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    1. 2013
      05-27

      電力半導(dǎo)體模塊發(fā)展新趨勢(shì)

        一種新型器件的誕生往往使整個(gè)裝置系統(tǒng)面貌發(fā)生巨大改觀,促進(jìn)電力電子技術(shù)向前發(fā)展。自1957年第一個(gè)晶閘管問(wèn)世以來(lái),經(jīng)過(guò)40多年的開發(fā)和研究,已推出可關(guān)斷晶閘管(GTO),絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等40多種電力半導(dǎo)體器件,目前正沿著高頻化、大功率化、智能化和模塊化的方向發(fā)展,本文將簡(jiǎn)要介紹模塊化發(fā)展趨勢(shì)。   所謂模塊,最初定義是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電力半導(dǎo)體芯片按一定電路聯(lián)成,用RTV、彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護(hù)材料,密封在一個(gè)絕緣的外殼內(nèi),并與導(dǎo)熱底板絕緣而成。自上世紀(jì)70年代Semikron Nurmbeg把模塊原理(當(dāng)時(shí)僅限于晶閘管和整流二極管)引入電力電子技術(shù)領(lǐng)域以來(lái),因此模塊化就受到世界各國(guó)電力半導(dǎo)體公司的重視,開發(fā)和生產(chǎn)出各種內(nèi)部電聯(lián)接形式的電力半導(dǎo)體模塊,如晶閘管、整流二極管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管(GTR)、MOS可控晶閘管(MCT)、電力MOSFET以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等模塊,使模塊技術(shù)得到蓬勃發(fā)展,在器件中所占比例越來(lái)越大。   據(jù)美國(guó)在上世紀(jì)90年代初統(tǒng)計(jì),在過(guò)去十幾年內(nèi),300A以下的分立晶閘管、整流二極管以及20A以上達(dá)林頓晶體管市場(chǎng)占有量已由90%降到20%,而上述器件的模塊卻由10%上升到80%,可見模塊發(fā)展之快。   隨著MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代半導(dǎo)體器件研發(fā)的成功,亦即用電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、控制簡(jiǎn)單的IGBT、電力MOSFET、MOS控制晶閘管(MCT)和MOC控制整流管(MCD)的出現(xiàn),開發(fā)出把器件芯片與控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護(hù)電路以及自診斷電路組合,并密封在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化電力半導(dǎo)體模塊,即IPM。   為了更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,適應(yīng)電力電子技術(shù)向高頻化、小型化、模塊化發(fā)展方向,有些制造商在IPM的基礎(chǔ)上,增加一些逆變器的功能,將逆變器電路(IC)的所有器件都以芯片形式封裝在一個(gè)模塊內(nèi),成為用戶專用電力模塊(ASPM),使之不再有傳統(tǒng)引線相連,而內(nèi)部連線采用超聲焊、熱壓焊或壓接方式相連,使寄生電感降到最小,有利于裝置高頻化。一臺(tái)7.5KW的電機(jī)變頻裝置,其中ASPM只有600×400×250(mm)那么大,而可喜的是,這種用戶專用電力模塊可按應(yīng)用電路的不同而進(jìn)行二次設(shè)計(jì),有很大的應(yīng)用靈活性。但在技術(shù)上要把邏輯電平為幾伏、幾毫安的集成電路IC與幾百安、幾千伏的電力半導(dǎo)體器件集成在同一芯片上是非常困難的。雖然目前已有1.5KW以下的ASPM出售,但要做大功率的ASPM,還需要解決一系列的問(wèn)題,因此迫使人們采用混合封裝形式來(lái)制造適用于各種場(chǎng)合的集成電力電子模塊(IPEM),IPEM為新世紀(jì)電力電子技術(shù)的發(fā)展開了新途徑。   智能晶閘管模塊   晶閘管和整流二極管模塊主要指各種電聯(lián)接的橋臂模塊和單相整流橋模塊,晶閘管模塊經(jīng)過(guò)近30年的開發(fā)和生產(chǎn),目前制造這種系列模塊的技術(shù)已相當(dāng)成熟,生產(chǎn)成品率也相當(dāng)高,使用亦很普遍和成熟,已成為電力調(diào)控的重要器件,因此這里不再介紹。   晶閘管智能模塊就是ITPM(Intelligent thyristor power module)把晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)傳感器共同封閉在一個(gè)塑料外殼內(nèi)制成。由于晶閘管是電流控制型電力半導(dǎo)體器件,所以需要較大的脈沖觸發(fā)功率才能驅(qū)動(dòng)晶閘管,又加其它一些輔助電路的元器件,如同步電流的同步變壓器等體積龐大,很難使移相觸發(fā)系統(tǒng)與晶閘管主電路以及傳感器等封裝在同一外殼內(nèi)制成晶閘管智能模塊。因此,世界上一直沒有擺脫將晶閘管器件與門極觸發(fā)系統(tǒng)分立制作的傳統(tǒng)形式。   