變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

前言

　　變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)是高新技術(shù)，涉及微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、電工學(xué)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制理論、檢測技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化等基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識。其發(fā)展已有四十多年的歷史，但真正進(jìn)入快速發(fā)展還是從二十世紀(jì)八十年代后半葉開始的。其原因是，從八十年代后半葉開始，微電子器件、電力電子器件、新型電機(jī)、自動(dòng)控制理論、仿真技術(shù)等有了長足的發(fā)展。變頻器也從早期的VVVF控制發(fā)展到矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、多電平變頻器、矩陣式變頻器。早期的變頻器只是用于產(chǎn)業(yè)機(jī)械的無級調(diào)速，但如今已滲透到產(chǎn)業(yè)機(jī)械傳動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，以及交通、建筑、國防、民生、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保等領(lǐng)域，越來越貼近人們的生活。變頻器驅(qū)動(dòng)的對象千差萬別，遇到的技術(shù)問題也各不相同，即便從事過變頻技術(shù)研究和應(yīng)用的技術(shù)人員也不可能全部了解這些問題，對于初學(xué)者或剛涉足本領(lǐng)域：工作的技術(shù)人員來說，就更不言而喻了。本書凝結(jié)了產(chǎn)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域長年積累的豐富知識和經(jīng)驗(yàn)，許多內(nèi)容都是第一次與讀者見面，內(nèi)容新穎。　　本書先介紹IGBT、GTO、IGCT等當(dāng)前最具優(yōu)勢的半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用，然后闡述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理與調(diào)速方法、永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與調(diào)速方法、變頻器的控制原理及對變頻器的技術(shù)要求，并根據(jù)當(dāng)前市場需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，重點(diǎn)闡述了異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制原理、永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器矢量控制、三電平電壓型變頻器及矩陣式變換器。然后以風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、電梯和電動(dòng)扶梯、機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)、造紙機(jī)械、龍門刨床、壓縮機(jī)、裝卸機(jī)械、纖維機(jī)械為例，闡述變頻器在這些不同場合的控制方法和應(yīng)用。本書對從事電力電子與電氣傳動(dòng)、電氣及機(jī)械傳動(dòng)自動(dòng)化的工程師、教師、研究生及大學(xué)本科高年級學(xué)生等都是很好的參考書?！　”緯?.4 節(jié)由吳春華博士撰寫，3.3.4 節(jié)和4.3－4.5 節(jié)由宋文祥博士撰寫，其余部分由陳國呈教授撰寫并負(fù)責(zé)全書統(tǒng)稿。本書得到浙江大學(xué)賀益康教授、上海大學(xué)王得利、馬棉煒、張翼、崔開涌、宋丹、肖鵬、吳國祥等同志的大力協(xié)助。本書撰寫時(shí)參考了許多國內(nèi)外同行及前輩的論文和專著，參考文獻(xiàn)中將主要引文列出，由于涉及范圍較廣，沒能把所有文獻(xiàn)一一列出。筆者謹(jǐn)借此機(jī)會(huì)向以上各位表示誠摯的感謝。限于筆者自身的學(xué)術(shù)水平、時(shí)間和精力有限，書中難免存在疏漏和不足，懇請各位讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書共14章，首先介紹IGBT、GTO、IGCT等半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用，闡述變頻驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過程、變頻器的基本原理及控制要求，重點(diǎn)闡述感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制、永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制、三電平電壓型變頻器及矩陣式變換器，講解變頻器的選擇與故障檢修，并以風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、電梯和電動(dòng)扶梯、主軸驅(qū)動(dòng)、造紙機(jī)械、龍門刨床、壓縮機(jī)、裝卸機(jī)械和纖維機(jī)械為例，介紹了變頻器在不同場合的控制方法與應(yīng)用。本書凝結(jié)了產(chǎn)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用中的豐富知識和經(jīng)驗(yàn)。    本書非常適合于從事電力電子與電氣傳動(dòng)、電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)的工程技術(shù)人員和高校本專業(yè)領(lǐng)域的教師、研究生、高年級學(xué)生閱讀。

