-6）。注：注：l l 电压型电压型变频调速系统，采用变频调速系统，采用电容电容滤波，电源滤波，电源阻抗很小阻抗很小，类似类似电压源电压源。l 电流型电流型变频调速系统，采用变频调速系统，采用电抗器电抗器滤波，电源滤波，电源阻抗很大阻抗很大，类似类似电流
21、源电流源。 l 差别：差别： 1. 电流型直流侧采用大电感L滤波（而形成直流源）。 2. 三相整流桥、逆变器的交流侧输入电流都为120o方波交流电流。 3. L有保护性能，抑制故障电流上升。 4. 逆变桥内无电感，简化主回路。 5. 整流桥和逆变桥方向不变（反馈二极管桥不与逆变桥反并联）。 6. 整流桥和逆变桥的直流电压同时反号，能量返送交流电网，系统可再生。 7. 适用于频繁加减速和变动负载的场合。12.4.4 12.4.4 脉宽调制型变频调速系统脉宽调制型变频调速系统（PWM） 一般采用电压型逆变器。 1.1. 种类种类 1) 变幅PWM型变频器（直流电压可变） l 整流器晶闸管整流器，用
22、来调压； l 逆变器用来调频（输出频率）。 2) 恒幅PWM型变频器（直流电压恒定） l 整流器二极管整流桥； l 逆变器输入恒定的直流电压，调节输出电压的脉冲宽度和频率（实现调压和调频）。3) 特点： l 电路简单； l 调节速度快； l 动态响应好。注：注： a) a) 改变调制周期改变调制周期改变输出频率。改变输出频率。 b) b) 调制方法：调制方法：单极性调制单极性调制和和双极性双极性调制调制。 c)c) 按载波信号按载波信号 和参考信号和参考信号 频频率之间的关系分为：率之间的关系分为：同步式调制同步式调制和和非非同步式调制。同步式调制。curu 2.2. 单极性正弦波脉宽调制法单
23、极性正弦波脉宽调制法 1) 正弦波 与三角波 相交，得到一组幅值 、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。 2) 矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号。这一组矩形脉冲可用正弦 波 （ 虚 线 ） 等效。 rucumU 3) 输出电压的大小和频率由 （正弦参考电压）控制。改变 幅值，就改变脉宽，从而改变输出电压大小；改变 频率，就改变输出电压频率。 4) 正弦波最大幅值必须小于三角波幅值。 基本恒定。 5) 三角波和正弦波的频率成正比例地改变，称为同步式调制。注：图注：图12.2012.20所示的是所示的是单相单相脉宽调制波。脉宽调制波。 对于对于三相逆变器三相逆变器，载频三角波可共用，必须有一个，载
24、频三角波可共用，必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器，两者相比较，产生三相可变频变幅的正弦波发生器，两者相比较，产生三三相相脉冲调制波脉冲调制波。rururufUx3.3. 准正弦波脉宽调制变频调速控制系统准正弦波脉宽调制变频调速控制系统（SPWM） 输入脉冲列 载波信号 阶梯波 脉宽调制波形 监相波形 最后调制波形 逆变器输出波形4.4. 适用场合适用场合（特点） 1) 实现平滑启动、停车； 2) 高效率、宽范围调速； 3) 作为异步电动机变频调速的供电电源。注：采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多，注：采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多， 在输出低频时，输出波形较好。在输出低频时，输出
25、波形较好。12.4.5 12.4.5 交交变频调速交交变频调速 1.1. 用途用途 l 交流电动机调速； l 变频交流电源。注：单相交流电注：单相交流电 三相（或两相）交流电；三相（或两相）交流电； 高频电源高频电源 低频电源。低频电源。 2. 2. 单相单相单相单相（直接变频电路）的交交变频原理的交交变频原理 1) 共阴极法主电路（VS1、VS3），则得到上正下负的输出电压。 2) 共阳极法主电路（VS2、VS4），则得到上负下正的输出电压。 3) 两组反并联的可控整流电路，则得到如图12.24所示的交变电压，其值由SCR控制角来控制。 3.3. 输出电压波形输出电压波形方波型、正弦波型 1
26、) 三相方波型交交变频器（主电路） l 每相由两组反并联的三相零式整流电 路组成。 （、为正组） （、为反组） l 各组导通角为T/3（T为周期），每组依次相隔T/6导通。 l 同一时刻有一个正组和一个反组同时导通。 2) 正弦型交交变频器用于异步电动机调速 l 由两组反并联的可控整流器组成。 l 不断调制 角，使输出平均电压为正弦波（与直流可逆系统不同之处）。 4.4. 与交直交变频调速相比与交直交变频调速相比 1) 优点： l 节省中间换流环节，效率高； l 低频波形较好，谐波损耗和转矩脉动大大减小。 2) 缺点： l 主回路元件较多； l 最高频率受电网频率限制。 3) 适用场合低速、大
27、容量的场合。如球磨机、矿井提升机等。第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 变流器就是将一种直流或交流电变为另一种直流或交流电的供电设备。可以说变流器是各种变流装置的总称。在电力电子变换装置中，通常意义上的变流器包括从电源侧至电力变换装置输出侧的所有环节，例如对一个交一直一交电力传动系统，变流器将包括从整流器，中间直流环节，到逆变器及其控制系统。值得特别说明的是，在许多场合下，同一个电力变换电路既可以作整流电路，又能作逆变电路，所以我们也称这样的电力变换装置为变流器。换言之，整流和逆变，交流和直流在变流器中是互相联系的，并在一定条件下可互相转化。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 根据变
28、流系统中直流环节性质的不同可分为两种类型 .图图3-1 电流型异步电机传动系统电流型异步电机传动系统 图图3-2 电压型异步电机传动系统电压型异步电机传动系统第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 电力半导体器件在应用中一般均要设计吸收电路，以控制开关过程中电压及电流的轨迹，抑制电压、电流的变化率，降低开关损耗。设计吸收电路一般依据下述原则：1减少开关过程中电压、电流的大小及变化率；2保证器件工作在安全区内；3减少器件开关损耗和系统总损耗；4改善器件的过载和短路能力。对于新型器件，诸如IGBT，IPM，由于对di/dt，du/dt耐受能力增强，通过合理地设计驱动电路可以简化吸收回路，甚至可以取
