第一讲 变频器的主电路(二)

不错

小孙学变频——第一讲变频器的主电路（二）

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，却还是感到模模糊糊地。首先，对逆变用的igbt管就不大熟悉。”小孙说。

igbt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1－12。

（a）晶体管 （b）场效应管 （c）igbt

图1－12 igbt管的构成

“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，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。

“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管是作为开关用的吧？”小孙问。

（a）饱和导通状态 （b）截止状态

图1－13 igbt管的工作状态

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“是的。”张老师又找出了一张图，如图1－13。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，怎么觉得它有点像晶闸管呢？”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。

“哦？你是怎么量的？”张老师颇感兴趣地问。

（a）ge接电池 （b）拿掉电池 （c）接入电阻

图1－14 igbt管的粗测

“您瞧，”小孙一边画了个图1－14，一边演示起来。“当电池的‘＋’端接g极，‘－’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10kω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1－15， 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0～t1所示。

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（a）v1、x2导通 （b）v3、v4导通

图1－15 单相逆变桥

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t1～t2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。”

（a）电路结构 （b）各管的导通规律

图1－16 三相逆变桥

“啊，我明白了。”小孙从老张的图纸里找出了一张如图1－16。说：

“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（t／3）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t／6内，令v1、v6、v5导通、第2个t／6内，令v1、v6、v2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1－17。

（a）r、l电路 （b）电压电流曲线

图1－17 电阻、电感电路

“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φ角的。

0～t1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，

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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t1～t2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，电源所做的功要多一些。”

“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1－18。

图1－18 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。”

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 …… 此处隐藏：1399字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……