Met de snelle ontwikkeling van vermogenselektronica en computertechnologie is AC-snelheidsregeling een ontwikkelingstrend geworden om DC-snelheidsregeling te vervangen. Frequentieconversie snelheidsregeling wordt erkend als de meest veelbelovende snelheidsregelmethode in binnen- en buitenland vanwege zijn uitstekende snelheidsregeling en start- en remprestaties. Frequentieconversietechnologie is de kerntechnologie van AC-snelheidsregeling, vermogenselektronica en computertechnologie vormen de kern van frequentieconversietechnologie, en vermogenselektronische apparaten vormen de basis van vermogenselektronicatechnologie. De technologie van vermogenselektronica is een hightech die zich de laatste jaren snel heeft ontwikkeld. Het wordt veel gebruikt op het gebied van mechatronica, motortransmissie, ruimtevaart enzovoort. Het is nu een hightech geworden waar landen mee concurreren om te ontwikkelen. Experts voorspellen dat in het hoogontwikkelde gebied van automatische besturing in de 21e eeuw computertechnologie en vermogenselektronicatechnologie de twee belangrijkste technologieën zijn.
1. Het ontwikkelingsproces van elektronische vermogensapparaten
Thyristors kwamen eind jaren vijftig in de Verenigde Staten op de markt en markeerden de geboorte van de technologie voor vermogenselektronica. De eerste generatie vermogenselektronische apparaten is voornamelijk siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR), die in de jaren zeventig in mijn land werd vermeld als een energiebesparende technologie en in het hele land werd gepromoot. SCR is echter een semi-gecontroleerd schakelapparaat dat alleen het inschakelen kan regelen, maar niet het uitschakelen. Het is beperkt in de toepassing van frequentieregelaars en voedingen met variabele frequentie. Vermogenstransistors (GTR), gate turn-off thyristors (GTO), power MOS-veldeffecttransistoren (PowerMOSFET), geïsoleerde gate-transistoren (IGBT), statische inductietransistors (SIT) en statische inductiethyristors (SITH), achtereenvolgens uitgevonden na de jaren 70 , enz. Hun gemeenschappelijk kenmerk is om hun geleiding en uitschakeling te regelen. Het zijn volledig gecontroleerde schakelapparaten. Omdat er geen convertercircuit nodig is, zijn het volume en het gewicht aanzienlijk verminderd in vergelijking met SCR. Op dit moment is IGBT een mainstream-apparaat geworden met zijn uitstekende eigenschappen, en GTO met grote capaciteit heeft ook een bepaalde positie.
Veel landen werken er hard aan om apparaten met een grote capaciteit te ontwikkelen en in het buitenland zijn 6000V IGBT's geproduceerd. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) is een nieuw type apparaat dat de voordelen van IGBT en GTO combineert. Er zijn al monsters van 1000A/4500V verschenen. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) maakt gebruik van een bufferlaag en een transparante emitter op basis van GTO. Het is gelijk aan een thyristor wanneer deze is ingeschakeld en een transistor wanneer deze is uitgeschakeld, waardoor de tegenstelling tussen de aan-toestandsspanning en de blokkeerspanning effectief wordt gecoördineerd, en de werkfrequentie kan enkele kilohertz bereiken [2][3 ]. Het Zwitserse ABB-bedrijf heeft IGCT gelanceerd tot 4500-6000V, 3000-3500A. MCT ging met pensioen vanwege weinig vooruitgang, en de ontwikkeling van IGCT zorgde ervoor dat het een belangrijke positie innam in het nieuwe patroon van vermogenselektronica. Vergeleken met ontwikkelde landen heeft mijn land een grotere kloof in de fabricage van apparaten dan in de toepassing. Nieuwe vermogensapparaten zoals IGBT-modules met een hoog vermogen met geulpoortstructuur, IEGT, MOS-gated thyristors, hoogspanningsgalliumarsenide hoogfrequente gelijkrichtdiodes, siliciumcarbide (SIC) en andere nieuwe vermogensapparaten hebben de nieuwste ontwikkelingen in het buitenland. Er wordt aangenomen dat het gebruik van nieuwe halfgeleidermaterialen zoals GaAs en SiC om stroomapparaten te maken om mensen te realiseren's streven naar"ideale apparaten" zal de belangrijkste trend zijn in de ontwikkeling van vermogenselektronica in de 21e eeuw.
Zeer betrouwbare vermogenselektronica-bouwstenen (PEBB) en geïntegreerde vermogenselektronica-modules (IPEM) zijn nieuwe hotspots in de recente ontwikkeling van vermogenselektronica-technologie in de Verenigde Staten. De felle concurrentie tussen GTO en IGCT, IGCT en hoogspannings-IGBT en andere nieuwe vermogenselektronica zal zeker meer kansen en uitdagingen met zich meebrengen voor de ontwikkeling van nieuwe vermogenselektronicatechnologieën en frequentieconversietechnologieën in de 21e eeuw.
