第一講異步電機(jī)及電力電子器件

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李巖/p>

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變頻器QQ群：62372201原則:輕理論、重基本概念、旨在解決實(shí)際問題內(nèi)容:變頻器的基本原理、參數(shù)設(shè)置、應(yīng)用技術(shù)、維護(hù)修理要求:多提問題:聽課時(shí)的問題、工作中遇到的問題第一講 交流調(diào)速原理摘要：變頻器進(jìn)入實(shí)用階段，比發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)晚了近百年。分析其原因?了解影響實(shí)施變頻調(diào)速的主要問題。得出變頻同時(shí)還必須變壓的原理，以及正弦脈寬調(diào)制的具體實(shí)施方法。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)變頻器開關(guān)器件晶閘管電力晶體管絕緣柵雙極晶體管整流與逆變輸入功率輸出功率電磁功率磁路飽和正弦脈寬調(diào)制載波調(diào)制波調(diào)壓比調(diào)頻比

圖1－1異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造定子:定子繞組、鐵芯、機(jī)座轉(zhuǎn)子鼠籠式1.結(jié)構(gòu)繞線式:三相轉(zhuǎn)子繞組可串電阻異步電動(dòng)機(jī)變頻可以調(diào)速的原理，是“與生俱來”的。然而，異步電動(dòng)機(jī)發(fā)明于1889年，而變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入推廣普及階段，卻是在二十世紀(jì)八十年代，人們企盼了將近一個(gè)世紀(jì)！1．1三相異步電動(dòng)機(jī)1．1．1交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)低廉三相交流異步電動(dòng)機(jī)的發(fā)明在電力拖動(dòng)史上有著十分重要的意義。因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子電路不需要和外電路相聯(lián)接，轉(zhuǎn)子繞組由兩側(cè)端部互相短接的銅條或鋁條（俗稱鼠籠條）構(gòu)成，可以自成回路，形狀象個(gè)“鼠籠”，故常稱為籠形電動(dòng)機(jī)，如圖1－1所示。在所有電動(dòng)機(jī)中，這種結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)單、堅(jiān)固方面是首屈一指的。這帶來了使用壽命長(zhǎng)、易于維修、以及價(jià)格低廉等極為突出的優(yōu)點(diǎn)，使它在整個(gè)電力拖動(dòng)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。在二十世紀(jì)八十年代以前，約占工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械中電動(dòng)機(jī)總量的85％以上。1．1．2生產(chǎn)要求速度調(diào)節(jié) 隨著各種加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多生產(chǎn)機(jī)械對(duì)無級(jí)調(diào)速的要求也越來越迫切。以50年代龍門刨床刨臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)為例，其拖動(dòng)系統(tǒng)采用Ｇ－Ｍ（發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)組）圖1－2刨臺(tái)的原拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)：圖中，直接拖動(dòng)刨臺(tái)的是直流電動(dòng)機(jī)DM，DM由直流發(fā)電機(jī)G1提供電源，G1又由交流電動(dòng)機(jī)MA來帶動(dòng)，MA在帶動(dòng)G1的同時(shí)，還帶動(dòng)一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)G2。G2發(fā)出的電，一方面為DM和G1提供勵(lì)磁電流，同時(shí)也為控制電路提供電源。除此以外，為了改善DM的機(jī)械特性，還采用了一臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的交磁放大機(jī)DMA?？梢?，為了實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，簡(jiǎn)直已經(jīng)到了不惜工本的地步。這充分說明了：生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的要求是多么地迫切！圖1－2刨臺(tái)的原拖動(dòng)系統(tǒng)1．1．3交流調(diào)速方法

電磁三大關(guān)系：帶電導(dǎo)體對(duì)外產(chǎn)生磁場(chǎng)。導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3.帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力。1.帶電導(dǎo)體對(duì)外產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)：電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運(yùn)動(dòng)，因而概括地說，磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的。帶電導(dǎo)體對(duì)外產(chǎn)生磁場(chǎng)。安培定則:表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則，也叫右手螺旋定則。

