1变频器常用逆变器件简介

　　变频调速在调速领域越来越占据主导地位。

　　70年代，大功率晶体管(GTR)的开发成功，奠定了变频调速技术的基础。80年代，绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现，使其工作频率比GTR又提高了一个数量级。从而使变频调速技术又向前迈进了一步。趋近于直流调速的性能和明显的节能效果，使变频调速的应用日益广泛。但GTR或IGBT在能实现高速开断的同时，也显示出其对耗散功率的脆弱性。在运行过程中，躲过放大状态这一工作禁区，实现对GTR或IGBT的保护显得尤为重要。

　　1.1大功率晶体管GTR

　　GTR是一种放大器件，变频器用的GTR一般都是达林顿复合晶体管，具有3种工作状态。

　　(1)放大状态

　　其基本工作特点是集电极电流IC的大小随基极流IB而变化，即IC=βIB.GTR处于放大状态时，其耗散功率PC较大。设UC=200V，RC=10Ω，β=50，IB= 200mA.则：IC=β×IB=50×0.2=10(A)

　　UCE=UC-IC×RC=200-10×10 =100(V)

　　PC=UCE×IC=100×10=1(kW)

　　(2)饱和状态

　　IB增大时，IC随之而增大的状态必然要受到欧姆定律的制约。当β×IB>UC/RC时，IC=βIB的关系便不能再维持了，这时，GTR开始进入"饱和"状态。当IC的大小几乎完全由欧姆定律决定，即ICS≈UC/RC时，GTR便处于深度的饱和状态。据测定，GTR的饱和压降UCES约为1～5V.GTR处于饱和状态时的功耗是很小的。

　　上例中，设UCES=2V，则ICS=UC/RC=200/10=20(A)

　　PC=UCES×ICS=2×20=40(W)

　　可见，与放大状态相比，虽然电流较大，但因GTR饱和压降极小，PC极小。

　　(3)截止状态

　　这是基极电流IB≤0的结果。在截止状态，GTR中只有很微弱的漏电流流过，因此，其功耗是微不足道的。

　　GTR在逆变电路中是用来作为开关器件的，其工作过程，总是在饱和状态和截止状态间进行交替。所以，逆变用的GTR的额定功耗通常是很小的。而如上所述，如果GTR处于放大状态，其功耗将增大百倍以上。所以，逆变电路中的GTR不允许在放大状态下停留。

　　1.2绝缘栅双极晶体管IGBT

　　IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物，是栅极为绝缘栅结构的MOS晶体管。其主电路部分与GTR相同，只是控制信号为电压信号，输入阻抗很高，栅极电流几近于0，故驱动功率很小。而GTR是用电流信号进行驱动的，所需驱动功率较大。

　　2逆变器件的特点和工作禁区

　　逆变器件的特点是：击穿电压很高(如GTR和IGBT的击穿电压已可达到1200V)，最大允许电流也很大(如IGBT的集电极最大饱和电流已超过1500A)，但允许功耗却很小。所以，逆变器件只能工作在开关状态，而绝对不允许工作在放大状态。一旦工作在放大状态，例如：工作电流500A，管压降为100V，其功耗为PC=500×100=50kW，远远超过了允许功耗，逆变管将迅速损坏。所以，逆变器件在工作过程中，绝不允许在放大区这一工作禁区稍作停留。

　　3变频器内直流电源的类型及突然停电后的状态

　　3.1主电路的直流电源

　　从变频器主电路的基本结构可以看出：对于交―直―交全波整流电路，当线电压为UL= 380V的电源接通后，其直流平均电压UD为1135UL=1.35×380V=513V.需要指出，整流电压波形并非理想的直流电压，是锯齿形脉动波形，由于电容器CF的滤波作用，在整流回路负载内阻RL不太大，而RLCF较大的条件下，UD的实际电压要高于513V.理论上，UD值可由下面的公式计算，其中T为电网电压周期。

　　UD=2UL(1- T 4RLCF)