書籍目錄

第1章  半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用  1.1  IGBT模塊及其應(yīng)用    1.1.1  IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)    1.1.2  主回路元件的選擇    1.1.3  柵極驅(qū)動(dòng)    1.1.4  驅(qū)動(dòng)電流    1.1.5  死區(qū)時(shí)間設(shè)置    1.1.6  過電壓與保護(hù)    1.1.7  IGBT的并聯(lián)    1.1.8  智能功率模塊IPM  1.2  可關(guān)斷晶閘管GTO    1.2.1  GTO的結(jié)構(gòu)    1.2.2  GTO元的開通機(jī)理    1.2.3  GTO的開通過程    1.2.4  多元集成結(jié)構(gòu)對GTO開通的影響    1.2.5  GTO的關(guān)斷  1.3  集成門極換向晶閘管IGCT      1.3.1  IGCT的基本結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)    1.3.2  GCT的工作機(jī)理    1.3.3  IGCT驅(qū)動(dòng)技術(shù)第2章  變頻器的基本原理  2.1  變頻器技術(shù)及其發(fā)展歷史  2.2  電動(dòng)機(jī)的種類與工作原理    2.2.1  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理    2.2.2  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制法    2.2.3  永磁同步電動(dòng)機(jī)的原理與控制    2.3  變頻器的控制原理    2.3.1  動(dòng)作原理    2.3.2  變頻器控制方式分類    2.3.3  正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)    2.3.4  制動(dòng)    2.3.5  輔助電路    2.3.6  雙調(diào)制波PWM調(diào)制及應(yīng)用    2.4  對變頻器的要求及相應(yīng)技術(shù)    2.4.1  環(huán)境友好技術(shù)    2.4.2  大容量化    2.4.3  低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)化    2.4.4  低噪聲化    2.4.5  同步切換法    2.4.6  功率回饋型逆變器    2.4.7  矩陣式變換器的工作原理    2.4.8  節(jié)能控制第3章  高性能控制  3.1  感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高性能控制    3.1.1  矢量控制的原理    3.1.2  矢量控制的結(jié)構(gòu)    3.1.3  矢量控制的問題及解決方法    3.1.4  矢量控制的應(yīng)用    3.2  同步電動(dòng)機(jī)的無傳感器驅(qū)動(dòng)  3.3  異步電動(dòng)機(jī)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制    3.3.1  三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型    3.3.2  坐標(biāo)變換與變換矩陣    3.3.3  三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型    3.3.4  異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁通定向矢量控制    3.3.5  基于動(dòng)態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)  3.4  永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制    3.4.1  永磁同步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型    3.4.2  基于轉(zhuǎn)子磁場定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)    3.4.3  永磁同步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器矢量控制方法第4章  三電平電壓型變頻器  4.1  多電平逆變器原理  4.2  三電平逆變器的調(diào)制方式  4.3  三電平逆變器的PWM實(shí)現(xiàn)  4.4  中點(diǎn)電壓波動(dòng)機(jī)理的分析  4.5  電容中點(diǎn)電壓平衡控制第5章    矩陣式變換器  5.1  矩陣式變換器的結(jié)構(gòu)  5.2  矩陣式變換器的雙空間矢量調(diào)制原理  5.3  等效交－直－交結(jié)構(gòu)的空間矢量調(diào)制  5.4  矩陣式變換器的PWM數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法  5.5  矩陣式變換器雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與四步半軟換流  5.6  四步換流對輸出性能的影響及其補(bǔ)償  5.7  雙向開關(guān)的吸收與保護(hù)電路  5.8  矩陣式變換器的輸入濾波器設(shè)計(jì)第6章  變頻器的選擇及故障檢修  6.1  使用變頻器的優(yōu)勢  6.2  變頻器的種類及其用途  6.3  變頻器應(yīng)用中的注意事項(xiàng)    6.3.1  基本規(guī)格    6.3.2  測量時(shí)的注意事項(xiàng)    6.3.3  應(yīng)用中的注意事項(xiàng)    6.3.4  變頻器的對應(yīng)規(guī)格  6.4  變頻器的選擇    6.4.1  機(jī)種的選擇    6.4.2  變頻器的容量選擇  6.5  變頻器的外設(shè)    6.5.1  主回路、控制回路用電線      