【文章內(nèi)容簡介】 在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器。一般的交－交變壓變頻裝置雖然沒有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的 性質(zhì)，也屬于電壓源型變頻器。 ② 、 電流源型變頻器 當(dāng)交－直－交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負(fù)載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器。有的交－交變壓變頻裝置用電抗器將輸出電流強(qiáng)制變成矩形波或階梯波具有電流源的性質(zhì)，它也是電流源型變頻。 11 二 、 變頻調(diào)速的特點(diǎn) （一）變頻調(diào)速可以實現(xiàn)軟起動，降低機(jī)械沖擊、降低起動電流對電網(wǎng)的影響、乘人時抑制加速度給人帶來的不良反應(yīng)。 軟啟動方式是在電源和電機(jī)之間串入軟啟動器的 一種電機(jī)啟動方式，也可歸入降壓啟動的范疇，但它不同于一般的降壓啟動，它采用的是逐步升壓的方式，電流也是逐步增大的，其停止時電流和電壓也是逐步減小的。 軟啟動裝置以微電腦作為其控制單元，利用軟件，通過建立輸入電動機(jī)、電網(wǎng)和負(fù)載數(shù)學(xué)模型，根據(jù)選定控制策略作出離線模擬，采用三對反并聯(lián)晶閘管串接于電動機(jī)的三相供電線上。利用晶閘管的電子開關(guān)特性，通過控制其觸發(fā)導(dǎo)通角的大小來改變晶閘管的開通程度，以此來改變電動機(jī)啟動時輸入電壓和輸入電流的大小，達(dá)到控制電機(jī)的啟動特性。軟啟動控制器接收到啟動指令后，便進(jìn)行有關(guān)計算，確定晶 閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管使軟啟動裝置按所設(shè)定的方式輸出相應(yīng)的電壓，以控制電機(jī)的啟動過程。 電機(jī)完成啟動過程后，軟啟動控制器便控制交流接觸器吸合，短路所有晶閘管，使電機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的能源損耗。 實際應(yīng)用中，軟啟動具有下列優(yōu)點(diǎn) 無沖擊電流。軟啟動器在啟動電機(jī)時，電機(jī)啟動電流從零線性上升至設(shè)定值。它對電機(jī)無沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)啟動，減少對負(fù)載的沖擊轉(zhuǎn)矩，能延長機(jī)器使用壽命，而且啟動電流小，通過調(diào)節(jié)啟動轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)低速啟動，可頻繁啟動。 軟停車功能。停止時平滑減速，逐漸停機(jī)，從而克服了 瞬間斷點(diǎn)停機(jī)的弊病，減輕對負(fù)載設(shè)備的機(jī)械沖擊，減少設(shè)備損壞。 啟動參數(shù)可調(diào)。根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳啟動電流。 軟啟動的主要目的是降低異步電機(jī)的啟動電流，提高系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性，延長電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。因其電機(jī)啟動時的電壓和電流均可在一定范圍內(nèi)由用戶進(jìn)行調(diào)整，且可提供多種智能的啟動曲線，有完善的電機(jī)保護(hù)功能，有顯著的節(jié)能效果，因此，其用途相當(dāng)廣泛，目前在世界上正處于大力發(fā)展階段。 （二）能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)人、運(yùn)煤及驗繩檢修多種速度。 12 （三）四礦鋼纜皮帶屬于集中運(yùn)輸巷，擔(dān)負(fù)著丁九、 戊九采區(qū)及聯(lián)絡(luò)巷分運(yùn)皮帶的煤炭運(yùn)輸任務(wù)，有長期運(yùn)行要求，變頻調(diào)速能夠降低沖擊、節(jié)約電能，設(shè)備初期投資大點(diǎn)，但從長遠(yuǎn)來看還是經(jīng)濟(jì)的。 三 、 調(diào)速方案的 確定 （一）驅(qū)動系統(tǒng)類型 為了與現(xiàn)場機(jī)械部分對接，采用一臺變頻器帶一臺電動機(jī)的單獨(dú)拖動，整流與逆變一一對應(yīng)組成變頻器的常規(guī)方式。 （二）制動方式 鋼纜皮帶為上行皮帶，上皮帶運(yùn)煤或下皮帶運(yùn)人時慣性很小，停車時采用回饋制動節(jié)能效果不明顯，所以采用結(jié)構(gòu)簡單成本低廉的能耗制動。 （三）運(yùn)行控制模式 三種運(yùn)行控制模式 （ 1） u/f 控制方式思路簡單，附加要求少，控制容易實 現(xiàn)，適合于多數(shù)二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載以及對動態(tài)性能要求不高的反抗性轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用。 （ 2）矢量控制原理實際是對直流電機(jī)的模仿，通過矢量變換分離和合成勵磁及轉(zhuǎn)矩矢量，實現(xiàn)了磁鏈子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的近似解耦，具備了控制轉(zhuǎn)矩的手段。 （ 3）建立定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)觀測模型，利用可測量的物理量，以軟測量技術(shù)獲得定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的反饋值，采用滯環(huán)式閉環(huán)控制方式，利用電壓空間矢量的開關(guān)狀態(tài)切換來實現(xiàn)對磁通和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，這就是基于磁鏈跟蹤脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。 