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钻机电气控制系统的基础知识四川宏华石油设备有限公司培训部四川宏华石油设备有限公司培训部四川宏华石油设备有限公司培训部四川宏华石油设备有限公司培训部 主讲：唐颖主讲：唐颖主讲：唐颖主讲：唐颖 联系方式：联系方式：联系方式：联系方式：0838-51523300838-5152330电子邮件：电子邮件：电子邮件：电子邮件：1 1主要内容l l石油钻机主要工作机特性石油钻机主要工作机特性l l钻机调速系统的组成钻机调速系统的组成l l钻机调速系统的分类钻机调速系统的分类l l交流调速系统相比直流调速系统优势交流调速系统相比直流调速系统优势l l调速系统基础知识调速系统基础知识l l防爆知识防爆知识l l电气安全知识电气安全知识2 2石油钻机主要工作机特性石油钻机主要工作机特性 石油钻机的电控系统在满足石油钻机的电控系统在满足钻井工艺性和运行经济性的钻井工艺性和运行经济性的条件下，要实现合理匹配钻条件下，要实现合理匹配钻井工作机和驱动它的动力机井工作机和驱动它的动力机功率，从而合理匹配整个电功率，从而合理匹配整个电控系统，首先必须要弄清楚控系统，首先必须要弄清楚各个工作机的负荷特性。各个工作机的负荷特性。钻机的三大工作机：绞车、钻机的三大工作机：绞车、转盘、泥浆泵的工作特性。转盘、泥浆泵的工作特性。3 3绞车对驱动传动的要求 绞车在工作工作过程中的载荷是变化的，每起绞车在工作工作过程中的载荷是变化的，每起升一根钻柱，载荷就变化一次。为了提高起钻升一根钻柱，载荷就变化一次。为了提高起钻速度，必须充分利用绞车所配备的功率。因此，速度，必须充分利用绞车所配备的功率。因此，绞车的理想起升曲线是一条双曲线。绞车的理想起升曲线是一条双曲线。注：注：G为大钩负荷，单位吨；为大钩负荷，单位吨；V为提升速度，单位米为提升速度，单位米/秒。秒。为了使实际起升曲线尽量接近理想曲线，绞车对驱动传动设备的要求是绞车对驱动传动设备的要求是：1）要有高度的柔特性，能实现正反转无级调速正反转无级调速，且调速范围宽；2）动力机短期过载能力强。按恒功率原则变矩变速按恒功率原则变矩变速调速范围调速范围 :R10:R104 4转盘对驱动传动的要求 转盘的作用是使钻具旋转，在钻进时为正转，在有转盘的作用是使钻具旋转，在钻进时为正转，在有时处理事故如卡钻时也需要反转，在钻井过程中，时处理事故如卡钻时也需要反转，在钻井过程中，为适应不同的岩层，转盘的扭矩需要维持一定并能为适应不同的岩层，转盘的扭矩需要维持一定并能灵活调节，转盘的转速需要较大范围的调节。当偶灵活调节，转盘的转速需要较大范围的调节。当偶然卡钻时，具有过载保护能力，并具有良好的保护然卡钻时，具有过载保护能力，并具有良好的保护特性，如过力矩保护和掉电保护等。特性，如过力矩保护和掉电保护等。为满足钻井工艺的上述需要，转盘对驱动传动的要求是：为满足钻井工艺的上述需要，转盘对驱动传动的要求是：1 1）要有一定的柔特性，能够无级微调转速，调速范围较宽；）要有一定的柔特性，能够无级微调转速，调速范围较宽；2 2）动力机具备短期过载能力；）动力机具备短期过载能力；3 3）可正反转，有扭矩限制功能。）可正反转，有扭矩限制功能。要有转矩限制功能要有转矩限制功能按恒转矩原则变矩变速按恒转矩原则变矩变速调速范围调速范围 :R5:R55 5泥浆泵对驱动传动的要求 泥浆泵泥浆泵泥浆泵泥浆泵是石油钻机的是石油钻机的3 3大工作机组之一，是钻井液循环系统中的大工作机组之一，是钻井液循环系统中的关键设备。钻井时泥浆泵在高压下向井底输送高粘度、高密度和较关键设备。钻井时泥浆泵在高压下向井底输送高粘度、高密度和较高含沙量的液体，以便冷却钻头，携带出岩屑，并可辅助钻头钻进高含沙量的液体，以便冷却钻头，携带出岩屑，并可辅助钻头钻进，作为井底动力钻具的动力液。因此，泥浆泵在钻进过程中起着至，作为井底动力钻具的动力液。因此，泥浆泵在钻进过程中起着至关重要的作用。关重要的作用。泥浆泵的作用是将泥浆通过中空的钻杆从钻头顶尖注入井中，然泥浆泵的作用是将泥浆通过中空的钻杆从钻头顶尖注入井中，然后由钻杆和井壁间的间隙返回地面经过处理后重新使用。后由钻杆和井壁间的间隙返回地面经过处理后重新使用。泥浆泵需泥浆泵需泥浆泵需泥浆泵需要一定的泵压和冲数，泵压越高所需力矩越大，冲数正比与转速。要一定的泵压和冲数，泵压越高所需力矩越大，冲数正比与转速。要一定的泵压和冲数，泵压越高所需力矩越大，冲数正比与转速。要一定的泵压和冲数，泵压越高所需力矩越大，冲数正比与转速。正常工作时，在不会造成井壁冲蚀的前提下，为了提高钻进速度，正常工作时，在不会造成井壁冲蚀的前提下，为了提高钻进速度，要充分利用所配泵的功率。要充分利用所配泵的功率。在理想情况下，泵的排量与泵压的关系曲线为一双曲线。在理想情况下，泵的排量与泵压的关系曲线为一双曲线。在实际操作中，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。该在实际操作中，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。该办法对泵的功率利用率较低。在处理井喷事故时，有时要求微调泵办法对泵的功率利用率较低。在处理井喷事故时，有时要求微调泵的排量。的排量。泥浆泵对驱动传动的要求是：1）动力机要有足够的过载能力；2）动力机具有一定的柔特性。