【正文】 另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動信號的前沿要陡。對無短路保護的驅(qū)動電路而言，驅(qū)動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。(2)～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動信號低于此開啟電壓時，器件是不導通的。(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的運行可靠性提高。由于IGBT在設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)運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不容易提高。 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下[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個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：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、閉合時，為正；、閉合時，為負?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關(guān)如：、交替導通，每個開關(guān)導通電角度。本設計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹[5]。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。當逆變管關(guān)斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。續(xù)流二極管的作用是：當逆變開關(guān)管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，儲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。為制動電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現(xiàn)的，在電動機減速過程中，當變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動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，導致變頻器本省過電壓保護動作，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。能實現(xiàn)這個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格或負載變動較小的場合。目前，該技術(shù)已成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進行坐標變換，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復雜。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，還要針對具體電機的機械特性調(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定子的電壓和電勢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磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，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)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應電動勢減小，的比值減小，造成磁通量減小，因而導致電動機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現(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，當然存在一定的誤差。由于比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當頻率較低時，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，當頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使=常值只要保持為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。由式(210)推斷，若不變，當定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減小；而由式(211)可知，減小又引起電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在變頻調(diào)速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。 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機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。電機磁場轉(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；為磁極對數(shù)。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。特別是研究變頻后的電動機機械特性，、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）電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用表示，即＝ （2－6）普通電動機的＝～，而對某些特殊用電動機，其過負載能力可以更高一些。對應這一點的轉(zhuǎn)速＝0（ｓ＝1），電磁轉(zhuǎn)矩稱起動轉(zhuǎn)矩，起動是帶負載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的曲線，叫做電動機的自然機械特性。 異步電動機的轉(zhuǎn)矩（1）電磁轉(zhuǎn)矩的表達式 （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)生的電動勢、電流、漏電抗；——每相定子繞組反電動勢，它是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的。 選用電動機原始參數(shù)在這次設計中，采用中等容量的電動機，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：177。在設計中采用三相橋逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。在本設計中采用三相不可控整流。 系統(tǒng)原理框圖及各部分簡介本文設計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是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(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、軋鋼機等。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。建立在電機統(tǒng)一理論和機電一體化理論基礎(chǔ)上的各種先進控制方案，通過快速檢測電流實現(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調(diào)速領(lǐng)域的內(nèi)容。隨著交流傳動電動機調(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，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能差的缺點已經(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)條件對它提出的起動和穩(wěn)速運行的要求就可以，調(diào)速的任務是由皮帶和齒輪來完成?，F(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)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步。保護環(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方面發(fā)展[2]：智能化的變頻器買來就可以用，不必進行那么多的設定，而且可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。中小容量的變頻器85%為日本產(chǎn)品和臺灣產(chǎn)品所占領(lǐng)，如富士(FUJI),三墾( SAMCO )、東芝(TOSHIBA)、松下(PANASONIC)、三菱( MITSUBISHI)、安川以及臺灣的臺達。 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀進入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載和場合，特別是進入20世紀90年代，隨著半導體開關(guān)器件IGBT、矢量控制技術(shù)的成熟，微機控制的變頻調(diào)速成為主流，調(diào)速后異步電動機的靜、動態(tài)特性已經(jīng)可以和直流調(diào)速相媲美。但如何得到一個單獨向異步電動機供電的經(jīng)濟可靠的變頻電源，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，電機有直流電機和交流電機。大家都知道，目前，無論哪種機械調(diào)速，都是通過電機來實現(xiàn)的。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電機也像直流電動機那樣調(diào)速。變頻調(diào)速被認為是一種理想的交流調(diào)速方法。20世紀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)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步，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、美等國家壟斷，如德國的西門子(SIEMEN)、丹佛斯( DANFOSS)，、歐洲的ABB等。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢在進入21世紀的今天，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；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。作為動力的鼠籠電動機，是不需要調(diào)速的。但是由于直流電動機本身有機械換向器，給直流調(diào)速系統(tǒng)造成一些固有的、難于解決的問題。能完成各種復雜信號和信息處理的集成芯片的出現(xiàn)，如能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的專用集成電路以及各種單片機和計算機系統(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。 本次設計方案簡介 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)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。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是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(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用的通用變頻器，所以本次設計中選用此種間接變頻器，在交直交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現(xiàn)負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計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。這些信號經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動開關(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，應將定子、轉(zhuǎn)子放在一個電路中。 電動機的T形等效電路圖：——勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；——勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數(shù)；——勵磁電流；——機械負載的等效電阻，在=,在上消耗的功率就相當于異步電動機輸出的機械功率；等參數(shù)——經(jīng)過折算后的轉(zhuǎn)子參數(shù)。 異步電動機的機械特性機械特性是指電動機在運行時，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?！?，在起動點上，電動機已接通電源，但尚未起動。電動機運行在Ｋ點時，電磁轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩，它表示了電動機所有能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，此時的轉(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。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨希虼肆私猱惒诫妱訖C的調(diào)速原理十分重要。使電動機轉(zhuǎn)起來。綜合（27）和（28）式可以得出： （29）由式（29）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率的變化不大，則電機的轉(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的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。三相交流異步電動機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。由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是： 則 即 （210）另外，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為: （211）其中 —與電動機有關(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；—電機的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。當電機在額定運行情況下，電機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。 電動機低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，當電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時,曲線近似平行地下降，減速