S rýchlym vývojom výkonovej elektroniky a výpočtovej techniky sa regulácia otáčok na striedavý prúd stala vývojovým trendom, ktorý nahradzuje reguláciu otáčok na jednosmerný prúd. Regulácia rýchlosti frekvenčnej konverzie je považovaná za najsľubnejšiu metódu regulácie rýchlosti doma i v zahraničí pre svoju vynikajúcu reguláciu rýchlosti a štartovací a brzdný výkon. Technológia frekvenčnej konverzie je hlavnou technológiou regulácie rýchlosti striedavého prúdu, výkonová elektronika a počítačová technológia sú jadrom technológie frekvenčnej premeny a výkonové elektronické zariadenia sú základom technológie výkonovej elektroniky. Technológia výkonovej elektroniky je high-tech, ktorý sa v posledných rokoch rýchlo rozvíjal. Je široko používaný v oblastiach mechatroniky, motorových prevodoviek, letectva a tak ďalej. Teraz sa z nej stala špičková technológia, ktorú krajiny konkurujú v rozvoji. Odborníci predpovedajú, že vo vysoko rozvinutej oblasti automatického riadenia v 21. storočí sú počítačová technológia a technológia výkonovej elektroniky dve najdôležitejšie technológie.
1. Proces vývoja výkonových elektronických zariadení
Tyristory vyšli v USA na konci 50. rokov 20. storočia a znamenali tak zrod technológie výkonovej elektroniky. Prvou generáciou výkonových elektronických zariadení je hlavne kremíkom riadený usmerňovač (SCR), ktorý bol v sedemdesiatych rokoch minulého storočia uvedený v mojej krajine ako technológia šetriaca energiu a celoštátne propagovaný. SCR je však čiastočne kontrolované spínacie zariadenie, ktoré dokáže ovládať iba jeho zapnutie, ale nie jeho vypnutie. Je obmedzený na použitie striedavých pohonov a napájacích zdrojov s premenlivou frekvenciou. Výkonové tranzistory (GTR), hradlové vypínacie tyristory (GTO), výkonové tranzistory MOS s efektom poľa (PowerMOSFET), izolované hradlové tranzistory (IGBT), statické indukčné tranzistory (SIT) a statické indukčné tyristory (SITH), vynájdené postupne po 70. rokoch 20. storočia , atď. Ich spoločnou vlastnosťou je kontrola ich vedenia a vypínania. Sú to plne riadené spínacie zariadenia. Pretože nie je potrebný žiadny obvod prevodníka, objem a hmotnosť sú v porovnaní s SCR výrazne znížené. V súčasnosti sa z IGBT stalo mainstreamové zariadenie so svojimi vynikajúcimi vlastnosťami a určité postavenie má aj GTO s veľkou kapacitou.
Mnoho krajín tvrdo pracuje na vývoji veľkokapacitných zariadení a 6 000 V IGBT sa vyrábalo v zahraničí. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) je nový typ zariadenia, ktorý kombinuje výhody IGBT a GTO. Vzorky 1 000 A / 4 500 V už vyšli. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) používa vyrovnávaciu vrstvu a transparentný žiarič na základe GTO. Je ekvivalentom tyristora, keď je zapnutý, a tranzistora, keď je vypnutý, čím účinne koordinuje rozpor medzi napätím v zapnutom stave a blokovacím napätím a pracovná frekvencia môže dosiahnuť niekoľko Kilohertz [2] [3 ]. Švajčiarska spoločnosť ABB uviedla na trh IGCT až do 4500-6000V, 3000-3500A. Spoločnosť MCT odišla do dôchodku kvôli malému pokroku a vývoj IGCT spôsobil, že zaujala dôležité postavenie v novom vzore výkonových elektronických zariadení. V porovnaní s vyspelými krajinami má moja krajina väčšie rozdiely vo výrobe zariadení ako v aplikáciách. Najnovší vývoj v zahraničí majú nové výkonové zariadenia, ako sú vysoko výkonné výkopové hradlové moduly IGBT, IEGT, hradlové tyristory MOS, vysokonapäťové vysokofrekvenčné usmerňovacie diódy arzenidu gália, karbid kremíka (SIC) a ďalšie nové výkonové zariadenia. Predpokladá sa, že použitie nových polovodičových materiálov, ako sú GaAs a SiC, na výrobu silových zariadení na realizáciu&ľudí pri hľadaní ideálnych zariadení GG; bude hlavným trendom vo vývoji výkonových elektronických zariadení v 21. storočí.
