学习情境学习性工作任务变频器的发展及应用简介学习教案

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1、会计学1学习情境学习性工作学习情境学习性工作(gngzu)任务变频器任务变频器的发展及应用简介的发展及应用简介第一页，共20页。教教 学学 目目 标标知识目标：知识目标：1了解交流调速的发展过程。了解交流调速的发展过程。2了解使用通用变频器的目的和产生的效益。了解使用通用变频器的目的和产生的效益。3认识变频器在调速系统中的重要地位及在攀钢应用认识变频器在调速系统中的重要地位及在攀钢应用(yngyng)。4了解电力电子器件及其在变频器中的应用了解电力电子器件及其在变频器中的应用(yngyng)。 能力目标：能力目标：1弄清电力弄清电力(dinl)电子器件的选择依据。电子器件的选择依据。2掌握电力

2、掌握电力(dinl)电子器件的控制及驱动方法。电子器件的控制及驱动方法。3明确变频器在攀钢各厂矿的具体应用。明确变频器在攀钢各厂矿的具体应用。 第1页/共20页第二页，共20页。 教教 学学 内内 容容1.1.1 交流调速传动概述交流调速传动概述 经过大约经过大约30年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经动的主流。在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。可以相信，在不久的将来交流调速电气传动将会完全受到了猛烈的冲击。可以相信，在不久的将来

3、交流调速电气传动将会完全取代直流调速电气传动。取代直流调速电气传动。 目前，从数百瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速目前，从数百瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，可以说无所不包传动装置，可以说无所不包(w su b bo)的都可以用交流调速传动方的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动已经从最初的只能用于风机、泵类的调速过渡到式来实现。交流调速传动已经从最初的只能用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置

4、。看，交流调速装置已经优于直流调速装置。 1.1交流调速的发展交流调速的发展(fzhn)及使用通用变频器的目的和产生及使用通用变频器的目的和产生的效益的效益第2页/共20页第三页，共20页。1.1.2 变频调速的优势变频调速的优势 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。 直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于(nny)克服

5、克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。 直流电动机的缺点：直流电动机的缺点： 1）维修工作量大，事故率高；）维修工作量大，事故率高；压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制； 2）结构简单、造价低；）结构简单、造价低； 3）坚固耐用，事故率低，容易维护。）坚固耐用，事故率低，容易维护。但交流电动机的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。但交流电动机的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。 随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能随着交流电动机调速的理论问题

6、的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。 第3页/共20页第四页，共20页。 1.2变频器在现代变频器在现代(xindi)调速调速 控制中的控制中的地位及在攀钢各类调速地位及在攀钢各类调速类负载中的广泛应用类负载中的广泛应用 通用变频器的发展十分迅通用变频器的发展十分迅速，应用日渐广泛。利用变频速，应用日渐广泛。利用变频器传动异步电动机所构成的调器传

7、动异步电动机所构成的调速控制系统，越来越发挥速控制系统，越来越发挥(fhu)出巨大的作用。出巨大的作用。图图1-1变频器在电铲变频器在电铲(din chn)中的应用中的应用 第4页/共20页第五页，共20页。图图1-2 变频器在热轧变频器在热轧(r zh)中在应用中在应用 第5页/共20页第六页，共20页。1.2.1 节能应用节能应用 风机风机(fn j)、泵类负载，采用变频器调速可以减小输入功率；在生产工艺、泵类负载，采用变频器调速可以减小输入功率；在生产工艺允许的条件下，使之间歇运转则可以缩短其运行时间。对于某些大容量设备，允许的条件下，使之间歇运转则可以缩短其运行时间。对于某些大容量设备

8、，受电网容量的限制，有时不允许频繁地起停，若利用变频器实现调频软起动，受电网容量的限制，有时不允许频繁地起停，若利用变频器实现调频软起动，以减小起动电流，则间歇运转也就可能了。以减小起动电流，则间歇运转也就可能了。图图1-3 变频器在空压机上的应用变频器在空压机上的应用(yngyng) 第6页/共20页第七页，共20页。1.2.2 提高生产率提高生产率 提高生产率是变频器传动的另一个重要目的。提高生产率的措施有提高生产率是变频器传动的另一个重要目的。提高生产率的措施有很多种，利用通用变频器可以很多种，利用通用变频器可以(ky)实现这些措施。实现这些措施。图图1-4 变频器变频器在起重机大、小车

