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1、变频技术原理与应用 (第二版),吕汀 石红梅编著,机械工业出版社,2,目 录,第1章 概 述 第2章 电力电子器件 第3章 交-直-交变频技术 第4章 脉宽调制技术 第5章 交-交变频技术 第6章 变频器的选择和容量计算 第7章 变频器的安装接线、调试与维修 第8章 变频技术综合应用,3,第一章 概 述,变频技术的概念 变频技术的主要类型 变频技术的发展,本章要点,返回目录,4,1.1 变频技术,变频技术是一门能够将电信号的频率,按照具体电路的要求，而进行变换的应用型技术。其主要类型有以下几种：,（1）交直变频技术（即整流技术） （2）直直变频技术（即斩波技术） （3）直交变频技术 （4）交交
2、变频技术（即移相技术）,变频技术的类型表,6,1.2变频技术的发展,随着电力电子技术的发展，变频技术的发展方向是：,交流变频向直流变频方向转化 控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制)方向发展 功率器件向高集成智能功率模块发展,总之，变频技术的发展趋势，是朝着高度集成化、高频化、模块化的方向发展,7,第2章 电力电子器件,晶闸管的特性参数及保护 门极关断晶闸管的特性参数 功率晶体管的特性参数及驱动电路 MOS器件的特性参数及保护 绝缘栅双极型晶体管IGBT的特性参数、驱动电路及其保护 集成门极换流晶闸管和功率集成电路简介,本章要点,返回目录,8,电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技
3、术关键，也是变频技术技术发展的“龙头”。,可以说，电力电子技术起步于晶闸管，普及于GTR，提高于IGBT。新型电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用等加以介绍。,9,2.1 半控型电力电子器件,2.1.1晶闸管（SCR）的特性及参数 晶闸管的特性,（1）晶闸管的阳极伏安特性,晶闸管有三个引线端子：阳极（anode）A、阴极(cathode)K和门极(gate)G，有三个PN结。,晶闸管的结构见图2-1,晶闸管阳极与阴极间的电压和它的阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图2-2所示。位于第象限的
4、是正向特性，第象限的是反向特性。,晶闸管的门极和阴极之间是一个PN结J3，它的伏安特性称为门极伏安特性。实际产品的门极伏安特性分散性很大，为了应用方便，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表，称之为门极伏安特性区域。,（2）晶闸管的门极伏安特性,电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止的时间间隔，称为晶闸管的电路换向关断时间tq，它由两部分组成：,门极在原点处受到理想阶跃电流的触发，由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，阳极电流的增长不可能瞬时完成。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td。阳极电流从
5、10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr，开通时间tgt为二者之和，即,1）开通时间,tgt=td+tr,2）关断时间,tq=trr+tgr,晶闸管在电路中是起开关作用的。,trr为反向阻断恢复时间，是电流反向的持续期； tgr为正向阻断恢复时间。,（3）晶闸管的动态特性,16,2晶闸管的参数,晶闸管不能自关断，属半控型，在电路中起开关用。由于其开通与关断的时间很短，为正常使用，必须认真研究其动态特性，定量地掌握其主要参数。,（1）晶闸管的电压定额,1）断态（正向）重复峰值电压UDRM：是门极断路，而晶闸管的结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，重复频率为每秒50次，每
6、次持续时间不大于10ms。 2）反向重复峰值电压URRM：是门极断路，而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。重复频率为每秒50次，每次持续时间不大于10ms。 3）通态（峰值）电压UTM：是晶闸管通以倍或规定倍数额定通态平均电流值时的瞬态峰值电压。,（2）晶闸管的电流定额,（3） 晶闸管的门极定额,1）门极触发电流IGT：是在室温下，通态电压直流6V时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。 2）门极触发电压UGT：是产生门极触发电流所必需的最小门极电压。,（4）动态参数,（5） 额定结温,1）断态临界电压上升率du/dt：是在额定结温和门极开路的情况下，不使从断态到通态转
7、换的最大电压上升率。如果du/dt过大，会使充电电流足够大，使晶闸管误导通，此时应采取措施，使其在临界值内。 2）通态临界电流上升率di/dt：是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果通态电流上升太快，则晶闸管刚一开通，就会有很大的电流集中在门极附近的很小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。因此要采取措施限制其值在临界值内。限制电流上升率的有效办法是串接空心电感。,额定结温Tjm：器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。,19,2.1.2晶闸管的串并联与保护,1晶闸管的串联与并联,（1）晶闸管的串联,当晶闸管的额定电压小于
8、实际要求时，可以采用两个或两个以上同型号器件相串联。,图2-5a）是两个晶闸管串联的伏安特性图,（2）晶闸管的并联,1）主回路对并联晶闸管电流分配的影响,2）正向压降对并联晶闸管电流分配的影响,常用的均流电路有：,串联电阻均流电路,串联电抗器均流电路,晶闸管的正向压降等于与正向电流无关的恒定压降与内阻压降之和。由于晶闸管内阻很小，并联晶闸管各回路的阻抗又不相同，因此，各支路电流分配也不均衡。当负载电流很大时，各并联支路的电阻和自感必须相等，互感也应尽量相等。,采用直流电抗器的均流电路,23,2晶闸管的保护 （1）晶闸管的过电流保护,造成晶闸管过电流的重要原因是：电网电压波动太大、电动机轴上拖动
