С бързото развитие на силовата електроника и компютърните технологии регулирането на скоростта на променлив ток се превърна в тенденция за развитие, която замества регулирането на скоростта на постоянен ток. Регулирането на скоростта на преобразуване на честотата е признато за най-обещаващия метод за регулиране на скоростта у нас и в чужбина заради отличното си регулиране на скоростта и ефективността при стартиране и спиране. Технологията за преобразуване на честота е основната технология за регулиране на скоростта на променлив ток, силовата електроника и компютърната технология са сърцевината на технологията за преобразуване на честота, а силовите електронни устройства са основата на технологията за силова електроника. Технологията за силова електроника е високотехнологична технология, която се развива бързо през последните години. Той се използва широко в областта на мехатрониката, моторното предаване, космическата и т.н. Сега се превърна във високотехнологична технология, която страните се надпреварват да развиват. Експертите прогнозират, че в силно развитата област на автоматично управление през 21 век компютърните технологии и технологиите за силова електроника са двете най-важни технологии.
1. Процесът на развитие на силовите електронни устройства
Тиристорите излизат в САЩ в края на 50-те години, отбелязвайки раждането на технологиите за силова електроника. Първото поколение силови електронни устройства е предимно със силициев контролиран токоизправител (SCR), който беше включен в списъка като енергоспестяваща технология в моята страна през 70-те години и популяризиран в цялата страна. SCR обаче е полуконтролирано комутационно устройство, което може само да контролира включването си, но не и изключването. Той е ограничен при прилагането на променливотокови задвижвания и захранващи устройства с променлива честота. Силови транзистори (GTR), тиристори за изключване на вратите (GTO), силови MOS транзистори с полеви ефект (PowerMOSFET), транзистори с изолирана порта (IGBT), статични индукционни транзистори (SIT) и статични индукционни тиристори (SITH), изобретени последователно след 70-те години и др. Общата им характеристика е да контролират тяхната проводимост и изключване. Те са напълно контролирани комутационни устройства. Тъй като не е необходима схема на преобразувател, обемът и теглото са значително намалени в сравнение с SCR. В момента IGBT се превърна в основно устройство с отличните си характеристики, а GTO с голям капацитет също има определена позиция.
Много страни работят усилено за разработване на устройства с голям капацитет, а в чужбина са произведени 6000V IGBT. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) е нов тип устройство, което съчетава предимствата на IGBT и GTO. Вече са излезли проби от 1000A / 4500V. IGCT (интегриран гатеомутирантиристор) използва буферен слой и прозрачен излъчвател на базата на GTO. Той е еквивалентен на тиристор, когато е включен, и транзистор, когато е изключен, като по този начин ефективно координира противоречието между напрежението в състояние и блокиращото напрежение, а работната честота може да достигне няколко килохерца [2] [3 ]. Швейцарската компания ABB пусна IGCT до 4500-6000V, 3000-3500A. MCT се оттегли поради малък напредък и развитието на IGCT го накара да заеме важна позиция в новия модел на силовите електронни устройства. В сравнение с развитите страни, моята страна има по-голяма разлика в производството на устройства, отколкото в приложението. Новите захранващи устройства като мощни IGBT модули на траншейна порта, IEGT, MOS затворени тиристори, високочестотни изправителни диоди от галиев арсенид, силициев карбид (SIC) и други нови захранващи устройства имат последните разработки в чужбина. Смята се, че използването на нови полупроводникови материали като GaAs и SiC за направа на захранващи устройства за реализиране на хората в преследване на' идеални устройства" ще бъде основната тенденция в развитието на силовите електронни устройства през 21 век.
Високоефективните мощни електронни строителни блокове (PEBB) и интегрираните силови електронни модули (IPEM) са нови горещи точки в скорошното развитие на енергийните електронни технологии в Съединените щати. Ожесточената конкуренция между GTO и IGCT, IGCT и високо напрежение IGBT и други нови силови електронни устройства със сигурност ще донесе повече възможности и предизвикателства пред развитието на новите енергийни електронни технологии и технологии за преобразуване на честота през 21 век.
2. Процесът на разработка на технологията за преобразуване на честота
Технологията за преобразуване на честота се роди в отговор на необходимостта от безстепенно регулиране на скоростта на двигателите с променлив ток. Обновяването на силовата електроника насърчава преобразуването на енергия
Непрекъснатото развитие на технологиите. Отначало технологията за преобразуване на честотата беше ограничена до преобразуване на честота, а не променливо напрежение. От 70-те години на миналия век, изследването на регулирането на честотата на преобразуване на честотата на променливото импулсно модулиране с широчина на импулса (PWM-VVVF) привлича вниманието на хората от' През 80-те години на миналия век проблемът с оптимизацията на режима PWM като ядрото на технологията за преобразуване на честота привлича силния интерес на хората' и са получени много режими за оптимизация, като например: метод на модулация на надлъжно разделяне на вълната, технология на PWM на фазовия носител, фаза -преместена носеща PWM технология, модулираща носеща вълна едновременно PWM технология за фазово превключване и т.н.
