2021变频调速SVPWM技术的原理、算法与应用.docx

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1、变频调速 SVPWM 技术的原理、算法与应用目录电气自动化新技术丛书序言第 5 届电气自动化新技术丛书编辑委员会的话前言第 1 章变频调速与 SVPWM 技术11. 1 变频调速概述11. 1. 1 变频调速系统11. 1. 2 变 频器11. 1. 3 电力电子电器件81. 2 变频器谐波的影响与对策131. 2. 1 输入侧谐波的影响与对策131. 2. 2 输出侧谐波的影响及对策161. 3 SPWM 技术181. 3. 1 调制的原理和分类181. 3. 2 SPWM 波形成的方法211. 3. 3 SPWM 的优点与缺点221. 3. 4 SPWM 的 优化221. 4 变频调速系统

2、的控制241. 4. 1 开环控制1. 4. 2 闭环控制1. 5 SVPWM 技 术 24 25 261. 5. 1 概述261. 5. 2 SVPWM 技术的原理与分类261. 5. 3 SVPWM 技术的优点与展望27参考文献29第 2 章两电平 SVPWM 技术302. 1 两电平逆变器302. 2 两电平逆变器合成电压矢量与磁链的空间分布312. 2. 1 逆变器输出电压空间矢量的空间分布312. 2. 2 电压矢量与磁链矢量轨迹342. 3 SVPWM 的调制模式和算法352. 3. 1 多个电压矢量连续切换的 SVPWM 模式 352. 3. 2 矢量合成法的 SVPWM 模式3

3、82. 4 对称调制模式和算法422. 4. 1 基本原理2. 4. 2 实施算法 42 462. 4. 3 对称调制模式与 SPWM 的比较492. 4. 4 对称调制模式的特点和优点502. 4. 5 对称调制模式的推广512. 5 两电平 SVPWM 的新算法522. 5. 1 随机控制算法522. 5. 2 免 疫 算法542. 5. 3 反向传播神经网络算法542. 6 两电平三维空间电压矢量 SVPWM 控制552. 6. 1 三相四桥臂逆变器552. 6. 2 三相四桥臂逆变器的电压空间矢量562. 6. 3 三相四桥臂逆变器的电压空间矢量控制57参考文献58第 3 章两电平 S

4、VPWM 技术的应用603. 1 两电平 SVPWM 技术在矢量变换控制中的应用603. 1. 1 矢量变换控制的基本原理603. 1. 2 SVPWM 矢量控制系统的构成与控制原理643. 1. 3 矢量变换控制的特点663. 2 SVPWM 在直接转矩控制系统中的应用663. 2. 1 直接转矩控制的基本原理663. 2. 2 直接转矩控制系统的构成与控制原理683. 2. 3 电压矢量与 、 Te 的关系703. 2. 4 采用电压矢量选择表的直接转矩控制系统723. 2. 5 直接转矩控制的数字化723. 2. 6 直接转矩控制的特点与存在的问题743. 3 直接转矩控制的改进方案76

5、3. 3. 1 模糊控制的直接转矩控制3. 3. 2 预测转矩的直接转矩控制 76 763. 4 采用谐振极软开关逆变器的直接转矩控制773. 4. 1 RPZVT 逆变器的构成及工作原理773. 4. 2 控制系统的构成793. 4. 3 控 制 原理793. 4. 4 仿真及实验结果813. 5 PWM 整流器的控制823. 5. 1 PWM 整 流器823. 5. 2 SVPWM 功率滞环控制系统843. 6 双 PWM 变频器系统863. 6. 1 系统的构成863. 6. 2 四象限运行的控制86参考文献89第 4 章三电平 SVPWM 技术904. 1 三电平逆变器904. 2 三

6、电平电压空间矢量的分布934. 2. 1 逆变器三电平的产生934. 2. 2 三电平空间电压矢量与分析944. 3 三电平 SVPWM 控制算法974. 3. 1 传统的三电平 SVPWM 算法4. 3. 2 60坐标系 SVPWM 的算法 98 1024. 3. 3 三电平 SVPWM 分解为两电平 SVPWM 的简化算法1054. 3. 4 扇区两位数编号法1054. 4 中点电压平衡问题1074. 4. 1 逆变器中点电压波动的原因和控制1074. 4. 2 电压矢量与中点电流的关系1074. 4. 3 抑制中点电压不平衡的控制方法1094. 5 三电平 SVPWM 算法的特点与电压矢

