З бурхливим розвитком силової електроніки та комп’ютерних технологій регулювання швидкості змінного струму стало тенденцією розвитку на зміну регулюванню швидкості постійного струму. Регулювання частоти перетворення частоти визнано найперспективнішим методом регулювання швидкості в країні та за кордоном завдяки чудовому регулюванню швидкості та характеристикам запуску та гальмування. Технологія перетворення частоти є основною технологією регулювання швидкості змінного струму, силова електроніка та комп'ютерна техніка є ядром технології перетворення частоти, а силові електронні пристрої є основою технології силової електроніки. Технологія енергетичної електроніки - це високотехнологічне обладнання, яке швидко розвивалося в останні роки. Він широко використовується в галузях мехатроніки, трансмісії двигунів, аерокосмічної промисловості тощо. Зараз це стало високотехнологічним, що країни змагаються за розвиток. Експерти прогнозують, що у високорозвиненій галузі автоматичного управління в 21 столітті комп'ютерні технології та технологія силової електроніки є двома найважливішими технологіями.
1. Процес розробки силових електронних пристроїв
Тиристори вийшли в Сполучених Штатах наприкінці 1950-х років, знаменуючи народження технологій силової електроніки. Перше покоління силових електронних пристроїв - це переважно випрямляч із керованим кремнієм (SCR), який був перерахований як енергозберігаюча технологія в моїй країні в 1970-х роках і просувався по всій країні. Однак SCR - це напівкерований комутаційний пристрій, який може контролювати лише своє включення, але не його вимикання. Він обмежений у застосуванні приводів змінного струму та джерел живлення змінної частоти. Силові транзистори (GTR), тиристори з відключенням воріт (GTO), силові транзистори з польовим ефектом MOS (PowerMOSFET), транзистори із ізольованими воротами (IGBT), статичні індукційні транзистори (SIT) та статичні індукційні тиристори (SITH), винайдені послідовно після 1970-х тощо. Їх спільною особливістю є контроль їх провідності та відключення. Вони повністю контролюються комутаційними пристроями. Оскільки схема перетворювача не потрібна, об'єм і вага значно зменшуються в порівнянні з SCR. В даний час IGBT став основним пристроєм з його чудовими характеристиками, і GTO з великою ємністю також займає певне місце.
Багато країн наполегливо працюють над розробкою пристроїв великої ємності, і за кордоном вироблено IGBT-пристрої 6000 В. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) - це новий тип пристроїв, що поєднує в собі переваги IGBT та GTO. Зразки 1000A / 4500V вже вийшли. IGCT (інтегрованийгатеомутованийтиристор) використовує буферний шар і прозорий випромінювач на основі GTO. Це еквівалентно тиристору, коли він увімкнений, і транзистору, коли він вимкнений, таким чином ефективно координуючи протиріччя між напругою, що перебуває в стані, і напругою блокування, а робоча частота може досягати декількох кілогерц [2] [3 ]. Швейцарська компанія ABB випустила IGCT до 4500-6000V, 3000-3500A. MCT вийшов у відставку через незначний прогрес, і розвиток IGCT змусив його зайняти важливе місце в новій схемі силових електронних пристроїв. Порівняно з розвиненими країнами, у моїй країні більший розрив у виробництві пристроїв, ніж у застосуванні. Нові силові пристрої, такі як потужні траншеєві модулі IGBT, IEGT, MOS-тиристори, високочастотні випрямні діоди арсеніду галію, карбід кремнію (SIC) та інші нові силові пристрої мають останні розробки за кордоном. Вважається, що використання нових напівпровідникових матеріалів, таких як GaAs і SiC, для виготовлення силових пристроїв для реалізації людьми' прагнення" ідеальних пристроїв" стане головною тенденцією розвитку енергетичних електронних пристроїв у 21 столітті.
