发布时间：2024-10-30 06:40:14 人气：
关於Q矢量
变频调速技术是提高传动系统控制性能、实现节能的重要途径〔1，2〕。目前国内数控机床主轴伺服系统主要采用直流伺服系统，而部分采用交流调速的主轴伺服系统则全部依赖进口，价格昂贵，其它异步机交流传动系统绝大多数也采用进口变频器，这不但使国家损失大量外汇，而且严重制约了我国电力电子领域高新技术产业的形成和发展。国内对变频调速技术的研究较多，但形成产品并推广应用的较少。一般的变频器大多采用V/F控制，存在着控制精度低、动态性能差、故障率高、控制功能少等缺点，尤其不适用于诸如数控机床主轴伺服等要求高精度、快响应的传动机械。
本文设计了一类由IGBT、MCS96系列CPU芯片支持的全数字转差式矢量控制系统。该系统具有精度高，调速范围宽，动态响应快，节能效果显著，可靠性高，谐波电流小，对电网污染小，安全可靠，保护功能齐全等显著优点，不仅使用于数控机床主轴伺服传动，而且还可广泛用于普通机床、风机、水泵及其它传动机械的速度控制。
2 控制策略
矢量变换控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。矢量控制是把交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换的方法把交流电机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制。矢量控制所依据的异步机数学模型是按转子磁场定向的异步电动机电压方程〔3〕：
依此可推导出如下矢量控制基本方程为
M、T坐标以同步角速度ωs旋转，M轴与转子磁通Ψr重合，θM为转子磁通定向角，随时间变化，即
定子三相电流iA、iB和iC经过坐标变换，得到同步旋转M、T坐标的两个电流分量iM和iT,它们之间的变换关系为
根据上述原理，得到矢量控制系统的框图如图1所示。
图中逆变器采用电流跟踪型PWM逆变器，励磁给定φ*r由ωr/φr函数发生器获得，转矩给定T*m由速度调节器ST给出。矢量控制器根据φ*r和T*m算出励磁电流给定i*T和转差角频率给定ω*f。ω*f与电动机转速ωr相加得到定子角速度ωs，再经积分，即得转子磁通的相位信号θM。
三相电流iA、iB和iC经矢量转换器得到磁场定向电流分量iM和iT。iM和iT分别与i*M，i*T比较，其偏差ΔiM、ΔiT通过三级磁滞控制器输出dM、dT。dM、dT和θM形成一个数据字，该数据字通过开关控制表选择相应的电压矢量，同时产生一组开关脉冲SA，SB，SC，这样就能及时而准确地控制逆变器，以获得优良的调速性能。
3 系统硬件设计
该变频器采用交直交电压型结构和SPWM磁通矢量控制方式，主回路主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。其逆变电路则由IGBT模块组成，控制部分以80C196双CPU为核心，构成功能齐全的全数字化转差矢量控制系统。系统采用通用性模块化结构，全部硬件如下：
系统硬件框图如下：
CPU1#主要完成转速环的工作，完成转速检测、转速给定的A/D采样、键盘输入、参数修改、状态显示、保护功能及故障自诊断等功能。CPU1#最重要的任务是完成转速调节器和转差调节器的数字实现，向CPU2#提供指令信号i*M、i*T、ω*f。
CPU2#主要完成电流环的工作，通过12位A/D获取三相电流和电压信号值，而后从共享RAM中得到CPU1#提供的指令值及其它重要的系统参数。根据矢量变换原理进行矢量变换运算，组成转矩角生成器、转子磁通位置合成器、MT/ABC旋转变换器、电压矢量优化器、零矢量作用时间决定器及电流滞环比较器等环节，完成矢量控制的主要工作。输出的控制电压矢量进入8255组成的互锁驱动信号电路，通过光电耦合器进入IGBT基极驱动电路。
4 系统软件设计
在本双机系统中，CPU1#主要完成转速外环的调节工作，同时给CPU2#提供PWM资源，CPU2#则主要完成电流内环的调节工作，两者共享8155内部RAM的资源。系统实时性要求较强，鉴于此，系统软件用汇编语言中的原码无符号数进行运算，以模块化方式如下编制：
由于本系统是通过控制定子电流的瞬时位置和幅值大小来控制电机的转矩和转速的，所以电流跟随特性是实现该方案的关键。通过采用先进的CPU2#芯片，改进程序设计，极大地提高了系统的运算速度。