矢量控制的穩(wěn)態(tài)特性優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制，直接轉(zhuǎn)矩 控制的動態(tài)特性優(yōu)于矢量控制，但兩者的差別并不大，都是高性能的控制模式，其動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能都能滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需求。 根據(jù)市場各公司資料和價格，擬選用 ABB 公司提供的直接轉(zhuǎn)矩控制方式產(chǎn)品。按照電動機(jī)額定電流 Ievf≥ K1Ied= = 選 355kw 變頻器。 13 ZJT3— 355/1140(660) 水冷式礦用本質(zhì)安全型交流變頻調(diào)速控制裝置 的 技術(shù)參數(shù) 如表二所示 ： 表二 ZJT3— 355/1140(660)的技術(shù)參數(shù) 名稱 參數(shù) 名稱 參數(shù) 額定交流電壓 1140V(660) 控 制型式 轉(zhuǎn)矩控制型 矢量控制型 額定最大輸出電流 355A 額定工作制 不間斷工作制 輸入電源頻率 50Hz 過載能力 150%額定電流 60S 180%額定電流 10S 輸出頻率范圍 0～ 50Hz 在數(shù)字控制模式條件下的分辨率 注：每次過載的間隔時間應(yīng)大于 20min。 四 、 變頻系統(tǒng)組成 主要由輸入輸出電抗器 ， 變頻器逆變部分（ IGBT） ,控制部分 ， 顯示部分和電源部分組成。 輸入輸出電抗器用來有效的抑制變頻器產(chǎn)生的諧波分量。 變頻器逆變部分通常是指將交流供電電源整流后通過 IGBT逆 變模塊調(diào)制成頻率可調(diào)的一種電源輸出，簡稱交 － 直 － 交變頻器。 控制部分指變頻器的主控制模塊，主要功能是接受或輸出各種指令（起停，急停，手動選擇，自動選擇，故障復(fù)位，變頻器就緒，變頻器運(yùn)行，變頻器故障），速度編碼器的信號采集等。 顯示部分指變頻器自身的參數(shù)或各種狀態(tài)在碼盤上顯示，同時碼盤可作為本地控制盤使用。 電源部分指提供變頻器內(nèi)部使用的不同等級的電源。有 AC 220V； DC 24V等。 五 、 變頻系統(tǒng)的功能 系統(tǒng)可任意調(diào)整加、減速度。鋼纜皮帶輸送機(jī)要求起動和停止平穩(wěn)，為減少機(jī)械沖擊，加、減速度 要小于 178。，同時為防止起動時瞬時打滑，要求 14 等加速起動。變頻器的加減時間可在 1—— 9999 秒內(nèi)任意調(diào)整。 所選變頻器具有保護(hù)和自診斷功能，完善的保護(hù)功能以保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，此變頻器具有過壓、欠壓、過流、過熱、短路、接地、三相不平衡、缺相等保護(hù)。能夠保存最近 10次的故障代碼，還能保存相應(yīng)的故障參數(shù)。 第三節(jié) IGBT 結(jié)構(gòu)及工作原理 IGBT 是變頻器逆變部分，又叫做交 － 直 － 交變頻器 ，它的功能是： 交流供電電源經(jīng)整流后再 通過 IGBT 可 調(diào)制成頻率可調(diào)的一種交流電源輸出。 一 、 IGBT 的結(jié)構(gòu) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是 絕緣柵雙極型功率管， 它 是由 BJT(雙極型三極管 )和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管 )組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大 。MOSFET 驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng) ， 如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路 、牽引傳動等領(lǐng)域。 IGBT 在結(jié)構(gòu)上類似于 MOSFET ，其不同點(diǎn)在于 IGBT 是在 N 溝道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏極）上增加了一個 P+ 基板（ IGBT 的集電極），形成 PN 結(jié) j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET 相似。 IGBT 相當(dāng)于一個由 MOSFET 驅(qū)動的厚基區(qū) GTR ， Rdr 是厚基區(qū) GTR 的擴(kuò)展電阻。 IGBT 是以 GTR 為主導(dǎo)件、 MOSFET 為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 由于 IGBT 是在 N 溝道 MOSFET 的 N+ 基板上加一 層 P+ 基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNP － NPN 晶體管構(gòu)成 IGBT 。但是， NPN 晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計時盡可能使 NPN 不起作用。所 以說， IGBT 的基本工作與 NPN 晶體管無關(guān)，可以認(rèn)為是將 N 溝道 MOSFET 作為輸入極， PNP 晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。 采取這樣的結(jié)構(gòu)可在 N層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因 為從 P+ 15 基板經(jīng)過 N+ 層向高電阻的 N 層注入少量載流子的結(jié)果。 