山東淄博臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司,經(jīng)多年的開發(fā)研究,解決了同步元器件微型化問(wèn)題,使之適合集成應(yīng)用之后,繼而解決了提高信號(hào)幅度、抗干擾、高壓隔離和同步信號(hào)輸入等問(wèn)題,并研制開發(fā)出高密度的功率脈沖變壓器和多路高速大電流IC,以及兩種適合集成模塊專用IC。在采用了導(dǎo)熱、絕緣性能良好的DCB板、鉬銅板,具有良好電絕緣和保護(hù)性能和良好熱傳導(dǎo)作用的彈性硅凝膠等特殊材料后,開發(fā)出多種具有各種功能的晶閘管智能模塊,如三相、單相集成移相調(diào)控晶閘管智能交流開關(guān)模塊,帶過(guò)零觸發(fā)電路的三相、單相交流開關(guān)模塊等。   圖1為晶閘管智能三相橋模塊的內(nèi)部接線圖(a)及其它外形照片(b),還有晶閘管智能電機(jī)控制模塊,解決了一直未能實(shí)現(xiàn)的晶閘管主電路與移相觸發(fā)系統(tǒng)以及保護(hù)取樣傳感器共同封裝在一個(gè)塑料外殼內(nèi)的難題。臨淄銀河公司研制出模塊最大工作線電流為1600A(RMS),額定工作電壓為380V和600V,已用于交流變頻、交直流電氣傳動(dòng)以及三相交流固態(tài)開關(guān)和恒壓、恒流電源等領(lǐng)域。 圖1   IGBT智能模塊   上世紀(jì)80年代初,IGBT器件的研制成功以及隨后其額定參數(shù)的不斷提高和改進(jìn),為高頻、較大功率應(yīng)用范圍的發(fā)展起到了重要作用,由于IGBT模塊具有電壓型驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度高,飽和壓降低和可耐高電壓和大電流等一系列應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)出很好的綜合性能,已成為當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力半導(dǎo)體器件。其硬開關(guān)頻率達(dá)25KHz,軟開關(guān)頻率可達(dá)100KHz。而新研制成的霹靂型(Thunderbolt)型IGBT,其硬開關(guān)頻率可達(dá)150KHz,諧振逆變軟開關(guān)電路中可達(dá)300KHz。   目前,IGBT封裝形式主要有塑料單管和底板與各主電路相互絕緣的模塊形式,大功率IGBT模塊亦有平板壓接形式。由于模塊封閉形式對(duì)設(shè)計(jì)散熱器極為方便,因此,各大器件公司廣泛采用。另一方面,IGBT模塊生產(chǎn)工藝復(fù)雜,制造過(guò)程中要做十幾次精細(xì)的光刻套刻,并經(jīng)相應(yīng)次數(shù)的高溫加工,因此要制造大面積即大電流的IGBT單片,其成品率將大大降低??墒牵琁GBT的MOS特性,使其更易并聯(lián),所以模塊封裝形式更適合于制造大電流IGBT。起初由于IGBT要用高阻外延片技術(shù),電壓很難突破,因?yàn)橐圃爝@樣高壓的IGBT,外延厚度就要超過(guò)微米,這在技術(shù)上很難,且?guī)缀醪荒軐?shí)用化。   1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅單晶制造IGBT器件,硅片厚度超過(guò)300微米,使單片機(jī)IGBT的耐壓超過(guò)2.5KV,因此,同年?yáng)|芝公司推出的1000A/2500V平板壓接式IGBT器件就是由24個(gè)80A/2500V的芯并聯(lián)組成。   1998年ABB公司采用在陽(yáng)極側(cè)透明(Transparent)P+發(fā)射層和N-層緩沖層結(jié)構(gòu),使IGBT模塊的耐壓高達(dá)4.5KV,而該公司同年研發(fā)成的1200A/3300V的IGBT模塊就是由20個(gè)IGBT芯片和12個(gè)FWD芯片并聯(lián)制成。此后,非穿通(NPT)和軟穿通(SPT)結(jié)構(gòu)IGBT的試制成功,使IGBT器件具有正電阻溫度系數(shù),更易于并聯(lián),這為高電壓、大電流IGBT模塊的制造只需并聯(lián)無(wú)需串聯(lián)創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。目前,已能批量生產(chǎn)一單元、二單元、四單元、六單元和七單元的IGBT標(biāo)準(zhǔn)型模塊,其最高水平已達(dá)1800A/4500V。圖2為300A/1700V IGBT模塊的電路圖,它是由4個(gè)160A/1700V IGBT芯片和8個(gè)100A/1700V快恢復(fù)二極管組成。 圖2 圖3   但是隨著模塊頻率的提高和功率的增大,內(nèi)部寄生電感較大的一般IGBT模塊結(jié)構(gòu),已不能適應(yīng)應(yīng)用的需要。為了降低模塊內(nèi)部的裝配寄生電感,使器件在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓最小,以適應(yīng)調(diào)頻大功率IGBT模塊封裝的需要,ABB公司開發(fā)出一種如圖3所示的平面式低電感模塊(ELIP)的新結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)與一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于:(1)它采用很多寬而簿的銅片重疊形成發(fā)射極端子和集電極端子,安裝時(shí)與模塊銅底板平行,并采用等長(zhǎng)平行導(dǎo)線直接從IGBT發(fā)射極連到發(fā)射極端子上,而集電極端子則連到DBC板空間位置上,從而消除了互感,限制了鄰近效應(yīng),降低了內(nèi)部寄生電感量;(2)許多并聯(lián)的IGBT和FWD芯片都焊在無(wú)圖形的DBC板上,且IGBT的發(fā)射極和FWD的陽(yáng)極上焊有鉬緩沖片,IGBT的柵極與柵極均流電阻鋁絲鍵合相連,這樣使芯片間的電流分布和整流電壓條件一致,有利于模塊芯片能在相同溫度下工作,大大提高了模塊出力和可靠性;(3)模塊采用堆積式設(shè)計(jì),把上下絕緣層、上下電極端子以及印制電路板相互疊放,并用粘合膠粘合在一起(粘合時(shí)要避免氣泡),能很好地隨溫度循環(huán),無(wú)需考慮所謂焊應(yīng)應(yīng)力,即所謂的電極“S”形設(shè)計(jì)。   