7、量的优化116参考文献118第 5 章三电平 SVPWM 技术的应用1195. 1 三电平 SVPWM 技术在矢量变换控制中的应用1195. 1. 1 NPC 逆变器矢量控制调速系统的构成与控制原理1195. 1. 2 SVPWM 算法1215. 1. 3 中点电压平衡问题的其他解决方法1225. 1. 4 SVPWM 矢量控制的效果1235. 2 三电平 SVPWM 技术在直接转矩控制中的应用1255. 2. 1 采用优化矢量表的直接转矩控制系统1265. 2. 2 采用自适应技术的优化矢量表直接转矩控制系统1275. 2. 3 三电平逆变器直接转矩控制在连续混炼机中的应用1295. 3 三

8、电平整流器的 SVPWM 控制和双 PWM 调速系统1325. 3. 1 三电平整流器的结构1325. 3. 2 整流器控制原理1335. 3. 3 三电平整流器 SVPWM 控制系统1365. 3. 4 双 PWM 变频调速系统1375. 3. 5 单相三电平 PWM 整流器1405. 4 同步电动机变频调速的 SVPWM 控制 1465. 4. 1 概述1465. 4. 2 永磁式同步电动机直接转矩控制1475. 4. 3 励磁型同步电动机矢量控制148参考文献149第 6 章多电平 SVPWM 技术及其应用1506. 1 多电平逆变器1506. 1. 1 高压变频器1506. 1. 2

9、多电平逆变器1516. 1. 3 多电平逆变器分类1516. 1. 4 多电平逆变器的优缺点1556. 2 多电平逆变器空间电压矢量与分布1556. 3 多电平 SVPWM 控制算法1586. 3. 1 算法的复杂性和解决的基本思路1586. 3. 2 各种坐标系算法1596. 3. 3 多电平 SVPWM 简化算法二例1636. 4 五电平逆变器三维 SVPWM 控制1686. 4. 1 五电平逆变器结构和开关逻辑1696. 4. 2 两层 3D - PWM 电压矢量滞环控制策略1706. 5 级联型 （ 功率单元串联） 逆变器在有源滤波系统中的应用1716. 5. 1 错时采样空间矢量调制

10、 （ STS - SVM） 的工作原理1716. 5. 2 级联型逆变器 STS - SVM 在有源电力滤波 （ APF） 系统中的应用173参考文献176第 7 章SVPWM 技术工程应用实例178实例 1 SVPWM 技术在电动游览车中的应用178实例 2 基于电压空间矢量脉宽调制的水泵压力闭环控制系统184实例 3 基于电压空间矢量的电动汽车电驱动系统高效快速转矩响应控制193实例 4 多电平变流器在风力发电系统中的应用实例 5 SVPWM 技术在单相逆变电源中的应用 200 209实例 6 TR08 磁浮列车驱动控制系统的研究 219第 1 章变频调速与 SVPWM 技术SVPWM 技

11、术是空间矢量脉冲宽度调制技术的简称， 它是变频调速逆变器所用的调制技术， 故有时称为逆变器 SVPWM 技术。 虽然目前 SVPWM 技术已跨越调速进入了其他领域， 但主要应用还是在变频调速。 所以为了讲述这种技术， 有必要先了解变频调速系统的构成、 各个环节的作用、 系统会出现的问题与对策， 以及 SVPWM 技术起什么作用、 有什么优点。 本章将扼要讲述这些内容， 以便与下面讲述 SVPWM 技术相衔接， 使读者易于接受与理解。1. 1变频调速概述1. 1. 1变频调速系统变频调速系统由变频器、 电动机和控制系统三大部分构成， 有时还包括负载。 变频器是一个能改变频率的交流电源， 它是系统