注：注：P为排量，单位升为排量，单位升/秒；秒；Q为泵压，单位公斤力为泵压，单位公斤力/厘米厘米 按恒功率原则变矩变速按恒功率原则变矩变速调速范围调速范围 :R3:R36 6电气传动系统控制对象位置转速转矩总结总结总结总结：电气传动系统一般是以电动机的转矩、转：电气传动系统一般是以电动机的转矩、转：电气传动系统一般是以电动机的转矩、转：电气传动系统一般是以电动机的转矩、转速及位置为控制对象，按生产机械工艺要求进行速及位置为控制对象，按生产机械工艺要求进行速及位置为控制对象，按生产机械工艺要求进行速及位置为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制、位置控制及伺服传动的自动化电动机转速控制、位置控制及伺服传动的自动化电动机转速控制、位置控制及伺服传动的自动化电动机转速控制、位置控制及伺服传动的自动化系统。系统。系统。系统。7 7钻机调速系统的组成钻机调速系统的组成 石油钻机的电控系统以调速系统为核心，以石油钻机的电控系统以调速系统为核心，以PLCPLC控制、总线通控制、总线通讯、等现代成熟技术为纽带，使钻机的主要功能实现了数字讯、等现代成熟技术为纽带，使钻机的主要功能实现了数字控制，并为钻井工程创建起数字化、智能化、信息化平台。控制，并为钻井工程创建起数字化、智能化、信息化平台。调速系统通常由调速系统通常由电动机电动机、控制装置控制装置和和信息装置信息装置三部分组成。三部分组成。8 8钻机调速系统的分类钻机调速系统的分类 石油钻机用调速系统按照控制石油钻机用调速系统按照控制电机电机电机电机种类不同将调速系统分为种类不同将调速系统分为直流控制系统直流控制系统直流控制系统直流控制系统和和交流控制系统交流控制系统交流控制系统交流控制系统两大类。两大类。1 1、直流调速系统、直流调速系统即即ACACSCRSCRDCDC可控硅调速控制系统在可控硅调速控制系统在2020世纪世纪8080年代有长足发展。它是发展最早，发展时年代有长足发展。它是发展最早，发展时间最长的电力拖动控制系统，其特点是针对控制模型简单的直流电机进行控制。间最长的电力拖动控制系统，其特点是针对控制模型简单的直流电机进行控制。ACACSCRSCRDCDC可控硅调速控制系统又简称可控硅调速控制系统又简称SCRSCR（Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier即：晶闸管整流器）即：晶闸管整流器）系统，它经历了模拟系统，半模拟半数字系统，到现在的数字控制和计算机在线监测系统系统，它经历了模拟系统，半模拟半数字系统，到现在的数字控制和计算机在线监测系统几个发展阶段。几个发展阶段。石油钻机上传动系统采用一对一驱动方案，即：每台电动机均由单独的传动柜供电，为了石油钻机上传动系统采用一对一驱动方案，即：每台电动机均由单独的传动柜供电，为了实现转盘、绞车电机的正、反向运行，转盘实现转盘、绞车电机的正、反向运行，转盘/绞车直流调速系统通过切换柜切换电机励磁回绞车直流调速系统通过切换柜切换电机励磁回路实现电机的正、反向运行。路实现电机的正、反向运行。2 2、交流变频调速系统、交流变频调速系统 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术、自动控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关，流技术控制技术、自动控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关，并随着以上这些基础技术的发展而得到不断完善。控制柜可以是单柜方式，也可以是多传并随着以上这些基础技术的发展而得到不断完善。控制柜可以是单柜方式，也可以是多传动系统和共用直流母线方式。在钻机中首先利用变频技术的特性，使绞车系统在零转速时动系统和共用直流母线方式。在钻机中首先利用变频技术的特性，使绞车系统在零转速时实现最大转矩输出，保证钻机提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式；再实现最大转矩输出，保证钻机提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式；再者利用变频技术和全数字控制技术实现了钻机自动送钻，送钻时由变频调速系统按照设定者利用变频技术和全数字控制技术实现了钻机自动送钻，送钻时由变频调速系统按照设定恒力矩反拖滚筒，速度自动跟随，达到恒压稳速送钻目的，送钻钻压误差小于恒力矩反拖滚筒，速度自动跟随，达到恒压稳速送钻目的，送钻钻压误差小于500kg500kg；以；以及利用钻具下放使绞车电机工作在发电状态，形成制动力矩，钻具下放能量通过逆变系统、及利用钻具下放使绞车电机工作在发电状态，形成制动力矩，钻具下放能量通过逆变系统、制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。9 9交流调速系统相比直流调速系统优势：交流调速系统相比直流调速系统优势：l l直流电机直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大，而的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大，而交流电机交流电机结构简单、结构简单、坚固耐用、体积小、运行可靠、造价低、易于维护。