Vysoko spoľahlivé výkonové elektronické stavebné bloky (PEBB) a integrované výkonové elektronické moduly (IPEM) sú novými hotspotmi v nedávnom vývoji výkonovej elektronickej technológie v USA. Tvrdá konkurencia medzi GTO a IGCT, IGCT a vysokonapäťovými IGBT a inými novými výkonovými elektronickými zariadeniami určite prinesie viac príležitostí a výziev pre vývoj nových výkonových elektronických technológií a technológií frekvenčnej premeny v 21. storočí.
2. Proces vývoja technológie frekvenčnej premeny
Technológia frekvenčnej premeny sa zrodila v reakcii na potrebu plynulej regulácie otáčok striedavých motorov. Obnova výkonovej elektroniky podporuje premenu energie
Neustály vývoj technológií. Spočiatku sa technológia frekvenčnej premeny obmedzovala na frekvenčnú premenu a nie na premenlivé napätie. Od 70. rokov minulého storočia priťahuje pozornosť ľudí v oblasti výskumu rýchlosti regulácie frekvenčnej premeny pulznej šírky (PWM-VVVF) pulznej šírky modulácie. V 80. rokoch problém optimalizácie režimu PWM ako jadra technológie frekvenčnej premeny prilákal veľký záujem ľudí o&# 39 a bolo získaných veľa optimalizačných režimov, ako napríklad: metóda pozdĺžneho delenia modulačných vĺn, technológia PWM s fázovou nosnou, fáza - technológia PWM s posunutou nosnou, modulácia nosnej vlny Wave simultánna technológia fázového posúvania PWM a tak ďalej.
Ovládanie invertora VVVF je pomerne jednoduché a jeho mechanické vlastnosti sú tiež dobré. Môže spĺňať požiadavky na plynulú reguláciu rýchlosti bežného prevodu a bol široko používaný v rôznych priemyselných odvetviach. Keď je však táto metóda riadenia na nízkej frekvencii, pretože výstupné napätie je malé, je vplyv poklesu napätia statorového odporu výraznejší, takže sa znižuje maximálny výstupný krútiaci moment.
Metóda regulácie rýchlosti prevodovej frekvencie vektorového riadenia je: statorové striedavé prúdy Ia, Ib a Ic asynchrónneho motora v trojfázovom súradnicovom systéme sú transformované na jednosmerné prúdy Iml, Itl pod synchrónnym rotujúcim súradnicovým systémom prostredníctvom troch- fázová na dvojfázovú transformáciu. Potom napodobnite riadiacu metódu jednosmerného motora, získajte riadiacu veličinu jednosmerného motora a realizujte riadenie asynchrónneho motora zodpovedajúcou súradnicovou inverznou transformáciou.
Priame riadenie krútiaceho momentu priamo analyzuje matematický model striedavého motora v súradnicovom systéme statora a riadi väzbu toku a krútiaci moment motora. Nie je potrebné transformovať striedavý motor na ekvivalentný jednosmerný motor, čím sa eliminuje veľa komplikovaných výpočtov pri transformácii vektorovej rotácie; nemusí napodobňovať riadenie jednosmerného motora, ani nemusí zjednodušovať matematický model striedavého motora na oddelenie.
Frekvenčná konverzia VVVF, vektorová frekvenčná konverzia a priama frekvenčná konverzia krútiaceho momentu sú všetko frekvenčné konverzie AC-DC-AC. Spoločnou nevýhodou je, že vstupný výkonový faktor je nízky, harmonický prúd je veľký, obvod DC vyžaduje veľký kondenzátor na ukladanie energie a regeneratívna energia sa nemôže dodávať späť do siete, to znamená, že nie je možné vykonať štvorkvadrantovú prevádzku. . Z tohto dôvodu vznikla maticová frekvenčná konverzia AC-AC.
3. Technológia frekvenčnej premeny a domáce spotrebiče
V 70. rokoch sa domáce spotrebiče začali prevádzať na frekvenčnú premenu a elektromagnetické kuchynské spotrebiče, frekvenčné konverzné osvetľovacie prístroje, klimatizačné zariadenia s frekvenčnou konverziou, mikrovlnné rúry s frekvenčnou konverziou, chladničky s frekvenčnou konverziou, IH (indukčný ohrev) buchty, frekvenčné práčky , atď. [4].
Na konci 20. storočia sa domáce spotrebiče spoliehali na technológiu frekvenčnej premeny, zameranú hlavne na vysokú funkčnosť a úsporu energie.