12、的核心。 控制系统主要由控制器和电流、 转速等检测仪器组成， 用于按照给定指令， 调节电动机的转速和控制电动机的转矩， 完成传动任务。 电动机主要是异步电动机， 少数场合用同步电动机。 负载即各类工作机械、 设备， 用于完成各种生产任务。 整个变频调速系统如图 1- 1 所示。51. 1. 2变频器图 1- 1 变频调速系统变频器是一个变频电源， 可分为 “ 交 - 直 - 交” 和 “ 交 - 交” 两大类， 所谓 “ 交 - 直 - 交” 就是将交流电输入， 经整流器整流变成直流电， 然后经过滤波环节， 再进入逆变器， 逆变成三相频率可调的交流电， 故称 “ 交 - 直 - 交”； 又分电

13、压型 （ 大电容滤波） 和电流型 （ 大电感滤波） 两类。 所谓 “ 交 - 交”， 就是将交流电送入变频器后直接变成三相频率可调的交流电输出， 故称 “ 交 -交”。 目前用得最广泛的是交 - 直 - 交电压型变频器， 故本书将其作为重点。 由于电流型也可用 SVPWM 技术， 故作简单介绍， “ 交 - 交” 变频器与 SVPWM 技术无关， 故只作简述。1. 交 - 直 - 交电压型变频器图 1- 2 所示为一个六拍交 - 直 - 交电压型三相变频器拓扑结构， 左侧为二极管不可控整流器， 提供直流电源； 中间为大电容滤波， 以获得平直的直流； 右侧为逆变器。 逆变器用 6 个 IGBT

14、（ Insulated Gate Bipolar Transistor， 绝缘栅双极型晶体管） VT1 VT6 构成三相逆变桥 （ 称为六拍三相桥）， VT1 、 VT3 、 VT5 为共阳极组， VT2 、 VT4 、 VT6 为共阴极组； 每个桥臂有 2 个 IGBT 串联， 从连接点引出三相接线。 把一个周期 T 等分为 360 （ 见图 1- 4）， 将VT1 VT6 以相隔 60的电角度依次导通， 每个 IGBT 导通 180； 任一时刻有三个 IGBT 导通， 同桥臂的另一个 IGBT 必须关断； 这样工作下去， 逆变器便可对三相负载 R 输出三相交流电。 调节触发频率 （ T 时

15、间长短） 便可调节输出交流电的频率， 其波形如图 1- 4 所示。图 1- 2 IGBT 三相变频器图 1- 2 中 Ud 为直流电源电压， E 为 Ud / 2， O 为理想中性点， O为负载中性点。 uA 、 uB 、 uC 为 A、 B、 C 三点电位， uAO 、 uBO 、 uCO 和 uAB 、 uBC 、 uCA 分别 表示负载上的相电压和线电压。先求两个中点间的电压 uOO 。 在 0 60区间， 等效电路如图 1- 3a 所示。RUPO =2 R 2E = 2 ER + 23uOO = - UPO + E = - 2 E + E = 1 E = （ 1 ） 1 Ud = 1

16、Ud33326在 60 120区间， 等效电路如图 1- 3b 所示。图 1- 3 等效电路UPO =R R 2E = 4 ER + 23uOO = - UPO + E = - 4 E + E = - 1 E = （ - 1 ） 1 Ud = - 1 Ud33326其余类推， 便可得到图 1- 4 所示的 uOO 波形。再求 uA 、 uB 、 uC ， 它们的求法主要看 IGBT 的导通情况。 例如求 uA ， 当 VT1 导通时， uA = UP = E = Ud / 2， 而在 VT4 导通时， uA = UQ = - E = - Ud / 2。 同理可求 uB 、 uC 。在上述数据求

17、得后， 负载相电压及线电压就可以按照下列式子计算：uAO = uA - uOO uBO = uB - uOO uCO = uC - uOO uAB = uAO - uBO uBC = uBO - uCOuCA = uCO - uAO1T 0AOTudt2例如求相电压 uAO 有效值：uAO=4 1 3 （ 1 U）2 dt + 2 1 3 （ 2 U）2 dt（1- 1）线电压有效值：2 03d2 2 0 1d23U dt2= 0. 471Ud2 03d1T 0ABTudt2uAB =因此= 0. 816Ud（1- 2）uAB uAO0. 816U0. 471Ud=d = 3uAB = 3UA