这里采用的是三电流滞环比较方案，即利用CPU2#得到三相电流给定值，由三路霍尔元件直接测量三相实际电流的大小，两者作为电流滞环比较器的输入进行比较，得到各相输出电压矢量控制信号。另外，它还可以预防由于A/D环节采样来的实际电流值的不确定性而造成的系统运算误差甚至错误。每路输出信号控制一相桥臂晶体管的开通与关断，使每相的电流偏差变化能够控制在滞环宽度以内。滞环宽度越小，开关频率也将越高，相电流也越接近正弦波。但是频率的大小还受限于开关元件的开关频率极限能力。为了尽量降低元件的开关频率，本方案优化了输出的电压矢量，灵活地插入了零电压矢量，实际运行中可看出，它有效地降低了电机运行中的高次谐波分量，电流波形得到明显的改善，提高了本系统的稳定度，明显降低了主回路的热损耗。 5 保护电路设计
众所周知，检测、保护电路是变频器的生命线，设计周密、功能完善的检测及保护回路历来是至关重要的。控制板从主回路检测的信号共有6种，这些信号用来完成矢量控制算法和各种保护功能。
5.1 电流检测及过流保护电路
电流检测信号来自逆变器U、V两相输出端的霍尔元件，霍尔元件通过插座CN2获得15V电源。U、V两相电流检测信号经首级运放A6和A5放大20倍后送入两级运放A8和A7(如图3所示)。
调整两级运放的放大倍数即可确定过流保护动作值。U、V两相电流通过反相加法器A9叠加获得W相电流信号。U、V、W各相电流分别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较器正、反相输入端的参考电压分别为+10V和-10V。当三相电流正常时其对应的电压在±10V之间，六个比较器相与后输入为1，此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与输出信号为0，D4528的输入信号(12脚)为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三极管N2放大后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是避免一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作。
5.2 过压和欠压保护电路
直流电压检测从中间直流回路两端采集信号(如图4所示)。直流高电压(约600V)经R61、R62分压后，分别送至四个比较器A1～A4的正相输入端与四个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。
比较器参考电压取自电阻R51～R57组成的分压器，10V标准电压经电阻分压后取出四个不同的参考电压分别送至四个比较器的反相输入端，比较器输出信号经光耦隔离、阻容滤波之后再经施密特反相器把信号送至CPU进行处理。其余三个比较器的周围电阻参数均相同。
正常状态下，电压取样值(3V左右)处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出1，A3、A4输出0。B、C间的电压范围较大，当电源电压在300～460V间变化时，变频器正常工作。A、B和C、D间的电压范围均较小，一旦电压处于此范围外，变频器便发出过压或欠压预报警信号，按预定的控制顺序关机。
5.3 过热检测电路
厢体内四块散热器上各安装一只热敏元件PTH5～PTH8，四只热敏元件串联后接光耦元件P4，其原理图见图5。正常状态下，热敏元件为常闭触点，光耦导通输出信号为0；当散热片过热时热敏元件断开，光耦截止输出信号为1，该信号经RC滤波后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过热报警信号。
5.4 接地故障检测电路
接地故障检测是通过套在主回路上的线圈来检测三相电流平衡程度来实现的，其原理图见图6。正常时光耦截止输出为1。当某相对地漏电时，三相电流不平衡，检测线圈感生电势使光耦P512导通，发出故障信号。
5.5 熔断器熔断检测电路
熔断器检测是从F两端取电压信号，其原理图见图6。快熔正常时，两端电压极小，保护电路不动作。当快熔因过流烧断时，两端电压变高，光耦导通发出故障信号，经两个施密特反相器驱动后送至CPU。
5.6 转速采样
本系统要求转速采样信号准确，一般的测速器件难以满足要求，为此我们采用1024高分辨率的旋转编码器。利用A、B两相信号，通过光耦隔离输入数字测速单元。
6 实验结果及结论
这里给出了容量为22kVA的变频器的主要技术指标：输出电流为31A，基速为1500r/min，调速范围为50～4800r/min，速度控制精度小于最高转速的0.2%(10%～100%负载)。
