上海西门子S7-1200PLC模块代理（合作伙伴）

    传统的开关器件包括晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR），可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。近年来，随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继出现了绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）等新型电力电子器件。

    电力电子器件的性能要求是大容量、高频率、易驱动和低损耗。因此，评价器件品质因素的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。目前，各类电力电子器件所达到的功能水平是：

    普通晶闸管：12kV、lkA；4kV、3kA； 

    可关断晶闸管：9kV、lkA；4.5kV、4.5kA；

    逆导晶闸管：4.5kV、lkA； 

    光触晶闸管：6kV、2.5kA；4kV、5kA

    电力晶体管：单管1kV、200A；模块1.2kV、800A；1.8kV、100A；

    场效应管：1kV、38A；

    绝缘栅极双极型晶体管：1.2kV、400A；1.8kV、100A；

    静电感应晶闸管（SITH）：4.5kV、2.5kA；

    场控晶闸管：1kV、100A；

    图1中示出主要电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围。

图1　电力电子器件的控制容量和开关频率的应用范围

    开关器件分为晶闸管型和晶体管型，他们的共同特点是用正或负的信号施加与门极上（或栅极或基极）来控制器件的开与关。一般开关器件在其它教材中都有所介绍，下面主要介绍几种驱动功率小、开关速度快、应用广泛的新型器件。

    1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）

    IGBT（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）是在GTR和MOSFET之间取其长、避其短而出现的新器件，它实际上是用MOSFET驱动双极型晶体管，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

    IGBT是多元集成结构，每个IGBT元的结构如图所示，图是IGBT的等效电路，它由一个MOSFET和一个PNP晶体管构成，给栅极施加正偏信号后，MOSFET导通，从而给PNP晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后，MOSFET关断，使PNP晶体管基极电流为零而截止。图是IGBT的电气符号。

    IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于电力晶体管。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和电力晶体管接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

图2　IGBT的简化等效电路图

    IGBT的容量和GTR的容量属于一个等级，研制水平已达1000V/800A。但IGBT比CTR驱动功率小，工作频率高，预计在中等功率容量范围将逐步取代GTR。也已实现了模块化，并且已占领了电力晶体管的很大一部分市场。

    2、场控晶闸管（MCT） 

    MCT（MOS　Controlled　Thyristor）是MOSFET驱动晶闸管的复合器件，集场效应晶体管与晶闸管的优点于一身，是双极型电力晶体管和MOSFET的复合。MCT把MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来，成为非常理想的器件。

    一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：PNPN晶闸管一个（可等效为PNP和NPN晶体管各一个），控制MCT导通的MOSFET（on-FET）和控制MCT关断的MOSFET（off-FET）各一个。其等效电路如图所示。图是其电气符号。当给栅极加正脉冲电压时，N沟道的on—FET导通，其漏极电流即为PNP晶体管提供了基极电流使其导通，PNP晶体管的集电极电流又为NPN晶体管提供了基极电流而使其导通，而NPN晶体管的集电极电流又反过来成为PNP晶体管的基极电流，这种正反馈使>1，MCT导通。当给栅极加负电压脉冲时，P沟道的off-FET导通，使PNP晶体管的集电极电流大部分经off-FET流向阴极而不注入NPN晶体管的基极。因而NPN晶体管的集电极电流，即PNP晶体管基极电流减小，这又使得NPN晶体管的基极电流减小，这种正反馈使<1时MCT即关断。

    MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽然目前的容量水平仅为1000V/100A，其通态压降只有IGBT或GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是高的。另外，MCT可承受*的和，这使得保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之，MCT被认为是一种较有发展前途的电力电子器件。

    3、静电感应晶体管（SIT）

    SIT（Static　Induction　Transistor）实际上是一种结型电力场效应晶体管，其电压、电流容量都比MOSFET大，适用于高频大功率的场合。在栅极不加任何信号时，SIT是导通的，栅极加负偏时关断，这种类型称为正常导通型，使用不太方便。另外，SIT通态压降大，因而通态损耗也大。 

