交流电力拖动

1、现代交流拖动系统现代交流拖动系统大连海事大学大连海事大学 自动化与电气工程学院自动化与电气工程学院王天序王天序 教授教授研究领域：电力电子与电气传动研究领域：电力电子与电气传动研究方向：电气传动自动化系统及研究方向：电气传动自动化系统及 其可靠性其可靠性 内容提要内容提要n概述n交流调速系统的主要类型n电力电子技术及器件n交流变频调速系统第一章第一章 概概 述述 直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公

2、认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。 这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。1-1

3、交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：主要有三个方面：n一般性能的节能调速一般性能的节能调速 n高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 n特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 1. 一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。一般性能的节能调速（续）一般性能的节能调速（续） 如果换成交流调速系

4、统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 % 30% 以上的电能，效果是很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。2. 高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流

5、电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的交流调速系统和伺服系统（续）高性能的交流调速系统和伺服系统（续） 其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。3. 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。 交流

6、电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1-2 交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机异步电机（即感应电机）和同步电机同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。按电动机的调速方法分类按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：降电压调速转差离合器调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速变极对数调速变压变频调速等 在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类

7、繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。按电动机的能量转换类型分类按电动机的能量转换类型分类 按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。 PmechPmPs 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系

8、统分成三类 。1. 转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2.转差功率馈送型系调速统转差功率馈送型系调速统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的

9、功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。3. 转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 同步电机的调速同步电机的调速 同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0 ）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步

10、电机那样的多种调速方法。 在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频他控变频调速调速和自控变频调速自控变频调速两类。 自控变频调速自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。 开关磁阻电机开关磁阻电机是一种特殊形式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。第二章第二章 电力电子技术及器件电力电子技术及器件 n一一.电力电子技术电力电子技术n定义定义: 以电力为对象的电子技术以电力为对象的电子技术n内容内容: 研究利用电力半导

11、体器件研究利用电力半导体器件,进行电进行电量变换量变换,如如:变频，变压，变流等。变频，变压，变流等。n与其它学科的关系：与其它学科的关系： 是电力，电子，控制是电力，电子，控制三大电气工程技术之间的交叉学科。三大电气工程技术之间的交叉学科。2-1 概述概述二二.电力半导体器件电力半导体器件1. 1. 分类分类: : 不可控不可控 整流管整流管, , 可可 控控 晶闸管晶闸管, , 电力晶体管等电力晶体管等2. 2. 发展槪况发展槪况: : n第一代第一代 : 半控型半控型 晶闸管晶闸管(Thyristor or Silicon Controlled Thyristor or Silicon

12、Controlled Rectifier) 1KA/12KV, 3KA/4KV Rectifier) 1KA/12KV, 3KA/4KV 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Thyristor) 1.5KA/1.2KV20 Fast Thyristor) 1.5KA/1.2KV20 S Sn双向双向晶闸管（晶闸管（TRIACTRIAC）300A/1KAV 300A/1KAV 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting hyristor) Reverse Conducting hyristor) 1KA/4.5KV1KA/4.5KV第二代第二代: 全控型全控型 n 电力晶体管电力

13、晶体管 GTR(Giant Transistor) GTR(Giant Transistor) 。 n 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO(Gate Turn Off GTO(Gate Turn Off Thyristor) Thyristor) n电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET(Power MOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Effect Transistor) 用于用于500HZ500HZ以上以上。 第三代：第三代

14、： 复合化复合化 n 绝缘柵极双极型晶体管绝缘柵极双极型晶体管 IGBTIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor) Insulated Gate Bipolar Transistor) 兼有兼有MOSFETMOSFET的高输入阻抗和的高输入阻抗和GTRGTR的低导通压降。的低导通压降。 n 场控晶闸管（场控晶闸管（MOS Controlled Thyristor) MOS Controlled Thyristor) 场效应晶体管与晶闸管复合场效应晶体管与晶闸管复合 100A/1KV100A/1KVn第四代第四代 模块化，集成化模块化，集成化 驱动，过电压和过

