Odată cu dezvoltarea rapidă a electronicii de putere și a tehnologiei computerelor, reglarea vitezei de curent alternativ a devenit o tendință de dezvoltare care înlocuiește reglarea vitezei de curent continuu. Reglarea vitezei de conversie a frecvenței este recunoscută ca fiind cea mai promițătoare metodă de reglare a vitezei în țară și în străinătate pentru reglarea excelentă a vitezei și performanțele de pornire și frânare. Tehnologia de conversie a frecvenței este tehnologia de bază a reglării vitezei de curent alternativ, electronica de putere și tehnologia computerelor sunt nucleul tehnologiei de conversie a frecvenței, iar dispozitivele electronice de putere sunt fundamentul tehnologiei electronice de putere. Tehnologia electronică de putere este o tehnologie de vârf care s-a dezvoltat rapid în ultimii ani. Este utilizat pe scară largă în domeniile mecatronicii, transmisiei cu motor, aerospațial și așa mai departe. A devenit acum o tehnologie de înaltă tehnologie pe care țările sunt în concurență să o dezvolte. Experții prezic că în domeniul extrem de dezvoltat al controlului automat din secolul 21, tehnologia computerelor și tehnologia electronică de putere sunt cele mai importante două tehnologii.
1. Procesul de dezvoltare a dispozitivelor electronice de putere
Tiristoarele au ieșit în Statele Unite la sfârșitul anilor 1950, marcând nașterea tehnologiei electronice de putere. Prima generație de dispozitive electronice de putere este în principal redresor controlat cu siliciu (SCR), care a fost listat ca o tehnologie de economisire a energiei în țara mea în anii 1970 și promovat la nivel național. Cu toate acestea, SCR este un dispozitiv de comutare semi-controlat care poate controla numai pornirea, dar nu și oprirea. Este limitat în aplicarea unităților de curent alternativ și a surselor de alimentare cu frecvență variabilă. Tranzistoarele de putere (GTR), tiristoarele de închidere a porții (GTO), tranzistoarele cu efect de câmp MOS de putere (PowerMOSFET), tranzistoarele de poartă izolate (IGBT), tranzistoarele de inducție statică (SIT) și tiristoarele de inducție statică (SITH), inventate succesiv după anii 1970 , etc. Caracteristica lor comună este de a controla conducerea și oprirea lor. Sunt dispozitive de comutare complet controlate. Deoarece nu este necesar niciun circuit convertor, volumul și greutatea sunt mult reduse în comparație cu SCR. În prezent, IGBT a devenit un dispozitiv de masă cu caracteristicile sale excelente, iar GTO cu capacitate mare are, de asemenea, o anumită poziție.
Multe țări lucrează din greu pentru a dezvolta dispozitive de mare capacitate, iar 6000V IGBT au fost produse în străinătate. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) este un nou tip de dispozitiv care combină avantajele IGBT și GTO. Probele de 1000A / 4500V au ieșit deja. IGCT (integrategateeommutatedthyristor) folosește un strat tampon și un emițător transparent pe baza GTO. Este echivalent cu un tiristor când este pornit și un tranzistor când este oprit, coordonând astfel în mod eficient contradicția dintre tensiunea de stare și tensiunea de blocare, iar frecvența de funcționare poate ajunge la câțiva Kilohertz [2] [3 ]. Compania elvețiană ABB a lansat IGCT până la 4500-6000V, 3000-3500A. MCT s-a retras din cauza progreselor reduse, iar dezvoltarea IGCT a făcut-o să ocupe o poziție importantă în noul model al dispozitivelor electronice de putere. În comparație cu țările dezvoltate, țara mea are un decalaj mai mare în fabricarea dispozitivelor decât în aplicație. Noile dispozitive de putere, cum ar fi modulele IGBT cu structură de poartă de mare putere, IEGT, tiristoarele cu porți MOS, diodele redresoare de înaltă tensiune arsenidă de galiu, carbură de siliciu (SIC) și alte dispozitive noi de putere au cele mai noi dezvoltări în străinătate. Se crede că utilizarea de noi materiale semiconductoare, cum ar fi GaAs și SiC, pentru a produce dispozitive de putere pentru a realiza oamenii căutarea' dispozitive ideale" va fi principala tendință în dezvoltarea dispozitivelor electronice de putere în secolul XXI.
