S rychlým vývojem výkonové elektroniky a výpočetní techniky se regulace otáček střídavého proudu stala vývojovým trendem, který nahradil regulaci otáček stejnosměrného proudu. Regulace rychlosti převodu frekvence je považována za nejslibnější metodu regulace rychlosti doma i v zahraničí pro svou vynikající regulaci rychlosti a start a brzdný výkon. Technologie frekvenční konverze je základní technologií regulace rychlosti střídavého proudu, výkonová elektronika a počítačová technologie jsou jádrem technologie frekvenční konverze a výkonová elektronická zařízení jsou základem technologie výkonové elektroniky. Technologie výkonové elektroniky je špičková technologie, která se v posledních letech rychle rozvinula. Je široce používán v oblastech mechatroniky, přenosu motorů, letectví a tak dále. Nyní se z něj stala vyspělá technologie, o kterou země soutěží. Odborníci předpovídají, že ve vysoce rozvinuté oblasti automatického řízení v 21. století jsou výpočetní technika a technologie výkonové elektroniky dvě nejdůležitější technologie.
1. Proces vývoje výkonových elektronických zařízení
Tyristory vyšly ve Spojených státech koncem padesátých let, což znamenalo zrození technologie výkonové elektroniky. První generací výkonových elektronických zařízení je hlavně křemíkem řízený usměrňovač (SCR), který byl v 70. letech 20. století uveden v mé zemi jako energeticky úsporná technologie a propagován celostátně. SCR je však částečně řízené spínací zařízení, které může ovládat pouze jeho zapnutí, ale nikoli jeho vypnutí. Je omezen v použití střídavých pohonů a napájecích zdrojů s proměnnou frekvencí. Výkonové tranzistory (GTR), hradlové vypínací tyristory (GTO), výkonové tranzistory MOS s polním efektem (PowerMOSFET), izolované hradlové tranzistory (IGBT), statické indukční tranzistory (SIT) a statické indukční tyristory (SITH), vynalezeny postupně po 70. letech atd. Jejich společným rysem je ovládání jejich vedení a vypnutí. Jsou to plně řízená spínací zařízení. Protože není vyžadován žádný obvod převodníku, objem a hmotnost jsou ve srovnání s SCR výrazně sníženy. V současné době se IGBT stalo hlavním zařízením se svými vynikajícími vlastnostmi a GTO s velkou kapacitou má také určitou pozici.
Mnoho zemí tvrdě pracuje na vývoji velkokapacitních zařízení a 6 000 V IGBT byly vyrobeny v zahraničí. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) je nový typ zařízení, které kombinuje výhody IGBT a GTO. Vzorky 1 000 A / 4500 V již vyšly. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) používá vyrovnávací vrstvu a transparentní emitor na základě GTO. Je ekvivalentní tyristoru, když je zapnutý, a tranzistoru, když je vypnutý, čímž účinně koordinuje rozpor mezi napětím v zapnutém stavu a blokovacím napětím a provozní frekvence může dosáhnout několika Kilohertz [2] [3 ]. Švýcarská společnost ABB spustila IGCT až do 4500-6000V, 3000-3500A. MCT odešel kvůli malému pokroku a vývoj IGCT způsobil, že zaujímá důležitou pozici v novém vzoru výkonových elektronických zařízení. Ve srovnání s vyspělými zeměmi má moje země větší mezeru ve výrobě zařízení než v aplikaci. Nová energetická zařízení, jako jsou vysoce výkonné výkopové hradlové IGBT moduly, IEGT, hradlové tyristory MOS, vysokonapěťové vysokofrekvenční usměrňovací diody arsenidu galia, karbid křemíku (SIC) a další nová energetická zařízení mají nejnovější vývoj v zahraničí. Předpokládá se, že použití nových polovodičových materiálů, jako jsou GaAs a SiC, k výrobě energetických zařízení k realizaci&# 39 je snaha&„ideální zařízení GG“; bude hlavním trendem ve vývoji výkonových elektronických zařízení v 21. století.