9、的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等。 由于晶闸管承受过电流能力比一般电器元件差得多，故必须在极短时间内把电源断开或把电流值降下来。常见的保护有以下几种：,1）快速熔断器保护,接入桥臂与晶闸管串联 接在交流侧输入端 接在直流侧,熔断器是最简单有效的过电流保护元件快速熔断器的接法一般有三种：,工作原理：当主电路过电流时，电流反馈信号电压Ufi增大，稳压管VS被击穿，晶体管V导通，直流快速灵敏继电器KA得电并自锁，并断开了电源接触器KM 吸引线圈电压，使KM失电切断主电路交流电源，以达到过电流保护的目的。过电流故障排除后，想要恢复供电，先按下复位按钮SB，KA失电，其KA常闭触点闭
10、合，按下主电路起动按钮SB2，KM 得电接通主电路交流电源，恢复正常供电。调节电位器RP，可以很方便地调节过电流跳闸动作电流的大小。,2）过电流继电器保护,3）限流与脉冲移相保护,工作原理：与电子过电流跳闸电路相似，当主电路出现过电流时，电流反馈信号电压Ufi增大，稳压管V1被击穿，V2晶体管注入基极电流，使晶体管V2输出电压U0降低，于是触发电路的触发脉冲迅速右移(即移相角增大)，使主电路输出整流电压迅速减小，负载电流也迅速减小，达到限流目的。,4）利用反馈控制作过电流保护,这种保护的特点是控制系统本身的动作速度快，在一些容易发生短路的设备如逆变器中，常采用这种保护方法，但内部发生短路时还得
11、靠快速熔断器来保护。,5）直流快速开关电流保护,在大容量变流装置经常容易出现直流侧负载发生短路的场合，可以在直流侧装直流快速开关，用作直流侧过载与短路保护动作时间非常短。,（2）电压与电流上升率的限制,限制电压变化率的措施有：,1）装设有整流变压器的变流装置 2）对于没有整流变压器而直接由电网供电的装置，可在交流电源输入端串接 空心小电感L0，如图2-14所示。 3）每个桥臂串接空心小电感或在桥臂上套入磁环（电感量约为2030H）,（3）晶闸管的过电压保护,晶闸管从导通到阻断和开关电路一样，因为有电感释放能量，所以会产生过电压。这可能会导致管子的反向击穿，所以必须采取保护措施。,对于尖峰状的瞬
12、时过电压，常用的保护方法是在晶闸管两端并接RC吸收元件，如图2-16所示。,（4）交流侧过电压及其保护,1）交流侧操作过电压,由于发生雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成的晶闸管过电压，称为浪涌过电压。,硒堆元件保护：,2）交流侧浪涌过电压,压敏电阻的主要特性参数有： 漏电流为1mA时的额定电压U1mA； 放电电流达到规定值IY时的电压UY，其数值由残电压比UY/U1mA所决定； 允许的通流容量，即在规定波形下（冲击电流前沿8ms，波长20ms），允 许通过的浪涌峰值电流（kA）。,（5）直流侧过电压及其保护,对这种过电压抑制的有效方法是：在直流负载两端并接压敏电阻或硒堆等来保护。,39,2.2
13、 门极关断晶闸管,门极关断晶闸管GTO（gate turn off thyristor）。它与普通晶闸管相比，属“全控型器件”或“自关断器件”，既可控制器件的开通，又可控制器件的关断。因此，使用GTO的装置与使用普通型晶闸管的装置相比，具有主电路器件少，结构简单；装置小巧；无噪声；装置效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形等优点。其结构见图2-25所示，也属于PNPN四层三端器件。,41,2.2.1门极关断晶闸管的特性及参数,1GTO的特性,下图为GTO的工作电路简图。A、K和G分别为GTO的阳极、阴极和门极，EA和RK分别为工作电压和负载电阻；EG1和RG1分别为正向触发电压和限流电阻；EG
14、2和RG2分别为反向关断电压和限流电阻。当S置于“1”时，GTO导通，阴极电流IKIA十IG。当S置于“2”时，GTO关断。,2GTO的参数,（1）最大门极可关断阳极电流IATO 这是标称GTO额定电流容量的参数。 （2）电流关断增益off off是GTO的一个重要参数，其值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。 （3）擎住电流IL GTO经门极触发刚从断态转入通态，撤除门极信号后GTO仍能维持导通所需要的最小阳极电流。 （4）维持电流IH,44,2.2.2 用万用表对晶闸管的检测,如图2-27所示，这里介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益off的方
15、法。,图2-27 GTO的检测,1判定GTO的电极,2检查触发能力,3检查关断能力,将万用表拨至R1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。由此可判定G、K极，剩下的就是A极。,如图2-27(a)所示，首先将表的黑表笔接A极，红表笔接K极，电阻为无穷大；然后用黑表笔尖也同时接触G极，加上正向触发信号，表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通；最后脱开G极，只要GTO维持通态，就说明被测管具有触发能力。,现采用双表法检查GTO的关断能力，如图2-27(b)所示，表的档位及接法保持不变。将表拨至R10档，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以
16、负向触发信号，如果表的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO具有关断能力。,4估测关断增益off,5注意事项,进行到第3步时，先不接入表，记下在GTO导通时表的正向偏转格数n1；再接上表强迫GTO关断，记下表的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益： off=IATO/ IGMK1n1/ K2n2 式中 K1表在R1档的电流比例系数 K2表在R10档的电流比例系数。 估算：off10n1/ n2 此式的优点是，不需要具体计算IATO、IGM之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估测关断增益值。,（1）在检查大功率GTO器件时，建议在R1档外边串联一节1.5V电池E，以提高测试电压和测试电流，使GTO可靠地导通。 （2）要准确测量GTO的关断增益off，必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量