图7给出了三电流滞环控制及优化电压矢量控制变频器在10Hz时的输出电压和输出电流波形，从实际波形中可看出，电流中高次谐波分量很小。
图8所示是本系统的动态响应曲线。系统进入稳态后突加负载(TL=50N.m)，最大动态速降仅为9r/min，恢复时间也极短。本系统在空载和负载条件下均无稳态误差，并且动态响应快、无速度超调，抗干扰能力强。
总之，该变频器总体设计周密，结构复杂、性能优良、保护功能齐全，已取得较好的推广应用效果。
变频逆变器
通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成．
利用TL494组成的400W大功率稳压逆变器电路。它激式变换部分采用TL494，VT1、VT2、VD3、VD4构成灌电流驱动电路，驱动两路各两只60V/30A的MOS FET开关管。如需提高输出功率，每路可采用3～4只开关管并联应用，电路不变。TL494在该逆变器中的应用方法如下：
第1、2脚构成稳压取样、误差放大系统，正相输入端1脚输入逆变器次级取样绕组整流输出的15V直流电压，经R1、R2分压，使第1脚在逆变器正常工作时有近4.7～5.6V取样电压。反相输入端2脚输入5V基准电压(由14脚输出)。当输出电压降低时，1脚电压降低，误差放大器输出低电平，通过PWM电路使输出电压升高。正常时1脚电压值为5.4V，2脚电压值为5V，3脚电压值为0.06V。此时输出AC电压为235V(方波电压)。第4脚外接R6、R4、C2设定死区时间。正常电压值为0.01V。第5、6脚外接CT、RT设定振荡器三角波频率为100Hz。正常时5脚电压值为1.75V，6脚电压值为3.73V。第7脚为共地。第8、11脚为内部驱动输出三极管集电极，第12脚为TL494前级供电端，此三端通过开关S控制TL494的启动/停止，作为逆变器的控制开关。当S1关断时，TL494无输出脉冲，因此开关管VT4～VT6无任何电流。S1接通时，此三脚电压值为蓄电池的正极电压。第9、10脚为内部驱动级三极管发射极，输出两路时序不同的正脉冲。正常时电压值为1.8V。第13、14、15脚其中14脚输出5V基准电压，使13脚有5V高电平，控制门电路，触发器输出两路驱动脉冲，用于推挽开关电路。第15脚外接5V电压，构成误差放大器反相输入基准电压，以使同相输入端16脚构成高电平保护输入端。此接法中，当第16脚输入大于5V的高电平时，可通过稳压作用降低输出电压，或关断驱动脉冲而实现保护。在它激逆变器中输出超压的可能性几乎没有，故该电路中第16脚未用，由电阻R8接地。
该逆变器采用容量为400VA的工频变压器，铁芯采用45×60mm2的硅钢片。初级绕组采用直径1.2mm的漆包线，两根并绕2×20匝。次级取样绕组采用0.41mm漆包线绕36匝，中心抽头。次级绕组按230V计算，采用0.8mm漆包线绕400匝。开关管VT4～VT6可用60V/30A任何型号的N沟道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列普通二极管。该电路几乎不经调试即可正常工作。当C9正极端电压为12V时，R1可在3.6～4.7kΩ之间选择，或用10kΩ电位器调整，使输出电压为额定值。如将此逆变器输出功率增大为近600W，为了避免初级电流过大，增大电阻性损耗，宜将蓄电池改用24V，开关管可选用VDS为100V的大电流MOS FET管。需注意的是，宁可选用多管并联，而不选用单只IDS大于50A的开关管，其原因是：一则价格较高，二则驱动太困难。建议选用100V/32A的2SK564，或选用三只2SK906并联应用。同时，变压器铁芯截面需达到50cm2，按普通电源变压器计算方式算出匝数和线径，或者采用废UPS-600中变压器代用。如为电冰箱、电风扇供电，请勿忘记加入LC低通滤波器。
1. 问：什么是逆变器，它起什么作用？
答：简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。
2. 问：按输出波形划分，逆变器分为几类？
答：主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载（详细解释见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。
3. 问：何谓“感性负载”？