　　如果突然停电的同时，逆变管也同时停止工作，由于滤波电容的储能作用，直流电压衰减很慢。如逆变管继续工作的话，电压UD的下降是较快的，但要降到0V，也需要若干秒。

　　3.2控制电路的直流电源

　　由于控制电路对电源电压的稳定度要求很高，因此，电路中滤波电容的容量往往很大。停电后，一般可继续工作达数10s之久。

　　3.3驱动电路的直流电源

　　其主要特点是：(1)6个逆变管中，3个和直流电源的"+"端相连，另3个和直流电源的"-"端相连，又分别属于不同的相。所以，除与"-"极相接的3个可共用一个直流电源外，与"+"极相接的3个驱动电路的电源是各自独立的;(2)逆变管由截止状态转为导通的瞬间，要求驱动电路能提供较大的基极电流或栅极电压，以利于迅速饱和。

　　导通之后，又希望适当减小基极电流或栅极电压，减轻饱和程度，以利于切换时能迅速退出饱和状态。所以，驱动电路中，电源的储能元件容量较小。停电时，如逆变管为GTR管，则由于驱动电路提供的基极电流较大，其电源电压下降的较快。

　　如逆变管为IGBT管时，驱动电路的输出功率不大，电源电压下降稍慢。

　　4突然停电的后果及对策

　　4.1突然停电的后果

　　(1)当逆变器件是GTR管时，主要矛盾是驱动电路的电源电压及所提供的基极电流下降较快，将可能使GTR管因进入放大状态而迅速烧坏。

　　(2)当逆变器件是IGBT管时，由于驱动电路的功耗甚微，故IGBT管进入放大状态的可能性不大，但突然失电后，电源电压UIN在t0时间内迅速下降，整流电压UD减小，变频器输出电压降低。由于电机转矩与变频器输出电压的平方成正比，导致电机转矩大幅度减小，而此时负载不变，促使电机电流增大。也就是说，由于变频器的输出电压不断下降，将引起电动机的过电流。

　　4.2保护措施

　　(1)逆变器件为GTR管时，一旦停电，控制电路应立即停止向驱动电路输出信号，使驱动电路和GTR管全部停止工作。电动机将处于自由制动状态。

　　(2)逆变器件为IGBT管时，在停电后，将允许变频器继续工作一个极短的时间td.对于td有两种规定和调试方法：一种是具体的规定时间，如15ms;另一种为主电路的直流电压下降到源值的85%所需的时间。当停电时间超过td时，控制电路立即停止输出信号，使电动机处于自由制动状态。

　　a―电源电压;b―控制电源电压;c―电机转速;d―从fx 1开始恢复;e―从0恢复;f―从fx 2开始恢复5对变频器瞬时停电的处理所谓瞬时停电，是指突然停电后，在短时间内电源又恢复的情形，电源恢复后，拖动系统能否接着运行，在现场调试时，应遵循以下3条原则：

　　(1)如停电时间t0<td，即电源停电后又在td时间内恢复，则整个系统将持续工作。< p="" style="margin: 0px; padding: 0px; list-style: none;">

　　(2)如停电时间t0小于控制电路电源的电压维持时间tc，则允许电动机自动的接着运行，而不必跳闸。

　　(3)当t0>tc时，变频器应调整为跳闸。

　　当tc>t0>td时，运行状态衔接。当电源又合上时，需略等待一个短时间tw，确认电源已经恢复后，变频器将重新开始工作。

　　这时，电动机的转速已经以自由制动的方式降为nMd了。于是出现了"变频器以多大的频率重新开始工作"的问题。大致的处理方法有3种：

　　(1)变频器按停电前的工作频率fx1恢复工作。这时，同步转速n0必将比电动机的实际转速nMd大得多，其状态与"升速过快"相类似。当电流降到允许范围后，再按设定的升速时间加速至给定频率为止。这种方法主要用于惯性较大的拖动系统中。

　　(2)变频器从0Hz开始恢复工作。如电动机的实际转速未降为0，则和"降速过快"的情形类似。如电流太大，或直流电压太高，则增大工作频率，直到电流和电压降至允许范围后，再按设定的升速时间升速。

　　(3)变频器根据停电前的工作频率和停电时间，估算出一个跟踪频率fx2。电源恢复时，从fx2开始工作，使衔接过程较平稳，如图2-f.以FUJI5000G9S/P9S变频器为例，可对其"重启动"功能码10进行0～4的范围设定;对时间和下降率功能码82/83进行设定，就可实现突然停电时对变频器的保护功能。