(1)通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向。

(2)通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。電磁感應(yīng)electromagneticinduction

閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象

.右手定則

right-handrule:右手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把右手放入磁場(chǎng)中，若磁力線垂直進(jìn)入手心（當(dāng)磁感線為直線時(shí)，相當(dāng)于手心面向N極），大拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指方向?yàn)閷?dǎo)線中感應(yīng)電流的方向(感生電動(dòng)勢(shì)的方向)。電磁學(xué)中，右手定則判斷的主要是與力無關(guān)的方向。2.導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁力：電荷、電流在電磁場(chǎng)中所受力的總稱。也稱載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受的力為電磁力。左手定則

left-handrule

：左手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把左手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心（手心對(duì)準(zhǔn)N極，手背對(duì)準(zhǔn)S極，）四指指向電流方向（既正電荷運(yùn)動(dòng)的方向），則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力方向。3.帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力。1．1．4交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理

三相空間對(duì)稱靜止繞組通入三相對(duì)稱交變電流：三相繞組通入三相對(duì)稱交流電流：1．1．4交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理

三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（P＝1）

1．1．4交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖1．1．4交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)

1．異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式三相交流電動(dòng)機(jī)中，一個(gè)十分重要的“角色”便是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它是三個(gè)交變磁場(chǎng)合成的結(jié)果。這三個(gè)交變磁場(chǎng)的特點(diǎn)是：（1）產(chǎn)生磁場(chǎng)的交變電流在時(shí)間上互差三分之一周期（T∕3），這由三相交流電源本身的特點(diǎn)所決定；（2）三個(gè)磁場(chǎng)的軸線在空間位置上互差2π∕3電角度，這可以通過三相繞組在定子鐵心中的安排來實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，由下式?jīng)Q定：

n0＝ （1－1） 式中，n0—同步轉(zhuǎn)速，r∕min；f—電流的頻率，Hz；p—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。f=50Hz:p:123456n0:3000rpm15001000750600500n:29701450980740590495而異步電動(dòng)機(jī)之所以被冠以“異步”二字，是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n永遠(yuǎn)也跟不上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0。兩者之差稱為轉(zhuǎn)差：

Δn＝n0－nM

（1－2）

式中，Δn—轉(zhuǎn)差，r∕min；

nM—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r∕min。 轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比，稱為轉(zhuǎn)差率：

s＝＝ （1－3） 式中，s—轉(zhuǎn)差率。約1～9％。 由式（1－1）和式（1－3），可以推導(dǎo)出：

nM＝（1－s） （1－4）

一．電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

1．電機(jī)特性

電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力主要體現(xiàn)在其機(jī)械特性上。所謂機(jī)械特性，是在某一轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的大小。電動(dòng)機(jī)在沒有人為地改變其參數(shù)時(shí)的機(jī)械特性，稱為自然機(jī)械特性。異步電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性及其能量圖如圖1所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，由于轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度也增大，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也都隨之增大。自然機(jī)械特性的主要特征可由三個(gè)點(diǎn)來描述：（1）．理想空載點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩為0，稱為理想空載。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速）n0。所以，理想空載點(diǎn)的坐標(biāo)是：（0，n0）圖1電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性（2）．起動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)剛接通電源，但轉(zhuǎn)速仍為0時(shí)稱為起動(dòng)點(diǎn)，這時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TS，也叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。因此，起動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)是：（TS，0）通常，異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍：

TS≥1.5TMN（3）．臨界點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性有一個(gè)拐點(diǎn)K。在這一點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，稱為臨界轉(zhuǎn)矩，用TK表示，K點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。與此對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速nK，相應(yīng)地，有臨界轉(zhuǎn)差ΔnK和臨界轉(zhuǎn)差率sK。所以，臨界點(diǎn)的坐標(biāo)是：（TK，nK）臨界轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比就是異步電動(dòng)機(jī)的過載能力。通常，過載能力應(yīng)大于2：