Blocurile de construcție electronice de putere de înaltă fiabilitate (PEBB) și modulele electronice de putere integrate (IPEM) sunt noi puncte fierbinți în dezvoltarea recentă a tehnologiei electronice de putere din Statele Unite. Concurența acerbă dintre GTO și IGCT, IGCT și IGBT de înaltă tensiune și alte dispozitive electronice noi de putere vor aduce cu siguranță mai multe oportunități și provocări dezvoltării de noi tehnologii electronice de putere și tehnologii de conversie a frecvenței în secolul XXI.
2. Procesul de dezvoltare a tehnologiei de conversie a frecvenței
Tehnologia de conversie a frecvenței s-a născut ca răspuns la nevoia de reglare continuă a turației motoarelor de curent alternativ. Reînnoirea electronicii de putere promovează conversia puterii
Dezvoltarea continuă a tehnologiei. La început, tehnologia de conversie a frecvenței a fost limitată la conversia de frecvență și nu la tensiunea variabilă. Din anii 1970, cercetarea privind reglarea vitezei de conversie a frecvenței de tensiune variabilă a modulației lățimii pulsului (PWM-VVVF) a atras atenția oamenilor' În anii 1980, problema de optimizare a modului PWM, deoarece nucleul tehnologiei de conversie a frecvenței, a atras interesul puternic al oamenilor și au fost obținute numeroase moduri de optimizare, cum ar fi: metoda de divizare longitudinală a undei de modulație, tehnologia PWM în fază a purtătorului, faza -tehnologie PWM purtătoare schimbată, modulare purtătoare Tehnologie PWM cu schimbare de fază simultană și așa mai departe.
Controlul invertorului VVVF este relativ simplu, iar proprietățile sale mecanice sunt, de asemenea, bune. Poate îndeplini cerințele de reglare rapidă a vitezei de transmisie generală și a fost utilizat pe scară largă în diferite domenii ale industriei. Cu toate acestea, atunci când această metodă de control este la frecvență scăzută, deoarece tensiunea de ieșire este mică, influența căderii de tensiune a rezistenței statorului este mai semnificativă, astfel încât cuplul maxim de ieșire este redus.
Metoda de reglare a vitezei de conversie a frecvenței de control al vectorului este: curenții alternativi ai statorului Ia, Ib și Ic ai motorului asincron în sistemul de coordonate trifazat sunt transformați în curenți de curent continuu Iml, Itl sub sistemul de coordonate rotative sincrone prin trei- transformare fază în două faze. , Imitați apoi metoda de control a motorului de curent continuu, obțineți cantitatea de control a motorului de curent continuu și realizați controlul motorului asincron prin transformarea inversă a coordonatelor corespunzătoare.
Controlul direct al cuplului analizează direct modelul matematic al motorului de curent alternativ în sistemul de coordonate stator și controlează legătura de flux și cuplul motorului. Nu este nevoie să transforme motorul de curent alternativ într-un motor echivalent de curent continuu, eliminând astfel multe calcule complicate în transformarea rotației vectoriale; nu trebuie să imite controlul motorului de curent continuu și nici nu trebuie să simplifice modelul matematic al motorului de curent alternativ pentru decuplare.
Conversia frecvenței VVVF, conversia frecvenței de control vector și conversia directă a frecvenței de control al cuplului sunt toate conversii de frecvență AC-DC-AC. Dezavantajul comun este că factorul de putere de intrare este redus, curentul armonic este mare, circuitul de curent continuu necesită un condensator mare de stocare a energiei și energia regenerativă nu poate fi alimentată înapoi la rețea, adică nu poate fi efectuată operația cu patru cadrane. . Din acest motiv, a apărut conversia matricială de frecvență AC-AC.
3. Tehnologia de conversie a frecvenței și a electrocasnicelor
În anii 1970, aparatele electrocasnice au început să fie transformate în conversie de frecvență, iar aparatele de gătit electromagnetice, aparate de iluminat cu conversie de frecvență, aparate de aer condiționat cu conversie de frecvență, cuptoare cu microunde cu conversie de frecvență, frigidere cu conversie de frecvență, chifle de orez IH (încălzire cu inducție), mașini de spălat cu conversie de frecvență , etc. a apărut [4].
La sfârșitul secolului al XX-lea, aparatele de uz casnic se bazau pe tehnologia de conversie a frecvenței, vizând în principal funcționalitatea ridicată și economia de energie.