29、消吸收回路。第第7章、交流技术基础章、交流技术基础第第1节节 电力电子器件基础电力电子器件基础一一 晶闸管晶闸管表表3-1、可控硅导通和关断条件、可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位。2、控制极有足够的正向电压和电流。两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位。2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位。2、阳极电流小于维持电流任一条件即可第第7章、交流技术基础章、交流技术基础第第7章、交流技术基础章、交流技术基础二、门极可关断晶闸管（二、门极可关断晶闸管（GTO） 门极关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳极A、阴极K两端为正
30、向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向AK。在门极关断晶闸管导通状态，若在其门极G上加一个适当有负电压，则能使导通的晶闸管关断 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 近年来，GTO元件的性能不断提高，可关断电流达4000A，阻断电压达6000V以上，开关速度也有所提高。一个由ABB公司生产的三相逆变器GTO模块，采用6个GTO元件，容量可达4000kVA，单位重量容量可以达10kVA/kg，目前，最大的4轴交流传动电力机车，功率超过7000kW。 GTO元件在应用中也存在不足，由于它增益比较小，关断2000A3000A电流，需要高达700-800A的门极电流，这对门极驱动
31、装置的要求很高。另外，GTO元件在高电压下导通，大电流下关断，电流、电压变化率及应力很大，需要设置性能良好的吸收电路，这就增加了开关损耗，降低了效率，并对冷却系统提出更高要求 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础三、绝缘栅双极晶体管（三、绝缘栅双极晶体管（IGBT/IPM） 绝缘栅双极型晶体管IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（G
32、TO）、晶体管（BJT）等器件,与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础表表3-2 GTO3-2 GTO与与IGBT/IPMIGBT/IPM基本性能较基本性能较GTO元件IGBT/IPM元件电压4500V(6000V
33、)3300V(4000V)电流3000A-4000A(可关断电流)1200A开关频率ca.500Hz5kHz开关损耗大小通态损耗小大吸收回路损耗大小驱动功率大(电流控制型)小(电压控制型)di/dt,du/dt限制严格(需加阳极电抗器)不严(无需阳极电抗器)保护功能外设完善的自我保护第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 需要指出的是，IGBT开关频率的提高，带来了很多好处，例如，PWM调制频率提高，在电机侧，可使得电机电流的高次谐波减少，使电机的损耗，噪声下降；在电网侧，可降低电网电流的谐波，减小等效干扰电流，减少变压器的损耗和噪声。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础IGBT模块的使用
34、应特别注意以下几方面的问题。模块的使用应特别注意以下几方面的问题。 1.防静电对策防静电对策 IGBT的的VGE保证值为保证值为20V，在，在IGBT模块模块上加上超出保证值的电压有损坏的危险，因而在上加上超出保证值的电压有损坏的危险，因而在栅极发射极之间接一只栅极发射极之间接一只10kQ左右的电阻器为左右的电阻器为宜。宜。 2.驱动电路设计驱动电路设计 严格地说，能否充分利用严格地说，能否充分利用IGBT器件的性能，器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路必驱动电路必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足够
35、的输入输出电隔离能力够的输入输出电隔离能力,以及具有栅压限幅电路以及具有栅压限幅电路等。等。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础3.保护电路的设计 IGBT模块因过电流、过电压等异常现象有可能损坏。因此，必须在对器件的特性充分了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。 4.散热设计 取决于IGBT模块所允许的最高结温（Tj）,在该温度下，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。 5.栅极串联电阻（Rc） 对IGBT来说，增大栅极电阻能够减少IGBT开
36、通时续流二极管的反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值；与此同时，增大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加，延长开通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻器，即RG（on）和RG（off），在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下，恢复时间趋长，RG（on）应比产品目录的推荐值大2倍4倍。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)元件是在IGBT模块中集成了驱动和保护电路而派生出来的，其结构如图3-18所示。IPM的触发信号可和TTL电平兼容，它本身具有短路、过流、过热及电流实时控制等完善的保护功
