【正文】 析。 電動(dòng)機(jī)的T形等效電路圖：——?jiǎng)?lì)磁電阻，是表征異步電動(dòng)機(jī)鐵心損耗的等效電阻；——?jiǎng)?lì)磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個(gè)參數(shù)；——?jiǎng)?lì)磁電流；——機(jī)械負(fù)載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率；等參數(shù)——經(jīng)過(guò)折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式 （22）式中 的單位為KW；的單位是；Ｔ的單位是。（2）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式 = （23）式中 ——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；　　　——主磁通。（3）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式 = （24）式中 ——磁極對(duì)數(shù)； ——電源的相電壓； ——電源頻率。 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即=，它可由（23）所決定的曲線變換而來(lái)。異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓、額定頻率下，由電動(dòng)機(jī)本身固有的參數(shù)所決定的曲線，叫做電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性。 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線只要確定曲線上的幾個(gè)特殊點(diǎn)，就能畫(huà)出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。，在這點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行（=0），其電磁轉(zhuǎn)矩T=0?！?，在起動(dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)已接通電源，但尚未起動(dòng)。對(duì)應(yīng)這一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)是帶負(fù)載的能力一般用起動(dòng)倍數(shù)來(lái)表示，即。式中,為額定轉(zhuǎn)矩。臨界點(diǎn)Ｋ是一個(gè)非常重要的點(diǎn)，它是機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在Ｋ點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動(dòng)機(jī)所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率叫臨界轉(zhuǎn)差率，用表示。、根據(jù)式（2－3）用求極值的辦法求出，即：由＝0，可得：　　　 　　　　　　　 　 （2－4）　 　 （2－5）電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，需要有一定的過(guò)載能力，一般用表示，即＝ （26）普通電動(dòng)機(jī)的＝～，而對(duì)某些特殊用電動(dòng)機(jī)，其過(guò)負(fù)載能力可以更高一些。上述分析說(shuō)明：的大小影響著電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，越小，為了保證過(guò)載能力不變，電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載就越小。由知：越小，越大，機(jī)械特性就越硬。因此在調(diào)速過(guò)程中，、的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。特別是研究變頻后的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，、就顯得尤其重要。變頻后的機(jī)械特性將會(huì)在下一小節(jié)中介紹。 異步電機(jī)變頻調(diào)速原理交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動(dòng)機(jī)是電氣傳動(dòng)中使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)異步電動(dòng)機(jī)的使用容量約占拖動(dòng)總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電?dòng)機(jī)的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過(guò)改變電定子繞組的供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)。電機(jī)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用表示： （27）式中：為三相交流電源頻率，一般是50Hz；為磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)=1是，=3000r／min；=2時(shí)，=1500r／min。由上式可知磁極對(duì)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率表示： （28）在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，=0，這時(shí)=1；啟動(dòng)后的極端情況=，則=0，即在0～1之間變化，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的 =1%～6%。綜合（27）和（28）式可以得出： （29）由式（29）可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其極對(duì)數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。3變頻器主電路設(shè)計(jì) 主電路的工作原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交直交方式，先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。，這也是變頻器常用的格式[4]。 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路 主電路各部分的設(shè)計(jì)選用整流管組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為==380V=513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過(guò)大的沖擊電流可能會(huì)損壞三相整流橋中的二極管，為了保護(hù)二極管，在電路中串入限流電阻，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時(shí)間比較長(zhǎng)（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會(huì)威脅人員安全。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。為制動(dòng)電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動(dòng)機(jī)的減速是通過(guò)降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動(dòng)三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動(dòng)電阻上。選用逆變開(kāi)關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開(kāi)始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來(lái)保護(hù)逆變管。由于開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過(guò)緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上升，迅速降低，過(guò)高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過(guò)在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來(lái)減小電壓增長(zhǎng)率。當(dāng)逆變管開(kāi)通時(shí)，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過(guò)逆變管放電，這將加速電流的增長(zhǎng)率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流。可是當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電，為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時(shí)避開(kāi)電阻，通過(guò)二極管充電。放電時(shí)，通過(guò)電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計(jì)所選用的電動(dòng)機(jī)為中容量型，在此選用此種緩沖電路。 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)的介紹[5]。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路：當(dāng)、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為正；、同時(shí)閉合時(shí)，電壓為負(fù)。由于開(kāi)關(guān)～的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)通斷的速度來(lái)調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路。圖33中，～組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開(kāi)關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開(kāi)關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律。根據(jù)該規(guī)律可得、 所示。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開(kāi)關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖 三相逆變器原理圖觀察6個(gè)開(kāi)關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：①各橋臂上的開(kāi)關(guān)始終處于交替打開(kāi)、關(guān)斷的狀態(tài)如、。②各相的開(kāi)關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說(shuō)明，通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過(guò)的大小來(lái)調(diào)節(jié)。 主電路參數(shù)計(jì)算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計(jì)算如下[6]：（峰值電流）= ==（有效值）= =二極管額定電流值=（～2）Id/=～額定電壓值=（2～3）=（2～3）380=～系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=380=。制動(dòng)電阻粗略計(jì)算為～=～擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來(lái)計(jì)算：=2峰值電壓=（2～）380=～集電極電流=（～2）=（～2）λ=～集電極發(fā)射極額定電壓≥== IGBT及驅(qū)動(dòng)模塊介紹 IGBT簡(jiǎn)介及驅(qū)動(dòng)要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導(dǎo)體器件技術(shù)與MOS工藝技術(shù)相結(jié)合研制出的一種復(fù)合型器件。眾所周知，構(gòu)成IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點(diǎn)。MOSFET屬于單極型器件，具有開(kāi)關(guān)頻率高、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運(yùn)行容易、控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導(dǎo)通電壓低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具M(jìn)OSFET和BJT優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運(yùn)而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點(diǎn)。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)備中的地位越來(lái)越重要，如UPS、電焊機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少I(mǎi)GBT模塊的損壞以降低開(kāi)發(fā)成本和提高整機(jī)可靠性，、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書(shū)本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述[7]。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開(kāi)通損耗隨結(jié)溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運(yùn)行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使IGBT開(kāi)關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運(yùn)行的安全性和可靠性。通過(guò)以上分析可以看出，一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過(guò)此值，柵極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過(guò)壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。(2)～6V(T=25C)的柵極開(kāi)啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此開(kāi)啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其開(kāi)啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和一定過(guò)載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V。在有短路保護(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作于過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好處。此時(shí)，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開(kāi)通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。(3)當(dāng)柵極信號(hào)低于其開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為(5～0)V。當(dāng)IGBT關(guān)斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(qū)動(dòng)電路需要提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當(dāng)IGBT高頻運(yùn)行時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率也是不小的，因此，驅(qū)動(dòng)電路必須能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和功率。(5)IGBT是高速開(kāi)關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