Med den snabba utvecklingen av kraftelektronik och datorteknik har AC-hastighetsreglering blivit en utvecklingstrend för att ersätta DC-hastighetsreglering. Frekvensomvandlingshastighetsreglering erkänns som den mest lovande hastighetsregleringsmetoden hemma och utomlands för sin utmärkta hastighetsreglering och start- och bromsprestanda. Frekvensomvandlingsteknik är kärntekniken för växelströmsreglering, kraftelektronik och datorteknik är kärnan i frekvensomvandlingsteknik och kraftelektroniska enheter är grunden för kraftelektronikteknik. Kraftelektronik är en högteknologi som har utvecklats snabbt de senaste åren. Det används ofta inom mekatronik, motoröverföring, flyg och så vidare. Det har nu blivit en högteknologisk som länder tävlar om att utveckla. Experter förutspår att inom det högt utvecklade området för automatisk styrning under 2000-talet är datorteknik och kraftelektronik de två viktigaste teknikerna.
1. Utvecklingsprocessen för kraftelektroniska enheter
Tyristorer kom ut i USA i slutet av 1950-talet och markerade födelsen av kraftelektronikteknik. Den första generationen kraftelektroniska enheter är huvudsakligen kiselstyrd likriktare (SCR), som listades som en energibesparande teknik i mitt land på 1970-talet och marknadsfördes rikstäckande. SCR är emellertid en halvstyrd omkopplingsenhet som bara kan styra dess påslagning men inte dess avstängning. Det är begränsat i tillämpningen av frekvensomriktare och nätaggregat med variabel frekvens. Krafttransistorer (GTR), gate-off-tyristorer (GTO), kraft-MOS-fälteffekttransistorer (PowerMOSFET), isolerade gate-transistorer (IGBT), statiska induktionstransistorer (SIT) och statisk induktionstyristorer (SITH), uppfanns successivt efter 1970-talet etc. Deras gemensamma särdrag är att kontrollera deras ledning och avstängning. De är helt kontrollerade kopplingsenheter. Eftersom ingen omvandlarkrets krävs, minskas volymen och vikten kraftigt jämfört med SCR. För närvarande har IGBT blivit en vanlig enhet med sina utmärkta egenskaper, och GTO med stor kapacitet har också en viss position.
Många länder arbetar hårt för att utveckla enheter med stor kapacitet och 6000 V IGBT har producerats utomlands. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) är en ny typ av enhet som kombinerar fördelarna med IGBT och GTO. Prover på 1000A / 4500V har redan kommit ut. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) använder ett buffertlager och en transparent emitter på grundval av GTO. Det motsvarar en tyristor när den slås på och en transistor när den stängs av, vilket effektivt samordnar motsättningen mellan on-state-spänningen och spärren, och arbetsfrekvensen kan nå flera Kilohertz [2] [3 ]. Det schweiziska ABB-företaget har lanserat IGCT upp till 4500-6000V, 3000-3500A. MCT gick i pension på grund av små framsteg, och utvecklingen av IGCT gjorde att den intog en viktig position i det nya mönstret av kraftelektroniska enheter. Jämfört med utvecklade länder har mitt land ett större gap i tillverkning av apparater än i applikationer. Nya kraftenheter som IGBT-moduler med hög effekt, grävgrindstruktur, IEGT, tyristorer med MOS-gated, högspänningsdioder med högfrekvent likriktare för galliumarsenid, kiselkarbid (SIC) och andra nya kraftenheter har den senaste utvecklingen utomlands. Man tror att användningen av nya halvledarmaterial såsom GaAs och SiC för att göra kraftenheter för att förverkliga människors' s strävan efter&"; ideala enheter GG"; kommer att vara den viktigaste trenden i utvecklingen av kraftelektroniska enheter under 2000-talet.
