变频技术第一章优秀PPT.ppt

1 1第1页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况本章教学提要本章教学提要教学要求：教学要求：1、了解变频器发展概况，认识变频器在现代化建设中的作用。2、了解各类电力电子器件的特性及应用。3、了解变频器中各类微处理器及其作用。教学重点：教学重点：1、变频器在工业企业的“节能减排”和实现自动化过程中的作用。2、电力电子器件和微处理器的发展对变 频器技术发展的促进作用。教学难点：教学难点：新型电力电子器件的特性。2第2页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况本章教学内容本章教学内容 本章共分3节，分别讲述：变频器调速技术发展概况及其在国家经济建设中的重要作用；电力电子器件的发展概况及它对变频器内在品质的决定作用；微处理器的发展及对变频器控制能力和智能化的影响。本章教学建议本章教学建议 本章教学可以采用实物教学，主电路要求学生认识电力电子模块或器件，控制电路要求学生认识核心器件即单片机或DSP，使学生在后面学习和掌握维护、检修技术有一个感性认识，并打下基础。3第3页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况1.1概述概述 【知识目标】了解变频调速技术发展概况及其在国家经济建设中的重要作用。1.1.1交流变频技术的发展交流变频技术的发展 各类电动机已经成为人类生产、生活中最重要的动力机械，其地位与作用是其他动力机械不可比拟的。在各类电动机中笼型三相交流异步电动机以其结构简单坚固，运行可靠、价格低廉等优势在电力拖动领域中独占鳌头。由变频器传动电动机实现交流调速，首先可 以实现节能，同时可以提高生产效率，实现生 产自动化，这是人们长期以来孜孜以求的愿望。4第4页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 电力电子器件的发展，最新微处理器技术的应用和变频控制理论的不断创新，使交流变频技术飞速发展。1.1.2变频器新技术及其发展方向变频器新技术及其发展方向1.变频器新技术变频器新技术 伴随着变频器应用的日益广泛，其性能好技术也在飞速发展，主要体现在：（1）模块化：新型变频器其主要功能电路均已实现模块化，使整机的原件数量比原来减少了40%以上，可靠性得到很大提高。（2）专用化：新型变频器为更好地发挥其控制 技术的独特功能，派生出许多专用机型。例如：风机、水泵专用型，空调专用型，电梯专用型等。5第5页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 （3）软件化：新型变频器的功能软件化已进入实用阶段，通过内置软件编程可实现所需的功能。如PID软件，张力控制软件等。（4）网络化：新型变频器内装RS485接口，可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，可接在多种现场总线的控制网络中，成为网络中一个“节点”，实现网络控制。（5）低电磁噪声、静音化 （6）图形化用户界面 （7）引导式调试步骤 （8）参数趋势图形2 2、变频器未来的发展方向、变频器未来的发展方向 （1）进一步提高控制理论，发展控制策略。（2）高速全数字化控制。6第6页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 （3）新型电力电子器件的应用技术。（4）变频器的大容量化和小体积化。（5）更符合环境保护要求，成为真正的“绿色产品”。1.2电力电子器件在变频器中的应用电力电子器件在变频器中的应用【知识目标】了解电力电子器件发展概况 掌握电力电子器件分类方法 掌握常用的电力电子器件的基本特性好在使用中应注意的问题。1.2.1电力电子器件发展概况电力电子器件发展概况 1956年第一个普通晶闸管诞生，标志着电力电 子技术的产生并进入应用阶段。半控型电力电子器件的缺陷：7第7页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况1、不能控制“关断”，只能增加“强迫换流”电路，因而效率低。2、工作频率低应用范围小。现代电力电子器件在其控制技术方面有如下特点：1、集成化：几乎使用全控型器件均是由多个子器件集成的。例如1个1000A的GTO含有近千个单元GTO。2、高频化：一般的IGBT工作频率均达到20KHz,有的功率器件工作频率可达10MHz以上。3、全控化：现代电力电子器件均已实现全控化，即自动关断化。4、控制电路弱电化、控制技术数字化：全控型 器件的高频化促进了电力电子控制电路的弱电化。