С быстрым развитием силовой электроники и компьютерных технологий регулирование скорости переменного тока стало тенденцией развития, заменяющей регулирование скорости постоянного тока. Регулирование скорости с преобразованием частоты признано наиболее многообещающим методом регулирования скорости в стране и за рубежом благодаря отличным характеристикам регулирования скорости, а также пусковых характеристик и торможения. Технология преобразования частоты является основной технологией регулирования скорости переменного тока, силовая электроника и компьютерные технологии являются ядром технологии преобразования частоты, а силовые электронные устройства являются основой технологии силовой электроники. Технология силовой электроники - это высокие технологии, которые в последние годы быстро развиваются. Он широко используется в области мехатроники, трансмиссии двигателей, авиакосмической промышленности и так далее. Сейчас он превратился в хайтек, за разработку которого страны соревнуются. Эксперты предсказывают, что в высокоразвитой области автоматического управления в 21 веке компьютерные технологии и технология силовой электроники являются двумя наиболее важными технологиями.
1. Процесс разработки силовых электронных устройств.
Тиристоры появились в Соединенных Штатах в конце 1950-х годов, ознаменовав рождение технологии силовой электроники. Первое поколение силовых электронных устройств - это в основном кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), который был внесен в список энергосберегающих технологий в моей стране в 1970-х годах и продвигался по всей стране. Однако SCR - это полууправляемое переключающее устройство, которое может управлять только своим включением, но не выключением. Он ограничен в применении приводов переменного тока и источников питания с переменной частотой. Силовые транзисторы (GTR), тиристоры отключения затвора (GTO), силовые полевые МОП-транзисторы (PowerMOSFET), транзисторы с изолированным затвором (IGBT), транзисторы статической индукции (SIT) и тиристоры статической индукции (SITH), последовательно изобретенные после 1970-х годов. и др. Их общая черта - контроль их проведения и выключения. Это полностью управляемые коммутационные устройства. Поскольку схема преобразователя не требуется, объем и вес значительно уменьшены по сравнению с SCR. В настоящее время IGBT стал массовым устройством с превосходными характеристиками, и GTO с большой емкостью также занимает определенную позицию.
Многие страны упорно работают над разработкой устройств большой емкости, и IGBT на 6000 В были произведены за рубежом. IEGT (Injectionenhancedgatethyristor) - это новый тип устройства, сочетающий в себе преимущества IGBT и GTO. Уже вышли образцы на 1000А / 4500В. IGCT (Integratedgateeommutatedthyristor) использует буферный слой и прозрачный эмиттер на основе GTO. Он эквивалентен тиристору, когда он включен, и транзистору, когда он выключен, таким образом эффективно согласовывая противоречие между напряжением в открытом состоянии и напряжением блокировки, а рабочая частота может достигать нескольких килогерц [2] [3 ]. Швейцарская компания ABB запустила IGCT до 4500-6000V, 3000-3500A. MCT вышла из употребления из-за небольшого прогресса, и развитие IGCT позволило ей занять важное место в новой модели силовых электронных устройств. По сравнению с развитыми странами, моя страна имеет больший разрыв в производстве устройств, чем в их применении. Новые силовые устройства, такие как мощные IGBT-модули с траншейным затвором, IEGT, MOS-тиристоры, высоковольтные высокочастотные выпрямительные диоды из арсенида галлия, карбид кремния (SIC) и другие новые силовые устройства, получили последние разработки за рубежом. Считается, что использование новых полупроводниковых материалов, таких как GaAs и SiC, для создания силовых устройств для реализации людьми' преследования&"идеальных устройств GG"; станет основным направлением развития силовых электронных устройств в 21 веке.
Высоконадежные силовые электронные блоки (PEBB) и интегрированные силовые электронные модули (IPEM) - новые горячие точки в недавнем развитии технологий силовой электроники в Соединенных Штатах. Жесткая конкуренция между GTO и IGCT, IGCT и высоковольтными IGBT и другими новыми силовыми электронными устройствами, несомненно, принесет больше возможностей и вызовет развитие новых силовых электронных технологий и технологий преобразования частоты в 21 веке.
2. Процесс разработки технологии преобразования частоты.
Технология преобразования частоты родилась в ответ на потребность в бесступенчатом регулировании скорости двигателей переменного тока. Обновление силовой электроники способствует преобразованию энергии
Непрерывное развитие технологий. Сначала технология преобразования частоты ограничивалась преобразованием частоты, а не изменением напряжения. С 1970-х годов исследования по регулированию скорости с частотно-регулируемым преобразованием напряжения с широтно-импульсной модуляцией (PWM-VVVF) привлекали внимание людей' В 1980-х годах проблема оптимизации режима ШИМ в качестве ядра технологии преобразования частоты привлекла большой интерес людей&# 39, и было получено множество режимов оптимизации, таких как: метод продольного деления волны модуляции, технология ШИМ синфазной несущей, фазовая технология ШИМ со сдвигом несущей, модуляция несущей. Технология ШИМ с одновременным сдвигом фазы и т. д.