9、行走驱动变频器变频器在起重机大、小车行走驱动(q dn)中的应用中的应用第7页/共20页第八页，共20页。 1）保证加工）保证加工(ji gng)工艺中的最佳转速；工艺中的最佳转速； 2）适应负载不同工况的最佳转速；）适应负载不同工况的最佳转速； 3）原有设备的增速运转；）原有设备的增速运转； 4）高精度准确停车生产机械的轻载运行。）高精度准确停车生产机械的轻载运行。1.2.4 设备的合理化设备的合理化 高性能的调速系统实现交流化，逐步取代直流电动机，以克服直流电动机电刷、高性能的调速系统实现交流化，逐步取代直流电动机，以克服直流电动机电刷、换向器难于维护的困难，这是设备合理化的一个换向器难于

10、维护的困难，这是设备合理化的一个(y )侧面。另一个侧面。另一个(y )侧面，则侧面，则是充分利用通用变频器的功能，改造传统的恒速运行的异步电动机传动的生产机械，是充分利用通用变频器的功能，改造传统的恒速运行的异步电动机传动的生产机械，使一大部分生产机械的功能得以使一大部分生产机械的功能得以“升级升级”。 1.2.3 提高产品质量提高产品质量 1）加工对象的最佳速度）加工对象的最佳速度 2）平滑的加、减速）平滑的加、减速(jin s) 3）高精度转矩控制）高精度转矩控制第8页/共20页第九页，共20页。1.3电力电力(dinl)电子器件及其在变频器中的应用电子器件及其在变频器中的应用 电力电力

11、(dinl)电子器件的发展电子器件的发展 第一代电力第一代电力(dinl)电子器件电子器件 第二代电力第二代电力(dinl)电子器件电子器件 第三代电力第三代电力(dinl)电子器件电子器件 变流电路的发展变流电路的发展(fzhn) 整流器时代整流器时代 逆变器时代逆变器时代 变频器时代变频器时代 控制技术的发展控制技术的发展(fzhn)第9页/共20页第十页，共20页。1.3.1电力电力(dinl)电子器件电子器件（1）双极晶体管（）双极晶体管（BJT）图图1-5 模块化模块化BJT的内部的内部(nib)简化结构简化结构a)一单元模块一单元模块 b）二单元模块）二单元模块 c)四单元模块四单

12、元模块 d) 六单元模块六单元模块 第10页/共20页第十一页，共20页。 BJT与普通的晶体三极管的结构、工作原理和工作特性很相似。目前常用的与普通的晶体三极管的结构、工作原理和工作特性很相似。目前常用的BJT 器件有单管、达林顿管和模块三大系列。器件有单管、达林顿管和模块三大系列。 1) 单管单管BJT 2) 达林顿达林顿BJT 3) BJT 模块模块 BJT的基极驱动信号对的基极驱动信号对BJT的正常运行起着极其重要的作用。市场上有专门的集的正常运行起着极其重要的作用。市场上有专门的集成块用于成块用于BJT的驱动。常见的有：的驱动。常见的有：EXB356、EXB357、EXB359等。等

13、。 为了使为了使BJT在厂家规定的安全工作区内可靠地工作，必须在厂家规定的安全工作区内可靠地工作，必须(bx)对对BJT采取必要采取必要的保护措施，如过电流保护、过电压保护、过热保护等。的保护措施，如过电流保护、过电压保护、过热保护等。 BJT的选择工作就是使的选择工作就是使BJ T的性能参数能够满足使用条件，当的性能参数能够满足使用条件，当BJT应用于变频器应用于变频器时，主要的参数的选择是电压等级和集电极电流的选择。时，主要的参数的选择是电压等级和集电极电流的选择。 第11页/共20页第十二页，共20页。(2)绝缘绝缘(juyun)栅双极型晶体管栅双极型晶体管 图图1-6 IGBT等效电路

14、和符号等效电路和符号(fho) 是在是在VDMOSFET 的基础上，增加了一层的基础上，增加了一层P+注入区，因而形注入区，因而形成了一个大面积的成了一个大面积的P+N+结结J1，并由此引出集电极，并由此引出集电极C，而其栅极，而其栅极G 和发射极和发射极E 则完全则完全(wnqun)与功率与功率MOSFET 的栅极和源极相似的栅极和源极相似。 第12页/共20页第十三页，共20页。 IGBT 的驱动原理与功率的驱动原理与功率MOSFET 基本相同，它是一种场控器件。其开基本相同，它是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE 控制的，当控制的，当

15、UGE 为正且大于开启为正且大于开启电压电压UT 时，功率时，功率MOSFET 内形成导电沟道，其漏源电流作为内部内形成导电沟道，其漏源电流作为内部GTR 的基的基极极(j j)电流，从而使电流，从而使IGBT 导通。当栅极与发射极间不加信号或施加反向电导通。当栅极与发射极间不加信号或施加反向电压时，功率压时，功率MOSFET 内的导电沟道消失，内的导电沟道消失，GTR 的基极的基极(j j)电流被切断，电流被切断，IGBT 随即关断。随即关断。 目前国内市场应用最多的目前国内市场应用最多的IGBT 的驱动模块是日本富士公司的的驱动模块是日本富士公司的EXB系列，系列，包括标准型和高速型。包括