15、电流保护，电流检测，驱动，过电压和过电流保护，电流检测，温度控制等集成一体，形成一个片子，温度控制等集成一体，形成一个片子，便于使用。便于使用。 3. 应用领域应用领域 静态开关静态开关; 交流或直流电压控制交流或直流电压控制;交流或交流或直流电机调速直流电机调速; UPS电源等。电源等。 2-2 2-2 可控型电力电子器件可控型电力电子器件 一、晶闸管一、晶闸管- -半控型器件半控型器件 ThyristorThyristor或称可控硅或称可控硅 Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier（一）结构及工作原理（一）结构及工作

16、原理Structure and Principle of thyristor P1 N1 P2 N2J1J2J3AKG结构示意图结构示意图GAK晶闸管的电气符号晶闸管的电气符号外形外形晶闸管的双晶体管模型及工作原理晶闸管的双晶体管模型及工作原理 P1N1 P2 N2N1P2AKGPNPIAV1IC1IGIC2V2NPNIKGSEGAKREA1)-(2 C CB BO O1 1A A1 1C C1 1I II I I IV1共基极电共基极电流增益流增益V1共基极共基极漏电流漏电流2)-(2 C CB BO O2 2K K2 2C C2 2I II I I I）（）可得（）由（5-2 4-21-2

17、 4)-(2 3)-(2 ） （ 1 1I II II I I II II II II II II I2 21 1C CB BO O2 2C CB BO O1 1G G2 2A AC C2 2C C1 1A AG GA AK K导通条件导通条件:导通条件导通条件:1.正向阳极电压（正向阳极电压（A+K）2.正向门极电压正向门极电压(+K）（可以用正向脉冲电压触发）（可以用正向脉冲电压触发）关断条件：关断条件： 或或 ia 下降至小于维下降至小于维持电流持电流 ih ia AG K ia （二）晶闸管的特性（二）晶闸管的特性 1 1、晶闸管的静态特性、晶闸管的静态特性 （1 1）阳极伏安特性）阳

18、极伏安特性nU UDRMDRM-断态重复峰值电压断态重复峰值电压nU URRMRRM-反向重复峰值电压反向重复峰值电压nU UDSMDSM-断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压nU UGSMGSM-反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压nU Ubobo- - 正向转折电压正向转折电压n 正常工作时，不允许正常工作时，不允许正向阳极电压加到正向阳极电压加到U Ubobo，否，否则将失控。应该靠加入则将失控。应该靠加入I IG G使晶闸管导通使晶闸管导通。（2 2）门极伏安特性）门极伏安特性nOD-OD-极限低阻伏安特性极限低阻伏安特性nOG-OG-极限高阻伏安特性极限高阻伏安特性nADEFGCBA

19、-ADEFGCBA-可靠触发区可靠触发区nOABCO-OABCO-不可靠触发区不可靠触发区nOHIJO-OHIJO-不触发区不触发区nI IFGM-FGM-门极正向峰值电流门极正向峰值电流nU UFGMFGM-门极正向峰值电压门极正向峰值电压nI IGTGT-门极触发电流门极触发电流nU UGTGT-门极触发电压门极触发电压nP PGMGM-瞬时最大功率瞬时最大功率nP PG G（av)av)-平均功率平均功率nI IGDGD-门极不触发电流门极不触发电流nU UGDGD-门极不触发电压门极不触发电压2、晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性1.开通时间开通时间 t tgt gt = t= td d

20、 + t+ tr rnt td -d -延迟时间，延迟时间， 0.5-1.50.5-1.5 S S 随门极电流增大而减小。随门极电流增大而减小。nt tr - r - 上升时间，上升时间， 0.5-30.5-3 S S 阳极电压高，上升时间短。阳极电压高，上升时间短。2.2.关断时间关断时间 t tq q= t= trr rr + t+ tgrgr t trr -rr -反向阻断恢复时间；反向阻断恢复时间； t tgr-gr-正向阻断恢复时间。正向阻断恢复时间。几百微妙几百微妙n影响关断时间的因素影响关断时间的因素1. 1. 正向电流大，关断时间长正向电流大，关断时间长; ;2. 2. 反向电

