单晶矽详细资料大全

矽的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶矽在单晶炉内拉制而成。

基本介绍中文名 ：单晶矽 外文名 ：Monocrystallinesilicon 化学式 ： Si 分子量 ：28.086 CAS登录号 ：7440-21-3 基本概念,具体介绍,发展现状,半导体,物理特性,主要用途,研究趋势,概述,微型化,国际化，集团化,矽基材料,制造技术升级,加工工艺,市场发展,相关区别,单晶矽制备与仿真, 基本概念 单晶矽是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 单晶矽可以用于二极体级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品积体电路和半导体分离器件已广泛套用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。 在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用矽单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。北京2008年奥运会将把“绿色奥运”做为重要展示面向全世界展现，单晶矽的利用在其中将是非常重要的一环。现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际套用阶段过渡，太阳能矽单晶的利用将是普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。 具体介绍 我们的生活中处处可见“矽”的身影和作用，晶体矽太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。 单晶矽，英文，Monocrystallinesilicon。是矽的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶矽在单晶炉内拉制而成。 用途：单晶矽具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导体性质。单晶矽是重要的半导体材料。在单晶矽中掺入微量的第IIIA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。 单晶矽是制造半导体矽器件的原料，用于制大功率整流器、大功率电晶体、二极体、开关器件等。在开发能源方面是一种很有前途的材料。 单晶矽按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶矽棒材，外延法生长单晶矽薄膜。直拉法生长的单晶矽主要用于半导体积体电路、二极体、外延片衬底、太阳能电池。 发展现状 单晶矽建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达25.8%的矽元素，为单晶矽的生产提供了取之不尽的源泉。 各种晶体材料，特别是以单晶矽为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶矽作为一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。 与此同时，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 在跨入21世纪门槛后，世界大多数国家踊跃参与以至在全球范围掀起了太阳能开发利用的“绿色能源热”，各国相继研发太阳能光伏系统，把太阳能发电终端，所产生的电能输送到电网，用电网使用。一个广泛的大规模的利用太阳能的时代正在来临，太阳能级单晶矽产品也将因此受世人瞩目。 半导体 非晶矽是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的矽原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶矽可以做得很薄，还有制作成本低的优点． 物理特性 矽是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体矽的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始，矽材料就取代了原有锗材料。矽材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为套用最多的一种半导体材料，积体电路半导体器件大多数是用矽材料制造的。 熔融的单质矽在凝固时矽原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶矽。单晶矽具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶矽是本征半导体。在超纯单晶矽中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型矽半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型矽半导体。 单晶矽 主要用途 单晶矽主要用于制作半导体元件。 用途： 是制造半导体矽器件的原料，用于制大功率整流器、大功率电晶体、二极体、开关器件等 熔融的单质矽在凝固时矽原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶矽。 单晶矽的制法通常是先制得多晶矽或无定形矽，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶矽。 单晶矽棒是生产单晶矽片的原材料，随着国内和国际市场对单晶矽片需求量的快速增加，单晶矽棒的市场需求也呈快速增长的趋势。 单晶矽圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的积体电路越多，晶片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶矽按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法伸长单晶矽棒材，外延法伸长单晶矽薄膜。直拉法伸长的单晶矽主要用于半导体积体电路、二极体、外延片衬底、太阳能电池。晶体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于积体电路领域。 由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶矽材料套用最广。在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。 矽片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。 研究趋势 概述 日本、美国和德国是主要的矽材料生产国。中国矽材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5．3．4．5英寸矽锭和小直径矽片。中国消耗的大部分积体电路及其矽片仍然依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶矽，标志着我国单晶矽生产进入了新的发展时期。全世界单晶矽的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。未来几年中，世界单晶矽材料发展将呈现以下发展趋势： 微型化 随着半导体材料技术的发展，对矽片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径矽片在市场中的需求比例将日益加大。矽片主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～450mm。据统计，200mm矽片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。Gartner发布的对矽片需求的5年预测表明，全球300mm矽片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm矽片产量。据不完全统计，全球已建、在建和计画建的300mm矽器件生产线约有40余条，主要分布在美国和我国台湾等，仅我国台湾就有20多条生产线，其次是日、韩、新及欧洲。%P 世界半导体设备及材料协会（SEMI）的调查显示，2004年和2005年，在所有的矽片生产设备中，投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%，投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元，发展十分迅猛。而在1996年时，这一比重还仅仅是零。 国际化，集团化 研发及建厂成本的日渐增高，加上现有行销与品牌的优势，使得矽材料产业形成“大者恒大”的局面，少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。上世纪90年代末，日本、德国和韩国（主要是日、德两国）资本控制的8大矽片公司的销量占世界矽片销量的90%以上。根据SEMI提供的2002年世界矽材料生产商的市场份额显示，Shisu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%，垄断地位已经形成。 矽基材料 随着光电子和通信产业的发展，矽基材料成为矽材料工业发展的重要方向。矽基材料是在常规矽材料上制作的，是常规矽材料的发展和延续，其器件工艺与矽工艺相容。主要的矽基材料包括SOI（绝缘体上矽）、GeSi和应力矽。SOI技术已开始在世界上被广泛使用，SOI材料约占整个半导体材料市场的30%左右，预计到2010年将占到50%左右的市场。Soitec公司（世界最大的SOI生产商）的2000年～2010年SOI市场预测以及2005年各尺寸SOI矽片比重预测了产业的发展前景。 制造技术升级 半导体,晶片积体电路,设计版图,晶片制造,工艺世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺，使制片技术取得明显进展。在日本，Φ200mm矽片已有50%采用线切割机进行切片，不但能提高矽片质量，而且可使切割损失减少10%。日本大型半导体厂家已经向300mm矽片转型，并向0.13μm以下的微细化发展。另外，最新尖端技术的导入，SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。对此，矽片生产厂家也增加了对300mm矽片的设备投资，针对设计规则的进一步微细化，还开发了高平坦度矽片和无缺陷矽片等，并对设备进行了改进。 矽是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自然界不存在单体矽，多呈氧化物或矽酸盐状态。矽的原子价主要为4价，其次为2价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。 矽材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料。 