Hög tillförlitlighet elektroniska byggstenar (PEBB) och integrerade kraftelektroniska moduler (IPEM) är nya hotspots i den senaste utvecklingen av kraftelektronisk teknik i USA. Den hårda konkurrensen mellan GTO och IGCT, IGCT och högspännings IGBT och andra nya kraftelektroniska enheter kommer säkert att ge fler möjligheter och utmaningar för utvecklingen av ny kraftelektronik och frekvensomvandlingsteknologi under 2000-talet.
2. Utvecklingsprocessen för frekvensomvandlingsteknik
Frekvensomvandlingstekniken föddes som svar på behovet av steglös hastighetsreglering av växelströmsmotorer. Förnyelse av kraftelektronik främjar kraftomvandling
Den kontinuerliga utvecklingen av teknik. Först var frekvensomvandlingstekniken begränsad till frekvensomvandling och inte variabel spänning. Sedan 1970-talet har forskningen om pulsbreddsmodulering med variabel spänningsfrekvensomvandling (PWM-VVVF) hastighetsreglering lockat folk' s uppmärksamhet. På 1980-talet lockade PWM-optimeringsproblemet som kärnan i frekvensomvandlingstekniken människor' s starka intresse, och många optimeringslägen erhölls, såsom: moduleringsvågens längsdelningsmetod, fas-bärare PWM-teknik, fas -förskjuten bärvåg PWM-teknik, bärarmodulering Wave samtidig fasförskjutning PWM-teknik och så vidare.
Styrningen av VVVF-växelriktaren är relativt enkel och dess mekaniska egenskaper är också bra. Den kan uppfylla kraven för jämn hastighetsreglering för allmän transmission och har använts i stor utsträckning inom olika branscher. Men när denna kontrollmetod är lågfrekvent, eftersom utspänningen är liten, är påverkan av statormotståndsspänningsfallet mer signifikant, så det maximala utmatningsmomentet reduceras.
Metoden för vektorkontrollfrekvensomvandlingshastighetsreglering är: statorn AC-strömmar Ia, Ib och Ic för den asynkrona motorn i trefas-koordinatsystemet omvandlas till DC-strömmarna Iml, Itl under det synkrona roterande koordinatsystemet genom tre- fas till två-fas transformation. , Imitera sedan DC-motorns styrmetod, erhålla DC-motorns styrmängd och realisera styrningen av den asynkrona motorn genom motsvarande inverterad koordinatomvandling.
Direkt vridmomentstyrning analyserar direkt den matematiska modellen för växelströmsmotorn i statorkoordinatsystemet och styr motorns flödesförbindning och vridmoment. Det behöver inte omvandla växelströmsmotorn till en ekvivalent likströmsmotor, vilket eliminerar många komplicerade beräkningar i vektorrotationsomvandlingen; den behöver inte imitera styrningen av likströmsmotorn, och den behöver inte heller förenkla den matematiska modellen för växelströmsmotorn för frikoppling.
VVVF-frekvensomvandling, vektorkontrollfrekvensomvandling och direktomvandlingsfrekvensomvandling är alla AC-DC-AC-frekvensomvandling. Den vanliga nackdelen är att ingångseffektfaktorn är låg, den harmoniska strömmen är stor, DC-kretsen kräver en stor energilagringskondensator och den regenerativa energin kan inte matas tillbaka till nätet, det vill säga, fyrkvadrantoperationen kan inte utföras . Av denna anledning kom AC-AC-frekvensomvandling till matris.
3. Frekvensomvandlingsteknik och hushållsapparater
På 1970-talet började hushållsapparater omvandlas till frekvensomvandling, och elektromagnetiska matlagningsapparater, belysningsapparater för frekvensomvandling, luftkonditioneringsapparater för frekvensomvandling, mikrovågsugnar för frekvensomvandling, kylskåp för frekvensomvandling, risbullar med IH (induktionsuppvärmning), tvättmaskiner för frekvensomvandling , etc. dykt upp [4].
I slutet av 1900-talet förlitade sig hushållsapparater på teknik för frekvensomvandling, främst med sikte på hög funktionalitet och energibesparing.
