變頻技術(shù)第一章

1第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況本章教學(xué)提要教學(xué)要求：

1、了解變頻器發(fā)展概況，認(rèn)識(shí)變頻器在現(xiàn)代化建設(shè)中的作用。

2、了解各類電力電子器件的特性及應(yīng)用。

3、了解變頻器中各類微處理器及其作用。教學(xué)重點(diǎn)：1、變頻器在工業(yè)企業(yè)的“節(jié)能減排”和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程中的作用。

2、電力電子器件和微處理器的發(fā)展對(duì)變頻器技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用。教學(xué)難點(diǎn)：新型電力電子器件的特性。2第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況本章教學(xué)內(nèi)容

本章共分3節(jié)，分別講述：變頻器調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用；電力電子器件的發(fā)展概況及它對(duì)變頻器內(nèi)在品質(zhì)的決定作用；微處理器的發(fā)展及對(duì)變頻器控制能力和智能化的影響。本章教學(xué)建議

本章教學(xué)可以采用實(shí)物教學(xué)，主電路要求學(xué)生認(rèn)識(shí)電力電子模塊或器件，控制電路要求學(xué)生認(rèn)識(shí)核心器件即單片機(jī)或DSP

，使學(xué)生在后面學(xué)習(xí)和掌握維護(hù)、檢修技術(shù)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，并打下基礎(chǔ)。3第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況1.1概述

【知識(shí)目標(biāo)】了解變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用。1.1.1交流變頻技術(shù)的發(fā)展

各類電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為人類生產(chǎn)、生活中最重要的動(dòng)力機(jī)械，其地位與作用是其他動(dòng)力機(jī)械不可比擬的。在各類電動(dòng)機(jī)中籠型三相交流異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。由變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速，首先可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)可以提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，這是人們長期以來孜孜以求的愿望。

4第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況電力電子器件的發(fā)展，最新微處理器技術(shù)的應(yīng)用和變頻控制理論的不斷創(chuàng)新，使交流變頻技術(shù)飛速發(fā)展。1.1.2變頻器新技術(shù)及其發(fā)展方向1.變頻器新技術(shù)

伴隨著變頻器應(yīng)用的日益廣泛，其性能好技術(shù)也在飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：（1）模塊化：新型變頻器其主要功能電路均已實(shí)現(xiàn)模塊化，使整機(jī)的原件數(shù)量比原來減少了40%以上，可靠性得到很大提高。（2）專用化：新型變頻器為更好地發(fā)揮其控制技術(shù)的獨(dú)特功能，派生出許多專用機(jī)型。例如：風(fēng)機(jī)、水泵專用型，空調(diào)專用型，電梯專用型等。5第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況（3）軟件化：新型變頻器的功能軟件化已進(jìn)入實(shí)用階段，通過內(nèi)置軟件編程可實(shí)現(xiàn)所需的功能。如PID軟件，張力控制軟件等。（4）網(wǎng)絡(luò)化：新型變頻器內(nèi)裝RS－485接口，可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，可接在多種現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)中，成為網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。（5）低電磁噪聲、靜音化（6）圖形化用戶界面（7）引導(dǎo)式調(diào)試步驟（8）參數(shù)趨勢(shì)圖形2、變頻器未來的發(fā)展方向（1）進(jìn)一步提高控制理論，發(fā)展控制策略。（2）高速全數(shù)字化控制。6第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況（3）新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)。（4）變頻器的大容量化和小體積化。（5）更符合環(huán)境保護(hù)要求，成為真正的“綠色產(chǎn)品”。1.2電力電子器件在變頻器中的應(yīng)用【知識(shí)目標(biāo)】了解電力電子器件發(fā)展概況掌握電力電子器件分類方法掌握常用的電力電子器件的基本特性好在使用中應(yīng)注意的問題。1.2.1電力電子器件發(fā)展概況