Vysoce spolehlivé výkonové elektronické stavební bloky (PEBB) a integrované výkonové elektronické moduly (IPEM) jsou novými aktivními body v nedávném vývoji výkonové elektronické technologie ve Spojených státech. Tvrdá konkurence mezi GTO a IGCT, IGCT a vysokonapěťovými IGBT a dalšími novými výkonovými elektronickými zařízeními jistě přinese více příležitostí a výzev pro vývoj nových výkonových elektronických technologií a technologií frekvenční konverze v 21. století.
2. Proces vývoje technologie frekvenční konverze
Technologie frekvenční konverze se zrodila v reakci na potřebu plynulé regulace rychlosti střídavých motorů. Obnova výkonové elektroniky podporuje přeměnu výkonu
Neustálý vývoj technologie. Nejprve byla technologie frekvenční konverze omezena na frekvenční konverzi a ne proměnlivé napětí. Od sedmdesátých let minulého století přitáhl výzkum&# 39 výzkum regulace rychlosti pulzní šířkové modulace s proměnnou frekvencí (PWM-VVVF). V 80. letech přilákal problém optimalizace režimu PWM jako jádra technologie frekvenční konverze velký zájem lidí o&# 39 a bylo získáno mnoho optimalizačních režimů, jako například: metoda podélného dělení modulačních vln, technologie PWM s fázovou nosnou, fáze technologie PWM s posunutou nosnou, modulace nosné Wave simultánní technologie PWM s fázovým posunem a tak dále.
Ovládání měniče VVVF je poměrně jednoduché a jeho mechanické vlastnosti jsou také dobré. Může splňovat požadavky plynulé regulace rychlosti obecné převodovky a bylo široce používáno v různých průmyslových oblastech. Pokud je však tato metoda řízení na nízké frekvenci, protože výstupní napětí je malé, je vliv poklesu napětí statorového odporu výraznější, takže se sníží maximální výstupní točivý moment.
Metoda regulace rychlosti převodu frekvence vektorového řízení je: statorové střídavé proudy Ia, Ib a Ic asynchronního motoru v třífázovém souřadnicovém systému jsou transformovány na stejnosměrné proudy Iml, Itl pod synchronním rotujícím souřadným systémem prostřednictvím tří- fáze na dvoufázovou transformaci. , Potom napodobte metodu řízení stejnosměrného motoru, získejte řídicí veličinu stejnosměrného motoru a realizujte řízení asynchronního motoru prostřednictvím odpovídající souřadnicové inverzní transformace.
Přímé řízení točivého momentu přímo analyzuje matematický model střídavého motoru v souřadnicovém systému statoru a řídí propojení toku a točivý moment motoru. Nepotřebuje transformovat střídavý motor na ekvivalentní stejnosměrný motor, čímž eliminuje mnoho komplikovaných výpočtů při transformaci rotace vektoru; nepotřebuje napodobovat řízení stejnosměrného motoru ani zjednodušovat matematický model střídavého motoru pro oddělení.
Převod kmitočtu VVVF, převod kmitočtu vektorového řízení a převod kmitočtu přímého řízení točivého momentu jsou všechny kmitočtové převody AC-DC-AC. Společnou nevýhodou je, že vstupní účiník je nízký, harmonický proud je velký, stejnosměrný obvod vyžaduje velký kondenzátor akumulace energie a regenerativní energii nelze přivést zpět do sítě, to znamená, že nelze provádět čtyřkvadrantový provoz . Z tohoto důvodu vznikla maticová AC-AC frekvenční konverze.
3. Technologie frekvenční konverze a domácí spotřebiče
V 70. letech se domácí spotřebiče začaly konvertovat na frekvenční konverzi a elektromagnetické kuchyňské spotřebiče, frekvenční konverzní osvětlovací zařízení, frekvenční konverzní klimatizace, frekvenční mikrovlnné trouby, frekvenční konverzní chladničky, IH (indukční ohřev) rýžové buchty, frekvenční konverzní pračky , atd. [4].
Na konci 20. století se domácí spotřebiče spoléhaly na technologii frekvenčního převodu, zaměřenou hlavně na vysokou funkčnost a úsporu energie.