由于MOS結(jié)構(gòu)的IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)的,因此驅(qū)動(dòng)功率小,并可用IC來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制,進(jìn)而發(fā)展到把IGBT芯片、快速二極管芯片、控制和驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護(hù)電路、箝位電路以及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化IGBT模塊(IPM),它為電力電子逆變器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能創(chuàng)造了器件基礎(chǔ),亦使整機(jī)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化,整機(jī)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造成本降低,縮短整機(jī)產(chǎn)品的上市時(shí)間。由于IPM均采用標(biāo)準(zhǔn)化的具有邏輯電平的柵控接口,使IPM能很方便與控制電路板連接。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力,降低了器件在開發(fā)和使用的損壞,大大提高了整機(jī)的可靠性。

      2013
      05-27

      雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊的原理及應(yīng)用

        一、前言:   晶閘管直流傳動(dòng)70年代前后在我國(guó)得到大力的推廣和應(yīng)用,經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展歷史,還停留在分立器件的基礎(chǔ)上,體積大,接線復(fù)雜,使用極不方便而且價(jià)格昂貴。我公司開發(fā)的雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊,本著集成和使用方便的原則將直流調(diào)速系統(tǒng)模塊化。先進(jìn)的工藝流程和高性能的電路設(shè)計(jì)大大提高了模塊的使用壽命和可靠性,而且性價(jià)比很高,為直流調(diào)速領(lǐng)域增添了新的活力。   二、模塊內(nèi)部的電路構(gòu)成   本模塊內(nèi)含功率晶閘管、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路,其方框圖見圖1。 圖1 圖2   (一)功率晶閘管完成變流及功率調(diào)整,采用進(jìn)口方形芯片、高級(jí)芯片支撐板,經(jīng)特殊燒結(jié)工藝,保證焊接層無(wú)空洞,使用DCB板及其它高級(jí)導(dǎo)熱絕緣材料,導(dǎo)熱性能好,基板不帶電,使用安全可靠。熱循環(huán)次數(shù)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)近10倍,具有很長(zhǎng)的使用壽命。   (二)積分環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)軟起動(dòng),并且起動(dòng)時(shí)間可調(diào),設(shè)計(jì)時(shí)給用戶預(yù)留兩個(gè)端口,其連接如圖6,調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器,可改變積分時(shí)間長(zhǎng)短,從而達(dá)到改變電機(jī)起動(dòng)時(shí)間的目的。積分環(huán)節(jié)適用于起動(dòng)過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)的場(chǎng)合,如高爐卷?yè)P(yáng)機(jī)、礦井提升機(jī)、冷熱連軋機(jī)等。當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí),通過(guò)給定積分器變換成有一定斜率的線性漸變輸出信號(hào),作為速度調(diào)節(jié)器的給定輸入,給定積分器的穩(wěn)定輸出即為電機(jī)的速度給定,給定積分器輸出的變化斜率即為電機(jī)的加速度,其啟動(dòng)電流波形圖見圖2。如果用戶要求在負(fù)載一定的條件下,電機(jī)以最大的等加速度起動(dòng),可把積分環(huán)節(jié)去掉,模塊留出兩個(gè)端口作為電流環(huán)和速度環(huán)的輸出限幅(如圖6),調(diào)節(jié)電流環(huán)的輸出限幅,改變電機(jī)的最大起動(dòng)電流,獲得理想的過(guò)渡過(guò)程。