1956年第一個(gè)普通晶閘管誕生，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的產(chǎn)生并進(jìn)入應(yīng)用階段。半控型電力電子器件的缺陷：7第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況1、不能控制“關(guān)斷”，只能增加“強(qiáng)迫換流”電路，因而效率低。2、工作頻率低應(yīng)用范圍小。現(xiàn)代電力電子器件在其控制技術(shù)方面有如下特點(diǎn)：1、集成化：幾乎使用全控型器件均是由多個(gè)子器件集成的。例如1個(gè)1000A的GTO含有近千個(gè)單元GTO。2、高頻化：一般的IGBT工作頻率均達(dá)到20KHz,有的功率器件工作頻率可達(dá)10MHz以上。3、全控化：現(xiàn)代電力電子器件均已實(shí)現(xiàn)全控化，即自動(dòng)關(guān)斷化。4、控制電路弱電化、控制技術(shù)數(shù)字化：全控型器件的高頻化促進(jìn)了電力電子控制電路的弱電化。8第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況1.2.2電力電子器件的簡單分類1、根據(jù)不同的開關(guān)特性分①不控型器件②半控型器件③全控型器件2、根據(jù)器件內(nèi)參與導(dǎo)電的載流子情況分①雙極型②單極性③混合型3、根據(jù)控制信號(hào)不同分（1）電流控制型其特點(diǎn)是：①器件內(nèi)有兩種載流子導(dǎo)電，器件的PN結(jié)溫度高，因此工作頻率較低。②具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通壓降很低，導(dǎo)通損耗小。③輸入阻抗較低，因此驅(qū)動(dòng)電流和控制功率較大，電路也比較復(fù)雜。

9第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況（2）電壓控制型其特點(diǎn)是：①輸入阻抗很高，控制功率小，控制電路簡單。②只有一種載流子，工作頻率很高。③工作溫度高，抗輻射能力強(qiáng)。1.2.3變頻器中常用的電力電子器件

電力電子器件在變頻器的主電路中起核心作用，它的性能優(yōu)劣標(biāo)志著變頻器檔次的高低。1、電力晶體管（大功率雙極型晶體管GTR）單個(gè)電力晶體管的放大系數(shù)很小，通常采用多個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，具有導(dǎo)通壓降小，導(dǎo)通損耗低的優(yōu)點(diǎn)。10第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況2.門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）是普通晶閘管的派生器件，具有門極控制的自關(guān)斷性能，近年來制成高電壓、大功率的GTO，在電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)車輛的變頻系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。GTO應(yīng)用中的問題主要有兩個(gè)。①緩沖問題：為解決GTO的二次擊穿問題，必須設(shè)計(jì)緩沖電路。（見附圖）：其中Cs為緩沖電容，電阻Rs用來限制電容放電電流，二極管VDs

用于電阻旁路。11第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

②驅(qū)動(dòng)問題：GTO在關(guān)斷時(shí)門極要流過一個(gè)相當(dāng)大的負(fù)載電流，典型值為被關(guān)斷陽極電流的三分之一，所以GTO的驅(qū)動(dòng)電路體積大，也比較復(fù)雜。3.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管又稱電力MOSFET，分為VVMOSFET和VDMOSFET兩種基本類型。其中VDMOSFET是具有高集成度、高耐壓、低結(jié)電容和高速等特點(diǎn)，簡寫VDMOS。功率MOSFET是單級(jí)型電壓控制型器件，具有工作頻率高，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，無熱電反饋二次擊穿和跨導(dǎo)線性度高等有點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用。功率MOSFET的一個(gè)主要缺點(diǎn)是通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也相應(yīng)較大，當(dāng)器件耐壓提高后，通態(tài)12第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況電阻也隨著提高，受這種限制這種功率場(chǎng)效應(yīng)管難以做得很大。4.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管是一種新型復(fù)合器件，它是由MOSFET于GTR組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，綜合了功率MOSFET和GTR優(yōu)點(diǎn)，具有驅(qū)動(dòng)簡單，保護(hù)容易，不用緩沖電路，開關(guān)頻率高等特點(diǎn)。它應(yīng)用在變頻器中具有：改善輸出電流波形；增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；降低電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)。為了安全使用IGBT，應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：(1)一般IGBT的驅(qū)動(dòng)級(jí)正向驅(qū)動(dòng)電壓Uce應(yīng)保持在15～20V.(2)使IGBT關(guān)斷的柵極驅(qū)動(dòng)電壓—Uce應(yīng)大于5V。（3）使用IGBT時(shí)應(yīng)該在柵極和驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間加一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG,如果不加這個(gè)電阻，當(dāng)管13第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