Prvou je chladnička. Pretože to funguje celý deň, kompresor po prijatí chladenia s frekvenčnou konverziou vždy beží na nízkych otáčkach, čo môže úplne eliminovať hluk spôsobený spustením kompresora, a efekt úspory energie je zreteľnejší. Po druhé, potom, čo klimatizácia použije frekvenčnú premenu, rozšíri sa pracovný rozsah kompresora a bude možné realizovať riadenie chladenia a kúrenia bez prerušovaného chodu kompresora, aby sa znížila spotreba energie a eliminovali nepríjemné pocity spôsobené teplotou. zmeny. V posledných rokoch nové chladničky s frekvenčnou konverziou nielen znížili spotrebu energie a dosiahli tichosť, ale tiež dosiahli rýchle zmrazenie pomocou vysokorýchlostnej prevádzky.
V práčke sa v minulosti používala regulácia s variabilnou frekvenciou na dosiahnutie regulácie s premennou rýchlosťou na zlepšenie výkonu prania. Okrem úspory energie a ticha priniesla nová populárna práčka aj nový ovládací obsah, ktorý zaisťuje jemné pranie odevov; elektromagnetické sporáky používajú vysokofrekvenčnú indukciu. Vykurovanie robí z hrnca teplo priamo bez horúcej časti plynového a elektrického ohrevu, takže je nielen bezpečné, ale aj výrazne zvyšuje účinnosť ohrevu. Jeho pracovná frekvencia je vyššia ako sluchový zmysel, čím sa eliminuje hluk spôsobovaný vibráciami hrnca na ryžu.
Po štvrté, škoda spôsobená výkonnými elektronickými zariadeniami a protiopatreniami
Fázovo riadené usmerňovanie a nekontrolovateľné usmerňovanie diód vo výkonových elektronických zariadeniach spôsobujú vážne skreslenie priebehu vstupného prúdu, čo nielen výrazne znižuje výkonový faktor systému, ale spôsobuje aj vážne harmonické znečistenie.
Okrem toho rýchle zmeny napätia a prúdu v hardvérovom obvode spôsobujú, že výkonové elektronické zariadenia znášajú veľké elektrické napätie a spôsobujú vážne elektromagnetické rušenie (EM1) v okolitých elektrických zariadeniach a rádiových vlnách. Situácia sa zhoršuje. Mnoho krajín vypracovalo národné normy na obmedzenie harmonických. Medzinárodný inštitút elektrotechnických a elektronických inžinierov (IEEE), Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) a Medzinárodná konferencia o veľkých energetických sieťach (CIGRE) zaviedli svoje vlastné harmonické normy. Čínska vláda tiež sformulovala príslušné nariadenia na obmedzenie harmonických.
(1) Protiopatrenia na harmonické a elektromagnetické rušenie
1. Harmonické potlačenie
Na potlačenie harmonických generovaných výkonovými elektronickými zariadeniami je jednou metódou vykonanie harmonickej kompenzácie, to znamená nastavenie zariadenia na harmonickú kompenzáciu, aby sa zo vstupného prúdu stala sínusová vlna.
Tradičné zariadenie na kompenzáciu harmonických používa IC ladený filter, ktorý dokáže kompenzovať harmonické aj jalový výkon. Nevýhodou je, že kompenzačné charakteristiky sú ovplyvnené impedanciou siete a prevádzkovým stavom a je ľahké mať paralelnú rezonanciu so systémom, čo vedie k harmonickému zosilneniu a preťaženiu alebo dokonca spáleniu LC filtra. Okrem toho môže kompenzovať iba harmonické s pevnou frekvenciou a efekt nie je ideálny.
Po popularizácii a aplikácii výkonových elektronických zariadení sa dôležitým smerom stalo použitie filtrov aktívneho výkonu na harmonickú kompenzáciu. Princíp je detekovať harmonický prúd z kompenzačného objektu a potom generovať kompenzačný prúd s rovnakou veľkosťou a opačnou polaritou ako harmonický prúd, takže sieťový prúd obsahuje iba základnú vlnovú zložku. Tento filter dokáže sledovať a kompenzovať harmonické, ktorých frekvencia a amplitúda sa menia, a kompenzačné charakteristiky nie sú ovplyvnené impedanciou mriežky.