其起動(dòng)電流波形圖見圖3。   (三)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)電路 速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng),采用雙PI調(diào)節(jié)器,可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。設(shè)計(jì)過(guò)程采用“二階最佳”參數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì),結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)效果選擇最佳參數(shù)。從抑制超調(diào)的觀點(diǎn)出發(fā),電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差,并具有較好的抗擾性能,速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)。   內(nèi)外環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較,圖4畫出了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性: 圖3 圖4   從上圖可以看出,圖中轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率點(diǎn)一個(gè)比一個(gè)小,這是一個(gè)必然的規(guī)律。這樣設(shè)計(jì)的雙環(huán)系統(tǒng),外環(huán)總比內(nèi)環(huán)慢。一般來(lái)說(shuō),調(diào)整過(guò)程一般是先外環(huán)后內(nèi)環(huán),電流環(huán)要想提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效果,可增大電流環(huán)阻容端的電阻,但要減小電容,其關(guān)系是C1*0.03/R1。速度環(huán)要想提高動(dòng)態(tài)效果,從典型II型系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)中得出,它的動(dòng)態(tài)效果是一個(gè)中間的參數(shù),需要反復(fù)調(diào)試,增大電阻R2可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度,相應(yīng)的減小電阻可獲得良好的動(dòng)態(tài)效果,具體情況可根據(jù)用戶的系統(tǒng)參數(shù)要求調(diào)節(jié),其關(guān)系是C2 0..87/R2(電流超調(diào)量<=5),模塊設(shè)計(jì)過(guò)程留出四個(gè)端口(其聯(lián)接如圖6),作為速度環(huán)和電流環(huán)的阻容端,用戶可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。   (四) 電流反饋 采用國(guó)外進(jìn)口霍爾傳感器,并置于模塊內(nèi)部。主要完成電流信號(hào)的取樣,具有極高的線性度,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的外圍器件。   (五)保護(hù)電路 模塊內(nèi)部設(shè)置過(guò)流和缺相保護(hù)電路,保證了電機(jī)的安全運(yùn)行,而且留出一個(gè)端口作為過(guò)流保護(hù)給定信號(hào)輸入(其聯(lián)接如圖6),用戶可以根據(jù)自己設(shè)備的過(guò)載能力調(diào)節(jié),更加突出了本模塊的使用靈活性。   三、模塊的應(yīng)用   電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速電路,因其具有極高的調(diào)速范圍、很好的動(dòng)靜態(tài)性能及抗擾性能,在調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。   本模塊以應(yīng)用到造紙、擠塑、印染及其他直流調(diào)速領(lǐng)域,效果很好。   實(shí)驗(yàn)條件:模塊為MSZ—ZLTS—400,直流電動(dòng)機(jī):Ued=220V,Ied=41A,Ned=1500r/min,允許過(guò)載倍數(shù)為1.5。   實(shí)驗(yàn)結(jié)果:速度超調(diào)量Vp<5%,電流超調(diào)量Ip<0.5%,調(diào)整時(shí)間Ts<0.5S,振蕩次數(shù)H<=2,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度Vb<=0.02,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度Vs<0.5%(如圖5) 圖5 圖6   四、結(jié)束語(yǔ) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊的形式:集成度高,體積小,接線方便,調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單,運(yùn)行安全可靠,并且具有通用性,即同一種模塊參數(shù)相同,使用非常方便。

      2013
      05-27