答：通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于逆变器所能承受的电压值，很容易引起逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。
4. 问：准正弦波逆变器可以用于哪些电器？
答：准正弦波也分为若干种，从与方波相差无几的方形波到比较接近正弦波的圆角梯形波。我们这里仅讨论方形波，这也是目前大部分市售高频逆变器能够提供的波形。这类准正弦波逆变器可应用于笔记本电脑、电视机、组合式音响、摄像机、数码相机、打印机、各种充电器、掌电上脑、游戏机、影碟机、移动DVD、 家用治疗仪等等，输出功率较大的逆变器还可以应用于小型电热器具如电吹风机、电热杯、厨房电器等等。但对感性负载类电器如电冰箱、电钻等则不宜长时间使用准正弦波逆变器供电。否则，将可能对逆变器和相关电器产品造成损坏或缩短预期使用寿命。如果一定要使用感性负载，建议选用储备功率较大的准正弦波逆变器，如本网站提供的超大峰值功率逆变器。在这里，着重谈一下准正弦波逆变器应用于电视机（传统显示器类）的例子。电视机对逆变器有以下三条要求：首先，电视机在开机时，消磁电路对电能有极大的瞬间需求，因此对逆变器的峰值功率要求很高。例如，一台25吋数字彩电，正常工作状态下的功耗约为80瓦，而开机的瞬间功率高达1450瓦。其次，因为电视机的场频等于交流电网频率，逆变器输出交流电的频率必须准确。第三，逆变器不应对电视机产生干扰。即使能满足以上三个条件，电视机在使用准正弦波交流电时，画面仍会有几条固定的干扰纹，色彩也会轻微偏绿（使用老式电视机时，偏色情况比较严重），但其它无异。
5. 问：何谓逆变器的效率？
答：逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90％。
6. 问：什么是持续输出功率？什么是峰值输出功率？
答：一些使用电动机的电器或工具，如电冰箱、洗衣机、电钻等，在启动的瞬间需要很大的电流来推动，一旦启动成功，则仅需较小的电流来维持其正常运转。因此，对逆变器来说，也就有了持续输出功率和峰值输出功率的概念。持续输出功率即是额定输出功率；一般峰值输出功率为额定输出功率的2倍。必须强调，有些电器，如空调、电冰箱等其启动电流相当于正常工作电流的3-7倍。因此，只有能够满足电器启动峰值功率的逆变器才能正常工作。
7. 问：应该怎样连接逆变器与电源和负载？
答：使用150瓦以下的电器可直接将150瓦逆变器插头插至点烟器插座后使用。超过150瓦的逆变器通过鳄鱼夹导线直接接到电瓶上，红线接电瓶正极，黑线接电瓶负极（不可接反，切记！）如果用电地点离电瓶较远，逆变器的连线原则是：逆变器同电瓶的连线应尽可能的短，而220伏交流电的输出线长些无妨。
8. 问：汽车点烟器插口能够输出多大功率的电能？
答：从点烟器插口取电，逆变器应该能够驱动功率为一百余瓦的用电器具。但有客户反映，接P4笔记本电脑几分钟后，逆变器即自动断电并报警。我们知道，P4笔记本电脑的耗电大约在90瓦左右，是较高的。由于有些车型在从电瓶到点烟器插座这段电路上使用了不符合规定的导线和点烟器插座，在电流较大时电路中的损耗剧增，使供给逆变器的电压急剧下降到欠压保护电路动作的临界点－－10伏，导致逆变器停止供电。为解决这一问题，并确保今后正常、安全、可靠地使用逆变器，建议用户将上述电路的导线换为铜芯截面积2.5平方毫米以上的优质线，并在必要时一并更换点烟器插座。
9. 问：在关闭汽车发动机的情况下可以使用车载逆变器吗？
答：可以。在使用350瓦以下小功率电器时，一般的汽车电瓶可在关闭发动机的情况下提供30-60分钟的电力，如果仅使用一台耗电50－60瓦的笔记本电脑，使用时间则要长得多。我们的准正弦波逆变器内设有欠压警示和欠压保护电路，当长时间使用电瓶导致电压下降至10伏时，欠压保护电路启动，输出电压被切断并报警，以防止电瓶因为电压过低而无法启动发动机的事故。因此，用户可以放心地在发动机关闭的状态下使用逆变器。
10. 问：如果想较长时间地使用逆变器而不启动发动机，怎么办？
答：另备一块同样电压的电瓶，将其正负极分别用足够粗的导线同原车电瓶的正负极连接起来。这样，逆变器的独立使用时间可以大幅度延长。
11. 问：使用逆变器有何危险性？
答：在从汽车电瓶到逆变器输入端这一段导线承载着非常大的电流，如果因为导线的质量低劣、导线过细或负载超标导致铜丝发热甚至最终起火，将酿成很严重的事故。因此，在逆变器的使用过程中，必须严格按照用户手册的规定进行操作。
12. 问：如何知道电瓶的容量？