První je lednička. Protože to funguje celý den, kompresor po použití chlazení s frekvenční konverzí vždy běží nízkou rychlostí, což může zcela eliminovat hluk způsobený spuštěním kompresoru, a efekt úspory energie je patrnější. Zadruhé, poté, co klimatizace použije frekvenční konverzi, se rozšíří pracovní rozsah kompresoru a může být realizováno řízení chlazení a topení, aniž by kompresor běžel v přerušovaném stavu, aby se snížila spotřeba energie a odstranily nepohodlí způsobené teplotou. Změny. V posledních letech nové chladničky s frekvenční konverzí nejen snížily spotřebu energie a dosáhly ticha, ale také dosáhly rychlého zmrazení pomocí vysokorychlostního provozu.
V pračce byla v minulosti používána regulace s proměnnou frekvencí k dosažení řízení s proměnnou rychlostí ke zlepšení pracího výkonu. Kromě úspory energie a ticha zavedla nově oblíbená pračka také nový ovládací obsah, který zajišťuje jemné praní oděvů; elektromagnetické sporáky používají vysokofrekvenční indukci. Vytápění zajišťuje teplo v hrnci přímo bez horké části plynového a elektrického ohřevu, takže je nejen bezpečné, ale také výrazně zvyšuje účinnost ohřevu. Jeho pracovní frekvence je vyšší než sluchový smysl, čímž se eliminuje hluk způsobený vibracemi rýžového hrnce.
Za čtvrté, škoda způsobená výkonnými elektronickými zařízeními a protiopatřeními
Fázově řízené usměrňování a nekontrolovatelné usměrňování diod ve výkonových elektronických zařízeních způsobují vážné zkreslení průběhu vstupního proudu, což nejen výrazně snižuje účiník systému, ale také způsobuje vážné harmonické znečištění.
Navíc rychlé změny napětí a proudu v hardwarovém obvodu způsobují, že výkonová elektronická zařízení nesou velké elektrické napětí a způsobují vážné elektromagnetické rušení (EM1) okolním elektrickým zařízením a rádiovým vlnám a situace se zhoršuje. Mnoho zemí zformulovalo národní normy pro omezení harmonických. Mezinárodní institut elektrických a elektronických inženýrů (IEEE), Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) a Mezinárodní konference o velkých energetických sítích (CIGRE) zahájily své vlastní harmonické standardy. Čínská vláda také formulovala příslušné předpisy k omezení harmonických.
(1) Protiopatření pro harmonické a elektromagnetické rušení
1. Harmonické potlačení
Za účelem potlačení harmonických generovaných výkonovými elektronickými zařízeními je jednou metodou provedení harmonické kompenzace, to znamená nastavení zařízení pro harmonickou kompenzaci, aby se vstupní proud stal sinusovou vlnou.
Tradiční harmonické kompenzační zařízení používá filtr vyladěný IC, který dokáže kompenzovat harmonické i jalový výkon. Nevýhodou je, že kompenzační charakteristiky jsou ovlivněny impedancí sítě a provozním stavem a je snadné mít paralelní rezonanci se systémem, což vede k harmonickému zesílení a přetížení nebo dokonce spálení LC filtru. Kromě toho může kompenzovat pouze harmonické pevné frekvence a účinek není ideální.
Po popularizaci a aplikaci výkonových elektronických zařízení se stalo použití filtrů činného výkonu pro harmonickou kompenzaci důležitým směrem. Princip je detekovat harmonický proud z kompenzačního objektu a poté generovat kompenzační proud se stejnou velikostí a opačnou polaritou jako harmonický proud, takže síťový proud obsahuje pouze základní vlnovou složku. Tento filtr může sledovat a kompenzovat harmonické, jejichž frekvence a amplituda se mění, a kompenzační charakteristiky nejsou ovlivněny impedancí mřížky.
