变频技术第一章

第一页，共二十三页，2022年，8月28日1第1章变频器技术应用发展概况本章教学提要教学要求：

1、了解变频器发展概况，认识变频器在现代化建设中的作用。

2、了解各类电力电子器件的特性及应用。

3、了解变频器中各类微处理器及其作用。教学重点：1、变频器在工业企业的“节能减排”和实现自动化过程中的作用。

2、电力电子器件和微处理器的发展对变频器技术发展的促进作用。教学难点：新型电力电子器件的特性。第二页，共二十三页，2022年，8月28日2第1章变频器技术应用发展概况本章教学内容

本章共分3节，分别讲述：变频器调速技术发展概况及其在国家经济建设中的重要作用；电力电子器件的发展概况及它对变频器内在品质的决定作用；微处理器的发展及对变频器控制能力和智能化的影响。本章教学建议

本章教学可以采用实物教学，主电路要求学生认识电力电子模块或器件，控制电路要求学生认识核心器件即单片机或DSP

，使学生在后面学习和掌握维护、检修技术有一个感性认识，并打下基础。第三页，共二十三页，2022年，8月28日3第1章变频器技术应用发展概况1.1概述

【知识目标】了解变频调速技术发展概况及其在国家经济建设中的重要作用。交流变频技术的发展

各类电动机已经成为人类生产、生活中最重要的动力机械，其地位与作用是其他动力机械不可比拟的。在各类电动机中笼型三相交流异步电动机以其结构简单坚固，运行可靠、价格低廉等优势在电力拖动领域中独占鳌头。由变频器传动电动机实现交流调速，首先可以实现节能，同时可以提高生产效率，实现生产自动化，这是人们长期以来孜孜以求的愿望。

第四页，共二十三页，2022年，8月28日4第1章变频器技术应用发展概况电力电子器件的发展，最新微处理器技术的应用和变频控制理论的不断创新，使交流变频技术飞速发展。变频器新技术及其发展方向1.变频器新技术

伴随着变频器应用的日益广泛，其性能好技术也在飞速发展，主要体现在：（1）模块化：新型变频器其主要功能电路均已实现模块化，使整机的原件数量比原来减少了40%以上，可靠性得到很大提高。（2）专用化：新型变频器为更好地发挥其控制技术的独特功能，派生出许多专用机型。例如：风机、水泵专用型，空调专用型，电梯专用型等。第五页，共二十三页，2022年，8月28日5第1章变频器技术应用发展概况（3）软件化：新型变频器的功能软件化已进入实用阶段，通过内置软件编程可实现所需的功能。如PID软件，张力控制软件等。（4）网络化：新型变频器内装RS－485接口，可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，可接在多种现场总线的控制网络中，成为网络中一个“节点”，实现网络控制。（5）低电磁噪声、静音化（6）图形化用户界面（7）引导式调试步骤（8）参数趋势图形2、变频器未来的发展方向（1）进一步提高控制理论，发展控制策略。（2）高速全数字化控制。第六页，共二十三页，2022年，8月28日6第1章变频器技术应用发展概况（3）新型电力电子器件的应用技术。（4）变频器的大容量化和小体积化。（5）更符合环境保护要求，成为真正的“绿色产品”。1.2电力电子器件在变频器中的应用【知识目标】了解电力电子器件发展概况掌握电力电子器件分类方法掌握常用的电力电子器件的基本特性好在使用中应注意的问题。电力电子器件发展概况