18、O从计算结果可以看到， 线电压与相电压有效值之比为 3， 可见逆变器输出电压为三相交流， 便可描绘出相电压和线电压的波形， 如图 1- 4 所示。图 1- 4 电压型三相变频器输出波形IGBT 的驱动信号发生电路可参看电子学教科书。 从式 （1- 1） 和式 （1- 2）可知， 改变直流电压 Ud 便可改变逆变器输出交流电压， 从而完成变压变频（ VVVF） 的功能 注1 。图 1- 2 所示的三相拓扑结构， 由于 IGBT 导通角为 180， 故称为 180导电型逆变器； 还有一类逆变器， 在一个周期内每个开关管导通 120， 同时有两个开关管导通， 称为 120导电型逆变器。 故电压型三相

19、变频器分两类： 180 导电型和 120导电型。请读者注意， 由于交 - 直 - 交变频器实质上是逆变器直变交， 因此一般说逆变器就是指交 - 直 - 交变频器， 特别是电压型， 以下各章说逆变器就是指电压型变频器。2. 交 - 直 - 交电流型变频器（1） 结构和工作原理 交 - 直 - 交电流型变频器的结构和工作原理与电压型相似， 为六拍三相桥， 只是直流环节采用大电感滤波； 分强迫换相式、 自换相式、 滤波器换相式和负载换相式， 现以强迫换相式为例叙述于下：强迫换相式常见的为串联二极管式， 其主电路拓扑结构如图 1- 5 所示， 变频器的整流部分为可控整流器， 可供应直流电源及作回馈电能

20、给电网用。 Ld 为滤波电感。 逆变器由 6 个晶闸管组成。所谓强迫换相， 是指逆变器从一相转入另一相时需要将原来导通的开关管强行关断。 这里开关管是指晶闸管。 晶闸管是一种半控器件， 一经导通就不能自行关断， 此时如果同一桥臂另一个开关管导通， 则会造成直流电源短路， 逆变器便无法工作下去， 因此必须使之关断。 在常用的晶闸管逆变器中， 采用强迫关断的方法， 即借用所谓换相回路， 对该晶闸管施加反压， 将其关断， 这个关断过程叫做强迫换相。下面讲述电流型逆变器换相过程。逆变器中 6 个晶闸管在一个周期 T 内， 任何时刻， 上下两组中各有一个导通， 次序是 VTH1 VTH6 ， 导通时间为

21、 120， 故属于 120导电型。 图 1- 6 所示为当 VTH6 和 VTH1 导通时， 电流 Id 经 VTH1 VD1 A 相B 相VD6 VTH6 成 一回路， 此时 iA = Id ， iB = - Id ， iC = 0， 依此类推， 可得三相电流波形为矩形波， 如图 1- 7 所示。 而电压波形主要决定于电动机的电动势， 也示于同一图中， 这是与电压型不同之处。 改变周期 T 就改变了频率。图 1- 5 串联二极管式变频器结构图 1- 6 换相过程逆变器中有 6 个电容 C1 C6 ， 为换相电容， 起换相作用， C1 、 C3 、 C5 和C4 、 C6 、 C2 等效为 3

22、C / 2。 6 个串联二极管， 起隔离换相电容与负载之用， 防止电容上的电压经负载放电。 在换相过程中， 电动机绕组电动势参与了作用。 换相过程以从 VTH5 换相到 VTH1 来说明：图 1- 7 电流型逆变器输出波形1） 晶闸管换相与恒压充电阶段： 触发 VTH1 开始了电流从 C 相到 A 相的换相过程。 由于 VTH1 导通， 换相电容上所充的电压极性， 使 VTH5 立即处于反偏关断， 电流 Id 转移到 VTH1 ， 但此时换相电容 3C / 2 上电压 UC ， 仍高于电动机电压 UCA ， 故VD1 仍处于反偏截止状态， 负载电流仍流经VD5 ， 换相电容被反向充电， 保持负

