變頻器的工作原理及功能初步簡介

1、變頻器的定義變頻器的基本組成變頻器的分類變頻器的工作原理np西門子MicroMaster 系列變頻器變頻器BOPBOP操作面板操作面板顯示區(qū)域反轉(zhuǎn)鍵增加鍵功能鍵減少鍵停止鍵啟動鍵確認鍵點動鍵使用BOP修改參數(shù) u/f控制u/fu/f控制的原理控制的原理采用U/f控制以后異步電機的機械特性曲線是什么樣的？ 0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab cU/f電壓補償?shù)脑硎鞘裁?？電壓補償?shù)脑硎鞘裁矗?IGBT簡介 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效

2、應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。 IGCT簡介IGCT集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一種中壓變頻器開發(fā)的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件(集成門極換流晶閘管=門

3、極換流晶閘管+門極單元)。1997年由ABB公司提出。IGCT使變流裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。IGCT是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT具有電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗等特點，而且成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。 已用于電力系統(tǒng)電網(wǎng)裝置（100MVA）和的中功率工業(yè)驅(qū)動裝置（5MW）IGCT在中壓變頻器

4、領(lǐng)域內(nèi)成功的應(yīng)用了11年的時間（到09年為止），由于IGCT的高速開關(guān)能力無需緩沖電路，因而所需的功率元件數(shù)目更少，運行的可靠性大大增高。IGCT集IGBT（絕緣門極雙極性晶體管）的高速開關(guān)特性和GTO（門極關(guān)斷晶閘管）的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗特性于一體，一般觸發(fā)信號通過光纖傳輸?shù)絀GCT單元。在ACS6000的有緣整流單元的相模塊里，每相模塊由IGCT和續(xù)流二極管、鉗位電容、阻尼電阻組成，由獨立的門極供電單元GUSP為其提供能源。BJT簡介 BJT指的就是雙極型二極管，它是一個“兩結(jié)三端”電流控制器件。從所用半導(dǎo)體材料上看，有硅（Si）和鍺（Ge管之分）；從原理結(jié)構(gòu)上看，可分為NPN和PNP

5、兩種類型。 BJT的基本功能有兩個：電流放大作用和流控開關(guān)作用。 GTR簡介電力晶體管是一種雙極型大功率高反壓晶體管，由于其功率非常大，所以，它又被稱作為巨型晶體管，簡稱GTR。GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個PN結(jié)組成的，三層半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)形式可以是PNP，也可以是NPN。大多數(shù) 雙極型功率晶體管是在重摻質(zhì)的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N漂移層，然后在漂移層上擴散P基區(qū)，接著擴散N+發(fā)射區(qū)，因之稱為三重擴散?；鶚O與發(fā)射極在一個平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。 GTR分為NPN型和PNP型兩類，又有單管GTR、 達林頓式GTR（復(fù)合管）和GTR模塊幾種形式。

6、單管GTR飽和壓降VCES低，開關(guān)速度稍快，但是電流增益小，電流容量小，驅(qū)動功率大，用于較小容量的逆變電路。 達林頓式GTR電流增益值大，電流容量大，驅(qū)動功耗小，但飽和壓降VCES較高，關(guān)斷速度較慢。和單管GTR一樣，達林頓式非模塊化的GTR在現(xiàn)代逆變電路中早已不太常用。應(yīng)用比較廣泛的還是GTR模塊。它是將兩只或4只、6只、甚至7只單管GTR或達林頓式GTR的管芯封裝在一個管殼內(nèi)，分別組成單橋臂、單相橋、三相橋和帶泄放管的三相橋形式，外殼絕緣，便于設(shè)計和安裝。 在逆變電路中，GTR都工作在共發(fā)射極狀態(tài)，其輸出特性曲線是指集電極電流IC和電壓VCE以及基極電流IB之間的關(guān)系。 GTR特性及應(yīng)用G

7、TR的特性曲線分5個區(qū)。I區(qū)為截止區(qū)，IB=0，IC很小，為CE漏電流。II區(qū)為線性放大區(qū)，當(dāng)IB增加時，IC也跟隨IB線性增加。隨著VCE繼續(xù)降低，IC已沒有增長能力，這就進入了深度飽和區(qū)，即第IV區(qū)。這時的VCE稱為GTR的飽和壓降，用VCES表示，它比GTO和VMOSFET要低。V區(qū)為擊穿區(qū)。當(dāng)VCE增加到一定值時，即使IB不增加，IC也會增加，這時的VCE就是GTR的一次擊穿電壓。如果VCE繼續(xù)增加，IC也增加，由于GTR具有負阻特性，當(dāng)結(jié)溫上升時，IC更大。由于整個管芯的導(dǎo)電不可能絕對均勻，大的IC會產(chǎn)生集中熱點，從而發(fā)生雪崩擊穿，IC驟增。這時候，即使降低VCE也無濟于事，高速增長

8、的熱量無法散出，在很短時間內(nèi)（幾微秒甚至幾納秒）便使GTR被永遠地?zé)龎摹＿@就是GTR的二次擊穿現(xiàn)象，它是GTR最致命的弱點，也是限制GTR發(fā)展和進一步推廣應(yīng)用的最重要的原因之一。電力晶體管GTR大多作功率開關(guān)使用，所以，要求它要有足夠的容量（高電壓、大電流）、適當(dāng)?shù)脑鲆?、較高的工作速度和較低的功率損耗等。但由于電力晶體管的功率損耗大、工作電流大，因此它存在著諸如基區(qū)大注入效應(yīng)、 基區(qū)擴展效應(yīng)和 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等特點和問題?；鶇^(qū)大注入效應(yīng)是指基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度達到或超過摻雜濃度時，器件的注入效率降低，少數(shù) 載流子擴散系數(shù)變大，體內(nèi) 少數(shù)載流子壽命下降，以致嚴(yán)重影響GTR的電流增益的現(xiàn)象。