子導(dǎo)通瞬間，可能產(chǎn)生電流和電壓顫動(dòng)，會(huì)增加開關(guān)損耗。（4）當(dāng)設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，Ic電流會(huì)急劇上升，它的影響會(huì)使UGE電壓產(chǎn)生一個(gè)尖峰脈沖，這個(gè)尖峰脈沖會(huì)進(jìn)一步增加電流Ic，形成正反饋的效果。為了保護(hù)管子，在柵極—發(fā)射極間加穩(wěn)壓二極管，鉗制G—E電壓的突然上升。能起到一定的電流短路保護(hù)作用。1.2.4其他電力電子器件1、MOS控制晶閘管（MCT）它屬于單極型和雙極型組合而成的復(fù)合器件具有高輸入阻抗，低驅(qū)動(dòng)功率，快速開關(guān)以及高電壓、大電流特性。同時(shí)具有耐高溫，di/dt的耐量大等優(yōu)點(diǎn)。

14第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

2、門極換流晶閘管（IGCT）門極換流晶閘管是一種集成門極驅(qū)動(dòng)器組成的新型GTO組件，它具有晶閘管的高電壓、大電流、低導(dǎo)通損耗和IGBT的關(guān)斷均勻、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，以及無緩沖電路，可靠性好、緊湊、安全等特點(diǎn)，是一種新型理想的大功率電力半導(dǎo)體器件。3、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）靜電感應(yīng)晶體管具有工作頻率高，輸出功率大，線性度好，無二次擊穿現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)、輸入阻抗高等一系列優(yōu)點(diǎn)：在雷達(dá)通訊設(shè)備、超聲波功率大，開關(guān)電源，脈動(dòng)功率放大等方面廣泛應(yīng)用。

15第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

4、靜電感應(yīng)晶體管（SITH）

靜電感應(yīng)晶閘管是由日本西澤潤一于1972年提出并研制成功，最初由于制造工藝復(fù)雜，成本高一度研發(fā)受阻，近年來由于其性能優(yōu)越，重獲得人們的青睞。與GTO相比SITH有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如，通態(tài)電阻小，正向壓降低，允許電流密度大，耐壓高；開關(guān)速度快，損耗??；di/dt耐量大，抗輻射能力強(qiáng)，工作溫度高等。更為突出的是SITH的工作頻率可達(dá)100KHz以上，比GTO高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，可控功率達(dá)到100KW以上，SITH是繼GTO以后發(fā)展起來的比較理想的高功率功率晶閘管。5、智能電力模塊（IPM）

16第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況智能電力模塊就是電力集成電路或稱智能集成電路，是將電力電子電路中的驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路及其他配套的相關(guān)電路集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，它不但提供一定的功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測(cè)、保護(hù)和自診斷等功能，從而將智能賦予器件。因此IPM具有可靠性高，使用方便等優(yōu)勢(shì)。1.2.5各種電力電子器件的比較1、參數(shù)和特性的比較閱讀表1-2和圖1-92、應(yīng)用范圍比較閱讀圖1-10和圖1-113、全數(shù)字微機(jī)控制的應(yīng)用17第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況微處理器的進(jìn)步使變頻器達(dá)到全數(shù)字微機(jī)控制水平。1、控制手段的發(fā)展控制手段的三個(gè)階段：（1）模擬控制階段—應(yīng)用在SCR變流電路中。（2）數(shù)字控制階段—應(yīng)用在早期的GTR變頻器中。（3）全數(shù)字微機(jī)控制階段—應(yīng)用在當(dāng)前新型變頻器中。2、微機(jī)數(shù)字控制的優(yōu)越性數(shù)字控制的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）控制器的硬件電路集成化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，體積小、成本低、可靠性高。（2）控制軟件可以按需要更換、修改或移植，靈活性大。

18第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況（3）消除了模擬控制中溫度漂移的影響，穩(wěn)定性好。（4）信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、故障診斷以及分級(jí)控制能力不斷提高。（5）隨著CPU飛快發(fā)展，各種新型的比較復(fù)雜的控制方案都能夠?qū)崿F(xiàn)。3、單片機(jī)的應(yīng)用變頻器控制廣泛使用單片機(jī)，單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是：用同一芯片可以進(jìn)行種種條件判斷并做出最佳處理方案。由于采用了單片機(jī)控制出現(xiàn)了更小型化，可靠性更高的廉價(jià)變頻器，其質(zhì)量不斷得到改進(jìn)，性能不斷提高。4、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）19第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章變頻器技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

為了提高運(yùn)算速度，在20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器，開始時(shí)DSP只用做提高運(yùn)算的處理器，本身的I/O接口很少，隨著產(chǎn)品性能的提高，