答：电瓶上印有很多字母和数字，只要找到XXAH的字样就可以知道这是一块多大容量的电瓶。先说AH的含义，A代表安培（amp.），即电流的单位，H代表小时（hour）。两个字母在一起的意思就是"安培小时"，即在一小时的时间内可持续输出多少安培的电流。前面的XX通常为两个数字，即安培的数量。举例来讲，45AH代表这块电瓶可以在一个小时的时间内输出
（12伏）45安培的电流。至于这块电瓶可以输出的功率，我们用12伏乘以45安培，得出540瓦，这就是该电瓶的输出功率(理论值)。
13. 问：一般的家用轿车使用什么规格的电瓶？
答：在通常情况下，气缸容积为1.3升以下的小型车配备了40-45安时的电瓶，1.6-2.0升的中型车配备了50-60安时的电瓶，2.2升以上的中大型车配备了60－80安时的电瓶。越野车、多功能车配备的电瓶一般比同体积发动机的轿车的电瓶容量要大些。至于电瓶的电压，一般轿车使用12伏电瓶，使用柴油发动机的汽车（包括载重车）大部分使用24伏电瓶，少数仍使用12伏电瓶（如依维柯）。
14. 问：如何为电瓶配备合适的逆变器？
答：假如电瓶的规格是12伏50安时，我们用12伏乘以50安时，得出电瓶的输出功率为600瓦。如果逆变器的效率为90％，则我们再用90％乘以600瓦，得出540瓦。这就是说，您的这块电瓶可推动一台输出功率最大为540瓦的逆变器。当然，您也可以采取“一步到位”式的采购办法，即先不管目前自己车上用的电瓶的规格，而买一台输出功率为800瓦的逆变器。然后，先在眼下这块电瓶的允许范围内使用，等将来换了更大的车后再满功率使用。最后，对逆变器的功率要求不高，比如说有100瓦就够了，那您完全可以买个小功率逆变器。此外，在确定逆变器的功率时，还有一个重要原则，即在使用逆变器时，不要长期满载运行，否则会大大缩短逆变器的寿命，同时逆变器的故障率也将显著上升。我们强烈建议用户，最好在不超过额定功率85％的状态下使用逆变器。
15. 问：使用车载逆变器须要注意些什么？
答：首先，要严格按照用户手册的规定来使用逆变器；其次，逆变器的输出电压是220伏交流电，而这个220伏电是在一个狭小的空间并处于可移动状态，因此要格外小心。应将其放在较为安全的地方（特别要远离儿童！），以防触电。在不使用时，最好切断其输入电源。第三，不要将逆变器置于太阳直晒或暖风机出口附近。逆变器的工作环境温度不宜超过摄氏40度。第四，逆变器工作时会发热，因此不要在其附近或上面放置物品。第五，逆变器怕水，不要使其淋雨或撒上水。
16. 问：为何使用普通万用表测量准正弦波逆变器的交流输出时，显示的电压比220伏低？
答：这是正常的，因为测量准正弦波交流电电压时应该使用具有‘真有效值’档的万能表才能得出正确读数。
17. 问：如何挑选逆变器产品？
答：车载逆变器是一种工作在大电流、高频率环境下的电源产品，其潜在故障率相当高。因此，消费者在购买时一定要慎重。首先，从逆变器输出波形上选，最好不要低于准正弦波；其次，逆变器要有完备的电路保护功能；第三，厂家要有良好的售后服务承诺；第四，电路和产品经过一段时间的考验。
逆变器，必须是一种逆变装置组成的东西才能那么叫，他和变压器有直接区别，也就是说，他可以实现直流输入，然后输出交流，工作原理和开关电源一样，但震荡频率在一定范围内，比如如果这个频率为50HZ，输出则为交流50HZ。逆变器是可以改变其频率的设备。
变压器一般是指特定频率段的设备，比如工频变压器，就是我们一般见到的那些变压器，他们输入和输出都必须在一定范围内，比如40-60HZ范围内才可以工作。
二极管在逆变器中的应用
高效率和节能是家电应用中首要的问题。三相无刷直流电机因其效率高和尺寸小的优势而被广泛应用在家电设备中以及很多其他应用中。此外，由于采用了电子换向器代替机械换向装置，三相无刷直流电机被认为可靠性更高。
标准的三相功率级(power stage)被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。
MOSFET Q1、Q3和Q5高频(HF)切换，Q2、Q4和Q6低频(LF)切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。
步骤1) 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。
步骤2）MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。
步骤3）Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流(如步骤1)与二极管D2上的恢复电流之和。