21、压高反向电压高, , 关断时间短关断时间短; ;3.3.正向电压上升率大正向电压上升率大, , 关断时间长关断时间长; ;4. 4. 结温高结温高, ,关断时间长。关断时间长。n动态损耗动态损耗1.1.开通损耗开通损耗 2.2.关断损耗关断损耗n静态损耗静态损耗1.1.通态损耗通态损耗 2.2.断态损耗断态损耗（三三) ) 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1 1、电压参数、电压参数（1 1） 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRM DRM : : 门极断路门极断路, ,額定结温額定结温, ,允许重复施加的正向峰值电压。允许重复施加的正向峰值电压。（2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电

22、压U URRMRRM : : 门极断路门极断路, ,額定结温額定结温, ,允允许重复施加的反向峰值电压。许重复施加的反向峰值电压。（3 3）额定电压）额定电压 : : 取取U UDRMDRM和和U URRMRRM中的较小者标称。中的较小者标称。 * *选用时，要留选用时，要留2-32-3倍的安全余量倍的安全余量。（4 4）通态）通态( (峰值峰值) )电压电压U UTMTM : : 通以通以 倍通态平均电流倍通态平均电流I IT(AV)T(AV)时的瞬态时的瞬态峰值电压。峰值电压。 * * U UTMTM小，损耗小，发热小。小，损耗小，发热小。2 2、电流参数、电流参数（1） 通态平均电流通态

23、平均电流IT(AV)（额定电流，产品合（额定电流，产品合格证上标称。）：环境温度为格证上标称。）：环境温度为+400C和规定的和规定的冷却条件下，带电阻性负载的单相工频正弦半冷却条件下，带电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导通角不小于波电路中，管子全导通（导通角不小于 1700），稳定结温不超过额定值时所允许的最），稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。大平均电流。（2）维持电流）维持电流 IH : 使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。 结温越高，结温越高，IH 越小。越小。（3）擎住电流）擎住电流IL : 晶闸管刚从断态转入通态并移

24、除触发脉冲之晶闸管刚从断态转入通态并移除触发脉冲之后后,能维持通态所需的最小主电流。能维持通态所需的最小主电流。 IL=(2-3) IH。（4）浪涌电流）浪涌电流ITSM : 由于某种异常情况引起的使结温超过额定结由于某种异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流温的不重复性最大正向过载电流,用峰值表示。用峰值表示。 有上下两个级，用来设计保护电路。有上下两个级，用来设计保护电路。3、晶闸管的门极定额、晶闸管的门极定额（1）门极触发电流门极触发电流IGT 室温下室温下,阳极电压直流阳极电压直流6V时时,使晶闸管由使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。断态转入通态所必需的最

25、小门极电流。（2）门极触发电压）门极触发电压 UGT 产生门极触发电流产生门极触发电流 IGT所必需的门极电所必需的门极电压。压。4 4、动态参数、动态参数（1） 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du / dt 额定结温和门极开路的情况下额定结温和门极开路的情况下,不导致从断态转换不导致从断态转换到通态的最大主电压上升率。到通态的最大主电压上升率。 使用时，实际的使用时，实际的断态电压上升率必需低于此值。断态电压上升率必需低于此值。（2）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率di /dt 在规定条件下在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

26、通态电流上升率。 大于此值，会造成大于此值，会造成晶闸管晶闸管损坏。损坏。 5.5.额定结温额定结温T Tjmjm器件在正常工作时所允许的最高结温。器件在正常工作时所允许的最高结温。 在此温度下在此温度下 ，一切有关的额定值和特，一切有关的额定值和特性都能得到满足。性都能得到满足。 在规定的冷却条件下和其它额定条件下，在规定的冷却条件下和其它额定条件下，器件才不会超过额定结温器件才不会超过额定结温( (四）晶闸管的一些派生器件四）晶闸管的一些派生器件1. 快速晶闸管快速晶闸管: 关断时间短，数十微秒。关断时间短，数十微秒。2.双向晶闸管双向晶闸管b双向晶闸管双向晶闸管b额定电流用有效值表示额定