钻机现场使用交流主电机能坚固耐用、体积小、运行可靠、造价低、易于维护。钻机现场使用交流主电机能够节省相当多的初期投资与维护费用。够节省相当多的初期投资与维护费用。l l笼式异步电机无换相器，不产生电火花，特别适合于随时充满爆炸性气体的油气笼式异步电机无换相器，不产生电火花，特别适合于随时充满爆炸性气体的油气田使用，防爆费用能够大大降低。田使用，防爆费用能够大大降低。l l变频器网侧功率因数较高，输出电流接近正弦波，谐波较小，变频器异步电机变频器网侧功率因数较高，输出电流接近正弦波，谐波较小，变频器异步电机系统的综合功率因数远高于直流系统，而且受调速深度以及负载大小的影响较小。系统的综合功率因数远高于直流系统，而且受调速深度以及负载大小的影响较小。所以该系统具有较高的运行经济性。采用适当的措施可以继续提高功率因数，降所以该系统具有较高的运行经济性。采用适当的措施可以继续提高功率因数，降低谐波。低谐波。l l交流电机惯量小，当今的全数字矢量控制交流电机惯量小，当今的全数字矢量控制PWMPWM变频调速系统可以获得优异的动态变频调速系统可以获得优异的动态特性，其静、动态性能已超过了直流可逆系统。特性，其静、动态性能已超过了直流可逆系统。l l直流钻机采用不可逆调速方案，绞车正反转要通过直流钻机采用不可逆调速方案，绞车正反转要通过接触器接触器切换，制动时又需要操切换，制动时又需要操作电磁刹车。而在交流调速系统中，通过外接制动单元进行能耗制动，制动功能作电磁刹车。而在交流调速系统中，通过外接制动单元进行能耗制动，制动功能非常可靠，而且是自动投入工作：钻具下放使绞车电机工作在发电状态，钻具下非常可靠，而且是自动投入工作：钻具下放使绞车电机工作在发电状态，钻具下放能量经逆变系统、制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳放能量经逆变系统、制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。电机可以四象限运行，绞车正、反转由转速的正负给定平滑实现，无需接下放。电机可以四象限运行，绞车正、反转由转速的正负给定平滑实现，无需接触器切换；同时原先在直流系统中广泛使用的电磁刹车无需再配备。触器切换；同时原先在直流系统中广泛使用的电磁刹车无需再配备。l l直流调速系统在轻载时电流就会出现断续状态，引起的转矩脉动现象，从而导致直流调速系统在轻载时电流就会出现断续状态，引起的转矩脉动现象，从而导致控制性能恶化；而交流系统在零转速时也能实现额定转矩输出，保证钻机绞车系控制性能恶化；而交流系统在零转速时也能实现额定转矩输出，保证钻机绞车系统提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式。此外，交流调速系统统提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式。此外，交流调速系统良好的低速性能使自动送钻得以实现，改传统的被动送钻方式为主动送钻方式，良好的低速性能使自动送钻得以实现，改传统的被动送钻方式为主动送钻方式，大大降低司钻的劳动强度。大大降低司钻的劳动强度。1010电气控制系统的基础知识-整流定义l l整流整流:就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。电。ACACDCDC直流电驱动钻机的主电路部分，交流变频钻直流电驱动钻机的主电路部分，交流变频钻机主电路整流部分，还有钻机电控部分许多机主电路整流部分，还有钻机电控部分许多直流电源都是通过可控整流而得到的。直流电源都是通过可控整流而得到的。DClinkRectifierV1V3V5V2V6V4CL+U1V1W1M3UdControlElectronicscontrol,monitoringandcommunicationL1L2L3InverterMotorMonitoringControlSupply1111电气控制系统的基础知识-整流分类l l按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种：种：1 1、不可控整流电路完全由、不可控整流电路完全由不可控二极管不可控二极管不可控二极管不可控二极管组成，电路结构一组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。2 2、半控整流电路由、半控整流电路由可控元件和二极管可控元件和二极管可控元件和二极管可控元件和二极管混合组成，在这种电混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。3 3、全部由全部由可控元件可控元件可控元件可控元件组成的为全控电路。在全控整流电路中，组成的为全控电路。在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（所有的整流元件都是可控的（SCRSCR、GTRGTR、GTO GTO、IGBTIGBT等），等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。