多晶矽材料是以工业矽为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是矽产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制造矽抛光片、太阳能电池及高纯矽制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。 加工工艺 加料—→熔化—→缩颈生长—→放肩生长—→等径生长—→尾部生长 （1）加料：将多晶矽原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。 （2）熔化：加完多晶矽原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶矽原料熔化。 （3）缩颈生长：当矽熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入矽熔体中。由于籽晶与矽熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4－6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。 （4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶矽片取自于等径部分。 （6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。 市场发展 2007年，中国市场上有各类矽单晶生产设备1500余台，分布在70余家生产企业。2007年5月24日，国家“863”计画超大规模积体电路（IC）配套材料重大专项总体组在北京组织专家对西安理工大学和北京有色金属研究总院承担的“TDR-150型单晶炉（12英寸MCZ综合系统）”完成了验收。这标志著拥有自主智慧财产权的大尺寸积体电路与太阳能用矽单晶生长设备，在我国首次研制成功。这项产品使中国能够开发具有自主智慧财产权的关键制造技术与单晶炉生产设备，填补了国内空白，初步改变了在晶体生长设备领域研发制造受制于人的局面。 矽材料市场前景广阔，中国矽单晶的产量、销售收入近几年递增较快，以中小尺寸为主的矽片生产已成为国际公认的事实，为世界和中国积体电路、半导体分立器件和光伏太阳能电池产业的发展做出了较大的贡献。 相关区别 单晶矽和多晶矽的区别 单晶矽和多晶矽的区别是，当熔融的单质矽凝固时,矽原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶矽。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶矽。多晶矽与单晶矽的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶矽均不如单晶矽。多晶矽可作为拉制单晶矽的原料。单晶矽可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求矽的纯度六个9以上。大规模积体电路的要求更高，矽的纯度必须达到九个9。人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶矽。单晶矽是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。 高纯度矽在石英中提取，以单晶矽为例，提炼要经过以下过程：石英砂一冶金级矽一提纯和精炼一沉积多晶矽锭一单晶矽一矽片切割。 冶金级矽的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的矽的纯度约98-99%，但半导体工业用矽还必须进行高度提纯(电子级多晶矽纯度要求11个9，太阳能电池级只要求6个9)。而在提纯过程中，有一项“三氯氢矽还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶矽都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业矽，以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业矽加工成高纯度的晶体矽材料，以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。 得到高纯度的多晶矽后，还要在单晶炉中熔炼成单晶矽，以后切片后供积体电路制造等用。 单晶矽 , 多晶矽及非晶矽太阳能电池的区别 单晶矽太阳电池： 单晶矽太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单晶矽棒为原料，纯度要求99.999%。为了降低生产成本，现在地面套用的太阳电池等采用太阳能级的单晶矽棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶矽材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶矽棒。将单晶矽棒切成片，一般片厚约0.3毫米。矽片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料矽片。加工太阳电池片，首先要在矽片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在矽片上形成P/FONT>N结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在矽片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的矽片表面反射掉，至此，单晶矽太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶矽太阳电池的光电转换效率为15%左右，实验室成果也有20%以上的。用于宇宙空间站的还有高达50%以上的太阳能电池板。 多晶矽太阳电池： 单晶矽太阳电池的生产需要消耗大量的高纯矽材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一，加之拉制的单晶矽棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此，80年代以来，欧美一些国家投入了多晶矽太阳电池的研制。目前太阳电池使用的多晶矽材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶矽料和冶金级矽材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100～300欧姆·厘米的多晶块料或单晶矽头尾料，经破碎，用1：5的氢氟酸和硝酸混合液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶矽料，加人适量硼矽，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶矽锭。这种矽锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材质利用率和方便组装。多晶矽太阳电池的制作工艺与单晶矽太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶矽太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。随着技术得提高，目前多晶矽的转换效率也可以达到14%左右。 非晶矽太阳电池： 非晶矽太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶矽和多晶矽太阳电池的制作方法完全不同，矽材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。制造非晶矽太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解矽烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的矽烷，用射频电源加热，使矽烷电离，形成电浆。非晶矽膜就沉积在被加热的衬底上。若矽烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶矽膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶矽薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。非晶矽太阳电池的结构有各种不同，其中有一种较好的结构叫PiN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶矽，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶矽，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程式，以实现大批量生产。同时，非晶矽太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用积体电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体矽太阳电池单个只有0.5伏左右的电压，现在日本生产的非晶矽串联太阳电池可达2.4伏。目前非晶矽太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶矽太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，套用更为方便，它可以与房屋的屋面结合构成住户的独立电源。 在猛烈阳光下，单晶体式太阳能电池板较非晶体式能够转化多一倍以上的太阳能为电能，但可惜单晶体式的价格比非晶体式的昂贵两三倍以上，而且在阴天的情况下非晶体式反而与晶体式能够收集到差不多一样多的太阳能。 单晶矽制备与仿真 主要有两种方法：直拉法（Cz法）、区熔法（FZ法）； 1）直拉法 其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。此法制成的单晶完整性好，直径和长度都可以很大，生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此，一些化学性活泼或熔点极高的材料，由于没有合适的坩埚，而不能用此法制备单晶体，而要改用区熔法晶体生长或其他方法。 2）区熔法 区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。在区熔法制备矽单晶中，往往是将区熔提纯与制备单晶结合在一起，能生长出质量较好的中高阻矽单晶。区熔单晶炉主要包括：双层水冷炉室、长方形钢化玻璃观察窗、上轴（夹多晶棒）、下轴（安放籽晶）、导轨、机械传送装置、基座、高频发生器和高频加热线圈、系统控制柜真空系统及气体供给控制系统等组成。 可以看出，制备单晶矽的工艺要求非常苛刻，包括设备、温度控制、转速等各种影响因素。因此在前期必须做好设备设计如单晶炉和温控包括炉内的热场、流场，以及缺陷预测。一般来说，前期的设计、最佳化和预测并不能完全依靠高成本的实验来实现。可以通过专业的计算机数值仿真工具来实现晶体生长数值模拟，如FEMAG的FEMAG/CZ模组能能对直拉法（Cz法）进行模拟、FEMAG/FZ模组能对区熔法（FZ法）模拟，还有CGSIM等，以达到对单晶矽制备工艺的预测。