23、载电流 Id 不变， 直到 UC UCA ， 二极管 VD1 开始正偏为止。2） 换相阶段： VD1 开始导通后， C 相电流由 Id 下降， 而 A 相电流由零上升； 这一阶段 VD1 、 VD5 同时导通。 当 C 相电流下降到零时， 换相阶段结束， 在此阶段中， 电动机端电压出现尖峰， 这是由于电流转移过程中， di / dt 在漏感L上产生的电压降而造成的， 在换流结束时， 换流电容上电压达最大并不改变。3） 正常运行阶段： 自 C 相电流为零的时刻起， VD5 关断， 直流电流经VTH1 VD1 VTH6 VD6 在 AB 相中流动而进入正常运行阶段。（2） 四象限运行 图 1- 5

24、 所示的变频器中整流器为可控整流器， 可以进行四象限运行。 当电动机正转运行于第一象限时， 降低频率减速或停车， 由于惯性， 转子仍按原转速旋转， 即转子频率大于同步频率， 电动机处于发电状态而进入第二象限。 等到所储蓄的动能消耗完毕时， 电动机低转速运行， 回到第一象限或停止。 在发电状态时， 产生的电能经逆变器的回馈二极管整流变成直流； 此时调整整流器的触发延迟角大于 90， 进入逆变状态， 将直流逆变为交流送回电网， 形成能量回馈。 如果电动机原为反转， 则处于第三象限， 当减速或停车， 同样进入发电状态和第四象限， 产生能量回馈作用， 因此此种带有可控整流器的变频器具有四象限运行能量回

25、馈功能， 如图 1- 8 和图 1- 9 所示。 若使图 1- 5 所示的变频器有此功能， 整流器必须为可控， 开关器件也采用全控型 IGBT。3. 交 - 交变频器交 - 交变频器就是将某一固定频率的交流电直接变换为频率可调的交流电， 除了能调频外， 还要求能调压， 其基本原理可用图 1- 10a 所示的单相变频器说明， 由正、 反两组可控整流器反并联组成。 两组均输入交流电， 设正组整流器导通工作， 反组整流器关断， 则在正组图 1- 8 四象限运行输出电压 Ep 作用下， 负载电压上端为正， 下端为负。 隔一定时间关断正组， 导通反组， 在反组输出电压 EN 作用下， 负载流过的电流 I

26、N 使负载电压下端为正， 上端为负。 再隔相等时间， 关断反组导通正组， 负载电流又使负载上端为正、 下端为负。 如此重复工作下去， 负载上便获得如图 1- 10b 所示的矩形交流电压。 虚线表示其基波分量。图 1- 9 四象限运行示意图图 1- 10 交 - 交变频原理71. 1. 3电力电子电器件用于变频器的功率器件可分为三类： 1） 不控型两端器件， 如二极管；2） 半控型三端器件， 不控制关断， 如晶闸管；3） 全控型三端器件， 可控制导通、 关断， 如 IGBT。功率器件主要的技术参数是电压、 电流、 工作频率、 开通时间等， 生产厂商将电压、 电流分成若干等级， 供用户按变频器的容

27、量选用。变频器所用的功率器件应具备的条件有如下几项：1） 功率器件在关断状态下， 应有足够的耐压能力， 以适应所在电网高电压的要求， 不致被击穿损坏； 在此高电压作用下， 漏电流不得大于允许值。2） 在导通状态下， 具有较高的电流密度， 能通过足够的电流定额， 满足负载的需要， 内阻要小， 通态电压降要低。3） 开关损耗要小， 同时在开关状态转换时具有足够短的开通时间和关断时间， 使开关频率提高， 同时 SPWM 的载波频率得以大大提高， 输出波形更接近正弦波。4） 开关转换时能承受系统的 di / dt、 du / dt， 保证系统正常运转。5） 控制极驱动功率小， 损耗小， 与上一项开关损

28、耗相结合， 使变频器的功率损耗大为降低， 以适合变频装置的需要。6） 器件热阻小， 内阻小， 饱和压降小， 电流容量大。 才能使器件工作极限温度高。根据以上要求， 生产厂商对功率器件确定每一个等级产品的定额参数， 并记入说明书中， 供用户选用。1. 二极管二极管是一种两端器件， 功率二极管与一般小型二极管的区别是电压、 电流定额很高、 功率很大， 因此尺寸较大。 在变频器中的主要用途有：1） 用于不可控整流器， 作为变频器的直流电源。2） 在逆变器中作反馈滞后电流用， 又称续流管。3） 在多电平高压变频作钳位用。 因此二极管在变频器中也属于重要的功率器件。 用于变频器的功率二极管目前的技术水平