27、电流用有效值表示b四种触发方式四种触发方式+ + - - + + - -实际使用中，一般采用实际使用中，一般采用- - 和和- -两两种种触发方式触发方式b缺点：缺点：承受承受di /dt 能力差；能力差；门极电路灵敏度低；门极电路灵敏度低；关断时间长。关断时间长。3. 逆导晶闸管逆导晶闸管n额定电流额定电流 : 晶闸管电流晶闸管电流 / 整流管电流。整流管电流。 例例 ： 300 / 300300 / 300；300 / 150300 / 150。n逆导晶闸管优点逆导晶闸管优点 正向压降小；关断时间短；高温正向压降小；关断时间短；高温特性好；额定结温高。特性好；额定结温高。 使用时，器件的数

28、目少；装置体使用时，器件的数目少；装置体积小；重量减轻；价格低；配线积小；重量减轻；价格低；配线简单；经济性好。简单；经济性好。n逆导晶闸管缺点逆导晶闸管缺点 换向能力随结温升高而下降。换向能力随结温升高而下降。4、光控晶闸管、光控晶闸管2-3 2-3 典型全控型器件典型全控型器件 一、可关断晶闸管一、可关断晶闸管 GTOGTO1 1、 GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理多元集成多元集成 (要求强触发脉冲要求强触发脉冲,使开通过程中使开通过程中,各各GTO元中动态电流相元中动态电流相等等)。工作原理工作原理 GTO的双晶体管等效电路分析的双晶体管等效电路分析从右图得从右图得: IA

29、= 1 IA + 2 IK当当 IG = 0 时时: 因因IA = IK , 所以所以 1 + 2 = 1为为GTO的临界导通条件。的临界导通条件。 1 + 2 1，GTO饱饱和导通。和导通。2 21 12 2G GA AG G2 2A A2 21 1G G2 2A A2 2A A1 1A AK K2 2A A1 1A AG GA AK K1 1I II I可可得得门门极极控控制制增增益益I II I1 1I II II I得得I II II II II II II I当当 IG 0 时时:GTO在设计时，使在设计时，使 1 + 2 = 1.05，给门极控制关断提供了有，给门极控制关断提供了有

30、利条件。利条件。 GTO的开通过程的开通过程与普通晶闸管开通原理类似，强烈与普通晶闸管开通原理类似，强烈的正反馈过程。的正反馈过程。当当 电流增加到电流增加到 1 + 2 1后，撤去后，撤去IG ，GTO也能维持导通。也能维持导通。阴影宽度表示饱和的深度。阴影宽度表示饱和的深度。 GTO的关断过程的关断过程门极加负脉冲。门极加负脉冲。 Ib2 IK ，IC2 IA IC1 当当 1 + 2 IATO 时时,负脉冲不能关断负脉冲不能关断GTO,必须断开阳极电路必须断开阳极电路加以保护。加以保护。（2） 电流关断增益电流关断增益 off门门极极负负电电流流最最大大值值: :I I式式中中5 5;

31、;I II IG GM MG GM MA AT TO Oo of ff f例如例如1000A的的GTO，需，需200A的负脉冲电流的幅值。但由于脉的负脉冲电流的幅值。但由于脉冲窄，门极平均功耗仍较小。冲窄，门极平均功耗仍较小。（3） 开通时间开通时间ton Turn On Time: ton=td+tr td 延迟时间延迟时间,1-2 s ; tr 上升时间上升时间,随随 IA增增大而增大。大而增大。（4）关断时间）关断时间 toff Turn Off Time: toff = ts + tf ts -储存时间储存时间, 随随 IA增大而增大增大而增大; tf -下降时下降时间间, 0, Ub

32、e 0; Ubc 0 ， IC = Ib 。饱和区：饱和区： Ib ICS / ， Ube 0; Ubc 0 ， ICS 集电极饱和电集电极饱和电流）流）n临界饱和：刚进入饱和区，临界饱和：刚进入饱和区， U Ubcbc 0 0 n过饱和：再增大过饱和：再增大I Ib b ，产生，产生过饱和。过饱和。 I Ib b 越大，越大，饱和深饱和深度越深。度越深。n增加饱和深度，可以降低增加饱和深度，可以降低饱和压降，减少导通期间饱和压降，减少导通期间的损耗。但增加了开关时的损耗。但增加了开关时间。间。n电力晶体管工作在开关状电力晶体管工作在开关状态，即工作在截止区和态，即工作在截止区和饱饱和区，但在