Primul este frigiderul. Deoarece funcționează toată ziua, compresorul funcționează întotdeauna la o viteză mică după adoptarea refrigerării prin conversie de frecvență, care poate elimina complet zgomotul cauzat de pornirea compresorului, iar efectul de economisire a energiei este mai evident. În al doilea rând, după ce aparatul de aer condiționat folosește conversia de frecvență, domeniul de lucru al compresorului este extins, iar controlul răcirii și încălzirii poate fi realizat fără ca compresorul să funcționeze într-o stare intermitentă, astfel încât să se reducă consumul de energie și să se elimine disconfortul cauzat de temperatură. schimbări. În ultimii ani, noile frigidere cu conversie de frecvență nu numai că au redus consumul de energie și au atins liniștea, dar au realizat și înghețarea rapidă prin utilizarea funcționării de mare viteză.
În mașina de spălat, controlul frecvenței variabile a fost folosit în trecut pentru a obține controlul vitezei variabile pentru a îmbunătăți performanța de spălare. În plus față de economisirea energiei și liniște, noua mașină de spălat recent a introdus și un nou conținut de control pentru a asigura spălarea ușoară a hainelor; aragazele electromagnetice folosesc inducție de înaltă frecvență Încălzirea face ca vasul să se încălzească direct fără partea fierbinte a gazului și a încălzirii electrice, deci nu numai că este sigur, dar îmbunătățește mult eficiența încălzirii. Frecvența sa de lucru este mai mare decât simțul auditiv, eliminând astfel zgomotul cauzat de vibrația vasului de orez.
În al patrulea rând, prejudiciul cauzat de dispozitivele electronice de putere și contramăsurile
Redresarea controlată de fază și rectificarea incontrolabilă a diodei în dispozitivele electronice de putere determină o distorsiune gravă a formei de undă a curentului de intrare, care nu numai că reduce considerabil factorul de putere al sistemului, dar provoacă și poluare armonică gravă.
În plus, schimbările rapide de tensiune și curent din circuitul hardware fac ca dispozitivele electronice de putere să suporte stres electric mare și să provoace interferențe electromagnetice grave (EM1) echipamentelor electrice și undelor radio din jur, iar situația se înrăutățește. Multe țări au formulat standarde naționale pentru a limita armonicele. Institutul Internațional al Inginerilor în Electricitate și Electronică (IEEE), Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) și Conferința internațională privind rețelele electrice mari (CIGRE) și-au lansat propriile standarde armonice. Guvernul chinez a formulat, de asemenea, reglementări relevante pentru a limita armonicele.
(1) Contramăsuri pentru armonici și interferențe electromagnetice
1. Suprimarea armonică
Pentru a suprima armonicele generate de dispozitivele electronice de putere, o metodă este de a efectua compensarea armonică, adică de a configura un dispozitiv de compensare armonică pentru a face curentul de intrare o undă sinusoidală.
Dispozitivul tradițional de compensare a armonicilor folosește un filtru reglat IC, care poate compensa atât armonicele, cât și puterea reactivă. Dezavantajul este că caracteristicile de compensare sunt afectate de impedanța rețelei și de starea de funcționare și este ușor să aveți rezonanță paralelă cu sistemul, ceea ce duce la amplificare armonică și suprasolicită sau chiar arde filtrul LC. În plus, poate compensa doar armonicele unei frecvențe fixe, iar efectul nu este ideal.
După popularizarea și aplicarea dispozitivelor electronice de putere, utilizarea filtrelor de putere activă pentru compensarea armonicii a devenit o direcție importantă. Principiul este de a detecta curentul armonic din obiectul de compensare și apoi de a genera un curent de compensare cu aceeași magnitudine și polaritate opusă ca și curentul armonic, astfel încât curentul de rețea să conțină doar componenta de undă fundamentală. Acest filtru poate urmări și compensa armonicele a căror frecvență și amplitudine se schimbă și caracteristicile de compensare nu sunt afectate de impedanța rețelei.