显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2(见图1)，该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。
当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置， N区的少数载流子进入P+体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。电感L1对于流经Q2和Q1的尖峰电流表现出高阻抗。Q1表现出额外的电流尖峰，增加了在导通期间的开关损耗。图4a描述了MOSFET的导通过程。
为改善在这些特殊应用中体二极管的性能，研发人员开发出具有快速体二极管恢复特性MOSFET。当二极管导通后被反向偏置，反向恢复峰值电流Irrm较小。
我们对比测试了标准的MOSFET和快恢复MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放在Q2(LF)中，如图4b所示。在Q1 MOSFET(HF)的导通工作期间，开关损耗降低了65%。采用STD5NK52ZD时效率和热性能获得很大提升(在不采用散热器的自由流动空气环境下，壳温从60°C降低到50°C)。在这种拓扑中，MOSFET内部的体二极管用作续流二极管，采用具有快速体二极管恢复特性MOSFET更为合适。
SuperFREDmesh技术弥补了现有的FDmesh技术，具有降低导通电阻，齐纳栅保护以及非常高的dv/dt性能，并采用了快速体-漏恢复二极管。N沟道520V、1.22欧姆、4.4A STD5NK52ZD可提供多种封装，包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封装。该器件为工程师设计开关应用提供了更大的灵活性。其他优势包括非常高的dv/dt，经过100%雪崩测试，具有非常低的本征电容、良好的可重复制造性，以及改良的ESD性能。此外，与其他可选模块解决方案相比，使用分立解决方案还能在PCB上灵活定位器件，从而实现空间的优化，并获得有效的热管理，因而这是一种具有成本效益的解决方案。
全桥逆变器开关管电压尖峰产生原因
拓扑结构原因、开关管反馈导致的Oscillation等。
1、拓扑结构原因：全桥逆变器中有多个开关管，在切换时间上需要后续的开关管才能进行操作，在操作过程中会产生电容的充放电造成电压尖峰。
2、开关管反馈导致的Oscillation：在高频开关环境下，开关管反馈电感电压和节点电压常常带有高频分量,如振荡。导致开关管的输入和输出端的电压发生瞬时变化，产生电压尖峰。
3、开关管的参数原因：在逆变器电路设计中选用开关管类型和参数不当，如开关管的额定电流不足、开关管结构失败，这些都会导致开关管电压尖峰的产生。
4、PCB板的设计和敷设：没有合理的设计导致PCB板上少间隔或敷设路径过长产生电源信号波形的失真，从而引起电压尖峰的产生。
电力电子器件的缓冲电路有哪些主要作用
1、 缓冲电路的作用与基本类型
电力电子器件的缓冲电路(snubber circuit)又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件(如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等)的应用技术中起着重要的作用。
晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的di/dt，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。
GTR、GTO等全控型自关断器件在实际使用中都必须配用开通和关断缓冲电路;但其作用与晶闸管的缓冲电路有所不同，电路结构也有差别。主要原因是全控型器件的工作频率要比晶闸管高得多，因此开通与关断损耗是影响这种开关器件正常运行的重要因素之一。例如，GTR在动态开关过程中易产生二次击穿的现象，这种现象又与开关损耗直接相关。所以减少全控器件的开关损耗至关重要，缓冲电路的主要作用正是如此，也就是说GTR和功率MOSFET用缓冲电路抑制di/dt和du/dt，主要是为了改变器件的开关轨迹，使开关损耗减少，进而使器件可靠地运行。