TK≥2.0TMN2．人工機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)在人為地改變了某個(gè)參數(shù)后所得到的機(jī)械特性，稱為人工機(jī)械特性。就異步電動(dòng)機(jī)而言，常見的有：（1）改變定子電壓 異步電動(dòng)機(jī)在改變定子電壓后，其機(jī)械特性的特點(diǎn)如圖2a）中之曲線②（曲線①是自然機(jī)械特性）所示：

1）臨界轉(zhuǎn)矩減小為TK’；

2）臨界轉(zhuǎn)速nK不變。（2）改變轉(zhuǎn)子回路的電阻 這是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路的電阻增大后，其機(jī)械特性的特點(diǎn)如圖2b）中之曲線③所示：

1）臨界轉(zhuǎn)矩TK不變；

2）臨界轉(zhuǎn)速下降為nK’。圖2異步電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性

a）改變定子電壓b）改變轉(zhuǎn)子電阻sn風(fēng)機(jī)負(fù)載CTm0n0UnomU0.7nomU0.5nom恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載改變定子電壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法:n=(1-s)式（1－4）表明，要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有三辦法：a）改變磁極對(duì)數(shù)b）改變轉(zhuǎn)差率c）改變頻率smnn0sTe100TeTemaxTemax

三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性：2．異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案（1）改變磁極對(duì)數(shù) 這可以通過改變定子繞組的接法來實(shí)現(xiàn)，如圖1－3a）所示。這種方法的缺點(diǎn)是十分明顯的：一臺(tái)電動(dòng)機(jī)最多只能安置兩套繞組，每套繞組最多只能有兩種接法。所以，最多只能得到4種轉(zhuǎn)速，與無級(jí)調(diào)速相去甚遠(yuǎn)。圖1－3異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

a）改變磁極對(duì)數(shù)b）改變轉(zhuǎn)差率snTmsm0n0sm1R2R2+RV1R2+RV2R2+RV310繞線型異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速（2）改變轉(zhuǎn)差率 這種方法適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，通過滑環(huán)與電刷改變外接電阻值來進(jìn)行調(diào)速，如圖1－3b）所示。顯然，這是通過改變?cè)谕饨与娮柚邢哪芰康亩嗌賮碚{(diào)速的，不利于節(jié)能。此外，由于增加了滑環(huán)與電刷，從而增加了容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。snT0n0UnomU0.7nomU0.5nomABC10高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性特點(diǎn)：理想恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下調(diào)速范圍增大,但靜差率太大；在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩下工作也不會(huì)燒壞電機(jī)；機(jī)械特性軟;為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速范圍,需使電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行而又不至過熱,因此要求轉(zhuǎn)子有較高的電阻限流.三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法：1.小功率，直接驅(qū)動(dòng)。2.降壓起動(dòng)：自耦變壓器降壓、星－三角變換降壓。3.定子串電阻起動(dòng)。4.轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)。5.變頻起動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方法：1.反饋制動(dòng)。（再生制動(dòng)、發(fā)電反饋制動(dòng)）2.反接制動(dòng)。3.能耗制動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

異步電機(jī)與直流電機(jī)的制動(dòng)一樣，也有再生制動(dòng)，反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)三種。1.反饋制動(dòng)（再生制動(dòng)、發(fā)電反饋制動(dòng)）異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

1.再生制動(dòng)突然降低電機(jī)定子側(cè)供電頻率或增加電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),如圖②,電動(dòng)機(jī)可以從電動(dòng)狀態(tài)→發(fā)電狀態(tài),將機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β驶仞侂娋W(wǎng),電磁功率變負(fù)起制動(dòng)作用.對(duì)于位能性負(fù)載,當(dāng)定子三相電源的任意兩根線對(duì)調(diào)后,電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖③所示,產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用.nTn0-n0O①③ACn0/2②B2反接制動(dòng)