Principala metodă a convertorului de mare capacitate pentru reducerea armonicilor este utilizarea tehnologiei multiple: suprapuneți mai multe unde pătrate pentru a elimina armonicele inferioare, obținând astfel o undă pasă aproape de sinus. Cu cât este mai multă multiplicitate, cu atât forma de undă este mai aproape de sinus, dar structura circuitului este mai complexă. Pentru a obține armonici scăzute și un factor de putere ridicat, convertoarele de capacitate mică utilizează, în general, rectificarea diodelor și tăierea PWM, adesea numită corecție a factorului de putere (PEC). Circuitele tipice includ tipul boost, tipul step-down, tipul buck-boost și așa mai departe.
2. Suprimarea interferențelor electromagnetice
Măsura de rezolvare a EMI este de a depăși rata de creștere excesivă a curentului di / dt și rata de creștere a tensiunii du / dt care apar atunci când dispozitivul de comutare este pornit și oprit. În prezent, cu atât mai multă atenție este acordată comutării zero curentului (ZCS) și comutării zero tensiunii (ZVS). ) Circuit. calea este:
(1) Inductanța este conectată în serie cu dispozitivul de comutare, care poate suprima di / dt atunci când dispozitivul de comutare este pornit, astfel încât să nu existe zonă de suprapunere de tensiune și curent pe dispozitiv și să reducă pierderile directe;
(2) Condensatoarele paralele sunt conectate la dispozitivul de comutare, când dispozitivul este oprit, du / dt este împiedicat să crească și nu există zonă de suprapunere de tensiune și curent pe dispozitiv, ceea ce reduce pierderile de comutare;
(3) Diodele anti-paralele sunt conectate la dispozitiv. În timpul perioadei de conducere a diodei, dispozitivul de comutare este într-o stare zero de tensiune și zero curent. În acest moment, dispozitivul de acționare este pornit sau oprit pentru a realiza acțiuni ZVS și ZCS.
În prezent, tehnologiile de comutare software utilizate cel mai frecvent includ PWM rezonant parțial și circuitul snubber fără pierderi.
(2) Compensarea factorului de putere
Metoda timpurie este de a utiliza un motor sincron, care este un motor sincron special utilizat pentru a genera putere reactivă. Folosește supra-excitația și sub-excitația pentru a emite, respectiv, cantități diferite de putere reactivă capacitivă sau inductivă. Cu toate acestea, deoarece este o mașină electrică rotativă, zgomotul și pierderile sunt mari, funcționarea și întreținerea sunt, de asemenea, complicate, iar viteza de răspuns este lentă. Prin urmare, în multe cazuri, nu a fost în măsură să îndeplinească cerințele de compensare rapidă a puterii reactive.
O altă metodă este utilizarea unui dispozitiv static de compensare a puterii reactive cu un reactor saturat. Are avantajele de tip static și viteză de răspuns rapidă, dar deoarece miezul său trebuie să fie magnetizat la o stare saturată, pierderea și zgomotul sunt mari și există unele probleme speciale ale circuitelor neliniare și nu poate fi ajustat în fază pentru a compensa dezechilibrul sarcinii. Prin urmare, nu a reușit să ocupe mainstream-ul dispozitivelor statice de compensare a var.
Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei electronice de putere, dispozitivele de compensare a variabilelor statice care utilizează SCR, GTO și IGBT au fost dezvoltate cu pași mari. Dintre acestea, generatorul static de var este cel mai superior. Are avantajele vitezei de reglare rapidă și a gamei largi de funcționare, iar după adoptarea tehnicilor multiple, pe mai multe niveluri sau PWM, poate reduce foarte mult conținutul armonic în curentul de compensare. Mai important, reactorul și componentele capacitive utilizate în generatorul de var static sunt mici, ceea ce reduce foarte mult dimensiunea și costul dispozitivului. Generatorul de putere reactivă statică reprezintă direcția de dezvoltare a dispozitivelor de compensare a puterii reactive dinamice.
Cinci, remarci de încheiere
Credem că tehnologia electronică de putere va deveni una dintre cele mai importante tehnologii pilon din secolul XXI. Tehnologia de conversie a frecvenței ocupă o poziție importantă în domeniul tehnologiei electronice de putere. În ultimii ani, dezvoltarea în domeniul reglării vitezei de conversie a frecvenței de medie tensiune și a tracțiunii electrice a atras atenția. Odată cu integrarea economiei globale și aderarea țării mele la Organizația Mondială a Comerțului, industriile electronice de putere și tehnologii de conversie a frecvenței din țara mea vor avea oportunități de dezvoltare fără precedent.