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1、电力电子装置与系统,交流电机变频调速应用技术 电能质量分析及其控制应用技术,交流电机变频调速应用技术,安徽工业大学工程研究院 安工大工业技术研究院有限公司 陈乐柱 2016年2月,手机：13805555538 邮箱：chenlezhu Q Q： 13805555538,主要汇报内容,一、交流电机的基本知识 二、电力电子开关器件及其应用 三、交流变频技术应用,一、电机系统的基础知识,第一节 三相异步电动机 第二节 三相异步电动机的机械特性,电气传动,定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流） 电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统 构成,中间传动机构,交流电
2、源 输入,终端机械,交流 电机,直流 调速 装置,直流输出,皮带轮、齿轮箱等,风机、泵等,直流 电机,交流 调速 装置,交流输出,执行机构,变频器,直流电机原理,左手定则,右手定则,直流电动机,定子 磁极（励磁绕组） 转子 电枢 转子电源直流电 转子绕组交流电 换向器和电刷作用： 直流电变换为交流 （机械式逆变器）,直流电机主要公式,电枢回路稳态电压方程,式中：R 电枢回路总电阻,E 转子反电势,Ce 电势常数, 每极磁通量,n 转速 r/min,式中：Te 电磁转矩,Cm 转矩常数,电枢回路动态电压方程,直流电动机调速方法,调电枢回路电阻R 调电枢电压Ud 调励磁,异步电动机的结构,异步电动
3、机的结构 定子 转子 风扇 机壳 接线盒 轴伸,定子铁心与绕组,定子铁心均布的槽中嵌有三相对称绕组。,铁心,绕组,转子铁心和绕组,铸铝转子,绕线转子,异步电机,定子绕组与同步机相同 转子：笼型 绕线型 三相定子绕组在气隙中产生旋转磁场 转子导体切割磁力线，感生转子电势，产生电流。 转子导体电流与磁场作用产生电磁转矩，使转子旋转。,旋转磁场的产生,在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场：,异步电动机调速方法,f 电源频率 HZ,np 极对数,S 转差率,n0 同步速度（定子的旋转磁场速度）,例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为： 3000
4、rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等,转子是怎样转起来的？,转子导体横切气隙旋转磁场产生感应电势（右手定则） 感应电势在闭合的转子绕组中产生感应电流 转子导体中的电流与气隙旋转磁场作用产生电磁力（左手定则） 电磁转矩驱动转子转动，与气隙旋转磁场的方向相同,转子电流也产生旋转磁场 该磁场的转速与所产生的旋转磁场转速一样，都是同步速 在稳态情况下，转子所产生的磁场与定子是相对静止的 实际上，气隙磁场是定子与转子绕组产生的电流之和。,异步电动机的转速,异步电动机的转速可表示为： 式中S称为滑差率； 当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1； 若电机处于理想空载，n=n1, s=0，
5、转子与定子旋转磁场同步，故n1称为同步转速； 额定负载情况下，s为25%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。 滑差率的大小反映了电机的不同运行状态。,异步电机的等值电路模型,要精确地控制电机需要尽量了解电机的定子、转子绕组电阻R1,R2，定子、转子漏抗X1,X2以及激磁阻抗Rm,Xm等； 这些参数需要通过根据铭牌参数如电机额定电压UN，额定电流 IN，额定转速nN，功率因数COSPHi计算得到。,异步电动机调速方法和基本类型,调电阻电压调速 自耦调压器 饱和电抗器 转差离合器（滑差电机）调速 绕线式异步机转子串电阻调速
6、绕线式异步机串级调速，双馈调速 变频调速,调速方法,第2节 异步电动机的机械特性,21 异步电动机的自然机械特性 22 异步电动机的人工机械特性,21 异步电动机的自然机械特性,机械特性的含义,a）负载较轻 b）对应的工作点 c）负载较重,22 异步电动机的人工机械特性,转子串联电阻的机械特性 a）转子串联电阻的电路 b）机械特性,异步电机机械特性与转子电阻的关系,最大输出转矩Tm的大小与转子电阻R2的大小没有关系。 对应Tm的转速与R2的值有关，转子电阻越大，对应Tm的转速越低。 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联电阻，则能够增大起动转矩，在起动过程中，连续减小或逐级切除串联的电阻，则能够在
7、起动过程中增大起动转矩，加速起动过程； 对绕线转子电机，若在转子绕组中串联大小可调的电阻，则能够调节稳定运行的转速； 通过改变转子电阻的起动和调速方法仅仅适用于绕线电机，曾经获得广泛的应用。 存在效率低下，起动装置笨重，电机和起动装置造价高维护率高且困难等缺点。,改变电压的机械特性,改变电压的机械特性 a）电路图 b）机械特性,输出转矩与电压的平方成正比； 起动转矩与电压的平方成正比； 随着电压的降低，最大转矩，起动转矩以及转速都会降低； 降低电源电压，可以降低起动电流，但起动转矩成平方倍地下降； 星三角起动，自耦变压器起动以及软起动器起动都属于这类应用； 这种方法不适于调速，因为调速范围很窄
8、而且效率很低。,改变频率的机械特性,fXfN时的机械特性,早,晚,发 展 时 间,电力传动系统运动方程式,T电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T负载转矩减速运行 T电机转矩T负载转矩恒速运行,电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关,T电机转矩T负载转矩,速度模式： 以保持转速恒定为目的，如常规调速系统（电梯、各类生产线）。控制设 备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化，恒速时电机转矩 肯定等于负载转矩 转矩模式 以控制电机转矩恒定为目的，如：开卷/收卷，恒速时电机转矩肯定等于 负载转矩，但电机的运转速度不确定。 如果