Управление инвертором VVVF относительно простое, и его механические свойства также хороши. Он отвечает требованиям плавного регулирования скорости обычных трансмиссий и широко используется в различных областях промышленности. Однако, когда этот метод управления осуществляется на низкой частоте, из-за небольшого выходного напряжения влияние падения напряжения на сопротивлении статора становится более значительным, поэтому максимальный выходной крутящий момент уменьшается.
Метод векторного регулирования скорости с преобразованием частоты: переменные токи статора Ia, Ib и Ic асинхронного двигателя в трехфазной системе координат преобразуются в токи постоянного тока Iml, Itl в синхронно вращающейся системе координат через трехфазную систему координат. фаза в двухфазное преобразование. Затем имитируйте метод управления двигателем постоянного тока, получите управляющую величину двигателя постоянного тока и реализуйте управление асинхронным двигателем посредством соответствующего обратного преобразования координат.
Прямое управление крутящим моментом непосредственно анализирует математическую модель двигателя переменного тока в системе координат статора и управляет потокосцеплением и крутящим моментом двигателя. Нет необходимости преобразовывать двигатель переменного тока в эквивалентный двигатель постоянного тока, что устраняет множество сложных вычислений при преобразовании вращения вектора; ему не нужно имитировать управление двигателем постоянного тока, а также не нужно упрощать математическую модель двигателя переменного тока для развязки.
Преобразование частоты VVVF, преобразование частоты векторного управления и преобразование частоты прямого управления крутящим моментом - все это преобразование частоты AC-DC-AC. Общим недостатком является то, что входной коэффициент мощности низкий, гармонический ток большой, для цепи постоянного тока требуется большой накопительный конденсатор, а рекуперативная энергия не может быть возвращена в сеть, то есть четырехквадрантная работа не может выполняться . По этой причине возникло матричное преобразование частоты AC-AC.
3. Техника преобразования частоты и бытовая техника.
В 1970-х годах бытовую технику начали преобразовывать в преобразователи частоты, а также электромагнитные кухонные приборы, осветительные приборы с преобразованием частоты, кондиционеры с преобразованием частоты, микроволновые печи с преобразованием частоты, холодильники с преобразованием частоты, рисовые булочки IH (индукционный нагрев), стиральные машины с преобразованием частоты. и др. [4].
В конце 20-го века бытовая техника полагалась на технологию преобразования частоты, в основном нацеленную на высокую функциональность и экономию энергии.
Первое - это холодильник. Поскольку он работает весь день, компрессор всегда работает на низкой скорости после принятия охлаждения с преобразованием частоты, что может полностью устранить шум, вызванный запуском компрессора, а эффект энергосбережения более очевиден. Во-вторых, после того, как кондиционер использует преобразование частоты, рабочий диапазон компрессора расширяется, и управление охлаждением и обогревом может быть реализовано без работы компрессора в прерывистом состоянии, чтобы снизить энергопотребление и устранить дискомфорт, вызванный температурой. изменения. В последние годы новые холодильники с преобразованием частоты не только снизили энергопотребление и достигли бесшумности, но и достигли быстрого замораживания за счет использования высокой скорости работы.
В стиральной машине управление переменной частотой использовалось в прошлом для достижения управления переменной скоростью, чтобы улучшить качество стирки. В дополнение к энергосбережению и бесшумности недавно популярная стиральная машина также представила новые элементы управления, обеспечивающие мягкую стирку одежды; В электромагнитных плитах используется высокочастотный индукционный нагрев, благодаря чему горшок нагревается напрямую, без горячей части газа и электрического нагрева, поэтому это не только безопасно, но и значительно повышает эффективность нагрева. Его рабочая частота выше, чем слуховая, что устраняет шум, вызванный вибрацией рисового горшка.
В-четвертых, вред, причиненный силовыми электронными устройствами, и меры противодействия.
Выпрямление с регулируемой фазой и неконтролируемое выпрямление через диоды в силовых электронных устройствах вызывают серьезные искажения формы волны входного тока, что не только значительно снижает коэффициент мощности системы, но также вызывает серьезные гармонические искажения.
Кроме того, быстрые изменения напряжения и тока в аппаратной цепи заставляют силовые электронные устройства испытывать большую электрическую нагрузку и вызывать серьезные электромагнитные помехи (EM1) для окружающего электрического оборудования и радиоволн, и ситуация ухудшается. Многие страны сформулировали национальные стандарты для ограничения гармоник. Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), Международная электротехническая комиссия (IEC) и Международная конференция по большим электрическим сетям (CIGRE) ввели свои собственные стандарты гармоник. Правительство Китая также разработало соответствующие правила по ограничению гармоник.
(1) Меры против гармоник и электромагнитных помех
1. Подавление гармоник
Чтобы подавить гармоники, генерируемые силовыми электронными устройствами, одним из методов является выполнение гармонической компенсации, то есть установка устройства гармонической компенсации, чтобы сделать входной ток синусоидальной волной.