Hlavnou metódou veľkokapacitného prevodníka na zníženie harmonických je použitie viacerých technológií: superponujte viac štvorcových vĺn na elimináciu nižších harmonických, čím získate krokovú vlnu blízku sínusu. Čím viac je multiplicity, tým je tvar vlny bližšie k sínusu, ale zložitejšia je štruktúra obvodu. Aby sa dosiahlo nízkych harmonických a vysokého účinníka, nízkokapacitné prevodníky zvyčajne používajú usmernenie diódy a sekvenciu PWM, často nazývanú korekcia účinníka (PEC). Typické obvody zahŕňajú typ zosilnenia, typ zosilnenia, typ zosilnenia dolára atď.
2. Potlačenie elektromagnetického rušenia
Opatrením na riešenie EMI je prekonanie nadmernej rýchlosti zvyšovania prúdu di / dt a rýchlosti zvyšovania napätia du / dt, ktoré sa objavujú pri zapnutí a vypnutí spínacieho zariadenia. V súčasnosti sa viac pozornosti venuje prepínaniu nulového prúdu (ZCS) a prepínaniu nulového napätia (ZVS). ) Obvod. spôsob je:
(1) Indukčnosť je zapojená do série so spínacím zariadením, ktoré dokáže potlačiť di / dt, keď je spínacie zariadenie zapnuté, takže na zariadení nie je oblasť prekrytia napätia a prúdu, a znižovať stratu vpred;
(2) K spínaciemu zariadeniu sú pripojené paralelné kondenzátory, keď je zariadenie vypnuté, du / dt je zabránené v stúpaní a na prístroji nie je oblasť prekrytia napätia a prúdu, čo znižuje stratu spínania;
(3) K zariadeniu sú pripojené antiparalelné diódy. Počas obdobia vedenia diódy je spínacie zariadenie v stave nulového napätia a nulového prúdu. V tejto dobe je pohonné zariadenie zapnuté alebo vypnuté, aby sa dosiahli akcie ZVS a ZCS.
V súčasnosti najbežnejšie používané technológie prepínania softvéru zahŕňajú čiastočné rezonančné PWM a bezstratový tlmiaci obvod.
(2) Kompenzácia účinníka
Prvou metódou je použitie synchrónneho motora, ktorý je synchrónnym motorom špeciálne používaným na generovanie jalového výkonu. Využíva nadmerné budenie a nedostatočné budenie na emitovanie rôznych množstiev kapacitného alebo indukčného jalového výkonu. Pretože sa však jedná o rotujúci elektrický stroj, hluk a strata sú veľké, komplikovaná je aj prevádzka a údržba a rýchlosť odozvy je pomalá. Preto v mnohých prípadoch nebol schopný splniť požiadavky na rýchlu kompenzáciu jalového výkonu.
Ďalšou metódou je použitie zariadenia na kompenzáciu statického jalového výkonu s nasýteným reaktorom. Má výhody statického typu a rýchlej rýchlosti odozvy, ale pretože je potrebné magnetizovať jeho jadro do nasýteného stavu, sú straty a šum veľké a s nelineárnymi obvodmi sa spájajú niektoré špeciálne problémy, ktoré sa nedajú upraviť v fáza na vyrovnanie nevyváženosti záťaže. Preto nedokázala obsadiť hlavný prúd zariadení na vyrovnávanie statických varov.
S neustálym vývojom technológie výkonovej elektroniky boli statické kompenzačné zariadenia varu využívajúce SCR, GTO a IGBT vyvinuté míľovými krokmi. Medzi nimi je najvýkonnejší generátor statickej variácie. Má výhody rýchlej úpravy a veľkého prevádzkového rozsahu a po prijatí viacerých, viacúrovňových alebo PWM techník môže výrazne znížiť harmonický obsah kompenzačného prúdu. Dôležitejšie je, že reaktor a kapacitné komponenty použité v generátore statického varu sú malé, čo výrazne zmenšuje veľkosť a náklady na zariadenie. Generátor statického jalového výkonu predstavuje smer vývoja dynamických kompenzačných zariadení jalového výkonu.
Päť, záverečné poznámky
Veríme, že výkonová elektronická technológia sa v 21. storočí stane jednou z dôležitých pilierových technológií. Technológia frekvenčnej premeny zaujíma významné postavenie v oblasti technológie výkonovej elektroniky. V posledných rokoch priťahoval pozornosť vývoj v oblasti regulácie rýchlosti konverzie stredného napätia a elektrickej trakcie. Vďaka integrácii globálneho hospodárstva a pristúpeniu mojej krajiny k Svetovej obchodnej organizácii budú mať odvetvia výkonovej elektroniky a technológie frekvenčnej premeny v našej krajine bezprecedentné príležitosti na rozvoj.