為了使電機(jī)停轉(zhuǎn),可以使定子三相電源中的任意兩根電源線對(duì)調(diào)使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向,轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相反,電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用..反接制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能,而又通過機(jī)械軸獲取機(jī)械能,因此反接制動(dòng)熱損耗比較大,應(yīng)在轉(zhuǎn)子中串接電阻限流.若制動(dòng)目的是為了停車,則當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)到停止時(shí),應(yīng)將電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)脫離.Tn0-n0OAC3.直流能耗制動(dòng)制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)機(jī)定子脫離交流電網(wǎng)并通以直流磁場(chǎng),該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流,該電流與原來的電流方向相反,產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)停.1．2變頻器開關(guān)器件目前應(yīng)用得最為廣泛的是交－直－交變頻器，今通過其基本結(jié)構(gòu)，來看看要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速需要解決哪些問題。交－直－交變頻器的基本框圖如圖1－4所示，其工作過程是：先將電源的三相（或單相）交流電經(jīng)整流橋整流成直流電，又經(jīng)逆變橋把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電。其中，變頻的核心部分是“逆變電路”，其構(gòu)成和原理如下述。1－4交－直－交變頻器的主電路框圖1．2．1變頻器的核心是逆變控制首先從比較簡(jiǎn)單的單相逆變橋入手，其構(gòu)成及工作過程如圖1－5所示。圖中，V1、V2、V3、V4為開關(guān)器件，組成單相逆變橋，接至直流電源P（＋）與N（－）之間，電壓為UD；ZL為負(fù)載。圖1－5單相逆變橋及其工作過程逆變電路的工作情況如下：（1）前半周期 令V1、V2導(dǎo)通；V3、V4截止。則負(fù)載ZL中的電流從a流向b，ZL上得到的電壓是a“＋”、b“－”，設(shè)這時(shí)的電壓為“＋”。圖1－6三相逆變橋及其工作（2）后半周期 令V1、V2截止；V3、V4導(dǎo)通。則負(fù)載ZL中的電流從b流向a，ZL上得到的電壓是a“－”、b“＋”，這時(shí)的電壓為“－”。上述兩種狀態(tài)如能不斷地反復(fù)交替進(jìn)行，則負(fù)載ZL上所得到的便是交變電壓了。這就是由直流電變?yōu)榻涣麟姷摹澳孀儭边^程。三相逆變橋的電路結(jié)構(gòu)如圖1－6所示。其工作過程與單相逆變橋相同，只要注意三相的相位之間互差三分之一周期（T∕3）就可以了。圖1－6三相逆變橋及其工作1．2．2逆變器件的要求

上述逆變過程看似簡(jiǎn)單：無非是若干個(gè)開關(guān)反復(fù)地交替導(dǎo)通而已。但問題的關(guān)鍵恰恰在于這些開關(guān)器件上。因?yàn)椋@些開關(guān)器件必須滿足以下要求：

1．能承受足夠大的電壓和電流 （1）電壓 我國三相低壓電網(wǎng)的線電壓均為380V，經(jīng)三相全波整流后的平均電壓為:1.35*380=513V，而峰值電壓則為:1.414*380=537V?？紤]到在過渡過程中，由于電感及負(fù)載動(dòng)能反饋能量的效應(yīng)，開關(guān)器件的耐壓應(yīng)在1000V以上。 （2）電流 以中型的150kW的電動(dòng)機(jī)為例，其額定電流為250A，而電流的峰值為353A?？紤]到電動(dòng)機(jī)和變頻器都應(yīng)該具有一定的過載能力，該變頻器開關(guān)器件允許承受的電流應(yīng)大于700A。 上述條件對(duì)于有觸點(diǎn)開關(guān)器件來說，是早已做到了的。2．允許頻繁地接通和關(guān)斷 如上述，逆變過程就是若干個(gè)開關(guān)器件長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)交替導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，這是有觸點(diǎn)開關(guān)器件所無法承受的。必須依賴于無觸點(diǎn)開關(guān)器件，而無觸點(diǎn)開關(guān)器件要能承受足夠大的電壓和電流，卻并非易事?？梢哉f，正是這個(gè)要求，阻礙了變頻器的出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)近百年之久。3．接通和關(guān)斷的控制必須十分方便 最基本的控制如：頻率的上升和下降、改變頻率的同時(shí)還要改變電壓等等。1．2．3電力電子基礎(chǔ)