Високонадійні силові електронні будівельні блоки (PEBB) та інтегровані силові електронні модулі (IPEM) є новими гарячими точками нещодавнього розвитку енергетичних електронних технологій у Сполучених Штатах. Жорстка конкуренція між GTO та IGCT, IGCT та високовольтними IGBT та іншими новими силовими електронними пристроями, безсумнівно, принесе більше можливостей та проблем для розвитку нових енергетичних електронних технологій та технологій перетворення частоти у 21 столітті.
2. Процес розробки технології перетворення частоти
Технологія перетворення частоти народилася у відповідь на необхідність плавного регулювання швидкості двигунів змінного струму. Оновлення силової електроніки сприяє перетворенню енергії
Постійний розвиток технологій. Спочатку технологія перетворення частоти обмежувалась перетворенням частоти, а не змінною напругою. З 1970-х років дослідження регулювання швидкості перетворення частоти змінної напруги (ШІМ-VVVF) із широтно-імпульсною модуляцією привернуло увагу людей' У 1980-х роках проблема оптимізації ШІМ-режиму як ядра технології перетворення частоти привернула до людей великий інтерес у' було отримано багато режимів оптимізації, таких як: метод поздовжнього поділу хвилі модуляції, технологія ШІМ-фази на несучій фазі -переміщена технологія ШІМ несучої, модуляція несучої хвилі з одночасним зміщенням фаз ШІМ-технології тощо.
Управління інвертором VVVF є відносно простим, і його механічні властивості також хороші. Він може задовольнити вимоги плавного регулювання швидкості загальної трансмісії та широко використовувався в різних галузях промисловості. Однак, коли цей метод управління знаходиться на низькій частоті, оскільки вихідна напруга невелика, вплив падіння напруги опору статора є більш значним, тому максимальний вихідний крутний момент зменшується.
Метод регулювання частоти перетворення частоти управління частотою полягає в тому, що змінні струми статора Ia, Ib та Ic асинхронного двигуна в трифазній системі координат перетворюються в постійні струми Iml, Itl під синхронною обертовою системою координат через три- фазове до двофазне перетворення. , Потім імітуйте метод управління двигуном постійного струму, отримайте контрольну кількість двигуна постійного струму та реалізуйте управління асинхронним двигуном за допомогою відповідного зворотного перетворення координат.
Прямий контроль крутного моменту безпосередньо аналізує математичну модель двигуна змінного струму в системі координат статора, а також керує потоковим зв’язком і крутним моментом двигуна. Не потрібно перетворювати двигун змінного струму в еквівалентний двигун постійного струму, усуваючи тим самим багато складних розрахунків при векторному перетворенні обертання; йому не потрібно імітувати управління двигуном постійного струму, а також не потрібно спрощувати математичну модель двигуна змінного струму для роз'єднання.
Перетворення частоти VVVF, перетворення частоти векторного управління та перетворення частоти прямого моменту - це перетворення частоти змінного струму в постійний струм. Загальним недоліком є те, що коефіцієнт вхідної потужності низький, струм гармоніки великий, ланцюг постійного струму вимагає великого накопичувача конденсатора енергії, а відновлювальна енергія не може бути подана назад до мережі, тобто не може бути виконана операція з чотирьох квадрантів . З цієї причини виникло матричне перетворення змінного та змінного струму.
3. Технологія перетворення частоти та побутова техніка
У 1970-х роках побутові прилади стали перетворюватися на перетворення частоти, а електромагнітні кухонні прилади, прилади освітлення з перетворенням частоти, кондиціонери з перетворенням частоти, мікрохвильові печі з перетворенням частоти, холодильники з перетворенням частоти, рисові булочки з ІХ (індукційним нагріванням), пральні машини з перетворенням частоти та ін. [4].
Наприкінці 20 століття побутова техніка спиралася на технологію перетворення частоти, головним чином націлену на високу функціональність та економію енергії.