9、电机转矩始终大于负载转矩，则速度持续上升直至设备限速或损坏 如果电机转矩始终小于负载转矩，则速度为0或最低（下限）速度 为保证系统安全，必须额外考虑限速或超速保护,T电机转矩T负载转矩,传动机构,电动机,生产机械,负载特性,摩擦恒转矩 生产流水线 起重行走,速度,T负载转矩,势能恒转矩 电梯 起重机提升,恒功率 （速度越低， 负载转矩越大） 机床 开卷机/收卷机,变转矩 （速度越低，负载 转矩越小） 风机水泵,负载转矩大小于与转速无关,二、电力电子开关器件的应用,1、 SCR； 2、 GTO ； 3、 GTR ； 4、 MOSFET； 5、 IGBT、IGCT； 6、IPM,常用的半导体电力开
10、关器件有,不控器件： 半导体电力二极管D,半控器件： 晶闸管（Thyristor）或SCR,全控器件： 双极结型电力三极管BJT（半导体电力三极管） 可关断晶闸管GTO 电力场效应晶体管P-MOSFET 绝缘门极双极型晶体管IGBT MOS控制晶闸管MCT 集成门极换流晶闸管IGCT 静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH 半导体电力开关模块和功率集成电路PIC,SCR-Silicon Controlled Rectifier晶闸管 GTO-gate turn-off thyristor,门极可关断晶闸管 GTRgiant transistor，大功率晶体管 MOSFETmefal ox
11、ide semiconductor field effect transistor MOS场效应晶体管 IGBTinsulated gate bipolar transistor，绝缘门极双极晶体管 IEGTinjection Enhanced Gate Transistor ，注入增强删晶体管 IGCTintegrated gate commutated thyristor，集成门极换流的晶闸管，ETO SiC-碳化硅,绝缘栅双极晶体管IGBT,GTR和GTO的特点通流能力很强，导通压降低。双极型，有电导调制效应，开关速度较低，电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极
12、型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但导通压降高、开关容量低。 两类器件取长补短结合而成的复合器件IGBT 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。,IGBT的结构,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,绝缘栅双极晶体管（续）,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,IGBT的原理 通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，IGBT
13、导通。 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBT关断。,绝缘门极双极型晶体管IGBT主要特点,电压控制开通和关断，控制功率小； 双极性导电，开关速度介于MOSFET和GTR之间； 电压电流耐量介于GTR和GTO之间； 最近十年IGBT已得到广泛应用，3.3KV-4.5KV/1200-1800A的器件已开始实用。,38,IGBT芯片的结构型式：,（1988-1995）平面栅穿通（PT-punchThrough 工艺），适用于低压产品，有的型号后DN1 平面栅NPT-IGBT，15-20KHZ，2.5V 沟槽栅（Trench gate）+电
14、场终止层（Field Stop）技术，1.5V，15-50KHZ,1982年试制成功 1985年投产，600V/25A，3V，0.5uS 1989年生产， 1、高速开关型：20HZ 2、低通态压降型：5HZ，0.7V，1200V/400A 1995年至今， 1、速度更快，通态压降更低, 50KHZ 2、容量更大，3300V/1200A，4.8V；4.5KV/1800A IGBT功率更大时，toff、导通压降、通态损耗增大。3.3KV4.5KV/12001800A IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor注入增强门极晶体管）是IGBT的改进。4.5KV/1K
15、A,IGBT的主要参数,正常工作温度下允许的最大功耗 。,3) 最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,2) 最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,1) 最大集射极间电压UCES,栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断：施加一定幅值的负电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。,IGBT的驱动电路,多采用专用的混合集成驱动器,常用的有三菱公司
16、的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,IGBT的驱动电路,IGBT 的保护,过电流、过电压、di/dt、dv/dt 通过检出的过电流信号切断门极信号，实现过流保护 利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt 利用温度传感器检测壳温，超过允许温度时主电路跳闸，过热保护。 短路的保护,过电流保护,可同时采用多种过流(过载、短路)保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。 电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停