上面所說的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，實(shí)際上就是半導(dǎo)體開關(guān)器件。半導(dǎo)體器件在初期階段只能用于低壓電路中，當(dāng)半導(dǎo)體器件終于能夠承受高電壓和大電流時(shí)，就形成了一門新的學(xué)科，即電力電子學(xué)。而變頻器和變頻調(diào)速技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生了。1．大功率晶閘管SCR

二十世紀(jì)六十年代，大功率晶閘管（SCR）首先亮相，變頻調(diào)速也因此而得到了實(shí)施，出現(xiàn)了希望。 晶閘管VR在直流電路中的工作情形如圖1－7所示，當(dāng)門極G與陰極K之間加入正電壓信號(hào)UG時(shí)，VR導(dǎo)通，如圖a）所示。圖1－7晶閘管在直流電路中

a）門極加正信號(hào)b）撤消門極信號(hào)c）門極加脈沖信號(hào)

當(dāng)門極與陰極之間撤消UG時(shí)，VT將繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，如圖b）所示。故晶閘管在直流電路中，一旦導(dǎo)通之后，是不能自行關(guān)斷的。 所以，只要在門極與陰極之間加入一個(gè)脈沖信號(hào)uG，則VR即可保持導(dǎo)通狀態(tài)，如圖c）所示，uG稱為觸發(fā)脈沖。 由晶閘管構(gòu)成的逆變橋如圖1－8所示，UD是直流回路的電壓，設(shè)平均值為UD＝513V。如上述，晶閘管在直流電路中不具有自行關(guān)斷的能力。要想關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，必須令晶閘管的陽極和陰極之間的0電壓，或加入反向電壓。圖1－8a）的大致工作情形如下：圖1－8晶閘管逆變電路圖1－8a）的大致工作情形如下： 假設(shè)晶閘管VR1已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)，A1點(diǎn)的電位與直流正端（P端）相同，而如果VR3和VR5都處于截止?fàn)顟B(tài)的話，則B1點(diǎn)和C1點(diǎn)都是0電位。如要關(guān)斷VR1，必須令VR3或VR5導(dǎo)通，今假設(shè)VR3導(dǎo)通。在VR3導(dǎo)通的瞬間，B1點(diǎn)的電位突然上升513V，由于電容器C13兩端的電壓是不能躍變的，故A1點(diǎn)的電位也同時(shí)上升513V，使VR1的陰極電位高于陽極電位，從而迫使VR1截止。由于晶閘管逆變橋是由同一側(cè)的晶閘管相互關(guān)斷的，所以，輸出的電壓波是矩形波，如圖1－8b）所示；而電流波則如圖1－8c）所示。 晶閘管變頻器除了電壓和電流波形不好外，并且因?yàn)橛糜谙嗷リP(guān)斷的電容器要求電壓較高、容量也較大，故價(jià)格昂貴。除此以外，在不同的負(fù)載電流下，晶閘管的關(guān)斷條件也并不一致，這又影響了其工作的可靠性。 所以，晶閘管雖然使變頻調(diào)速成為了可能，實(shí)現(xiàn)了近百年來人們對(duì)于變頻調(diào)速的企盼。但由于缺點(diǎn)較多，故并未達(dá)到普及推廣的階段。2．大功率晶體管（GTR）或雙極晶體管（BJT）