      數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊

        一、概述   眾所周知,三相交流異步電動(dòng)機(jī)以其低成本,高可靠性和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用。但是,它在直接起動(dòng)時(shí),存在著很大的缺點(diǎn):首先,它的起動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5-7倍,這需要電網(wǎng)有很大的裕量,而且降低了電器控制設(shè)備的使用壽命,増加維護(hù)成本,甚至影響了其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行;其次,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)正常轉(zhuǎn)矩的2倍,這會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生沖擊,增加傳動(dòng)部件的磨擦和額外維護(hù)。因?yàn)橐陨显颍霈F(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)設(shè)備。   傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:   1、在電動(dòng)機(jī)定子回路中串入電抗器,使一部分電壓降在電抗器上;   2、星形-三角形轉(zhuǎn)換降壓起動(dòng)(Y -△)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)接成星形,起動(dòng)結(jié)束后,通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器變成三角形接法;   3、起動(dòng)補(bǔ)償器起動(dòng)(自耦變壓器起動(dòng))。   傳統(tǒng)的起動(dòng)設(shè)備體積龐大,成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與負(fù)載匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)距很難控制,也就是說(shuō)很難得到合適的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)距;而且在切換瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電流尖峰,由此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)損害電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪以及負(fù)載。   因此,就需要有一種能克服傳統(tǒng)起動(dòng)缺點(diǎn)的起動(dòng)裝置。由銀河公司開發(fā)生產(chǎn)的捷普牌新一代數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊,不但完全克服了傳統(tǒng)起動(dòng)的缺點(diǎn),對(duì)各種起動(dòng)方法做了進(jìn)一步的改善和提高,另外還增加了很多其他功能,比如: 節(jié)能運(yùn)行,過(guò)流保護(hù),過(guò)熱保護(hù),缺相保護(hù)等等。   這種模塊采用數(shù)碼管顯示、按鍵控制,整個(gè)起動(dòng)過(guò)程全部由單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)定自動(dòng)完成,所以操作起來(lái)極其方便。   用戶通過(guò)按鍵調(diào)整參數(shù)設(shè)置,可以按實(shí)際情況選擇不同的起動(dòng)方式,能夠很方便地控制起動(dòng)電流,得到與負(fù)載相匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。   二、模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理   模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。從圖中可以看出,該模塊的主電路與相控電路及單片機(jī)共同封裝于同一殼體內(nèi),同時(shí)內(nèi)置多個(gè)電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起,實(shí)現(xiàn)各種功能的設(shè)置和顯示。 圖 1   主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片,通過(guò)一體化焊接技術(shù),將其貼在DBC(陶瓷覆銅板)上,并與導(dǎo)熱銅板焊接在一起。模塊使用時(shí),導(dǎo)熱銅板與散熱片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)使模塊具有很高的絕緣性能和散熱性能。   圖2是模塊電氣原理方框圖。移相電路部分是銀河公司自主開發(fā)的JP-SSY01數(shù)字移相集成電路。該電路為SOP28封裝,5V單一電源供電,全數(shù)字化處理方式,具有很高的移相精度、對(duì)稱度。對(duì)控制端加0-10V電平信號(hào),即可控制移相角度。   同步變壓器輸出同步信號(hào)給移相電路,其中一路另外分給單片機(jī),作為單片機(jī)采集電壓、電流信號(hào)的基準(zhǔn)。