Перший - це холодильник. Оскільки компресор працює цілий день, компресор завжди працює на низькій швидкості після прийняття охолодження з перетворенням частоти, що може повністю усунути шум, спричинений запуском компресора, і ефект енергозбереження є більш очевидним. По-друге, після того, як кондиціонер використовує перетворення частоти, робочий діапазон компресора розширюється, і управління охолодженням та нагріванням може бути реалізовано без роботи компресора в переривчастому стані, щоб зменшити споживання енергії та усунути дискомфорт, викликаний температурою зміни. В останні роки нові холодильники з перетворенням частоти не тільки зменшили споживання енергії та досягли тихості, але й домоглися швидкого заморожування завдяки високошвидкісній роботі.
У минулому в пральній машині регулювання змінної частоти використовувалось для досягнення регулювання змінної швидкості для поліпшення прання. Окрім енергозбереження та тихості, нещодавно популярна пральна машина також представила новий вміст управління, щоб забезпечити м’яке прання одягу; електромагнітні плити використовують високочастотну індукційну індукцію. Нагрівання робить нагрівання каструлі безпосередньо без гарячої частини газового та електричного опалення, тому це не тільки безпечно, але й значно покращує ефективність нагрівання. Його робоча частота вища, ніж слуховий, тим самим усуваючи шум, спричинений вібрацією рисової каструлі.
По-четверте, шкода, заподіяна силовими електронними пристроями та контрзаходами
Випрямлення з контролем фази та неконтрольоване випрямлення діодів в силових електронних пристроях спричиняють серйозні спотворення форми сигналу вхідного струму, що не тільки значно зменшує коефіцієнт потужності системи, але також спричиняє серйозне гармонійне забруднення.
Крім того, швидкі зміни напруги та струму в апаратній схемі змушують силові електронні пристрої зазнавати великих електричних напружень та спричиняють серйозні електромагнітні перешкоди (EM1) навколишньому електрообладнанню та радіохвилям, і ситуація погіршується. Багато країн сформулювали національні стандарти для обмеження гармонік. Міжнародний інститут інженерів електротехніки та електроніки (IEEE), Міжнародна електротехнічна комісія (IEC) та Міжнародна конференція з великих електромереж (CIGRE) випустили власні гармонічні стандарти. Уряд Китаю також сформулював відповідні норми щодо обмеження гармонік.
(1) Контрзаходи щодо гармонік та електромагнітних перешкод
1. Гармонічне придушення
Для того, щоб придушити гармоніки, що генеруються силовими електронними пристроями, один із методів полягає у виконанні гармонічної компенсації, тобто в установці пристрою гармонічної компенсації, який робить вхідний струм синусоїдою.
Традиційний пристрій для компенсації гармонік використовує налаштований ІЧ-фільтр, який може компенсувати як гармоніку, так і реактивну потужність. Недоліком є те, що на характеристики компенсації впливає імпеданс мережі та робочий стан, і легко мати паралельний резонанс із системою, що призводить до посилення гармоніки, а також перевантажує або навіть спалює LC-фільтр. Крім того, він може лише компенсувати гармоніки фіксованої частоти, а ефект не є ідеальним.
Після популяризації та застосування силових електронних пристроїв важливим напрямком стало використання фільтрів активної потужності для гармонічної компенсації. Принцип полягає в тому, щоб виявити гармонічний струм від об'єкта компенсації, а потім генерувати компенсаційний струм з такою ж величиною і протилежною полярністю, що і струм гармоніки, так що струм сітки містить лише основну хвильову складову. Цей фільтр може відстежувати та компенсувати гармоніки, частота та амплітуда яких змінюється, а на характеристики компенсації не впливає імпеданс сітки.
