第3章摇电动机驱动电源和功率器件.PDFVIP

第3 章摇 电动机驱动电源和功率器件 三相逆变器是交流电动机重要的驱动电源, 特别是三相全控桥式电压型逆变器。 它具有 器件自身换流功能, 可以产生任意频率的三相交流电。 本章只讲述作为电动机驱动电源的三 相逆变器的基本内容, 包括逆变电路的基本工作原理, 三相桥式电压型电路结构, 工作原理 和重要的辅助电路。 内容中涉及一种最基本的控制技术即六拍阶梯波控制方式, 关于代表着 高品质逆变器控制技术的内容会在第4章 “PWM控制技术冶 中进一步讲述。 换相方式在逆变电路中占有突出的地位, 本章涉及的只是器件换流, 即利用全控型开关 器件的自关断能力进行换相。 在介绍全控型器件的种类和发展后, 重点讲述了IGBT 的特 性, 以及器件的驱动和保护设计等。 在最后一节, 出于驱动电源设计的高性能化、 小型化, 以及使用简单化等要求, 较为详细地讲述了智能功率模块 (IPM) 的设计内容。 3郾1摇 逆变电路 把直流电变换成交流电称为逆变。 当交流侧直接和负载连接时, 称为无源逆变, 电动机 驱动电源电路就是典型的电压型无源逆变电路。 本节先简单讲述无源逆变电路的基本工作情 况, 然后从实际应用出发, 讲述两种三相桥式电压型逆变电路, 即两电平逆变电路和三电平 逆变电路。 3郾1郾1摇 基本工作原理 为了方便理解, 下面以图3鄄1a所示的单相桥式逆变电路为例来说明逆变电路最基本的 工作原理。 图中S ~S 是桥式电路的4 个桥臂, 它们由功率开关器件构成。 当开关 S 、 S 1 4 1 4 闭合, S 、 S 断开时, 负载电压u 为正; 当开关S 、 S 断开, S 、 S 闭合时, u 为负, 其波 2 3 0 1 4 2 3 0 形如图3鄄1b所示。 这样, 开关器件就把直流变成了交流, 改变两组开关的切换频率, 即可 改变输出交流电的频率。 这就是逆变电路最基本的工作原理。 图3鄄1摇 逆变电路及其波形举例 当电路中负载为电阻时, 负载电流i 和电压u 的波形形状相同, 相位也相同。 当负载 0 0 为阻感时, i 相位滞后于u , 两者波形的形状也不同, 图b 给出的就是阻感负载时的i 波 0 0 0 40 交流伺服系统设计指南 形。 假定t 时刻之前S 、 S 是导通的, 并且u 和i 均为正, 则在t 时刻断开S 、 S , 同时 1 1 4 0 0 1 1 4 合上S 、 S , 于是u 的极性立刻变为负。 但是, 因为负载中有电感, 其电流方向不能立刻 2 3 0 改变而仍维持原方向。 这时负载电流从直流电源负极流出, 经S 、 负载和S 流回正极, 负2 3 载电感中储存的能量向直流电源反馈, 负载电流逐渐减小, 到t 时刻降为零, 之后i 才反向2 0 并逐渐增大。 再之后, S 、 S 断开, S 、 S 闭合时的情况与其类似。 上面是S ~S 均为理想 2 3 1 4 1 4 开关器件时的分析, 实际电路的工作过程要复杂一些。 3郾1郾2摇 三相桥式电压型逆变电路 三相桥式电压型逆变器的主电路结构如图3鄄2所示, 因为直流侧有滤波电容器, 所以逆 变电路电源成为低阻抗的电压源, 电动机可以稳定地运行。 通常, 直流侧只有一个电容器就 可以了, 但是为了分析方便, 画成两个相等的电容器串联在一起, 并在中间标出了假想中点 N忆。 每相由两个功率开关器件构成, 上面的称为上桥臂, 下面的称为下桥臂, 上下桥臂的 开关器件交替导通工作。