33、和区，但在开关过程中，开关过程中，要经过要经过放大区。放大区。（2）动态特性）动态特性开关过程开关过程开通过程开通过程延迟时间延迟时间 td: t0-t1,由发由发射结和集电结势垒电容引射结和集电结势垒电容引起起,增大增大Ib 的幅值和的幅值和 dIb / dt,可缩短可缩短td;上升时间上升时间 tr: t1-t2, 增增大大Ib 的幅值和的幅值和 dIb / dt,可可缩短缩短tr;开通时间开通时间 to n = td +tr关断时间关断时间 toff = tS +tf。缩短关断时间的方法：缩短关断时间的方法： 减小饱和程度，使晶体管导减小饱和程度，使晶体管导通时工作在临界饱和状态。通时工

34、作在临界饱和状态。 增大关断的反向基极电流增大关断的反向基极电流Ib2和负偏压。和负偏压。 关断过程关断过程储存时间储存时间 tS: t3-t4 , 除去基除去基区储存电荷的时间。区储存电荷的时间。导通导通时，饱和越深，储存电荷时，饱和越深，储存电荷越多，越多， tS越长。越长。下降时间下降时间tf: t4-t5 ,n 由于电力晶体管开关速度快由于电力晶体管开关速度快（几微秒），而晶闸管一般为几十微（几微秒），而晶闸管一般为几十微秒。所以，目前，大多数秒。所以，目前，大多数 脉宽调制式脉宽调制式（PWM）变频装置，都使用）变频装置，都使用GTR作作为开关元件。为开关元件。n 电力晶体管是电流控

35、制（电力晶体管是电流控制（Ib控控制制 ), 所以，需要一定功率的控制电路。所以，需要一定功率的控制电路。3、电力晶体管的极限运用参数、电力晶体管的极限运用参数 （1） 最高工作电压最高工作电压 Ucb0e极开路极开路, cb极之间的反向击穿电压极之间的反向击穿电压; BUce0b极开路极开路, ce极之间的击穿电压极之间的击穿电压; BUcer eb极接极接R, ce极之间的击穿电压极之间的击穿电压; BUces eb极短路极短路, ce极之间的击穿电压极之间的击穿电压; BUcex be极反偏极反偏, ce极之间的击穿电压极之间的击穿电压; 它们之间的关系如右图所示它们之间的关系如右图所示

36、 正常工作时正常工作时,为确保安全为确保安全,取最高工作电压小于取最高工作电压小于BUce0（2） 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当直流放大系数下降到规定值的当直流放大系数下降到规定值的 1/21/3 时，所时，所对应的对应的 IC值为值为ICM 。 实际使用时，要留有一倍左右的安全裕量（即只能实际使用时，要留有一倍左右的安全裕量（即只能用到用到 ICM的一半左右）。的一半左右）。（3）集电极最大耗散功率）集电极最大耗散功率 PCM 表示管子的容量。取决于集电结工作电压和工作电流表示管子的容量。取决于集电结工作电压和工作电流的乘积，的乘积，是最高工作温度下允许的耗散功率。是最高

37、工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书给出产品说明书给出PCM 的同时，亦给出管壳温度的同时，亦给出管壳温度TC 。三、电力场效应晶体管三、电力场效应晶体管MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor1、 结构及特点结构及特点（1）结构）结构多元结构多元结构;N沟道增强型沟道增强型:栅极电栅极电压大于零才存在导电压大于零才存在导电沟道；沟道；垂直双扩散工艺：提垂直双扩散工艺：提高耐压。高耐压。（2） 符号符号:见右图。见右图。 D-漏极；漏极；S-源极；源极；G-栅栅极。极。（3 3） 特点特点 场控型元件。场控型元件。 G-S

38、G-S极输入阻抗很大，为使极输入阻抗很大，为使其导通，只需加其导通，只需加 8-10 V8-10 V的电压信号。但的电压信号。但G-SG-S间存间存在很小的输入电容在很小的输入电容Cin,Cin,所以仍需很小的充电电流。所以仍需很小的充电电流。 无储存时间。开关速度快，无储存时间。开关速度快，1A1A：10ns10ns，10 -10 -20A20A：50 -100 ns50 -100 ns。适用于高频（。适用于高频（10 6 HZ10 6 HZ）。）。 通态电阻具有正的温度系数。有利于并联均通态电阻具有正的温度系数。有利于并联均流。流。 是逆导元件。无反向阻断能力。是逆导元件。无反向阻断能力。