Управлението на инвертора VVVF е относително просто и механичните му свойства също са добри. Той може да отговори на изискванията за плавно регулиране на скоростта на общата трансмисия и е широко използван в различни области на индустрията. Когато обаче този метод на управление е с ниска честота, тъй като изходното напрежение е малко, влиянието на спада на напрежението на статорното съпротивление е по-значително, така че максималният въртящ момент е намален.
Методът на регулиране на скоростта на преобразуване на честотата на управление на честотата е: променливите токове на статора Ia, Ib и Ic на асинхронния двигател в трифазната координатна система се трансформират в постоянни токове Iml, Itl под синхронната въртяща се координатна система чрез три- фаза в двуфазна трансформация. , След това имитирайте метода на управление на постояннотоковия двигател, вземете контролното количество на постояннотоковия двигател и реализирайте управлението на асинхронния двигател чрез съответната координатна обратна трансформация.
Директният контрол на въртящия момент директно анализира математическия модел на променливотоковия двигател в статорната координатна система и контролира поточната връзка и въртящия момент на двигателя. Не е необходимо да се трансформира двигателят с променлив ток в еквивалентен двигател с постоянен ток, като по този начин се елиминират много сложни изчисления при трансформацията на векторното въртене; не е необходимо да имитира управлението на постояннотоковия двигател, нито да опростява математическия модел на променливотоковия двигател за отделяне.
Преобразуването на честота VVVF, преобразуването на честота на векторно управление и преобразуването на честотата на директен въртящ момент са преобразуване на честота AC-DC-AC. Общият недостатък е, че коефициентът на входна мощност е нисък, хармоничният ток е голям, постояннотоковата верига изисква голям кондензатор за съхранение на енергия и регенеративната енергия не може да бъде подадена обратно в мрежата, т.е. не може да се извърши операция от четири квадранта . Поради тази причина възниква матрично преобразуване на AC-AC честота.
3. Технология за преобразуване на честота и домакински уреди
През 70-те години домакинските уреди започват да се превръщат в преобразуване на честота, а електромагнитните уреди за готвене, уреди за осветление с преобразуване на честота, климатици за преобразуване на честота, микровълнови фурни с преобразуване на честота, хладилници с преобразуване на честота, оризови кифли IH (индукционно отопление), перални машини с преобразуване на честотата и др. се появиха [4].
В края на 20-ти век домакинските уреди залагат на технологията за преобразуване на честота, насочена главно към висока функционалност и икономия на енергия.
Първият е хладилникът. Тъй като работи през целия ден, компресорът винаги работи с ниска скорост, след като приеме охлаждане с преобразуване на честотата, което може напълно да елиминира шума, причинен от стартирането на компресора, а ефектът на спестяване на енергия е по-очевиден. На второ място, след като климатикът използва преобразуване на честотата, работният обхват на компресора се разширява и управлението на охлаждането и отоплението може да се реализира без компресора да работи в периодично състояние, така че да се намали консумацията на енергия и да се елиминира дискомфортът, причинен от температурата промени. През последните години новите хладилници с преобразуване на честота не само намалиха консумацията на енергия и постигнаха безшумност, но и постигнаха бързо замразяване, използвайки високоскоростна работа.
В пералнята в миналото се е използвал контрол с променлива честота, за да се постигне контрол с променлива скорост, за да се подобрят ефективността на прането. В допълнение към енергоспестяването и безшумността, новопопулярната перална машина също така въведе ново съдържание за управление, за да осигури мекото пране на дрехи; електромагнитните готварски печки използват високочестотна индукционна отопление. Нагряването прави тенджерата директно без горещата част от газовото и електрическото отопление, така че не само е безопасно, но и значително подобрява ефективността на отоплението. Работната му честота е по-висока от слуховия усет, като по този начин елиминира шума, причинен от вибрациите на оризовия съд.
Четвърто, вредата, причинена от силовите електронни устройства и контрамерките
Фазово контролираното коригиране и неконтролируемото диодно коригиране в силовите електронни устройства причиняват сериозно изкривяване на формата на вълната на входния ток, което не само значително намалява фактора на мощността на системата, но също така причинява сериозно хармонично замърсяване.
В допълнение, бързите промени в напрежението и тока в хардуерната верига карат силовите електронни устройства да носят голямо електрическо напрежение и да причиняват сериозни електромагнитни смущения (EM1) на околното електрическо оборудване и радиовълните и ситуацията се влошава. Много страни са формулирали национални стандарти за ограничаване на хармониците. Международният институт на инженерите по електротехника и електроника (IEEE), Международната електротехническа комисия (IEC) и Международната конференция за големи електрически мрежи (CIGRE) пуснаха свои собствени хармонични стандарти. Китайското правителство също е формулирало съответни разпоредби за ограничаване на хармониците.
(1) Контрамерки за хармоници и електромагнитни смущения
1. Хармонично потискане
За да се потиснат хармониците, генерирани от силови електронни устройства, един метод е да се извърши хармонична компенсация, т.е. да се настрои хармонично компенсационно устройство, което да направи входния ток синусоидална вълна.