1956年第一个普通晶闸管诞生，标志着电力电子技术的产生并进入应用阶段。半控型电力电子器件的缺陷：第七页，共二十三页，2022年，8月28日7第1章变频器技术应用发展概况1、不能控制“关断”，只能增加“强迫换流”电路，因而效率低。2、工作频率低应用范围小。现代电力电子器件在其控制技术方面有如下特点：1、集成化：几乎使用全控型器件均是由多个子器件集成的。例如1个1000A的GTO含有近千个单元GTO。2、高频化：一般的IGBT工作频率均达到20KHz,有的功率器件工作频率可达10MHz以上。3、全控化：现代电力电子器件均已实现全控化，即自动关断化。4、控制电路弱电化、控制技术数字化：全控型器件的高频化促进了电力电子控制电路的弱电化。第八页，共二十三页，2022年，8月28日8第1章变频器技术应用发展概况电力电子器件的简单分类1、根据不同的开关特性分①不控型器件②半控型器件③全控型器件2、根据器件内参与导电的载流子情况分①双极型②单极性③混合型3、根据控制信号不同分（1）电流控制型其特点是：①器件内有两种载流子导电，器件的PN结温度高，因此工作频率较低。②具有电导调制效应，导通压降很低，导通损耗小。③输入阻抗较低，因此驱动电流和控制功率较大，电路也比较复杂。

第九页，共二十三页，2022年，8月28日9第1章变频器技术应用发展概况（2）电压控制型其特点是：①输入阻抗很高，控制功率小，控制电路简单。②只有一种载流子，工作频率很高。③工作温度高，抗辐射能力强。变频器中常用的电力电子器件

电力电子器件在变频器的主电路中起核心作用，它的性能优劣标志着变频器档次的高低。1、电力晶体管（大功率双极型晶体管GTR）单个电力晶体管的放大系数很小，通常采用多个晶体管按达林顿接法组成单元结构，其主要特点是耐压高，电流大，开关特性好，具有导通压降小，导通损耗低的优点。第十页，共二十三页，2022年，8月28日10第1章变频器技术应用发展概况2.门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（GTO）是普通晶闸管的派生器件，具有门极控制的自关断性能，近年来制成高电压、大功率的GTO，在电力机车、内燃机车和电动车辆的变频系统中广泛应用。GTO应用中的问题主要有两个。①缓冲问题：为解决GTO的二次击穿问题，必须设计缓冲电路。（见附图）：其中Cs为缓冲电容，电阻Rs用来限制电容放电电流，二极管VDs

用于电阻旁路。第十一页，共二十三页，2022年，8月28日11第1章变频器技术应用发展概况

②驱动问题：GTO在关断时门极要流过一个相当大的负载电流，典型值为被关断阳极电流的三分之一，所以GTO的驱动电路体积大，也比较复杂。3.功率场效应晶体管（MOSFET）

功率场效应晶体管又称电力MOSFET，分为VVMOSFET和VDMOSFET两种基本类型。其中VDMOSFET是具有高集成度、高耐压、低结电容和高速等特点，简写VDMOS。功率MOSFET是单级型电压控制型器件，具有工作频率高，输入阻抗高，驱动功率小，无热电反馈二次击穿和跨导线性度高等有点，有着广泛的应用。功率MOSFET的一个主要缺点是通态电阻较大，通态损耗也相应较大，当器件耐压提高后，通态第十二页，共二十三页，2022年，8月28日12第1章变频器技术应用发展概况电阻也随着提高，受这种限制这种功率场效应管难以做得很大。4.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管是一种新型复合器件，它是由MOSFET于GTR组成达林顿结构，综合了功率MOSFET和GTR优点，具有驱动简单，保护容易，不用缓冲电路，开关频率高等特点。它应用在变频器中具有：改善输出电流波形；增大电动机转矩；降低电磁噪声等优点。为了安全使用IGBT，应注意一下几点：(1)一般IGBT的驱动级正向驱动电压Uce应保持在15～20V.(2)使IGBT关断的栅极驱动电压—Uce应大于5V。（3）使用IGBT时应该在栅极和驱动信号之间加一个栅极驱动电阻RG,如果不加这个电阻，当管第十三页，共二十三页，2022年，8月28日13第1章变频器技术应用发展概况