二十世紀(jì)七十年代，電力晶體管GTR問世，把變頻調(diào)速推向了實(shí)用階段，于八十年代初開始逐漸推廣。電力晶體管實(shí)際上是由兩個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成的復(fù)合晶體管（達(dá)林頓管）構(gòu)成，如圖1－9所示。也稱為大功率晶體管（GTR）或雙極晶體管（BJT）。 由于在變頻器內(nèi)，開關(guān)器件主要用于逆變橋，故常把兩個(gè)GTR集成到一起，做成雙管模塊如圖b）所示，也有把六個(gè)GTR集成到一起，做成六管模塊的。又因?yàn)樵谧冾l器中，各逆變管旁邊總要反并聯(lián)一個(gè)二極管，所以，模塊中的GTR旁邊，都已經(jīng)把反并聯(lián)的二極管也集成進(jìn)去了。圖1－9電力晶體管的內(nèi)部電路就基本工作狀態(tài)而言，電力晶體管和普通晶體管是一樣的，也有三種狀態(tài)：放大狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

GTR為電流控制型器件，功率大，飽和導(dǎo)通電壓低，驅(qū)動(dòng)功率也大，開關(guān)頻率不夠高。圖1－10

GTR變頻器的主要特點(diǎn)

a）逆變電路b）電壓波形c）電流波形

GTR變頻器的逆變電路如圖1－10a）所示，其主要特點(diǎn)有： （1）輸出電壓 可以采用脈寬調(diào)制方式，故輸出電壓為幅值等于直流電壓的強(qiáng)脈沖序列，如圖b）所示。 （2）載波頻率 由于GTR的開通和關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，故允許的載波頻率較低，大部分變頻器的上限載波頻率約為1.2～1.5kHz左右。 （3）電流波形 因?yàn)檩d波頻率較低，故電流的高次諧波成分較大，如圖c）所示。這些高次諧波電流將在硅鋼片中形成渦流，并使硅鋼片相互間因產(chǎn)生電磁力而振動(dòng)，并產(chǎn)生噪音。又因?yàn)檩d波頻率處于人耳對(duì)聲音較為敏感的區(qū)域，故電動(dòng)機(jī)的電磁噪音較強(qiáng)。（4）輸出轉(zhuǎn)矩 因?yàn)殡娏髦懈叽沃C波的成分較大，故在50Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩與工頻運(yùn)行時(shí)相比，略有減小。3．絕緣柵雙極型晶體管IGBT

二十世紀(jì)八十年代末，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開發(fā)成功，使變頻器在許多方面得到了較大的提高。

IGBT是場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和電力晶體管（GTR）相結(jié)合的產(chǎn)物。其主體部分與GTR相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E），而控制極的結(jié)構(gòu)卻與MOSFET相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)，也稱為柵極（G）圖1－11

IGBT的基本特點(diǎn)

a）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)b）基本電路IGBT其工作特點(diǎn)如下：（1）控制部分 控制信號(hào)為電壓信號(hào)uGE，柵極與發(fā)射極之間的輸入阻抗很大，故信號(hào)電流與驅(qū)動(dòng)功率（控制功耗）都很小。（2）主體部分 因?yàn)榕cGTR相同，額定電壓與電流容易做得較大，故在中小容量的變頻器中，IGBT已經(jīng)完全取代了GTR。 就是說，IGBT是一種以極小的控制功率來控制大功率電路的器件。變頻器所用的IGBT管，通常已經(jīng)制作成各種模塊，如圖1－12所示。圖a）是雙管模塊，圖b）是六管模塊。圖1－11

