【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在理想情況下是一個(gè)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(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)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(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，降低機(jī)械沖擊、降低起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響、乘人時(shí)抑制加速度給人帶來(lái)的不良反應(yīng)。 軟啟動(dòng)方式是在電源和電機(jī)之間串入軟啟動(dòng)器的 一種電機(jī)啟動(dòng)方式，也可歸入降壓?jiǎn)?dòng)的范疇，但它不同于一般的降壓?jiǎn)?dòng)，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(shí)電流和電壓也是逐步減小的。 軟啟動(dòng)裝置以微電腦作為其控制單元，利用軟件，通過(guò)建立輸入電動(dòng)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(duì)反并聯(lián)晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的三相供電線上。利用晶閘管的電子開關(guān)特性，通過(guò)控制其觸發(fā)導(dǎo)通角的大小來(lái)改變晶閘管的開通程度，以此來(lái)改變電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸入電壓和輸入電流的大小，達(dá)到控制電機(jī)的啟動(dòng)特性。軟啟動(dòng)控制器接收到啟動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，確定晶 閘管的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管使軟啟動(dòng)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(dòng)過(guò)程。 電機(jī)完成啟動(dòng)過(guò)程后，軟啟動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，軟啟動(dòng)具有下列優(yōu)點(diǎn) 無(wú)沖擊電流。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值。它對(duì)電機(jī)無(wú)沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)啟動(dòng)，減少對(duì)負(fù)載的沖擊轉(zhuǎn)矩，能延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命，而且啟動(dòng)電流小，通過(guò)調(diào)節(jié)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)，可頻繁啟動(dòng)。 軟停車功能。停止時(shí)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(duì)負(fù)載設(shè)備的機(jī)械沖擊，減少設(shè)備損壞。 啟動(dòng)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(jí)調(diào)整至最佳啟動(dòng)電流。 軟啟動(dòng)的主要目的是降低異步電機(jī)的啟動(dòng)電流，提高系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性，延長(zhǎng)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。因其電機(jī)啟動(dòng)時(shí)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(dòng)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(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看還是經(jīng)濟(jì)的。 三 、 調(diào)速方案的 確定 （一）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型 為了與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械部分對(duì)接，采用一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的單獨(dú)拖動(dòng)，整流與逆變一一對(duì)應(yīng)組成變頻器的常規(guī)方式。 （二）制動(dòng)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(shí)慣性很小，停車時(shí)采用回饋制動(dòng)節(jié)能效果不明顯，所以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉的能耗制動(dòng)。 （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(jiǎn)單，附加要求少，控制容易實(shí) 現(xiàn)，適合于多數(shù)二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載以及對(duì)動(dòng)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(shí)際是對(duì)直流電機(jī)的模仿，通過(guò)矢量變換分離和合成勵(lì)磁及轉(zhuǎn)矩矢量，實(shí)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(cè)模型，利用可測(cè)量的物理量，以軟測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)各公司資料和價(jià)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(dòng)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(guò)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(guò)載的間隔時(shí)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(lái)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(guò) IGBT逆 變模塊調(diào)制成頻率可調(diào)的一種電源輸出，簡(jiǎn)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(dòng)選擇，自動(dòng)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(hào)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(shí)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(jí)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(dòng)和停止平穩(wěn)，為減少機(jī)械沖擊，加、減速度 要小于 178。，同時(shí)為防止起動(dòng)時(shí)瞬時(shí)打滑，要求 14 等加速起動(dòng)。變頻器的加減時(shí)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(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)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(guò) 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(chǎng)效應(yīng)管 )組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流較大 。MOSFET 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè) 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(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)時(shí)盡可能使 NPN 不起作用。所 以說(shuō)， IGBT 的基本工作與 NPN 晶體管無(wú)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(guò) 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(jì)是通過(guò) 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(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓 BVDSS 需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)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(shí)，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(gè)低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)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(gè) N+ 緩沖層（ NPT非穿通 IGBT 技術(shù)沒有增加這個(gè)部分）。其中一個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的 P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè) J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演 P基區(qū)時(shí)，一個(gè) N 溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(yáng)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(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流 (MOSFET 電流 )； 一個(gè)是空穴電流（雙極）。 （一 ） 關(guān)斷 當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，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?yàn)閾Q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(shí)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)?，層次厚度和溫度。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(wèn)題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)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(dòng)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(jì)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(gè)反向電壓時(shí)， J1 就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向 N區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降。第二點(diǎn)清楚地說(shuō)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(gè)正電壓時(shí)， P/N J3 結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，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(dòng)的 PNP 晶體管建模。理解器件在工作時(shí)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(gè)函數(shù)（靜 態(tài)特性），假如陰極和陽(yáng)極之間的壓降不超過(guò) ，即使柵信號(hào)讓 MOSFET 溝道形成，集電極電流 IC 也無(wú)法流通。當(dāng)溝道上的電壓大于VGE Vth 時(shí)，電流處于飽和狀態(tài)，輸出電阻無(wú)限大。由于 IGBT 結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)雙極 MOSFET 和一個(gè)功率 MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上具有對(duì)比性的兩個(gè)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(gè)集電極電流的函數(shù)在不同結(jié)溫時(shí)的變化情況。當(dāng)必須并聯(lián)兩個(gè)以上的設(shè)備時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得十分重要，而且只能按照對(duì)應(yīng)某 一電流率的 VCE(sat)選擇一個(gè)并聯(lián)設(shè)備來(lái)解決問(wèn)題。有時(shí)候，用一個(gè) NPT 進(jìn)行簡(jiǎn)易并聯(lián)的效果是很好的，但是與一個(gè)電平和速度相同的 PT 器件相比，使用 NPT會(huì)造成壓降增加。 （五 ） 動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)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(gè)器件，必須驅(qū)動(dòng) MOSFET 元件。這就是說(shuō)， IGBT 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上應(yīng)與 MOSFET的相同，而且復(fù)雜程度低于雙極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如前文所述，當(dāng)通過(guò)柵極提供柵正偏壓時(shí)，在 MOSFET 部分形成一個(gè) 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(gè)空穴雙 17 極流。導(dǎo)通時(shí)間是驅(qū)動(dòng)電路的輸出陰抗和施加的柵極電壓的一個(gè)函數(shù)。通過(guò)改變柵電阻 Rg 的值來(lái)控制器件的速度是可行的，通過(guò)這種方式，