一、PLC与继电器控制系统的比较

1 控制方式：

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2 控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

　PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3 延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

与继电器线路比较PLC有何优势

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。学得辛苦，做得舒服。

摘 要

现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。

关键词: 交流调速系统, 异步电动机, PWM技术.....

目录

摘 要 1

前言 3

1.1 设计的目的和意义 3

1.2变频器调速运行的节能原理 3

第二章 变频器 4

2.1变频器选型： 4

2.2变频器控制原理图设计： 4

2.3变频器控制柜设计 6

2.4变频器接线规范 7

2.5变频器的运行和相关参数的设置 8

2.6 常见故障分析 8

第三章 交流调速系统概述 10

3.1 交流调速系统的特点 10

第四章变频电动机的特点 14

4.1电磁设计 14

4.2结构设计 14

第五章 变频电机主要特点和变频电机的构造原理 15

5.1 变频专用电动机具有如下特点： 15

5.2变频电机的构造原理 15

第六章 交流异步电动机 16

6.1交流异步电动机变频调速基本原理 16

6.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 18

6.3变压变频运行时机械特性分折 19

第七章 PWM技术原理 24

7.1 正弦波脉宽调制(SPWM） 25

7.2单极性SPWM法 ..................................................................................................................26

结论 31

致 谢 32

参 考 文 献 33

前言

1.1 设计的目的和意义

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．

1.2变频器调速运行的节能原理

实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。

采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r／rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％ ，电源频率降低30％ ，出胶压力降低57％ 。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60•f 8（1—8）／p

第二章 变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

2.1变频器选型：

变频器选型时要确定以下几点：

1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3) 变频器与负载的匹配问题；

I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

2.2变频器控制原理图设计：

1) 首先确认变频器的安装环境；

I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

IV. 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

3) 变频器控制原理图；

I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

4) 变频器的接地；

变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。

2.3变频器控制柜设计

变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题

1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。

2) 电磁干扰问题：

I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。

II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。

3) 防护问题需要注意以下几点：

I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。

II. 防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。

2.4变频器接线规范

信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。

信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。

1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。

2.5变频器的运行和相关参数的设置

变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。

最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。

载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。

电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

2.6 常见故障分析

1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。

第三章 交流调速系统概述

3.1 交流调速系统的特点

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

3.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较

由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：

n= 60ƒ1 (1-s) pn(1-1)

式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；

f1——电动机定子电压供电频率；

s ——电动机的转差率。

从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。

（1）改变电动机的磁极对数

由异步电动机的同步转速

no= 60ƒ1 pn

可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。

（2）变频调速

从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。

（3）变转差率调速

改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。

定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。

电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。

绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。

绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。

上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。

在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：

1）转差功率消耗型

这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。

2）转差功率回馈型

这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。

3）转差功率不变型

这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。

第四章变频电动机的特点

4.1电磁设计

对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：

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