29、为 8kV/ 5kA， 工作频率为 400Hz， 且还在提高中。2. 晶闸管晶闸管是最早开发成功的开关器件， 可说是开关器件中的 “ 元老”。 在低压变频器和高压变频器中用作可控整流器和逆变器， 完成整流或逆变任务， 其结构和图形符号如图 1- 11 所示。 对于不同的功率器件， 具有不同的控制极， 如晶体管为基极、 MOSFET 和 IGBT 为栅极、 晶闸管为门极， 这里泛指时称为控制极。55当晶闸管阳极加上正向电压， 门极加上触发脉冲便可导通， 导通后， 只要电流不小于维持电流 IH 就不会关断。 其恢复关断的条件是1） 撤去正偏电压 （ 阳极电压）。2） 对阴极加上反偏正电压强迫关断，

30、 一般用换相回路来实现， 这会增加变频器的损耗。3） 导通后， 使电流减小到某一值便会使其自然关断， 此电流值叫做维持电流 （ IH ）， 意思是只要晶闸管电流大于此值就会保持导通。晶闸管分普通型和其他派生型。 普通晶闸管的主要特性参数有图 1- 11 晶闸管的结构图形符号1） 额定电压 UE ： 就是阻断时能承受的电压， 是现今所有开关器件最高的， 达 12kV 或更高， 被称为超大功率器件。2） 额定电流 IE ： 能长期通过的电流， 其数值很大， 达 1kA 以上。3） 工作频率： 也称为开关频率， 即单位时间内器件能够反复通断而不致误动作的开关次数。 工作频率与开通时间 ton 和关断

31、时间 toff 有关。 所谓开通时间是指晶闸管门极从加上触发脉冲起， 到管子完全导通的时间； 关断时间是指管子承受阻断条件起， 到完全阻断的时间。晶闸管的工作频率只有 100Hz， 在 IGBT、 IGCT （ Integrated Gate - Commuta- ted Thyristor， 集成门极换流晶闸管） 等器件未研制成功之前， 曾经挑起变频调速的重任， 目前只在特大功率下、 频率要求很低的场合尚有应用。3. 门极关断晶闸管门极关断晶闸管 （ Gate Turn - off Thyristor， GTO Thyristor） 与普通晶闸管不同之处是， GTO 导通后， 对其门极加一足

32、够大的负脉冲， 就可使其关断， 故属于全控器件。GTO 的特性参数涵义很多和晶闸管是相同的， 只是数值有所区别。 电压/ 电流为 9kV / 6kA， 也被称为超大功率器件。 工作频率达1kHz， 已适合 SPWM 之用， 至今仍不失为变频器的一支主力军， 并已模块化。 GTO 是一种 PNPN 四层结构的电力电子器件， 其结构和图形符号如图 1- 12 所示， 和普通晶闸管一样，有阳极 A、 阴极 K 和门极 G。图 1- 12 GTO 的结构和图形符号 为方便起见， 人们习惯用 GTO 代表门极关断 （ GTO） 晶闸管。4. 大功率晶体管大功率晶体管 （ Giant Transistor

33、， GTR） 的结构和图形符号和小型晶体管相同。 目前常用的大功率晶体管分为三种： 双极型 GTR、 达林顿晶体管和 GTR 模块。 达林顿晶体管由多个单管复合而成， 虽然提高了电流增益， 但饱和电压降增大， 开关速度较慢； 故常用的为双极型 GTR 和 GTR 模块。 GTR 的主要参数有：1） 最高电压额定值 Ucm 即集电极的击穿电压值， 达 1. 8kV。2） 最大电流额定值 Icm 1kA3） 基极最大电流值 IBM IBM = （1 / 2 1 / 6） ICM4） 最高工作频率： 500 1000 HzGTR 的电压/ 电流等级较高， 在较低的高压等级条件下常被采用。 GTR 的