Hlavní metodou velkokapacitního převaděče ke snížení harmonických je použití více technologií: superpozice více čtvercových vln k eliminaci nižších harmonických, čímž se získá skoková vlna blízká sinusu. Čím větší je multiplicita, tím blíže je křivka sinus, ale složitější je struktura obvodu. Aby se dosáhlo nízkých harmonických a vysokého účiníku, převodníky s malou kapacitou obvykle používají usměrnění diod a sekání PWM, často nazývané korekce účiníku (PEC). Typické obvody zahrnují typ zesílení, typ zeslabení, typ zesílení buck a tak dále.
2. Potlačení elektromagnetického rušení
Opatření k řešení EMI spočívá v překonání nadměrné rychlosti nárůstu proudu di / dt a rychlosti nárůstu napětí du / dt, které se objevují při zapnutí a vypnutí spínacího zařízení. V současné době je věnována větší pozornost spínání nulového proudu (ZCS) a spínání nulového napětí (ZVS). ) Obvod. způsob je:
(1) Indukčnost je zapojena do série se spínacím zařízením, které může potlačit di / dt, když je spínací zařízení zapnuto, takže na zařízení není žádná oblast překrytí napětí a proudu, a snížit ztrátu vpřed;
(2) K spínacímu zařízení jsou připojeny paralelní kondenzátory, když je zařízení vypnuto, du / dt je zabráněno v růstu a na zařízení není žádná oblast překrytí napětí a proudu, což snižuje spínací ztrátu;
(3) K zařízení jsou připojeny antiparalelní diody. Během periody vedení diody je spínací zařízení ve stavu nulového napětí a nulového proudu. V tomto okamžiku je pohonné zařízení zapnuto nebo vypnuto, aby bylo dosaženo akcí ZVS a ZCS.
V současnosti běžněji používané technologie přepínání softwaru zahrnují částečné rezonanční PWM a bezztrátový tlumicí obvod.
(2) Kompenzace účiníku
První metodou je použití synchronního motoru, což je synchronní motor speciálně používaný k výrobě jalového výkonu. Využívá nadměrné buzení a nedostatečné buzení k vyzařování různých množství kapacitního nebo indukčního jalového výkonu. Jelikož se však jedná o rotující elektrický stroj, hluk a ztráta jsou velké, provoz a údržba jsou také komplikované a rychlost odezvy je pomalá. Proto v mnoha případech nebyl schopen splnit požadavky na rychlou kompenzaci jalového výkonu.
Další metodou je použití zařízení pro kompenzaci statického jalového výkonu s nasyceným reaktorem. Má výhody statického typu a rychlé rychlosti odezvy, ale protože jeho jádro musí být magnetizováno do nasyceného stavu, ztráta a šum jsou velké a existují určité speciální problémy nelineárních obvodů, které nelze upravit v fáze kompenzovat nevyváženost zátěže. Proto se nepodařilo obsadit hlavní proud kompenzačních zařízení se statickou var.
S neustálým vývojem technologie výkonové elektroniky byly statické var kompenzační zařízení využívající SCR, GTO a IGBT vyvíjeny mílovými kroky. Mezi nimi je nejvýkonnější generátor statických varů. Má výhody rychlé rychlosti nastavení a širokého provozního rozsahu a po přijetí více, víceúrovňových nebo PWM technik může výrazně snížit harmonický obsah v kompenzačním proudu. Ještě důležitější je, že reaktor a kapacitní komponenty použité v generátoru statického varu jsou malé, což výrazně snižuje velikost a náklady na zařízení. Generátor statického jalového výkonu představuje směr vývoje zařízení pro kompenzaci dynamického jalového výkonu.
Pět, závěrečné poznámky
Věříme, že výkonová elektronická technologie se v 21. století stane jednou z důležitých pilířových technologií. Technologie frekvenční konverze zaujímá významné postavení v oblasti technologie výkonové elektroniky. V posledních letech přitahoval pozornost vývoj v oblasti regulace vysokonapěťové frekvenční konverze a elektrické trakce. S integrací globální ekonomiky a přistoupením mé země ke Světové obchodní organizaci budou mít odvětví výkonové elektroniky a technologie frekvenční konverze v mé zemi nebývalé možnosti rozvoje.