1212功率半导体器件功率半导体器件 l l电力电子装置的输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变电力电子装置的输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。构成。l l一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dtdi/dt和和du/dtdu/dt以及具有全控功能。以及具有全控功能。1313功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展 l l功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头龙头”。从。从19581958年美国通用电年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：l l大功率二极管产生于大功率二极管产生于2020世纪世纪4040年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（前已形成整流二极管（Rectifier DiodeRectifier Diode）、快恢复二极管（）、快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery DiodeFRDFRD）和肖特基二）和肖特基二极管（极管（Schottky Barrier DiodeSchottky Barrier DiodeSBDSBD）等）等3 3种主要类型。种主要类型。l l晶闸管（晶闸管（Thyristor,or Silicon Controlled RectifierThyristor,or Silicon Controlled RectifierSCRSCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。l l2020世纪世纪7070年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGate-Turn-Off ThyristorGTOGTO），大功率双极型晶体管（），大功率双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBipolar Junction TransistorBJT,or Giant TransistorBJT,or Giant TransistorGTRGTR），功），功率场效应管（率场效应管（Power l Oxide Semiconductor Field Effect TransistorPower l Oxide Semiconductor Field Effect TransistorPower MOSFETPower MOSFET）等。）等。l l2020世纪世纪8080年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorInsulated-gate Bipolar TransistorIGBT,or IGTIGBT,or IGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。l l2020世纪世纪8080年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。体积、降低成本、提高可靠性。l l值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCRSCR产量仍占全部功率半导产量仍占全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。1414功率半导体器件的分类功率半导体器件的分类 功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。1 1按可控性分类按可控性分类按可控性分类按可控性分类根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等控型器件、半控型器件、全控型器件等3 3种。种。（1 1）不控型器件）不控型器件不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。（2 2）半控型器件）半控型器件能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。（3 3）全控型器件）全控型器件能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。常也称为自关断器件。2 2按驱动信号类型分类按驱动信号类型分类按驱动信号类型分类按驱动信号类型分类（1 1）电流驱动型电流驱动型通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。件。GTOGTO、GTRGTR为电流驱动型功率半导体器件。为电流驱动型功率半导体器件。（2 2）电压驱动型电压驱动型电压驱动型电压驱动型通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。驱动型功率半导体器件。P-MOSFETP-MOSFET、IGBTIGBT为电压驱动型功率半导体器件。