    SITH（Static　lnductionThyristor）是在SIT的漏极层上附加一层和漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。和SIT相同，SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型的。SITH的许多特性和GTO类似，但其开关速度比GTO高得多（GTO的工作频率约为1—2kHz），是大容量的快速器件。

    另外，可关断晶闸管（GTO）是目前各种自关断器件中容量大的，在关断时需要很大的反向驱动电流；电力晶体管（GTR）目前在各种自关断器件中应用较广，其容量为中等，工作频率一般在10kHz以下。电力晶体管是电流控制型器件，所需的驱动功率较大；电力MOSFET是电压控制型器件，所需驱动功率小。在各种自关断器件中，其工作频率高，可达100kHz以上。其缺点是通态压降大，器件容量小。

    5、开关器件的应用说明

    变流器中开关器件的开关特性决定了控制电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和功率损耗等指标。由于普通晶闸管是只具备控制接通、无自关断能力的半控型器件，因此在直流回路里，如要求将它关断，需增设含电抗器和电容器或辅助晶闸管的换相回路。另外，普通晶闸管的开关频率较低，故对于开关频率要求较高的无源逆变器和斩波器，就无法胜任，必须使用开关频率较高的全控型的自关断器件。例如将电力晶体管替代普通晶闸管用在变频装置的逆变器中，其体积可减少2/3，而开关频率可提高6倍，还相应地降低了换相损耗，提高了效率。近年来，不间断电源和交流变频调速装置广泛采用电力电子自关断器件。

    可以说，以全控型的开关器件来取代线路复杂、体积庞大、功能指标较低的普通晶闸管和换相电路，这是变流技术发展的规律。由于全控型器件开关频率的提高，变流器可采用脉宽调制（PWM）型的控制，既可降低谐波和转矩脉动，又提高了快速性，还改善了功率因数。目前国外的中小容量和较大容量的变频装置已大部分采用了由自关断器件构成的PWM控制电路，大功率的电动机传动以及电力机车用PWM逆变器的功率达兆瓦级，开关频率为1～20kHz。

    在斩波器的直流——直流变换中，采用PWM技术亦有多年历史，其开关频率为20kHz～1MHz。应用场效应晶体管及谐振原理，采用软开关技术以构成直流——直流变流器，其开关损耗及电磁干扰均可显著减少，可使小功率变流器的开关频率达几兆赫，这时滤波用的电感和电容的体积显著减小，充分显示其优越性

交流电动机变频调速的控制方案

时间:2015-08-25 16:49来源:未知 编辑:自动控制网

根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交（ - - ）变频器。 （１）开环控制 开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图1所示。 图1 开环异步电动机变频调速 VVVF-通用变频器 IM

根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交（--）变频器。     （１）开环控制     开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图1所示。 图1　开环异步电动机变频调速  VVVF-通用变频器　IM-异步电动机     该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。  图2　矢量控制变频器的异步电动机变频调速     （2）无速度传感器的矢量控制     无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统控制框图如图2所示。对比图1图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到*，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。     如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效。     （3）带速度传感器矢量控制     带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如图3所示。 图3　异步电机闭环控制变频调速     矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度甚快；电动机的加速度特性很好等优点。     然而，带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的机率。     因此，如若非采用不可的情况下，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。      （4）永磁同步电动机开环控制     永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图4所示。     图4　永磁同步电动机开环控频调速      SM-同步电动机（PM.　SM）-制变永磁式     假如将图4中异步电动机（IM）换成永磁同步电动机（PM、SM），就是第四种变频调速控制方案。它具有控制电路简单，可靠性高的特点。由于是同步电动机，它转速始终等于同步转速，转速只取决于电动机供电频率，而与负载大小无关（除非负载力矩大于或等于失步转矩，同步电动机会失步，转速迅速停止），其机械特性曲线为一根平行横轴直线，硬特性。      如果采用高精度的变频器（数字设定频率精度可达0.01%），在开环控制情形下，同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相*（在开环控制方式时），所以特别适合多电机同步传动。     至于同步电动机变频调速系统的动态品质问题，若采用通用变频器V/F控制，响应速度较慢；若采用矢量控制变频器，响应速度很快。