34、主要缺点是易发生二次击穿， 因此需要可靠的保护， 此外耐电流浪涌能力 di / dt 也较差， 也需有效保护； 这些因素限制了它的用途。5. 功率场效应晶体管功率 （ 金属 - 氧化物 - 半导体） 场效应晶体管 （ Metal - Oxide - Semiconduc- tor Field - Effect Transistor， MOSFET） 是普通绝缘栅场效应管大功率化， 其耐压达 1000V， 最大电流达 200A， 它比 GTR 优越的地方是：1） 开关频率高， 为 20kHz， 而 GTR 只有 10kHz；2） 稳态工作时栅极无电流通过， 只有在动态过程才有位移电流出现， 因此

35、所需驱动功率比GTR 小得多， 驱动电路也比较简单。 因此 MOSFET 在新一代变频器中得到了广泛应用。 许多变频器之所以选用它， 主要是有利于采用SPWM 技术。MOSFET 结构和工作原理与普通场效应晶体管相同， 其图形符号如图1- 13 所示， 左图为N 沟道 MOSFET， 右图为 P 沟道 MOSFET。 三个极分别为漏极 D、 源极 S 和栅极 G， 目前它多和续流二极管并联制成模块， 每个模块为一桥臂二单元 （ 即两个器件串联）， 使用甚为方便。 MOSFET 目前技术水平， 耐压 （ 开路阻断电压） 为 1000V， 电流 （ 最大持续电流） 为200A， 因此很有应用市场。

36、6. 绝缘栅双极型晶体管图 1- 13 MOSFET 图形符号绝缘栅双极型晶体管 （ IGBT） 是新一代变频器中用得最普遍的开关器件， 可说是 “ 当家花旦”。 其所以如此， 是因为是它是一种将 GTR 与 MOSFET 巧妙结合一起的电压型双极/ MOS 复合器件； 取长补短， 具有输入阻抗高、 开关速度快、 器件损耗小、 驱动电路简单、 驱动功率小 （ 可用集成块驱动）、 极限温度高、 热阻小、 饱和压降和电阻低、 电流容量大、 抗浪涌能力强、 安全区宽、 并联容易及稳定可靠等一系列优点， 超过 GTR 和 MOSFET， 实为一种理想的开关器件。 图 1- 14 所示为 IGBT 的图

37、形符号和等效电路。 目前 IGBT 已制成模块供应， 有一单元 （ 一个器件并联续流二极管）， 二单元 （ 两个单元串联即一个桥臂）， 六单元 （ 三个二单元构成三相桥） 等型式。当 IGBT 集电极电流 Ic 瞬时过大， 即使撤去栅极电压， 器件也会导通， 使栅图 1- 14 IGBT 图形符号和等效电路极失去控制作用。 如果外电路不能限制 Ic 增长， 则可能发生二次击穿， 损坏器件。 设计和运行时应考虑防止出现这种现象。 IGBT 的安全区较宽， 这对于保证正常工作是一个有利条件。IGBT 运行时也有偶然发生短路的现象， 可以装设过电流限制电路， 最新模块就有此种电路。 通常用过电流产生

38、到器件开始损坏这段时间来标志该器件承受短路的能力； 时间越长， 说明承受能力越强。IGBT 也有一些缺点， 如 HVIGBT （ 高压 IGBT） 内阻较大， 使通态压降和损耗较大 （ 不及 IGCT）， 应用于高压变频器中时常常是串联使用。7. 智能功率模块智能功率模块 （ Intelligent Power Module， IPM） 是以 IGBT 电路为基础的集成电路， 是电力电子技术发展史上的重大成果。 首先是日本三菱电机公司， 后来又有一些外国厂商开发出各种品牌的 IPM， 使应用 IGBT 变得更为方便可靠。 因为 IPM 将 IGBT 和驱动电路、 保护电路、 检测电路等集成为一