39、2、特性、特性（1）静态特性）静态特性 转移特性（转移特性（IDUGS）见右图见右图a)。 UT开启电压（阀值电压）开启电压（阀值电压） UT3V。IDUGS间的关系，近似线间的关系，近似线性。斜率定义为跨导性。斜率定义为跨导GfZ。西门子101dUdIGGSDfZ输出特性（漏极伏安特性）输出特性（漏极伏安特性） （I ID DU UDSDS）见右图见右图 b)b)。 有三个工作区：有三个工作区： 截止区：截止区：UGS UT ；ID = 0 。 饱和区：饱和区： UGS UT ；UDS UGS UT 。 非饱和区（用作开关时，工作在此区）：非饱和区（用作开关时，工作在此区）： UGS UT

40、；UDS 20V，将导致，将导致GS间绝缘层击穿。间绝缘层击穿。（4）极间电容）极间电容一般生产厂家提供的是一般生产厂家提供的是:漏源极短路时的输入电容漏源极短路时的输入电容 Ciss ( = CGS + CGD) Cin（输入电（输入电容）容）共源极输出电容共源极输出电容 Coss ( = CDS + CGD) 反向转移电流反向转移电流 Crss ( = CGD) 安全裕量：在使用时，电压，电流，耗散功率要留较大的安全裕安全裕量：在使用时，电压，电流，耗散功率要留较大的安全裕量。量。4 4、使用中的注意事项、使用中的注意事项（1 1）防止静电击穿防止静电击穿 由于由于MOSFET有极高的输入

41、阻抗，因此在静电较强的场合难有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难以泄放电荷，容易引起静电击穿。为防止静电击穿，应以泄放电荷，容易引起静电击穿。为防止静电击穿，应 a）应存放于抗静电包装袋，导电材料袋或金属容器中。取）应存放于抗静电包装袋，导电材料袋或金属容器中。取件时，应拿管壳部分。操作人员需通过腕带良好接地。件时，应拿管壳部分。操作人员需通过腕带良好接地。 b）工作台和烙铁必须良好接地，焊接时烙铁应断电。）工作台和烙铁必须良好接地，焊接时烙铁应断电。 c）测试器件时，测量仪器和工作台必须良好接地。器件的）测试器件时，测量仪器和工作台必须良好接地。器件的三个极未全部接入以前，不许施加电压。

42、改换测试范围时，电压三个极未全部接入以前，不许施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。和电流都必须先恢复到零。 d）注意栅极电压不要过限。）注意栅极电压不要过限。 （2 2）防止偶然性振荡损坏器件防止偶然性振荡损坏器件 测试时，在栅极端子外接测试时，在栅极端子外接10k 串联电阻，或在串联电阻，或在栅源极间栅源极间外接约外接约0.5 F的电容。的电容。 （3）防止过电压）防止过电压 a）栅源间过压的防护栅源间过压的防护 栅源极间并接电阻，或并接约栅源极间并接电阻，或并接约20V 的齐纳二极管。的齐纳二极管。 特别要防止栅源开路特别要防止栅源开路 b）漏源间过压的防护）漏源间过压的

43、防护 齐纳二极管箝位或齐纳二极管箝位或RC抑制电路。抑制电路。 （4）防止过电流防止过电流 加过电流保护。加过电流保护。四、绝缘栅双极晶体管四、绝缘栅双极晶体管 ( IGBT ) Insulated-Gate Bipolar Transistor1、IGBT的电气符号和等效电路的电气符号和等效电路CGECEG等效电路等效电路电气符号电气符号2、IGBT的基本特性的基本特性 （1）静态特性）静态特性 a）转移特性）转移特性UGEICUGE（th）开启电压开启电压UCE（th）=2 6 V-使使IGBT导通的最低导通的最低UCE 。 b）输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）UGE（th）UGE