子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，会增加开关损耗。（4）当设备发生短路时，Ic电流会急剧上升，它的影响会使UGE电压产生一个尖峰脉冲，这个尖峰脉冲会进一步增加电流Ic，形成正反馈的效果。为了保护管子，在栅极—发射极间加稳压二极管，钳制G—E电压的突然上升。能起到一定的电流短路保护作用。其他电力电子器件1、MOS控制晶闸管（MCT）它属于单极型和双极型组合而成的复合器件具有高输入阻抗，低驱动功率，快速开关以及高电压、大电流特性。同时具有耐高温，di/dt的耐量大等优点。

第十四页，共二十三页，2022年，8月28日14第1章变频器技术应用发展概况

2、门极换流晶闸管（IGCT）门极换流晶闸管是一种集成门极驱动器组成的新型GTO组件，它具有晶闸管的高电压、大电流、低导通损耗和IGBT的关断均匀、开关速度快的优点，以及无缓冲电路，可靠性好、紧凑、安全等特点，是一种新型理想的大功率电力半导体器件。3、静电感应晶体管（SIT）静电感应晶体管具有工作频率高，输出功率大，线性度好，无二次击穿现象，热稳定性好，抗辐射能力强、输入阻抗高等一系列优点：在雷达通讯设备、超声波功率大，开关电源，脉动功率放大等方面广泛应用。

第十五页，共二十三页，2022年，8月28日15第1章变频器技术应用发展概况

4、静电感应晶体管（SITH）

静电感应晶闸管是由日本西泽润一于1972年提出并研制成功，最初由于制造工艺复杂，成本高一度研发受阻，近年来由于其性能优越，重获得人们的青睐。与GTO相比SITH有许多独特的优点，例如，通态电阻小，正向压降低，允许电流密度大，耐压高；开关速度快，损耗小；di/dt耐量大，抗辐射能力强，工作温度高等。更为突出的是SITH的工作频率可达100KHz以上，比GTO高出1～2个数量级，可控功率达到100KW以上，SITH是继GTO以后发展起来的比较理想的高功率功率晶闸管。5、智能电力模块（IPM）

第十六页，共二十三页，2022年，8月28日16第1章变频器技术应用发展概况智能电力模块就是电力集成电路或称智能集成电路，是将电力电子电路中的驱动电路、控制电路、保护电路及其他配套的相关电路集成在一块半导体芯片上，它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，从而将智能赋予器件。因此IPM具有可靠性高，使用方便等优势。各种电力电子器件的比较1、参数和特性的比较阅读表1-2和图1-92、应用范围比较阅读图1-10和图1-113、全数字微机控制的应用第十七页，共二十三页，2022年，8月28日17第1章变频器技术应用发展概况微处理器的进步使变频器达到全数字微机控制水平。1、控制手段的发展控制手段的三个阶段：（1）模拟控制阶段—应用在SCR变流电路中。（2）数字控制阶段—应用在早期的GTR变频器中。（3）全数字微机控制阶段—应用在当前新型变频器中。2、微机数字控制的优越性数字控制的优越性表现在以下几个方面：（1）控制器的硬件电路集成化，标准化程度高，体积小、成本低、可靠性高。（2）控制软件可以按需要更换、修改或移植，灵活性大。

第十八页，共二十三页，2022年，8月28日18第1章变频器技术应用发展概况（3）消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好。（4）信息存储、监控、故障诊断以及分级控制能力不断提高。（5）随着CPU飞快发展，各种新型的比较复杂的控制方案都能够实现。3、单片机的应用变频器控制广泛使用单片机，单片机的最大优点是：用同一芯片可以进行种种条件判断并做出最佳处理方案。由于采用了单片机控制出现了更小型化，可靠性更高的廉价变频器，其质量不断得到改进，性能不断提高。4、数字信号处理器（DSP）第十九页，共二十三页，2022年，8月28日19第1章变频器技术应用发展概况

为了提高运算速度，在20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，开始时DSP只用做提高运算的处理器，本身的I/O接口很少，随着产品性能的提高，其控制能力逐步