Den första är kylskåpet. Eftersom det fungerar hela dagen går kompressorn alltid med låg hastighet efter att ha antagit frekvensomvandlingskylning, vilket helt kan eliminera bullret som orsakas av kompressorns start, och den energibesparande effekten är mer uppenbar. För det andra, efter att luftkonditioneringsapparaten använder frekvensomvandling, utvidgas kompressorns arbetsområde och kyl- och uppvärmningskontrollen kan realiseras utan att kompressorn går i ett intermittent tillstånd för att minska energiförbrukningen och eliminera obehag orsakat av temperaturen ändringar. Under de senaste åren har de nya frekvensomvandlingskylarna inte bara minskat energiförbrukningen och uppnått tystnad utan också uppnått snabb frysning genom användning av höghastighetsdrift.
I tvättmaskinen användes tidigare frekvensreglering för att uppnå variabel hastighetskontroll för att förbättra tvättprestandan. Förutom energibesparing och tystnad introducerade den nyligen populära tvättmaskinen också nytt kontrollinnehåll för att säkerställa mjuk tvätt av kläder; elektromagnetiska spisar använder högfrekvent induktion Uppvärmning gör att grytan värms direkt utan den heta delen av gas och elektrisk uppvärmning, så det är inte bara säkert utan förbättrar också uppvärmningseffektiviteten. Dess arbetsfrekvens är högre än hörselavkänningen och eliminerar därmed bullret som orsakas av rispottens vibrationer.
För det fjärde skadan orsakad av elektroniska enheter och motåtgärder
Den fasstyrda korrigeringen och den okontrollerbara dioderättningen i elektroniska kraftanordningar orsakar allvarlig snedvridning av ingångsströmens vågform, vilket inte bara kraftigt minskar systemets effektfaktor utan också orsakar allvarlig harmonisk förorening.
Dessutom gör de snabba spännings- och strömförändringarna i hårdvarukretsen att de elektroniska enheterna bär stor elektrisk stress och orsakar allvarlig elektromagnetisk störning (EM1) till den omgivande elektriska utrustningen och radiovågorna, och situationen blir värre. Många länder har formulerat nationella standarder för att begränsa övertoner. International Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), International Electrotechnical Commission (IEC) och International Conference on Large Power Grids (CIGRE) har lanserat sina egna harmoniska standarder. Den kinesiska regeringen har också formulerat relevanta regler för att begränsa övertoner.
(1) Motåtgärder för övertoner och elektromagnetisk störning
1. Harmoniskt undertryckande
För att undertrycka övertonerna som genereras av kraftelektroniska enheter är en metod att utföra harmonisk kompensation, det vill säga att sätta upp en harmonisk kompensationsanordning för att göra ingångsströmmen till sinusvåg.
Den traditionella harmoniska kompensationsanordningen använder ett IC-avstämt filter som kan kompensera både övertoner och reaktiv effekt. Nackdelen är att kompensationsegenskaperna påverkas av impedansen hos nätet och driftstillståndet, och det är lätt att ha parallell resonans med systemet, vilket leder till harmonisk förstärkning, och överbelastar eller till och med bränner LC-filtret. Dessutom kan det bara kompensera övertonerna för en fast frekvens, och effekten är inte ideal.
Efter populariseringen och tillämpningen av kraftelektroniska enheter har användningen av aktiva effektfilter för harmonisk kompensation blivit en viktig riktning. Principen är att detektera den harmoniska strömmen från kompensationsobjektet och sedan generera en kompensationsström med samma storlek och motsatta polaritet som den harmoniska strömmen, så att nätströmmen endast innehåller den grundläggande vågkomponenten. Detta filter kan spåra och kompensera övertoner vars frekvens och amplitud förändras och kompensationsegenskaperna inte påverkas av nätets impedans.