44、增加增加UFMUCE正向阻断区正向阻断区有源区有源区饱和区饱和区反向阻断区反向阻断区URMIC（2）动态特性）动态特性90%UGEM10%UGEMUGEttUGEM90%ICM10%ICMICtd（on）trtontd（off）ICMtfi1tfi2toffUCEUCEMtfV1tfV2t ton = td（on）+ tr toff = td（off）+ tfi1 +tfi2MOSFET和和GTR同时工作的电压同时工作的电压下降过程下降过程MOSFET工工作的电压下作的电压下降过程降过程对应对应MOSFET的关断的关断对应对应GTR的关断的关断IGBT的特点：的特点： （1）开关速度快。）开关

45、速度快。MOSFET开关速度开关速度 GTR；开关损耗小。开关损耗小。 （2）安全工作区比）安全工作区比GTR大。大。 （3）饱和压降低，与）饱和压降低，与GTR相近；栅极电压相近；栅极电压 ，饱饱和压降和压降 。 （4）输入阻抗高，）输入阻抗高，驱动功率小，电压控制型驱动功率小，电压控制型。 3、IGBT的主要参数的主要参数 （1）最大集射极电压）最大集射极电压UCEM （2）最大集电极电流：包括额定直流电流）最大集电极电流：包括额定直流电流IC和和1ms脉宽脉宽最大电流最大电流ICP （3）最大集电极功耗）最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。最

46、大耗散功率。4 4、IGBTIGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区 （1）擎住效应）擎住效应 IGBT的更复杂现象需用下面等效电路说明。的更复杂现象需用下面等效电路说明。CGERbrPNPNPNJ1J2J3Rdr 在制造过程中，在在制造过程中，在NPN的基射极间并有一个体区的基射极间并有一个体区电阻电阻Rbr，P形体区的横向形体区的横向空穴电流会在空穴电流会在Rbr上产生压上产生压降加于降加于J3结上。结上。 在额定集电极电流范围在额定集电极电流范围内，此偏压很小，不足以内，此偏压很小，不足以使使J3开通。开通。 一旦集电极电流超过额一旦集电极电流超过额定电流值，使定电流值，使J

47、3开通，开通，IGBT开通并自锁，栅极失开通并自锁，栅极失去对集电极电流的控制，去对集电极电流的控制，称为擎住效应。称为擎住效应。产生擎住效应的原因：产生擎住效应的原因：集电极电流超过额定电流值；集电极电流超过额定电流值； （静态擎住效应）（静态擎住效应）duduCECE / dt / dt 过大；（动态擎住效应）过大；（动态擎住效应）温度升高温度升高 （2 2）安全工作区）安全工作区tVCE（V）IC（A）DCt=10-4st=10-5s0IC（A）VCE（V）1000V/s2000 V/s3000V/s重加重加 dvCE/dtFBSOAForward Biased Safe Operati

48、ng AreaRBSOAReverse Biased Safe Operating Area2-42-4 其他新型电力电子器件一、一、MOS控制晶闸管控制晶闸管 （MCT） MOS Controlled Thyristor MOSFET与与Thyristor的复合。的复合。多元集成结构，一个元件由上万个多元集成结构，一个元件由上万个 MCT构成。构成。工作原理：工作原理： 栅极栅极G加正脉冲加正脉冲N沟道的沟道的 on-FET导通导通PNP管通管通NPN管通，管通，双晶体管形成强烈正反馈双晶体管形成强烈正反馈 MCT通。通。 栅极栅极G加负脉冲加负脉冲P沟道的沟道的 off-FET导通，使导通

49、，使PNP管基极电流管基极电流 NPN管基极电流管基极电流 PNP管基极电流管基极电流 ，双晶体管形成强烈正，双晶体管形成强烈正反馈反馈 MCT关断。关断。 MCT输入阻抗高，电压型控制。耐压高输入阻抗高，电压型控制。耐压高.容量大容量大.导通压降低。导通压降低。承受承受di/dt和和du/dt能力强。开关速度能力强。开关速度 GTR，开关损耗小。，开关损耗小。二、二、 静电感应晶体管静电感应晶体管 (SIT) Static Induction Transistor 结型电力场效应晶体管结型电力场效应晶体管; 耐压耐压,电流容量电流容量 MOSFET； 正常导通型。栅极无信号导通，加负偏时关断