IGBT 的設(shè)計是通過 PNP － NPN 晶體管的連接形成晶 閘管。 二、 IGBT 的工作原理 IGBT是強(qiáng)電流、高電壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率 MOSFET的自然進(jìn)化。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓 BVDSS 需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)數(shù)值高的特征，而 IGBT 消除了現(xiàn)有功率 MOSFET 的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比 IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的結(jié)構(gòu)，同一個標(biāo)準(zhǔn)雙極器件 相比，可支持更高電流密度。 GBT 硅片的結(jié)構(gòu)與功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是 IGBT 增加了 P+ 基片和一個 N+ 緩沖層（ NPT非穿通 IGBT 技術(shù)沒有增加這個部分）。其中一個 MOSFET 驅(qū)動兩個雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的 P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個 J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演 P基區(qū)時，一個 N 溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在 范圍內(nèi)，那么， J1 將處于正向偏壓，一些空穴注入 N區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式 降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流 (MOSFET 電流 )； 一個是空穴電流（雙極）。 （一 ） 關(guān)斷 當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在 N 層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟?。少子的?減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、 IC 和 VCE 密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是 16 可行的，尾流特性與 VCE、 IC和 TC 之間的關(guān)系。 （二 ） 反向阻斷 當(dāng)集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向 N區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。第二點(diǎn)清楚地說明了 NPT 器件的壓降比等效（ IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。 （三 ） 正向阻斷 當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時， P/N J3 結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由 N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。 （四 ） 正向?qū)ㄌ匦? 在通態(tài)中， IGBT 可以按照“第一近似”和功率 MOSFET 驅(qū)動的 PNP 晶體管建模。理解器件在工作時的物理特性所需的結(jié)構(gòu)元件（寄生元件不考慮在內(nèi)）。 IC是 VCE 的一個函數(shù)（靜 態(tài)特性），假如陰極和陽極之間的壓降不超過 ，即使柵信號讓 MOSFET 溝道形成，集電極電流 IC 也無法流通。當(dāng)溝道上的電壓大于VGE Vth 時，電流處于飽和狀態(tài)，輸出電阻無限大。由于 IGBT 結(jié)構(gòu)中含有一個雙極 MOSFET 和一個功率 MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上具有對比性的兩個器件的凈效率。功率 MOSFET 的溫度系數(shù)是正的，而雙極的溫度系數(shù)則是負(fù)的。描述了 VCE(sat) 作為一個集電極電流的函數(shù)在不同結(jié)溫時的變化情況。當(dāng)必須并聯(lián)兩個以上的設(shè)備時，這個問題變得十分重要，而且只能按照對應(yīng)某 一電流率的 VCE(sat)選擇一個并聯(lián)設(shè)備來解決問題。有時候，用一個 NPT 進(jìn)行簡易并聯(lián)的效果是很好的，但是與一個電平和速度相同的 PT 器件相比，使用 NPT會造成壓降增加。 （五 ） 動態(tài)特性 動態(tài)特性是指 IGBT 在開關(guān)期間的特性。鑒于 IGBT 的等效電路，要控制這個器件，必須驅(qū)動 MOSFET 元件。這就是說， IGBT 的驅(qū)動系統(tǒng)實際上應(yīng)與 MOSFET的相同，而且復(fù)雜程度低于雙極驅(qū)動系統(tǒng)。如前文所述，當(dāng)通過柵極提供柵正偏壓時，在 MOSFET 部分形成一個 N 溝道。如果這一電子流產(chǎn)生的電壓處于 范圍內(nèi)， P+ / N 則處于正向偏壓控制，少數(shù)載流子注入 N 區(qū)，形成一個空穴雙 17 極流。導(dǎo)通時間是驅(qū)動電路的輸出陰抗和施加的柵極電壓的一個函數(shù)。通過改變柵電阻 Rg 的值來控制器件的速度是可行的，通過這種方式，