Huvudmetoden för omvandlare med stor kapacitet för att minska övertoner är att använda flera tekniker: lägg flera kvadratiska vågor över för att eliminera lägre övertoner och därigenom erhålla en stegvåg nära sinus. Ju mer mångfald, desto närmare är vågformen sinus, men ju mer komplex kretsstrukturen. För att uppnå låga övertoner och hög effektfaktor använder omvandlare med liten kapacitet i allmänhet diodjustering och PWM-huggning, ofta kallad effektfaktorkorrigering (PEC). Typiska kretsar inkluderar boost-typ, step-down-typ, buck-boost-typ och så vidare.
2. Dämpning av elektromagnetisk störning
Åtgärden för att lösa EMI är att övervinna den alltför stora strömhöjningshastigheten di / dt och spänningshöjningshastigheten du / dt som uppträder när kopplingsanordningen slås på och av. För närvarande ägnas mer uppmärksamhet åt nollströmomkoppling (ZCS) och nollspänningsomkoppling (ZVS). ) Krets. vägen är:
(1) Induktansen är kopplad i serie med omkopplingsanordningen, som kan undertrycka di / dt när omkopplingsanordningen är påslagen, så att det inte finns någon spännings- och strömöverlappningsyta på enheten och minskar framåtförlusten
(2) Parallella kondensatorer är anslutna till omkopplingsanordningen, när enheten är avstängd förhindras du / dt att stiga, och det finns ingen spännings- och strömöverlappningsyta på enheten, vilket minskar omkopplingsförlusten;
(3) Antiparallella dioder är anslutna till enheten. Under diodledningsperioden är omkopplingsanordningen i nollspänning och noll strömtillstånd. Vid den här tiden slås drivenheten på eller av för att uppnå ZVS- och ZCS-åtgärder.
För närvarande inkluderar de vanligaste teknologierna för byte av programvara partiell resonans PWM och förlustfri snubberkrets.
(2) Effektfaktorkompensation
Den tidiga metoden är att använda en synkronmotor, som är en synkronmotor som speciellt används för att generera reaktiv effekt. Den använder överexcitation och underexcitering för att emittera olika mängder kapacitiv eller induktiv reaktiv effekt. Eftersom det är en roterande elektrisk maskin är bullret och förlusten dock stort, drift och underhåll är också komplicerat och svarshastigheten är långsam. Därför har den i många fall inte kunnat uppfylla kraven på snabb reaktiv effektkompensation.
En annan metod är att använda en statisk reaktiv effektkompensationsanordning med en mättad reaktor. Det har fördelarna med statisk typ och snabb svarshastighet, men eftersom dess kärna måste magnetiseras till ett mättat tillstånd är förlusten och bruset stort, och det finns några speciella problem med icke-linjära kretsar, och det kan inte justeras i fas för att kompensera för obalansen i lasten. Därför misslyckades det att uppta mainstream av statiska var kompensationsanordningar.
Med den kontinuerliga utvecklingen av kraftelektronikteknik har statiska var kompensationsanordningar som använder SCR, GTO och IGBT utvecklats med stormsteg. Bland dem är den statiska vargeneratorn den mest överlägsna. Det har fördelarna med snabb justeringshastighet och brett arbetsområde, och efter att ha antagit flera, flernivå- eller PWM-tekniker kan det kraftigt minska det harmoniska innehållet i kompensationsströmmen. Ännu viktigare är att reaktorn och de kapacitiva komponenterna som används i den statiska vargeneratorn är små, vilket kraftigt minskar enhetens storlek och kostnad. Den statiska reaktiva kraftgeneratorn representerar utvecklingsriktningen för dynamiska reaktiva kompensationsanordningar.
Fem avslutande kommentarer
Vi tror att kraftelektronik kommer att bli en av de viktigaste pelarteknikerna under 2000-talet. Frekvensomvandlingsteknik har en viktig position inom kraftelektronik. De senaste åren har utvecklingen inom området medelspänningsfrekvensomvandlingshastighetsreglering och elektrisk dragning väckt uppmärksamhet. Med integrationen av den globala ekonomin och mitt lands anslutning till Världshandelsorganisationen kommer mitt lands kraftelektronik- och frekvensomvandlingsteknologibranscher att ha enastående utvecklingsmöjligheter.