没有缓冲电路时GTR开关过程中集电极电压uCE和集电极电流iC的波形，开通和关断过程中都存在uCE和iC同时达到最大值的时刻;因此出现了瞬时的最大开关损耗功率Pon和Poff，从而危及器件的安全。所以，应采用开通和关断缓冲电路，抑制开通时的di/dt，降低关断时的du/dt，使uCE和iC的最大值不会同时出现。
GTR开关过程中的uCE和iC的轨迹，其中轨迹1和2是没有缓冲电路的情况，开通时uCE由UCC(电源电压)经矩形轨迹降到0，相应地iC由0升到ICM;关断时iC由ICM经矩形轨迹降到0，相应地uCE由0升高到UCC。不但集电极电压和电流的最大值同时出现，而且电压和电流都有超调现象，这种情况下瞬时功耗很大，极易产生局部热点，导致GTR的二次击穿而损坏。加上缓冲电路后，uCE和iC的开通与关断轨迹分别如3和4所示，由可见，其轨迹不再是矩形，避免了两者同时出现最大值的情况，大大降低了开关损耗，并且最大程度地利用于GTR的电气性能。
GTR的开通缓冲电路用来限制导通时的di/dt，以免发生元件的过热点，而且它在GTR逆变器中还起着抑制贯穿短路电流的峰值及其di/dt的作用。GTO的关断缓冲电路不仅为限制GTO关断时再加电压的du/dt及过电压，而且对降低GTO的关断损耗，使GTO发挥应有的关断能力，充分发挥它的负荷能力起重要作用。
IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30~50kHz;因此很小的电路电感就可能引起颇大的LdiC/dt，从而产生过电压，危及IGBT的安全。PWM逆变器中IGBT在关断和开通中的uCE和iC波形。在iC下降过程中IGBT上出现了过电压，其值为电源电压UCC和LdiC/dt两者的叠加。
为开通时的uCE和iC波形，增长极快的iC出现了过电流尖峰iCP，当iCP回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而须加以吸收。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使iC出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。
综上所述，缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，通过限压、限流、抑制di/dt和du/dt，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗到缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法再反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两在类，前一种是能耗型缓冲电路，后一种是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不太大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。
逆变器的工作原理是怎样的？
PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM
信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON） 或断（OFF）
的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。
如图1 所示，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等;用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。
PWM逆变器
标准的三相功率级（power
stage）被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。
MOSFET Q1、Q3和Q5高频（HF）切换，Q2、Q4和Q6低频（LF）切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。
步骤1） 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。
步骤2）MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。