Традиционното устройство за хармонична компенсация използва IC настроен филтър, който може да компенсира както хармоници, така и реактивна мощност. Недостатъкът е, че характеристиките на компенсация се влияят от импеданса на мрежата и работното състояние и е лесно да има паралелен резонанс със системата, което води до хармонично усилване и претоварва или дори изгаря LC филтъра. В допълнение, той може да компенсира само хармониците на фиксирана честота, а ефектът не е идеален.
След популяризирането и прилагането на силови електронни устройства, използването на активни филтри за хармонична компенсация се превърна във важна насока. Принципът е да се открие хармоничният ток от обекта за компенсация и след това да се генерира компенсационен ток със същата величина и противоположна полярност като хармоничния ток, така че токът на мрежата да съдържа само основната вълнова компонента. Този филтър може да проследява и компенсира хармоници, чиято честота и амплитуда се променят, а характеристиките на компенсация не се влияят от импеданса на мрежата.
Основният метод на преобразувателя с голям капацитет за намаляване на хармониците е използването на множество технологии: наслагване на множество квадратни вълни за елиминиране на по-ниските хармоници, като по този начин се получава стъпкова вълна близо до синус. Колкото по-многократно е, толкова по-близо е формата на вълната до синус, но толкова по-сложна е структурата на веригата. За да се постигнат ниски хармоници и висок фактор на мощността, преобразувателите с малък капацитет обикновено използват диодно коригиране и ШИМ нарязване, често наричано корекция на фактора на мощността (PEC). Типичните схеми включват тип усилване, понижаващ тип, тип усилване и т.н.
2. Потискане на електромагнитни смущения
Мярката за решаване на EMI е да се преодолее прекомерната скорост на нарастване на тока di / dt и скоростта на нарастване на напрежението du / dt, които се появяват при включване и изключване на комутационното устройство. В момента по-голямо внимание се обръща на превключване на нулев ток (ZCS) и превключване на нулево напрежение (ZVS). ) Верига. начинът е:
(1) Индуктивността е свързана последователно с превключващото устройство, което може да потисне di / dt, когато превключващото устройство е включено, така че да няма зона на припокриване на напрежение и ток на устройството и да намали загубата напред;
(2) Паралелни кондензатори са свързани към комутационното устройство, когато устройството е изключено, du / dt се възпрепятства да се покачва и на устройството няма зона на припокриване на напрежение и ток, което намалява комутационните загуби;
(3) Към устройството са свързани антипаралелни диоди. По време на периода на проводимост на диода комутационното устройство е в нулево напрежение и нулево текущо състояние. По това време задвижващото устройство се включва или изключва, за да се постигнат действия ZVS и ZCS.
Понастоящем по-често използваните технологии за превключване на софтуер включват частично резонансна ШИМ и снубер схема.
(2) Компенсация на фактора на мощността
Ранният метод е да се използва синхронен двигател, който е синхронен двигател, специално използван за генериране на реактивна мощност. Той използва свръхвъзбуждане и недостатъчно възбуждане, за да излъчи съответно различни количества капацитивна или индуктивна реактивна мощност. Тъй като обаче е въртяща се електрическа машина, шумът и загубите са големи, експлоатацията и поддръжката също са сложни и скоростта на реакция е бавна. Следователно в много случаи той не е бил в състояние да отговори на изискванията за бърза компенсация на реактивната мощност.
Друг метод е използването на устройство за компенсиране на статична реактивна мощност с наситен реактор. Той има предимствата на статичния тип и бързата скорост на реакция, но тъй като ядрото му трябва да бъде намагнитено до наситено състояние, загубите и шумът са големи и има някои специални проблеми на нелинейните вериги и не може да се регулира в фаза за компенсиране на дисбаланса на товара. Следователно не успя да заеме основния поток от статични устройства за компенсация на вар.
С непрекъснатото развитие на технологията на силовата електроника, статичните устройства за компенсиране на вар, използващи SCR, GTO и IGBT, са разработени с бързи стъпки. Сред тях статичният генератор на вар е най-добър. Той има предимствата на бързата скорост на настройка и широкия работен обхват, а след приемане на множество, многостепенни или ШИМ техники, може значително да намали хармоничното съдържание в компенсационния ток. По-важното е, че реакторът и капацитивните компоненти, използвани в статичния генератор на вар, са малки, което значително намалява размера и цената на устройството. Статичният генератор на реактивна мощност представлява посоката на развитие на устройствата за динамична компенсация на реактивна мощност.
Пет, заключителни бележки
Ние вярваме, че енергийните електронни технологии ще се превърнат в една от важните стълбови технологии през 21 век. Технологията за преобразуване на честота заема важна позиция в областта на технологиите за силова електроника. През последните години вниманието привлича развитието в областта на регулирането на скоростта на преобразуване на честотата на средното напрежение и електрическата тяга. С интеграцията на световната икономика и присъединяването на моята страна към Световната търговска организация, индустрията на силовата електроника и технологията за преобразуване на честота ще има безпрецедентни възможности за развитие.