8第8页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况1.2.2电力电子器件的简单分类电力电子器件的简单分类1、根据不同的开关特性分 不控型器件 半控型器件 全控型器件2、根据器件内参与导电的载流子情况分 双极型 单极性 混合型3、根据控制信号不同分（1）电流控制型其特点是：器件内有两种载流子导电，器件的PN结温度高，因此工作频率较低。具有电导调制效应，导通压降很低，导通损耗小。输入阻抗较低，因此驱动电流和控制功率较大，电路也比较复杂。9第9页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况（2）电压控制型其特点是：输入阻抗很高，控制功率小，控制电路简单。只有一种载流子，工作频率很高。工作温度高，抗辐射能力强。1.2.3变频器中常用的电力电子器件变频器中常用的电力电子器件 电力电子器件在变频器的主电路中起核心作用，它的性能优劣标志着变频器档次的高低。1、电力晶体管（大功率双极型晶体管GTR）单个电力晶体管的放大系数很小，通常采用多 个晶体管按达林顿接法组成单元结构，其主要特 点是耐压高，电流大，开关特性好，具有导通压 降小，导通损耗低的优点。10第10页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况2.门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（GTO）是普通晶闸管的派生器件，具有门极控制的自关断性能，近年来制成高电压、大功率的GTO，在电力机车、内燃机车和电动车辆的变频系统中广泛应用。GTO应用中的问题主要有两个。缓冲问题：为解决GTO 的二次击穿问题，必须设计 缓冲电路。（见附图）：其 中Cs为缓冲电容，电阻Rs用 来限制电容放电电流，二极 管VDs 用于电阻旁路。11第11页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 驱动问题：GTO在关断时门极要流过一个相当大的负载电流，典型值为被关断阳极电流的三分之一，所以GTO的驱动电路体积大，也比较复杂。3.功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（MOSFET）功率场效应晶体管又称电力MOSFET，分为VVMOSFET和VDMOSFET两种基本类型。其中VDMOSFET是具有高集成度、高耐压、低结电容和高速等特点，简写VDMOS。功率MOSFET是单级型电压控制型器件，具有工作频率高，输入阻抗高，驱动功率小，无热电反馈二次击穿和跨导线性度高等有点，有着广泛的应用。功率MOSFET的一个主要缺点是通态电阻较大，通态损耗也相应较大，当器件耐压提高后，通态12第12页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 电阻也随着提高，受这种限制这种功率场效应管难以做得很大。4.绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管是一种新型复合器件，它是由MOSFET于GTR组成达林顿结构，综合了功率MOSFET和GTR优点，具有驱动简单，保护容易，不用缓冲电路，开关频率高等特点。它应用在变频器中具有：改善输出电流波形；增大电动机转矩；降低电磁噪声等优点。为了安全使用IGBT，应注意一下几点：(1)一般IGBT的驱动级正向驱动电压Uce应保持在1520V.(2)使IGBT关断的栅极驱动电压Uce应大于5V。（3）使用IGBT时应该在栅极和驱动信号之间加 一个栅极驱动电阻RG,如果不加这个电阻，当管13第13页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，会增加开关损耗。（4）当设备发生短路时，Ic电流会急剧上升，它的影响会使UGE电压产生一个尖峰脉冲，这个尖峰脉冲会进一步增加电流Ic，形成正反馈的效果。为了保护管子，在栅极发射极间加稳压二极管，钳制GE电压的突然上升。能起到一定的电流短路保护作用。1.2.4其他电力电子器件其他电力电子器件1、MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）它属于单极型和双极型组合而成的复合器 件具有高输入阻抗，低驱动功率，快速开关 以及高电压、大电流特性。同时具有耐高温，di/dt的耐量大等优点。14第14页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 2、门极换流晶闸管（、门极换流晶闸管（IGCT）门极换流晶闸管是一种集成门极驱动器组成的新型GTO组件，它具有晶闸管的高电压、大电流、低导通损耗和IGBT的关断均匀、开关速度快的优点，以及无缓冲电路，可靠性好、紧凑、安全等特点，是一种新型理想的大功率电力半导体器件。