Основним методом перетворювача великої ємності для зменшення гармонік є використання декількох технологій: накладання декількох квадратних хвиль для усунення нижчих гармонік, отримуючи тим самим ступінчасту хвилю, близьку до синуса. Чим більше кратність, тим ближче сигнал до синуса, але тим складніша структура ланцюга. Для досягнення низьких гармонік і високого коефіцієнта потужності перетворювачі малої ємності зазвичай використовують діодне випрямлення та ШІМ-подрібнення, яке часто називають корекцією коефіцієнта потужності (PEC). Типові схеми включають тип підсилення, знижуючий тип, тип підсилення і так далі.
2. Придушення електромагнітних перешкод
Заходом для вирішення ЕМІ є подолання надмірної швидкості зростання струму di / dt та швидкості зростання напруги du / dt, які виникають при включенні та вимиканні комутаційного пристрою. В даний час більше уваги приділяється комутації нульового струму (ZCS) та комутації нульової напруги (ZVS). ) Схема. шлях такий:
(1) Індуктивність з'єднана послідовно з комутаційним пристроєм, який може придушити di / dt, коли комутаційний пристрій увімкнено, так що на пристрої відсутня зона перекриття напруги та струму, і зменшити прямі втрати;
(2) Паралельні конденсатори підключені до комутаційного пристрою, коли пристрій вимкнено, du / dt забороняється підніматися, і на пристрої немає області перекриття напруги та струму, що зменшує втрати на комутацію;
(3) Антипаралельні діоди підключені до пристрою. Протягом періоду провідності діода комутаційний пристрій знаходиться в нульовому стані та нульовому струмі. У цей час приводний пристрій вмикається або вимикається для досягнення дій ZVS та ZCS.
В даний час найбільш часто використовувані технології комутації програмного забезпечення включають частково резонансну ШІМ та снубер-схему без втрат.
(2) Компенсація коефіцієнта потужності
Ранній спосіб полягає у використанні синхронного двигуна, який є синхронним двигуном, спеціально використовуваним для генерації реактивної потужності. Він використовує надзбудження та надзбудження, щоб відповідно випромінювати різну кількість ємнісної або індуктивної реактивної потужності. Однак, оскільки це електрична машина, що обертається, шум і втрати великі, експлуатація та технічне обслуговування також ускладнені, а швидкість реакції повільна. Тому в багатьох випадках він не зміг задовольнити вимоги швидкої компенсації реактивної потужності.
Іншим методом є використання пристрою для компенсації статичної реактивної потужності з насиченим реактором. Він має переваги статичного типу та швидкої швидкості відгуку, але оскільки його серцевину потрібно намагнічувати до насиченого стану, втрати та шум великі, і є деякі особливі проблеми нелінійних ланцюгів, і їх неможливо регулювати в фаза для компенсації дисбалансу навантаження. Тому він не зміг зайняти основний потік пристроїв статичної компенсації змінної напруги.
З постійним розвитком технології силової електроніки, статичні пристрої з компенсацією змінної напруги з використанням SCR, GTO та IGBT були розроблені стрибкоподібно. Серед них статичний генератор змінних струмів є найбільш вищим. Він має переваги швидкої швидкості регулювання та широкого робочого діапазону, а після застосування багаторівневих, багаторівневих або ШІМ-методів може значно зменшити вміст гармоніки в компенсаційному струмі. Що ще важливіше, реактор та ємнісні компоненти, що використовуються у статичному генераторі перемінного струму, малі, що значно зменшує розмір та вартість пристрою. Статичний генератор реактивної потужності представляє напрямок розвитку пристроїв динамічної компенсації реактивної потужності.
П’ять, заключне слово
Ми віримо, що енергетичні електронні технології стануть однією з важливих опорних технологій у 21 столітті. Технологія перетворення частоти займає важливе місце в галузі технологій силової електроніки. В останні роки привернув увагу розвиток у галузі регулювання швидкості перетворення частоти середньої напруги та електричної тяги. З інтеграцією світової економіки та вступом моєї країни до Світової організації торгівлі галузі енергетики та перетворення частоти моєї країни матимуть безпрецедентні можливості розвитку.