6.5.2  配線用斷路器    6.5.3  輸入輸出濾波器    6.5.4  制動(dòng)電阻    6.5.5  與順序控制器的連接  6.6  變頻器的安裝    6.6.1  安裝場地    6.6.2  變頻器的安裝與冷卻方式  6.7  檢查與維護(hù)  6.8  變頻器的故障原因及對策  6.9  變頻器本體的故障防止功能  6.10  變頻器對其他設(shè)備產(chǎn)生的影響及對策第7章  變頻器在風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用  7.1  風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性  7.2  變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的要點(diǎn)及變頻器的功能    7.2.1  運(yùn)行的連續(xù)性    7.2.2  機(jī)械共振    7.2.3  潤滑  7.3  變頻器在吸塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用  7.4  變頻器在樓宇空調(diào)中的應(yīng)用第8章  變頻器在電梯、電動(dòng)扶梯中的應(yīng)用  8.1  電  梯    8.1.1  技術(shù)動(dòng)向    8.1.2  功能及性能    8.1.3  變頻器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行特性    8.1.4  MRL用控制裝置    8.1.5  電梯用電動(dòng)機(jī)  8.2  電動(dòng)扶梯    8.2.1  電動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢    8.2.2  使用變頻器的好處    8.2.3  對變頻器的質(zhì)量要求    8.2.4  使用示例(1)    8.2.5  使用示例(2)  8.3  起重機(jī)中的定位控制第9章  變頻器在主軸驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用  9.1  機(jī)床概述  9.2  機(jī)床主軸用AC變速驅(qū)動(dòng)  9.3  市場要求與技術(shù)動(dòng)向  9.4  新功能及其優(yōu)點(diǎn)    9.4.1  定位控制    9.4.2  立式攻絲功能    9.4.3  利用切換繞組連接方式擴(kuò)大恒功率控制范圍    9.4.4  內(nèi)嵌式電動(dòng)機(jī)第10章  變頻器在造紙機(jī)械中的應(yīng)用  10.1  造紙機(jī)中使用變頻器的目的  10.2  抄紙機(jī)用變頻器  10.3  涂敷機(jī)用變頻器第11章  變頻器在龍門刨床中的應(yīng)用  11.1  龍門刨床的運(yùn)行模式    11.1.1  龍門刨床工作臺(tái)的特性    11.1.2  工作循環(huán)  11.2  控制特性  11.3  工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置第12章    變頻器在壓縮機(jī)中的應(yīng)用  12.1  壓縮機(jī)的種類  12.2  壓縮機(jī)中使用變頻器的優(yōu)勢  12.3  壓縮機(jī)用變頻器的功能  12.4  變頻器在螺桿壓縮機(jī)中的應(yīng)用    12.4.1  油冷式螺桿壓縮機(jī)系統(tǒng)用變頻器    12.4.2  無油式螺桿壓縮機(jī)系統(tǒng)用變頻器  12.5  變頻器在螺桿冷凍機(jī)中的應(yīng)用第13章  變頻器在裝卸機(jī)械中的應(yīng)用  13.1  裝卸機(jī)械的特征  13.2  變頻器的控制方式與特征  13.3  在裝卸機(jī)械上的使用要點(diǎn)  13.4  變頻器的容量選擇及注意事項(xiàng)    13.4.1  變頻器的容量選擇    13.4.2  變頻器使用中的注意事項(xiàng)    13.4.3  再生能量的處理    13.4.4  諧波及噪聲的對策  13.5  變頻器使用示例    13.5.1  在門式起重機(jī)上的應(yīng)用      13.5.2  在大型起重機(jī)上的應(yīng)用第14章  變頻器在纖維機(jī)械中的應(yīng)用  14.1  纖維機(jī)械概述  14.2  變頻器的使用與功能  14.3  紡織工藝的系統(tǒng)化參考文獻(xiàn)附錄  附錄1  異步電動(dòng)機(jī)疊頻法溫升試驗(yàn)  附錄2  疊頻法溫升試驗(yàn)時(shí)合成磁場的計(jì)算  附錄3  開關(guān)函數(shù)及逆變器輸出電壓

章節(jié)摘錄

　　第1章　半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用　　近年來，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，已從原來的產(chǎn)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到交通、建筑、國防等領(lǐng)域以及人們的日常生活中。變頻器所使用的主要半導(dǎo)體功率器件如表1.1所示。這些器件的功能和特性各異，使用方法也各不相同，所以變頻器的設(shè)計(jì)也不一樣?！　∫话銇碚f，半導(dǎo)體器件的壽命很長，但其過電壓、過電流的承受能力很弱，實(shí)際使用時(shí)要注意保護(hù)電路和基極驅(qū)動(dòng)電路，如果器件不是工作在安全工作區(qū)內(nèi)，將導(dǎo)致動(dòng)作異?；蚱骷p壞?！　∑骷拈_發(fā)與時(shí)俱進(jìn)，在向高耐壓、大電流、高頻化發(fā)展的同時(shí)，還向小型化、復(fù)合化等生產(chǎn)技術(shù)方向進(jìn)行。而且，低能耗的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及絕緣技術(shù)也在發(fā)展，這些都對變頻裝置的小型化及提高功率密度有很大作用。　　下面特別就近年來在變頻器中扮演主要角色的IGBT、GTO及IGCT等半導(dǎo)體功率器件作介紹。

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