9、基區(qū)擴展效應(yīng)是指在大電流條件下有效基區(qū)變寬的效應(yīng)。器件在小電流狀態(tài)工作時的集電結(jié)寬度主要由基區(qū)摻雜濃度決定，因此其增益值是固定的；但在大電流條件下，由于基區(qū)中少數(shù)載流子大量增加造成集電結(jié)寬度收縮，因而，使有效基區(qū)變寬?；鶇^(qū)的擴展導(dǎo)致注入效率降低，增益下降、特征頻率減小。發(fā)射極電流集邊效應(yīng)也稱為基極電阻自偏壓效應(yīng)，是由于在大多數(shù)情況下電流條件下，基區(qū)的橫向壓降使得發(fā)射極電流分配不均勻所造成的。在這種情況下，電流的分布較多地集中在靠近基極的發(fā)射極周邊上，引起電流的局部集中，進而導(dǎo)致局部過熱。所以，為了削弱上述三種物理效應(yīng)的影響，必須在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员ＷC適合大功率應(yīng)用的需要。變頻器工作原理詳

10、解1 1、變頻器的主回路、變頻器的主回路 電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分組，交電壓型變頻器主電路包括：整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分組，交- -直直- -交型變頻器結(jié)構(gòu)見附交型變頻器結(jié)構(gòu)見附圖圖1 11 1）整流電路：）整流電路： VD1VD6VD1VD6組成三相不可控整流橋，組成三相不可控整流橋，220V220V系列采用單相全波整流橋電路；系列采用單相全波整流橋電路；380V380V系列采用橋式全系列采用橋式全波整流電路。波整流電路。2 2）中間）中間濾波電路濾波電路：整流后的電壓為：整流后的電壓為脈動電壓脈動電壓，必須加以濾波；，必須加以濾波；濾波電

11、容濾波電容c1 c2c1 c2除濾波作用外，還在整流與除濾波作用外，還在整流與逆逆變變之間起之間起去耦去耦作用、消除干擾、提高功率因數(shù)，由于該大電容儲存能量，在斷電的短時間內(nèi)電容兩端存在高作用、消除干擾、提高功率因數(shù)，由于該大電容儲存能量，在斷電的短時間內(nèi)電容兩端存在高壓電，因而要在電容充分放電后才可進行操作。壓電，因而要在電容充分放電后才可進行操作。3 3）限流電路限流電路：由于：由于儲能儲能電容較大，接入電源時電容兩端電壓為零，因而在上電瞬間電容較大，接入電源時電容兩端電壓為零，因而在上電瞬間濾波電容濾波電容CFCF的充電電流的充電電流很大，過大的電流會損壞很大，過大的電流會損壞整流橋整流

12、橋二極管，為保護二極管，為保護整流橋整流橋上電瞬間將充電電阻上電瞬間將充電電阻RLRL串入直流串入直流母線母線中以限制充電電中以限制充電電流，當(dāng)流，當(dāng)CFCF充電到一定程度時由開關(guān)充電到一定程度時由開關(guān)SLSL將將RLRL短路。短路。4 4）逆變電路逆變電路： 逆變逆變管管V1V6V1V6組成組成逆變逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值幅值都可調(diào)的交流電，是變頻器的核心部分都可調(diào)的交流電，是變頻器的核心部分。常用逆變模塊有：。常用逆變模塊有：GTRGTR、BJTBJT、GTOGTO、IGBTIGBT、IGCTIGCT等，一般都采用等，一般都采用模塊化模塊化結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)有2 2單元

13、、單元、4 4單元、單元、6 6單元單元5 5）續(xù)流二極管續(xù)流二極管D1D6D1D6：其主要作用為：其主要作用為：（1 1）電機）電機繞組繞組為感性具有無功分量，為感性具有無功分量，VD1VD7VD1VD7為無功電流返回到為無功電流返回到直流電源直流電源提供通道提供通道（2 2）當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，再生電流通過）當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，再生電流通過VD1VD7VD1VD7返回返回直流電路直流電路。（3 3）V1V6V1V6進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要D1D6D1D6提供通提供通路

14、。路。6 6）緩沖電路緩沖電路 由于逆變管由于逆變管V1V6V1V6每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，C C極和極和E E極間的電壓將由近乎極間的電壓將由近乎0V0V上升到上升到直流電壓直流電壓值值UDUD，這過高的電壓增長率可能會損壞逆變管，這過高的電壓增長率可能會損壞逆變管，吸收電容吸收電容的作用便是降低的作用便是降低V1V6V1V6關(guān)斷時的電壓增長率。關(guān)斷時的電壓增長率。7 7）制動單元制動單元電機在減速時電機在減速時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將可能超過此時的的轉(zhuǎn)速將可能超過此時的同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速（n=60f/Pn=60f/P）而處于）而處于再生制動再生制動（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能將反饋到的動能將反饋到直流電路直流電路中使直流中使直流母線母線（濾波電容濾波電容兩端）