37、能，更有利于应用。目前，日本新干线E2系高速动车的牵引变流器即采用IPM元件。第第7章、交流技术基础章、交流技术基础第第2节、整流技术基础节、整流技术基础一、典型整流电路一、典型整流电路（一）半波不可控整流电路 图图3-263-26半波整流电路半波整流电路第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-27 3-27 半波整流波形半波整流波形第第7章、交流技术基础章、交流技术基础（二）单相半波可控整流电路图图3-28 单相半波可控整流单相半波可控整流第第7章、交流技术基础章、交流技术基础3、单相半波可控整流（1）电阻性负载（见图3-30）电阻性负载，id波形与ud波形相似。可控硅T承受的正向电压
38、随控制角而变化，但它承受的反向电压总是负半波电压，负半波电压的最大值为U2。线路简单，多用在要求不高的电阻负载的场合。第第7章、交流技术基础章、交流技术基础（2）感性负载（不带续流二极管，见图3-30）：第第7章、交流技术基础章、交流技术基础（3）感性负载（带续流二极管，见图3-31）图图3-31、电感性负载有续流、电感性负载有续流第第7章、交流技术基础章、交流技术基础(三)、全波整流电路 图图3-32全波整流电路全波整流电路图图3-33 半波整流波形半波整流波形第第7章、交流技术基础章、交流技术基础(四)、单相桥式半控整流电路图3-34、单相桥式半控整流第第7章、交流技术基础章、交流技术基础
39、PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dv/dt。 (五) PWM整流电路第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3.36 PWM3.36 PWM整流器主电路整流器主电路图3-36(a)和(b)即为单相和三相电压型PWM整流电路，通过对
40、它的适当控制，可使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，功率因数近似为1。图中交流侧电感L用以滤波和传递能量，直流侧电容Cdc起着滤除直流电压上开关纹波和平衡直流输入与输出能量的作用。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础a)负载b)图6-28usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udusLsRsV1V2VD1VD2ud负载C1C2单相半桥单相全桥图图3.37单相单相PWM整流电路整流电路第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3.38 PWM整流器交流侧等效电路和相量图整流器交流侧等效电路和相量图第第7章、交流技术基础章、交流技术基础2. 三相多开关PWM整
41、流电路六开关Boost型：也可称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。电路如图3-42所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电感L蓄积磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的电压Ldi/dt，通过另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-42三相多开
42、关三相多开关Boost型型第第7章、交流技术基础章、交流技术基础六开关Buck型：也可称为两电平电流型整流器，电路如图3-43所示，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是由于直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-43三相多开关三相多开关Buck型型第第7章、交流技术基础章、交流技术基础 3三电平PWM整流电路在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结构如图3-44所示的三点式电路，这种电路
43、也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped) 电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-44三电平三电平PWM整流电路整流电路第第7章、交流技术基础章、交流技术基础整流电路的保护1晶闸管关
44、断过电压（换流过电压、空穴积蓄效应过电压）及保护 2交流侧过电压及其保护 3直流侧过电压及保护 4过电流保护 第第7章、交流技术基础章、交流技术基础第第3节、逆变技术基础节、逆变技术基础信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc图图3-45单相全桥式逆变器单相全桥式逆变器一、脉宽调制逆变器一、脉宽调制逆变器第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图6-6urucuOtOtuouofuoUd- Ud第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud1.双极性控制方式2单极性PWM控制方式（单相桥逆变）第第7章、交流技术基础章、交流技术基础(二)、三相逆变电路第第7章、交流技术基础章、交流技术基础第第7章、交流技术基础章、交流技术基础二、二点逆变器和三点逆变器二、二点逆变器和三点逆变器图图3-50 二点式逆变器及其输出波形二点式逆变器及其输出波形第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-51 三点式逆变器及其输出波形三点式逆变器及其输出波形第第7章、交流技术基础章、交流技术基础图图3-52 把一个三点式逆变器分解成两个二点式逆变器把一个三点式逆变器分解成两个二点式逆变器