50、；正常导通型。栅极无信号导通，加负偏时关断； 通态压降大，通态压降大， 通态损耗大。通态损耗大。三、静电感应晶闸管静电感应晶闸管 (SITH) Static Induction Thyristor 一般为正常导通型。一般为正常导通型。 特性与特性与GTO类似类似, 但开关速度比但开关速度比GTO高。高。 制造工艺复杂，关断增益小。制造工艺复杂，关断增益小。四、集成门极换流晶闸管（四、集成门极换流晶闸管（IGCT）Integrated Gate-Commutated Thyristor 具有具有IGBT和和GTO的优点，的优点，20世纪世纪90年研制；年研制； 容量同容量同GTO，开关速度比，开

51、关速度比GTO快快10倍；倍； 驱动功率较大。驱动功率较大。五、电力电子器件发展方向五、电力电子器件发展方向1. 性能性能 提高容量。即提高电压提高容量。即提高电压.电流等级，提电流等级，提高承受高承受di/dt和和du/dt的能力，的能力， 降低通态压降低通态压降。降。 提高工作频率。降低开关损耗。提高工作频率。降低开关损耗。 减小驱动功率。场控器件驱动功率最小，减小驱动功率。场控器件驱动功率最小，得到很大发展。得到很大发展。 智能化。智能化。2. 结构结构 集成化。集成化。 复合化。取长补短。如：复合化。取长补短。如：IGBT， MCT等。等。 模块化。一个模块包含若干个功率器模块化。一个

52、模块包含若干个功率器件及必要的辅助元件，使装置结件及必要的辅助元件，使装置结 构紧凑，构紧凑，体积减小。体积减小。各种自关断器件的主要性能各种自关断器件的主要性能1. GTO: 容量最大（容量最大（4.5KA/4.5KV);工作频率工作频率12 KHZ,最低最低 (但仍大于晶闸管但仍大于晶闸管); 电流型控制电流型控制; 关断时需很大的反向驱动电流。关断时需很大的反向驱动电流。2. GTR: 容量中等容量中等 (单管单管200A/1KV,100A/1.8KV;模模块块800A/1.2KV); 工作频率工作频率10KHZ以下以下;电流电流型控制型控制, 所需驱动功率较大所需驱动功率较大;目前应用

53、最广。目前应用最广。3. 电力电力MOSFET: 容量小容量小 (38A/1KV); 工作频率最高工作频率最高,可达可达100KHZ以上以上;电压型控制电压型控制, 所需驱动功率小所需驱动功率小.4. IGBT: 容量与容量与GTR同一等级同一等级(800A/1000V);电压型电压型控制控制,所需驱动功率小于所需驱动功率小于GTR;工作频率高于工作频率高于GTR。予计在中等功率容量范围内，将逐。予计在中等功率容量范围内，将逐步取代步取代GTR。5. MCT: 阻断电压高阻断电压高; 通态压降小通态压降小; 驱动功率驱动功率低低; 开关速度快。开关速度快。 目前容量目前容量1000V/100A

54、。但最有发展。但最有发展前途。前途。笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）系统）转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统第第 三三 章章 概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。本章提要本章提要n变压变频调速的基本控制方式n异步电动机电压频率协调控制时的机械特性n*电力电子变压变频器的主要类型n变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术n基于异步电动机稳态模型的

55、变压变频调速n异步电动机的动态数学模型和坐标变换n基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统n基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 3.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。n对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。n在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些

56、周折了。 定子每相电动势mNs1gS44. 4kNfE （3-1） 式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的 有效值（V）； 定子频率（Hz）； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量（Wb）。 f1NskNsm 由式（3-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 1. 基频以下调速 由式（3-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 恒压频比的控

57、制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（6-3） 这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 OUsf 1图3-1 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 2. 基频

58、以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 f1N 变压变频控制特性图3-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高

59、时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录3.2 异步电动机电压频率协调控制时异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性的机械特性本节提要本节提要n恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性特性n基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性n基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性n恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性3.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性机械特性异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)。 当定子电压

60、 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以写成如下形式： 2lrls2122rsr121spe)()(3LLsRsRRsUnT（3-4） 特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（3-5） 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图3-3。sRsUnTr121spe3 特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，则 sLLRsRUnT1)(32lrls212sr121spe（3-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。 机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从