В традиционном устройстве компенсации гармоник используется настроенный фильтр IC, который может компенсировать как гармоники, так и реактивную мощность. Недостатком является то, что на характеристики компенсации влияет импеданс сети и рабочее состояние, и легко получить параллельный резонанс с системой, что приводит к усилению гармоник и перегрузке или даже сгоранию LC-фильтра. Кроме того, он может компенсировать только гармоники фиксированной частоты, и эффект не идеален.
После популяризации и применения силовых электронных устройств важным направлением стало использование фильтров активной мощности для компенсации гармоник. Принцип состоит в том, чтобы обнаружить гармонический ток от объекта компенсации, а затем сгенерировать компенсационный ток той же величины и противоположной полярности, что и гармонический ток, так что ток сетки содержит только основную волновую составляющую. Этот фильтр может отслеживать и компенсировать гармоники, частота и амплитуда которых изменяются, и на характеристики компенсации не влияет импеданс сети.
Основным методом уменьшения гармоник в преобразователе большой емкости является использование нескольких технологий: наложение нескольких прямоугольных волн для устранения более низких гармоник, в результате чего получается ступенчатая волна, близкая к синусоидальной. Чем больше кратность, тем ближе форма волны к синусу, но тем сложнее структура схемы. Чтобы добиться низкого уровня гармоник и высокого коэффициента мощности, преобразователи малой емкости обычно используют диодное выпрямление и прерывание ШИМ, часто называемое коррекцией коэффициента мощности (PEC). Типичные схемы включают повышающий тип, понижающий тип, понижающий-повышающий тип и так далее.
2. Подавление электромагнитных помех.
Мера по устранению электромагнитных помех состоит в том, чтобы преодолеть чрезмерную скорость нарастания тока di / dt и скорость нарастания напряжения du / dt, которые возникают при включении и выключении переключающего устройства. В настоящее время больше внимания уделяется переключению при нулевом токе (ZCS) и переключении при нулевом напряжении (ZVS). ) Схема. способ:
(1) Индуктивность подключена последовательно с переключающим устройством, которое может подавлять di / dt при включении переключающего устройства, так что на устройстве не возникает области перекрытия напряжения и тока, и уменьшаются прямые потери;
(2) Параллельные конденсаторы подключены к переключающему устройству, когда устройство выключено, du / dt не может расти, и на устройстве нет области перекрытия напряжения и тока, что снижает потери переключения;
(3) К устройству подключены встречно-параллельные диоды. Во время периода проводимости диода коммутационное устройство находится в состоянии нулевого напряжения и нулевого тока. В это время приводное устройство включается или выключается для выполнения действий ZVS и ZCS.
В настоящее время наиболее часто используемые технологии программного переключения включают частичную резонансную ШИМ и схему демпфирования без потерь.
(2) Компенсация коэффициента мощности
Ранний метод заключается в использовании синхронного двигателя, который является синхронным двигателем, специально используемым для выработки реактивной мощности. Он использует перевозбуждение и недовозбуждение, чтобы соответственно излучать разное количество емкостной или индуктивной реактивной мощности. Однако, поскольку это вращающаяся электрическая машина, шум и потери велики, эксплуатация и обслуживание также усложняются, а скорость реакции низкая. Поэтому во многих случаях он не мог удовлетворить требованиям быстрой компенсации реактивной мощности.
Другой метод - использовать устройство компенсации статической реактивной мощности с насыщенным реактором. Он имеет преимущества статического типа и быструю скорость отклика, но поскольку его сердечник должен быть намагничен до насыщенного состояния, потери и шум велики, и есть некоторые особые проблемы нелинейных цепей, и его нельзя отрегулировать в фаза для компенсации дисбаланса нагрузки. Таким образом, он не смог занять основное место среди устройств компенсации статической переменной мощности.
С постоянным развитием технологии силовой электроники, устройства статической компенсации переменного тока с использованием SCR, GTO и IGBT были разработаны семимильными шагами. Среди них генератор статических переменных является самым лучшим. Он обладает такими преимуществами, как быстрая скорость регулировки и широкий рабочий диапазон, а после применения нескольких многоуровневых методов или методов ШИМ он может значительно снизить содержание гармоник в токе компенсации. Что еще более важно, реактор и емкостные компоненты, используемые в статическом генераторе переменного тока, имеют небольшие размеры, что значительно снижает размер и стоимость устройства. Статический генератор реактивной мощности представляет собой направление развития устройств динамической компенсации реактивной мощности.
Пять заключительных замечаний
Мы верим, что силовая электроника станет одной из важнейших технологий 21 века. Технология преобразования частоты занимает важное место в области техники силовой электроники. В последние годы внимание привлекли разработки в области регулирования скорости с преобразованием частоты среднего напряжения и электрической тяги. С интеграцией мировой экономики и вступлением моей страны во Всемирную торговую организацию отрасли силовой электроники и технологий преобразования частоты получат беспрецедентные возможности для развития.