为电压驱动型功率半导体器件。1515l l不可控整流不可控整流：二极管：二极管电气控制系统的基础知识-整流按照所用元器件分类可控整流：可控硅、IGBTMOSFET等晶闸管俗称可控硅，是一种功率半导体器件。晶闸管的原文是“SiliconControlledRectifier”(硅可控整流)，缩写字母“SCR”。它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。整流二极管具有明显的单向导电性。1616MOSFET功率场效应晶体管 l lMOSFETMOSFET的原意是：的原意是：MOSMOS（MetalMetal OxideOxide SemiconductorSemiconductor金金属氧化物半导体），属氧化物半导体），FETFET（FieldField EffectEffect TransistorTransistor场效应晶场效应晶体管），即以金属层（体管），即以金属层（MM）的栅极隔着氧化层（）的栅极隔着氧化层（O O）利用）利用电场的效应来控制半导体（电场的效应来控制半导体（S S）的场效应晶体管。）的场效应晶体管。l l功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝但通常主要指绝缘栅型中的缘栅型中的MOSMOS型（型（MetalMetal OxideOxide SemiconductorSemiconductor FETFET）,简简称功率称功率MOSFETMOSFET（PowerPower MOSFETMOSFET）。结型功率场效应晶）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管体管一般称作静电感应晶体管（StaticStatic InductionInduction TransistorTransistorSITSIT）。其特点是用栅极）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTRGTR，但其电流，但其电流容量小，耐压低，容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过10kW10kW的电力的电力的电力的电力电子装置。电子装置。电子装置。电子装置。1717功率器件功率器件功率器件功率器件GTO、IGCT：集成门极换流晶闸管采用晶闸管技术的采用晶闸管技术的GTOGTO是常用的大功率开关器件是常用的大功率开关器件是常用的大功率开关器件是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管，它相对于采用晶体管技术的技术的IGBTIGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTOGTO驱动技驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dtdv/dt和和di/dtdi/dt吸收电路和吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于价格较高，也不利于价格较高，也不利于价格较高，也不利于串联。串联。串联。串联。IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是一种用于巨型是一种用于巨型是一种用于巨型是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCTIGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCTIGCT是将是将GTOGTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。体管的特性。IGCTIGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。IGCTIGCT已经成为已经成为高压大功率低频交流器高压大功率低频交流器高压大功率低频交流器高压大功率低频交流器的优选方案。的优选方案。ABBABB公司已经推出比公司已经推出比较成熟的高压大容量较成熟的高压大容量IGCTIGCT产品产品 。1818电气控制系统的基础知识-可控硅整流可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成。可控硅具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域。可控整流是指在交流电压不变的情况下，可以控制直流输出电压的大小。可控硅整流桥可控硅整流桥可控硅整流桥可控硅整流桥1919大功率二极管外部构成从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而要通过强大的电流，而PNPN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A200A以下的管芯采用螺旋式（图以下的管芯采用螺旋式（图b b），），200A200A以上则采用平板式（图以上则采用平板式（图c c）。）。