3、静电感应晶体管（、静电感应晶体管（SIT）静电感应晶体管具有工作频率高，输出功率大，线性度好，无二次击穿现象，热稳定性好，抗辐射能 力强、输入阻抗高等一系列优点：在雷达通讯设 备、超声波功率大，开关电源，脉动功率放大等 方面广泛应用。15第15页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 4、静电感应晶体管（、静电感应晶体管（SITH）静电感应晶闸管是由日本西泽润一于1972年提出并研制成功，最初由于制造工艺复杂，成本高一度研发受阻，近年来由于其性能优越，重获得人们的青睐。与GTO相比SITH有许多独特的优点，例如，通态电阻小，正向压降低，允许电流密度大，耐压高；开关速度快，损耗小；di/dt耐量大，抗辐射能力强，工作温度高等。更为突出的是SITH的工作频率可达 100KHz以上，比GTO高出12个数量级，可控功率达到100KW以上，SITH是继GTO以后发展起来的比较理想的高功 率功率晶闸管。5、智能电力模块（、智能电力模块（IPM）16第16页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 智能电力模块就是电力集成电路或称智能集成电路，是将电力电子电路中的驱动电路、控制电路、保护电路及其他配套的相关电路集成在一块半导体芯片上，它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，从而将智能赋予器件。因此IPM具有可靠性高，使用方便等优势。1.2.5各种电力电子器件的比较各种电力电子器件的比较1、参数和特性的比较、参数和特性的比较阅读表1-2和图1-92、应用范围比较、应用范围比较阅读图1-10和图1-113、全数字微机控制的应用、全数字微机控制的应用17第17页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况微处理器的进步使变频器达到全数字微机控制水平。1、控制手段的发展、控制手段的发展控制手段的三个阶段：（1）模拟控制阶段应用在SCR变流电路中。（2）数字控制阶段应用在早期的GTR变频器中。（3）全数字微机控制阶段应用在当前新型变频器中。2、微机数字控制的优越性、微机数字控制的优越性 数字控制的优越性表现在以下几个方面：（1）控制器的硬件电路集成化，标准化程度高，体积小、成本低、可靠性高。（2）控制软件可以按需要更换、修改或移植，灵活性大。18第18页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 （3）消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好。（4）信息存储、监控、故障诊断以及分级控制能力不断提高。（5）随着CPU飞快发展，各种新型的比较复杂的控制方案都能够实现。3、单片机的应用、单片机的应用 变频器控制广泛使用单片机，单片机的最大优点是：用同一芯片可以进行种种条件判断并做出最佳处理方案。由于采用了单片机控制出现了更小型化，可靠性更高的廉价变频器，其质量不断得到改进，性能 不断提高。4、数字信号处理器（、数字信号处理器（DSP）19第19页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 为了提高运算速度，在20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，开始时DSP只用做提高运算的处理器，本身的I/O接口很少，随着产品性能的提高，其控制能力逐步扩大，已经成为一类高速单片机了。5、简指令集计算机（、简指令集计算机（RISC）RISC在20世纪80年代后期也是计算机体系结构上的一次革命，RISC把着眼点放在经常使用的基本指令的执行效率上，依靠硬件与软件的优化组合来提高速度。6、高级专用集成电路（、高级专用集成电路（ASIC）20世纪90年代以来新开发的现代高级专用 集成电路，其功能往往能够包括一种特定的 控制系统，开发各种新一代的ASIC已成为世20第20页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况 界上各大电气公司竞争的热点。【实训项目1】用万用表对门极可关断晶闸管进行检测按图1-12所准备好器材和仪表。实训目的：掌握利用万用表判定GTO电极，检测GTO的触发能力、关断能力。实训步骤：1、判定GTO的电极2、检查触发能力3、检查关断能力4、估测关断增益Poff【实训项目2】用万用表对功率MOSFET进行测试实训目的：掌握用万用表对功率MOSFET初步测试21第21页，本讲稿共23页第第1 1章变频器技术应用发展概况章变频器技术应用发展概况实训步骤：1、栅极G的判定2、漏极D、源极S及沟道类型的判断3、场效应管好坏的判断22第22页，本讲稿共23页Thank you第23页，本讲稿共23页