步骤3）Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流（如步骤1）与二极管D2上的恢复电流之和。
显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2（见图1），该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。
当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置，
N区的少数载流子进入P+体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。电感L1对于流经Q2和Q1的尖峰电流表现出高阻抗。Q1表现出额外的电流尖峰，增加了在导通期间的开关损耗。图4a描述了MOSFET的导通过程。
为改善在这些特殊应用中体二极管的性能，研发人员开发出具有快速体二极管恢复特性MOSFET。当二极管导通后被反向偏置，反向恢复峰值电流Irrm较小。
结合一种简单的逆变器电路图分析PWM逆变器电路的工作原理
电阻R2和电容C1套集成电路内部振荡器的频率。预设R1可用于振荡器的频率进行微调。14脚和11脚IC内部驱动晶体管的发射极终端。的驱动晶体管（引脚13和12）的集电极终端连接在一起，并连接到8
V轨（7808输出）。可在IC的引脚14和15两个180度，淘汰50赫兹脉冲列车。
这些信号驱动器在随后的晶体管阶段。当14脚的信号为高电平，晶体管Q2接通，就这反过来又使晶体管Q4，Q5，Q6点从目前的+12 V电源（电池）连接流一个通过的上半部分（与标签的标记）变压器（T1）中，小学通过晶体管Q4，Q5和Q6汇到地面。
因此诱导变压器二次电压（由于电磁感应），这个电压220V输出波形的上半周期。在此期间，11脚低，其成功的阶段将处于非活动状态。当IC引脚11云高的第三季度结果Q7的获取和交换，Q8和Q9将被打开。从+12
V电源通过变压器的初级下半部和汇到地面通过晶体管的Q7，Q8，Q9，以及由此产生的电压，在T2次级诱导有助于的下半部周期（标签上标明）电流流220V输出波形。
逆变器输出（T2的输出）挖掘点的标记为B，C，并提供给变压器T2的主。在变压器T2的下降这个高电压的步骤，桥梁D5整流它和这个电压（将逆变器的输出电压成正比）是提供的PIN1通过奥迪R8，R9，R16和（该IC的内部错误放大器的反相输入）这个电压与内部参考电压比较。
此误差电压成正比的输出电压所需的值和IC调节占空比的驱动信号（引脚14和12）为了使输出电压为所需的值的变化。R9的预设，可用于调节逆变器输出电压，因为它直接控制变频器的输出电压误差放大器部分的反馈量。
二极管D3和D4续流二极管，保护驱动级晶体管的开关变压器（T2）初选时产生的电压尖峰。R14和R15限制基地的第四季度和Q7。R12和R13为第四季度和Q7防止意外的开关ON下拉电阻。C10和C11是绕过从变频器的输出噪声。C8是一个滤波电容的稳压IC
7805。R11的限制限制了电流通过LED指示灯D2的。
为什么有部份直流电焊机没有电抗器
变频器和电动机之间的接线超长时，随着变频器输出电缆的长度增加，其分布电容明显 增大，从而造成变频器逆变输出的容性尖峰电流过大，会引起变频器过流跳闸保护，因此必须使用输出电抗器或du/dt滤波器、正弦波滤波器等装置对这种容性 尖峰电流进行限制。输出电抗器用于补偿在电机电缆长距离敷设时引起的线路电容的充电电流，也可用来抑制谐波。
变频器接入输出电抗器的作用：
1、改善电机的绝缘特性，减少电机噪音，延长电机的使用寿命。
2、增加变频器到电动机的导线距离。
3、可以有效抑制变频器的IGBT开关时产生的瞬间高电压，减少电压对电缆绝缘和电机的不良影响。
4、改善输出电流波形。
以上内容出自西门子文档，文档编号：F0255。
根 据实际经验输出电抗器还是很有用的，我单位用辊道电机属于逆变器一拖多类型，每台电机都带有过热和过流保护的开关，但原设计没有输出电抗器，在运行过程中 发现辊道电机无故就烧损，逆变器频繁报警，最让人不能理解的是电机烧坏了这个开关也不跳闸，后来找西门子专家来现场查找原因，得出结论需要增加输出电抗 器，后来这个输出电抗器增加上，逆变器也不报警了，电机开关该跳闸的时候能跳闸了。对于变频器输出长距离的电缆线，超过100m就要加输出电抗器。这是西门子的用户手册交代的。
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