a）符号 b）螺旋式 c）平板式 2020大功率二极管的特性大功率二极管的特性 1大功率二极管的伏安特性大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图所示。第象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。a）实际特性b）理想特性大功率二极管的伏安特性2121大功率二极管的特性大功率二极管的特性2 2大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。（1 1）大功率二极管的开通过程）大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图很小。图4 4为大功率二极管开通过程中的管压降为大功率二极管开通过程中的管压降u uD D和正向电流和正向电流i iD D的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间t tfr fr内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压U UDMDM比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。压可达几十伏。图图4 4 大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通过程 图图5 5 大功率二极管的关断过程大功率二极管的关断过程（2 2）大功率二极管的关断过程）大功率二极管的关断过程图图1-51-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。2222大功率二极管的主要参数大功率二极管的主要参数 1 1、额定正向平均电流（额定电流）、额定正向平均电流（额定电流）、额定正向平均电流（额定电流）、额定正向平均电流（额定电流）I I F F指在规定指在规定4040的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流应额定电流IFIF的有效值为的有效值为1.571.57I I F F。2 2、反向重复峰值电压（额定电压）、反向重复峰值电压（额定电压）、反向重复峰值电压（额定电压）、反向重复峰值电压（额定电压）RRMRRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压电压称为反向不重复峰值电压U URSMRSM。反向不重复峰值电压值的。反向不重复峰值电压值的8080称为反向重复峰值电压称为反向重复峰值电压U U RRMRRM。再将。再将U URRMRRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。3 3、反向漏电流、反向漏电流、反向漏电流、反向漏电流I IRRRR对应于反向重复峰值电压对应于反向重复峰值电压U URRMRRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流下的平均漏电流称为反向重复平均电流I IRRRR。4 4、正向平均电压、正向平均电压、正向平均电压、正向平均电压U U F F在规定的在规定的4040环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与U U F F有关，一般有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5 5、大功率二极管的型号、大功率二极管的型号、大功率二极管的型号、大功率二极管的型号普通型大功率二极管型号用普通型大功率二极管型号用ZPZP表示，其中表示，其中Z Z代表整流特性，代表整流特性，P P为普通型。普通型大功率二极为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下管型号可表示如下ZPZP电流等级电流等级电流等级电流等级 电压等级电压等级电压等级电压等级/100/100通态平均电压组别通态平均电压组别通态平均电压组别通态平均电压组别 如型号为如型号为ZP50ZP501616的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A50A，额定电，额定电压为压为1600V1600V。2323普通二极管的检测将数字万用表拨到二极管档，用万用表测量：将红、黑表笔分别接在二将数字万用表拨到二极管档，用万用表测量：将红、黑表笔分别接在二极管的两端，读取读数，再将表笔对调测量。根据两次测量结果判断，极管的两端，读取读数，再将表笔对调测量。根据两次测量结果判断，通常小功率锗二极管的正向电阻值为通常小功率锗二极管的正向电阻值为300300500500，硅二极管约为，硅二极管约为1k1k或或更大些。锗管反相电阻为几十千欧，硅管反向电阻在更大些。锗管反相电阻为几十千欧，硅管反向电阻在500k500k以上以上(大功率大功率二极管的数值要小的多二极管的数值要小的多)。好的二极管正向电阻较低，反向电阻较大，正。好的二极管正向电阻较低，反向电阻较大，正反向电阻差值越大越好。如果测得正、反向电阻很小均接近于零，说明反向电阻差值越大越好。如果测得正、反向电阻很小均接近于零，说明二极管内部已短路；若正、反向电阻很大或趋于无穷大，则说明管子内二极管内部已短路；若正、反向电阻很大或趋于无穷大