這樣,就克服了如果交流電頻率變化帶來(lái)的計(jì)算誤差,提高了計(jì)算精度。   傳感器包括兩種:電壓傳感器和電流傳感器。兩種傳感器中均使用了霍爾元件,具有體積小、反應(yīng)快、線形度高的特點(diǎn),通過(guò)與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)方便地置于模塊內(nèi)部。兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉(zhuǎn)換器,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,將相應(yīng)的數(shù)字量傳給單片機(jī),以備單片機(jī)進(jìn)行處理。   顯示、控制部分采用串行口與單片機(jī)進(jìn)行通訊,這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內(nèi)部的連線。5個(gè)數(shù)碼管顯示、8個(gè)按鍵控制,使顯示與控制直觀、方便。   三、主要功能   智能電機(jī)控制模塊主要能夠完成以下功能:   1、電壓斜坡起動(dòng)   2、限流起動(dòng)   3、電壓突跳功能   4、軟停車   5、節(jié)能運(yùn)行   6、過(guò)流、過(guò)熱、缺相保護(hù)   分別介紹如下:   1、電壓斜坡起動(dòng)   如圖3,系統(tǒng)首先加一個(gè)電壓Us到電機(jī)上,之后電壓線性上升,從Us增 加到最大電壓Umax。此時(shí),加到電動(dòng)機(jī)端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓。Us由用戶設(shè)定,可供用戶選 擇的電壓為80-300 V。Ts由用戶設(shè)定,可以在1-90秒中選擇。在實(shí)際使用中,用戶根據(jù)實(shí)際情況,例如電機(jī)功率大小、負(fù)載大小等,選擇合適的參數(shù),達(dá)到最佳起動(dòng)效果。   這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)平穩(wěn),可減少起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,同時(shí)大大減輕起動(dòng)力矩對(duì)負(fù)載帶來(lái)的機(jī)械振動(dòng)。   2、限流起動(dòng)   如圖4,這種起動(dòng)方式是由用戶設(shè)定一電流值Ik,在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中,實(shí)際電流不超過(guò)設(shè)定值Ik。Ik由用戶根據(jù)實(shí)際負(fù)載大小自己設(shè)定。   限流起動(dòng)可以使大慣性負(fù)載以最小電流被起動(dòng)加速,可以用來(lái)設(shè)置電流上限,滿足電網(wǎng)容量在有限場(chǎng)合的使用。這種起動(dòng)方式特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。   3、電壓突跳功能   實(shí)際應(yīng)用中,很多負(fù)載具有很大的靜摩擦力;而在電壓斜坡起動(dòng)方式中,電壓是由小到大逐漸上升的。如果直接使用電壓斜坡方式起動(dòng),在起動(dòng)開始的一段時(shí)間內(nèi),因所加電壓太小,克服不了負(fù)載的靜摩擦力,電機(jī)不動(dòng),造成因發(fā)熱而損壞電機(jī)的情況。電壓突跳功能則解決了這個(gè)問(wèn)題。在電機(jī)起動(dòng)前,模塊先輸出一電壓Ut, 且持續(xù)一段時(shí)間Tt, 用以克服靜摩擦力,待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后,再按照原設(shè)定方式起動(dòng),從而比較好地保護(hù)了電機(jī)。對(duì)于不需要該功能的負(fù)載,只要在設(shè)定中將Tt設(shè)置為0即可。Ut可調(diào)整,范圍是0-380V,Tt可調(diào)整,范圍是0-10秒(如圖5)。   4、軟停車   如圖6,按下停車鍵后,模塊的輸出電壓立即下降到Up1,然后逐漸下降,經(jīng)過(guò)時(shí)間Tp后,下降到Up2,再立即下降到0。Up1可調(diào)整,范圍是100-380V;Up2可調(diào)整,范圍是0-300V;Tp調(diào)整的范圍是0-90秒。   這種軟停車可以大大減少管道設(shè)備中液體的沖擊。   5、節(jié)能運(yùn)行   對(duì)于大磨擦負(fù)載,由于所需起動(dòng)電流大,需要功率較大的電動(dòng)機(jī),而正常負(fù)載所需運(yùn)行負(fù)載力矩比電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩小的多,這就造成電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行。對(duì)于間歇性負(fù)載,維持大電流的工作時(shí)間占整個(gè)周期很小一部分,造成輕載無(wú)功損耗浪費(fèi),使運(yùn)行功率因數(shù)大大降低。智能電機(jī)控制模塊通過(guò)檢測(cè)電壓和電流,判斷加到電機(jī)上的負(fù)載大小,根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓,使電機(jī)工作在最佳效率工作區(qū),達(dá)到節(jié)能目的。   