IGBT的基本特點(diǎn)圖1－12所示。圖a）是雙管模塊，圖b）是六管模塊。 以IGBT為逆變器件的逆變電路如圖1－13a）所示。其主要特點(diǎn)如下： （a）載波頻率高：大多數(shù)變頻器的載波頻率可在（3～15）kHz的范圍內(nèi)任意可調(diào)，其電壓波形如圖b）所示。 （b）電流波形大為改善：載波頻率高的結(jié)果是電流的諧波成分減小，電流波形十分接近于正弦波，如圖c）所示，故電磁噪聲減小，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則增大。（c）功耗減?。河捎贗GBT的驅(qū)動(dòng)電路取用電流極小，幾乎不消耗功率。（3）瞬間停電可以不停機(jī)：這是因?yàn)椋琁GBT的柵極電流極小，停電后，柵極控制電壓衰減較慢，IGBT管不會(huì)立即進(jìn)入放大狀態(tài)。故在瞬間停電或變頻器因誤動(dòng)作而跳閘后，允許自動(dòng)重合閘，而可以不必跳閘，從而增強(qiáng)了對(duì)常見故障的自處理能力。圖1－13

IGBT變頻器的主要特點(diǎn)

a）逆變電路b）電壓波形c）電流波形ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)電路的要求1.驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形一定要陡峭，有一定的功率。因?yàn)橛袠O間分布電容存在，上下橋臂不允許同時(shí)導(dǎo)通。2.驅(qū)動(dòng)的輸入電路要采取隔離措施。3.導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：+15~+20VDC過高會(huì)損壞IGBT；過低不能保證IGBT飽和導(dǎo)通；4.關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：-5~-10VDC保證可靠關(guān)斷，且提高抗干擾能力。5.六路驅(qū)動(dòng)電路，需要四路獨(dú)立電源：三個(gè)下橋臂可共用一路電源，三個(gè)上橋臂需用三路獨(dú)立電源，2.逆變管的驅(qū)動(dòng)（1）IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求 從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高柵極電壓uG1的上升率，以縮短開通時(shí)間；從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加入負(fù)偏壓uG2，以加快關(guān)斷過程。（2）驅(qū)動(dòng)模塊舉例 驅(qū)動(dòng)電路基本上都已經(jīng)模塊化。今以EXB850模塊為例，其內(nèi)部電路及管腳安排如圖16a）所示，外接電路如圖b）所示。其工作過程如下：當(dāng)晶體管V3的基極得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，V3導(dǎo)通，管腳⒂與⒁之間的光耦合管導(dǎo)通，放大器AMP的輸出為“＋”，晶體管V1導(dǎo)通，控制電源的“＋”極從管腳⑵進(jìn)入，經(jīng)V1、管腳⑶接至IGBT的柵極。同時(shí)，IGBT的發(fā)射極經(jīng)管腳⑴、穩(wěn)壓管VS、管腳⑼接至控制電源的“0V”端。IGBT因G、E間得到正電壓而導(dǎo)通。這時(shí)，電容器C2上的充電電壓是上“＋”下“－”，電壓大小取決于穩(wěn)壓管VS。圖16

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

a）管腳圖b）驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)撤消后，V3截止，管腳⒂與⒁之間的光耦合管也截止，AMP的輸出為“－”，V1截止，而V2導(dǎo)通。這時(shí)，IGBT的柵極G經(jīng)管腳⑶、V2、管腳⑼與電源的“0V”相接，而發(fā)射極E則與電容器C2的正端相接，IGBT的G、E間得到負(fù)偏壓，IGBT迅速截止。可以說，ＩＧＢＴ為變頻調(diào)速的迅速普及和進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論 期待百年的最根本的關(guān)鍵是：直到二十世紀(jì)八十年代，才出現(xiàn)了符合要求的開關(guān)器件。IPM智能功率模塊是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測(cè)功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實(shí)現(xiàn)高效的過流保護(hù)和短路保護(hù)。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護(hù)電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。IPM智能功率模塊的性能特點(diǎn)使用智能功率模塊可以使生產(chǎn)廠家降低在設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造上的成本。與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高。由于IPM集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使得用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得相對(duì)容易，并能縮短開發(fā)周期；由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減小，因而系統(tǒng)尺寸也減?。凰械腎PM均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴(kuò)充時(shí)無需另行設(shè)計(jì)電路。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力，也減少了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機(jī)會(huì)。IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞的情況。內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如圖3所示。如果IPM模塊其中有保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）。

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