16、标准型和高速型。 EXB系列驱动模块可以驱动全部的系列驱动模块可以驱动全部的IGBT产品范围。产品范围。 第13页/共20页第十四页，共20页。（3）其他）其他(qt)电力半导体器件。电力半导体器件。 1)功率功率MOSFET 图图l l7 MOSFET7 MOSFET的电路的电路(dinl)(dinl)符号符号 功率功率MOSFET 属于单极型晶体管，是由于其导通时，只有属于单极型晶体管，是由于其导通时，只有(zhyu)一种极性的一种极性的载流子参与导电。载流子参与导电。第14页/共20页第十五页，共20页。 MOSFET的开关速度和工作频率比的开关速度和工作频率比BJT要高要高l2个数量级

17、，它的开关个数量级，它的开关时间和频率响应主要时间和频率响应主要(zhyo)取决于栅极输入端电容的充放电时间。取决于栅极输入端电容的充放电时间。MOSFET的开关时间为几微秒至几十微秒，而的开关时间为几微秒至几十微秒，而BJT的开关时间为的开关时间为50500s。因此，。因此，MOSFET开关频率要高得多，可达开关频率要高得多，可达500kHZ以上。以上。 2)门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管图图1-8 GTO的内部结构和电气的内部结构和电气(dinq)图形符号图形符号 第15页/共20页第十六页，共20页。1）可关断晶闸管的结构及工作原理）可关断晶闸管的结构及工作原理可关断晶闸管的结构可关断

18、晶闸管的结构可关断晶闸管的工作原理可关断晶闸管的工作原理2）可关断晶闸管的特性与主要参数）可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性：可关断晶闸管的特性：伏安特性与普通伏安特性与普通(ptng)晶闸管相同晶闸管相同可关断晶闸管的主要参数：可关断晶闸管的主要参数：开通时间；开通时间；关断时间；关断时间；最大可关断阳极电流；最大可关断阳极电流；电流关断增益。电流关断增益。3）可关断晶闸管的应用）可关断晶闸管的应用 第16页/共20页第十七页，共20页。3) MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） MCT自自20世纪世纪80年代末问世，已生产出年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A

19、/1000V的器件；的器件； 结构：是晶闸管结构：是晶闸管SCR和场效应管和场效应管MOSFET复合而成的新型器件复合而成的新型器件，其主导元件是，其主导元件是SCR，控制元件是，控制元件是MOSFET； 特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗(sh r z kn)高、驱动功率小、开关速度高；高、驱动功率小、开关速度高；第17页/共20页第十八页，共20页。1.3.2智能电力模块智能电力模块 IPM 是一种混合集成电路是一种混合集成电路(jchng-dinl)，是，是IGBT 智能化功率模块的智能化功率模块的简称。它以简称。它以IGBT 为基本

20、功率开关器件，将驱动、保护和控制电路的多个芯片为基本功率开关器件，将驱动、保护和控制电路的多个芯片通过焊丝通过焊丝(或铜带或铜带)连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对连接，封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。如构成一相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装独立的单元。如构成一相或三相逆变器的专用模块，用于电动机变频调速装置的需要。置的需要。IPM 模块内部结构大体相同，都是集功率变换、驱动及保护电路模块内部结构大体相同，都是集功率变换、驱动及保护电路为一体。使用时，只需为各桥臂提供开关控制信号和驱动电源，大大方便了为一体。使用时，只需为各桥臂提供开关

21、控制信号和驱动电源，大大方便了模块的应用和系统的设计，并使可靠性大大提高。特别适用于正弦波输出的模块的应用和系统的设计，并使可靠性大大提高。特别适用于正弦波输出的变压变频变压变频(VVVF)式变频器中。式变频器中。 第18页/共20页第十九页，共20页。 课课 外外 任任 务务1作业作业（1）安川公司的）安川公司的VS-616G5系列通用变频器有哪四种控制方式？系列通用变频器有哪四种控制方式？（2）什么是变频器的）什么是变频器的“自学习自学习”？（3）根据通用变频器的功能有哪几种起动方式？）根据通用变频器的功能有哪几种起动方式？2进行学习总结。进行学习总结。3预习学习性工作任务预习学习性工作任务2：变频器的结构：变频器的结构(jigu)及原理分析变频及原理分析变频器、电动机及其外围设备的选择。器、电动机及其外围设备的选择。 第19页/共20页第二十页，共20页。