6、保護(hù)功能   共有三種保護(hù)功能:過(guò)流保護(hù),過(guò)熱保護(hù),缺相保護(hù)。   在起動(dòng)或者運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)上述三種故障之一,模塊會(huì)自動(dòng)斷電,控制盒上的數(shù)碼管會(huì)閃爍顯示故障原因,待排除故障以后,按復(fù)位鍵即可恢復(fù)正常。   在上述保護(hù)中,過(guò)流保護(hù)值可調(diào)。   四、實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)際應(yīng)用介紹   我們對(duì)一只正在使用中的智能電機(jī)控制模塊進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量并作了記錄。   所用負(fù)載為18.5KW風(fēng)機(jī),電壓實(shí)際測(cè)量值為390V左右。   為了作一個(gè)比較,首先拆掉模塊進(jìn)行直接起動(dòng)。   合上空氣開關(guān)以后,電壓立即上升到390V,電流快速上升到150A,持續(xù)一段時(shí)間,逐漸下降,最后穩(wěn)定在30A左右。同時(shí),可清楚地聽到由于大電流沖擊,風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)所發(fā)出的聲音。   然后接上智能電機(jī)控制模塊,設(shè)置為限流方式起動(dòng),限流值為90A,打開節(jié)能運(yùn)行。   按下“起動(dòng)”鍵,可觀測(cè)到電流上升速度明顯變慢,逐漸上升到90A,保持2-3秒后,逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動(dòng)時(shí)間為6秒。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)起動(dòng)平穩(wěn),聽不到機(jī)械沖擊的聲音。   15秒后,電壓逐漸下降為355V,電流不變,開始穩(wěn)定運(yùn)行。   數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域和其它場(chǎng)合,現(xiàn)介紹如下:   1、降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流(一般交流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí),沖擊電流是額定電流的5-7倍);   2、避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供電線路產(chǎn)生瞬間電壓跌落,造成設(shè)備、儀表誤動(dòng)作;   3、防止起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生力矩沖擊,而使機(jī)械斷軸或產(chǎn)生廢品;   4、可以較頻繁地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)(軟起動(dòng)裝置一般允許10次/小時(shí),而使電動(dòng)機(jī)不致過(guò)熱);   5、對(duì)泵類負(fù)載可以防止水錘效應(yīng),防止管道破裂;   6、對(duì)某些工藝應(yīng)用(如染紗機(jī)械),可防止由于起動(dòng)過(guò)快而產(chǎn)生染色不勻造成質(zhì)量問(wèn)題;   7、對(duì)某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線,可防止容器破損;   8、需要控制起動(dòng)電流,減少對(duì)機(jī)械的沖擊,同時(shí)也可適應(yīng)較低容量供電變壓器的場(chǎng)合(如注塑機(jī));   9、可以降低電網(wǎng)適配容量,節(jié)省增容費(fèi)開支;   10、需要方便地調(diào)節(jié)起動(dòng)特性的場(chǎng)合。   由以上看出,數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊集電機(jī)起動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行、保護(hù)于一體。突出特點(diǎn)是體積小、功能強(qiáng)、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、免維護(hù)、可靠性高,是傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的理想換代產(chǎn)品。   參考文獻(xiàn):   1、《半導(dǎo)體變流技術(shù)》(第2版) 上海機(jī)械高等??茖W(xué)校 莫正康 主編   2、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用》 湘潭機(jī)電高等??茖W(xué)校、哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校   劉國(guó)榮 梁景凱 主編   3、《智能電機(jī)控制模塊使用說(shuō)明書》(第2版本) 淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司

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