【正文】 另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。對(duì)無短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場(chǎng)合仍工作于飽和狀態(tài)。(2)～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此開啟電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。(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。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IGBT模塊的損壞以降低開發(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本里已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在這里不在贅述[7]。MOSFET屬于單極型器件，具有開關(guān)頻率高、沒有二次擊穿現(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。 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=。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(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各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如、。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。可以看到在交流電變化的一個(gè)周期中，一個(gè)臂中的兩個(gè)開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電角度。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]。放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上升，迅速降低，過高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長(zhǎng)率。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動(dòng)。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)減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時(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)致變頻器本省過電壓保護(hù)動(dòng)作，切斷變頻器的輸出。在許多下新型的變頻器中，已有晶閘管替代。整流后的電壓為==380V=513V。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的裝置稱為變頻器。從以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。雖然這一理論的提出是交流傳動(dòng)理論上的一個(gè)飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進(jìn)行坐標(biāo)變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動(dòng)帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對(duì)具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的通用性較差。其原因一方面是低速時(shí)定子的電壓和電勢(shì)近似相等條件已不能滿足，所以仍按比恒定控制就不能保持電機(jī)磁通恒定，而電機(jī)磁通的減小勢(shì)必會(huì)造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動(dòng)機(jī)的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航邓嫉谋壤龃螅沟脤?shí)際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動(dòng)機(jī)定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時(shí)就要求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實(shí)現(xiàn)，采用電源電壓≈來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價(jià)，當(dāng)然存在一定的誤差。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)，與 都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。由式(210)可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。由式(210)推斷，若不變，當(dāng)定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而由式(211)可知，減小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載能力下降的情況。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過強(qiáng)。 變頻調(diào)速的控制方式及選定 比恒定控制比恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。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)。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)類型。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。、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)，需要有一定的過載能力，一般用表示，即＝ （2－6）普通電動(dòng)機(jī)的＝～，而對(duì)某些特殊用電動(dòng)機(jī)，其過負(fù)載能力可以更高一些。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)來表示，即。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)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。由于定子、轉(zhuǎn)子回路的頻率、繞組、匝數(shù)不同，故必須進(jìn)行折算。、轉(zhuǎn)子圖：——定子的相電壓；——定子的相電流； ——定子每相繞組的電阻和漏抗；、分別是轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)、電流、漏電抗；——每相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的。 選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù)在這次設(shè)計(jì)中，采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：；額定電壓：；額定電流：；額定轉(zhuǎn)速：；效 率：；功率因數(shù)：cosφ=；過載系數(shù)：λ=；電壓波動(dòng)：177。在設(shè)計(jì)中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。在本設(shè)計(jì)中采用三相不可控整流。 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)的交直交變頻器由以下幾部分組成。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。建立在電機(jī)統(tǒng)一理論和機(jī)電一體化理論基礎(chǔ)上的各種先進(jìn)控制方案，通過快速檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)PWM控制的變頻技術(shù)，通過直接控制轉(zhuǎn)矩來快速控制轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速自調(diào)整技術(shù)，以及具有很強(qiáng)抗干擾能力的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)等等，都極大地豐富了電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容。隨著交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的理論問題的突破和調(diào)速裝置(主要指變頻器)性能的完善，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了克服，目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。它只需要滿足各種生產(chǎn)條件對(duì)它提出的起動(dòng)和穩(wěn)速運(yùn)行的要求就可以，調(diào)速的任務(wù)是由皮帶和齒輪來完成。現(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步。保護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。隨著IT技術(shù)的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個(gè)方面發(fā)展[2]：智能化的變頻器買來就可以用，不必進(jìn)行那么多的設(shè)定，而且可以進(jìn)行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動(dòng)置換，從而保證變頻器的長(zhǎng)壽命。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和臺(tái)灣產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士(FUJI),三墾( SAMCO )、東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)。 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入90年代，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能，在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，并在工業(yè)領(lǐng)域及家電產(chǎn)品中得到迅速推廣。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場(chǎng)跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。它分為直接變頻(又稱交交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中。它功能豐富，可以適用于不同的負(fù)載和場(chǎng)合，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機(jī)控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動(dòng)機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。但如何得到一個(gè)單獨(dú)向異步電動(dòng)機(jī)供電的經(jīng)濟(jì)可靠的變頻電源，一直是交流變頻調(diào)速的主要課題。這樣就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速等交流調(diào)速方式。從大的范圍來分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。大家都知道，目前，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。因此人們希望，讓簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)的籠式交流電機(jī)也像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速方法。20世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，開始出現(xiàn)了通用變頻器。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。在這一領(lǐng)域的研制、生產(chǎn)方面，220KW功率以上的變頻器基本被歐、美等國(guó)家壟斷，如德國(guó)的西門子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，、歐洲的ABB等。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）,使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動(dòng)裝置；永久磁鐵電動(dòng)機(jī)也正在開發(fā)研制之中。除此以外，變頻器有與電動(dòng)機(jī)一體化的趨勢(shì)，使變頻器成為電動(dòng)機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更方便。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗。作為動(dòng)力的鼠籠電動(dòng)機(jī)，是不需要調(diào)速的。但是由于直流電動(dòng)機(jī)本身有機(jī)械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。能完成各種復(fù)雜信號(hào)和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)的專用集成電路以及各種單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用的微處理器和接口芯片的大量問世，為高質(zhì)量的控制創(chuàng)造了良好的條件。 本次設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 變頻器主電路方案的選定變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。由于交直交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計(jì)中選用此種間接變頻器，在交直交變頻器的設(shè)計(jì)中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動(dòng)時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，必須加以濾波。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。這些信號(hào)經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的關(guān)斷。定子和轉(zhuǎn)子之間在電路上沒有任何聯(lián)系，[3]。為了方便定量分析定、轉(zhuǎn)子之間的各種數(shù)量關(guān)系，應(yīng)將定子、轉(zhuǎn)子放在一個(gè)電路中。 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)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。 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?！。谄饎?dòng)點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)已接通電源，但尚未起動(dòng)。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。因此在調(diào)速過程中，、的變化規(guī)律常常是關(guān)注的重點(diǎn)。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。使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來。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。三相交流異步電動(dòng)機(jī)在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì)有效值是： 則 即 （210）另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為: （211）其中 —與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Cos—轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；—轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；—電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，必須對(duì)定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持=常數(shù)即可。 電動(dòng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，當(dāng)電動(dòng)機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí),曲線近似平行地下降，減速