39、个模块， 这就大大地方便了使用， 缩短了设计与开发时间， 增强了可靠性， 图 1- 15 所示为 IPM 结构示意图。 其特点如下：1） 模块内集成了电流互感器， 可以检测过电流、 短路电流， 不需要另设检测仪器仪表， 降低了成本。2） 模块内有过电流、 短路、 电源欠电压， 过热等保护功能， 如果某种功能工作， 即使输入是导通信号， 也变为关断状态， 并发出故障信号， 确保安全使用， 提高了可靠性。3） 不需要实施 MOS 系列的防静电措施， 操作非常方便。8. 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 （IGCT） 也是现有的高压变频器中大量采用的开关器件， 与IGBT 可称为 “ 变频双璧”

40、 或 “ 姊妹花”。 其图形符号如图 1- 16a 所示， 门 目前 IGCT 的图形符号在国内还没有统一的标准， 图 1- 16a 中给出的为示意图， 图 1- 16b 为国外文献上出现的几种图形符号。图 1- 15 IPM 结构示意图极上连接的方框即为触发集成电路。 IGCT 常用于大功率高压变频器。 它是在 GTO 基础上发展起来的器件， 保留了 GTO 导通压降小， 电 压 、 电 流 高 （ 4500 6000V， 4000 6000A） 的优点， 又克服了GTO 开关性能差的缺点 （ 触发功率大、 开关频率低）， 所以它和IGBT 旗鼓相当， 适合高压大容量变频器的要求。 IGCT

41、 分逆导型、图 1- 16 IGCT 符 号a） 图形符号 b） 国外文献中出现的几种画法逆阻型和非对称型。 制造厂商将开关器件和触发电路做成一个整体， 这种模块用6 个器件便组成一个三相桥， 使用十分方便， 因此， IGCT 有取代 GTO 的可能。9. MOS 控制晶闸管MOS 控制的晶闸管 （ MOSFET Controlled Thyristor， MCT） 是 MOSET 与双极型器件结合的产品， 实际上是一种 MOS 控制的 GTO。 与 IGBT 不同的是通过MOS 控制发射极短路来实现关断， 其结构与图形符号如图 1- 17 所示。 此种器件也具有高输入阻抗与快速开关能力， 且

42、电压高、 负载电流大， 驱动功率小又不要另加关断电路， 故最适于取代GTO。 目前MCT 电压电流定额为1kV/ 100A， 已经投入使用。 GTO 关断的门极触发电流为阳极电流的 1 / 5， 对大容量变频器实在不利； 而且开关频率只有 300Hz， 而MCT 达 2kHz， 故MCT 也是有很大发展前途的器件。图 1- 17 MCT 结构与图形符号1. 2变频器谐波的影响与对策由于变频器中开关器件离散工作的特性， 在其输入输出电压和电流中并非正弦波， 除了基波之外还含有丰富的谐波， 基波是产生转矩工作的， 而谐波会给变频器的周边设备带来各种不良的影响， 特别是高压变频器电压很高、 容量很大

43、， 所以影响程度更大， 更值得注意。变频器产生的谐波可以分为以下几类：1） 输入侧谐波： 接入电网的变频器， 使供电电源的波形发生畸变， 将给处于同一供电电源的其他设备带来不良影响， 使这些设备出现故障， 不能正常工作。 这类输入侧引起的谐波称为输入侧谐波或简称输入谐波。2） 输出侧谐波： 变频器输出侧输出的谐波， 会使驱动的电动机产生噪声、振动和发热， 使电动机往往不能正常工作， 这类谐波称为输出侧谐波或简称输出谐波。3） 电磁波： 采用 PWM 控制方式的逆变电路中， 开关器件以相当高的频率进行开关动作， 因此变频器的输出电压和输出电流中含有可达到数十兆赫的高次谐波， 并通过静电感应和电磁感应而成为电波噪声， 叫做电磁干扰 （ Electromag- netic Interference， EMI）。 还有变频器内电子电路中也可能产生电磁辐射电波。电波噪声对变频器周边电气设备的影响主要是对通信设备、 仪器仪表和电视广播等的干扰， 由于它不属于本书范围， 所以在此不作讲述， 读者可参看有关文献。1. 2. 1输入侧谐波的影响与对策1. 谐波的产生与影响交 - 直 - 交电压型变频器的输入是将交流电源转换为直流电源的整流电路。由于整