2. Het ontwikkelingsproces van frequentieconversietechnologie
Frequentieconversietechnologie werd geboren als reactie op de behoefte aan traploze snelheidsregeling van AC-motoren. Vernieuwing van vermogenselektronica bevordert vermogensconversie
De continue ontwikkeling van technologie. Aanvankelijk was de frequentieconversietechnologie beperkt tot frequentieconversie en niet tot variabele spanning. Sinds de jaren 70 heeft het onderzoek naar pulsbreedtemodulatie variabele spanningsfrequentie-omzetting (PWM-VVVF) snelheidsregeling de aandacht van mensen getrokken. In de jaren 80 trok het PWM-modusoptimalisatieprobleem als de kern van de frequentieconversietechnologie de sterke interesse van mensen', en er werden veel optimalisatiemodi verkregen, zoals: modulatiegolf longitudinale verdelingsmethode, in-fase draaggolf PWM-technologie, fase -verschoven draaggolf PWM-technologie, draaggolfmodulatie Wave gelijktijdige faseverschuivende PWM-technologie enzovoort.
De besturing van de VVVF-omvormer is relatief eenvoudig en de mechanische eigenschappen zijn ook goed. Het kan voldoen aan de soepele snelheidsregelgevingsvereisten van algemene transmissie en is op grote schaal gebruikt in verschillende industriële sectoren. Wanneer deze regelmethode echter een lage frequentie heeft, omdat de uitgangsspanning klein is, is de invloed van de spanningsval van de statorweerstand groter, dus het maximale uitgangskoppel wordt verminderd.
De methode van vectorbesturingsfrequentie-omzettingssnelheidsregeling is: de statorwisselstromen Ia, Ib en Ic van de asynchrone motor in het driefasige coördinatensysteem worden omgezet in de gelijkstroomstromen Iml, Itl onder het synchrone roterende coördinatensysteem via drie- fase-naar-tweefase-transformatie. , Imiteer vervolgens de besturingsmethode van de DC-motor, verkrijg de besturingshoeveelheid van de DC-motor en realiseer de besturing van de asynchrone motor via de overeenkomstige inverse transformatie van de coördinaten.
Directe koppelregeling analyseert rechtstreeks het wiskundige model van de AC-motor in het statorcoördinatensysteem en regelt de fluxkoppeling en het koppel van de motor. Het hoeft de AC-motor niet om te zetten in een equivalente DC-motor, waardoor veel gecompliceerde berekeningen in de vectorrotatietransformatie worden geëlimineerd; het hoeft de besturing van de DC-motor niet te imiteren, noch hoeft het het wiskundige model van de AC-motor voor ontkoppeling te vereenvoudigen.
VVVF frequentieconversie, vectorbesturing frequentieconversie en directe koppelregeling frequentieconversie zijn allemaal AC-DC-AC frequentieconversie. Het algemene nadeel is dat de ingangsvermogensfactor laag is, de harmonische stroom groot is, het DC-circuit een grote energieopslagcondensator vereist en de regeneratieve energie niet kan worden teruggevoerd naar het net, dat wil zeggen dat een vierkwadrantwerking niet kan worden uitgevoerd . Om deze reden is de matrix AC-AC frequentieconversie ontstaan.
3. Frequentieconversietechnologie en huishoudelijke apparaten
In de jaren zeventig begonnen huishoudelijke apparaten te worden omgezet in frequentieomzetting, en elektromagnetische kooktoestellen, frequentieomzetting verlichtingstoestellen, frequentieomzetting airconditioners, frequentieomzetting magnetronovens, frequentieomzetting koelkasten, IH (inductieverwarming) rijstbroodjes, frequentieomzetting wasmachines , enz. verschenen [4].
Aan het einde van de 20e eeuw vertrouwden huishoudelijke apparaten op frequentieconversietechnologie, voornamelijk gericht op hoge functionaliteit en energiebesparing.
De eerste is de koelkast. Omdat het de hele dag werkt, draait de compressor altijd op een lage snelheid na het toepassen van frequentieomzettingskoeling, waardoor het geluid dat wordt veroorzaakt door het starten van de compressor volledig kan worden geëlimineerd, en het energiebesparende effect is duidelijker. Ten tweede, nadat de airconditioner frequentieconversie heeft gebruikt, wordt het werkbereik van de compressor uitgebreid en kan de koel- en verwarmingsregeling worden gerealiseerd zonder dat de compressor in een intermitterende toestand draait, om het stroomverbruik te verminderen en het ongemak veroorzaakt door temperatuur te elimineren veranderingen. In de afgelopen jaren hebben de nieuwe koelkasten met frequentieconversie niet alleen het stroomverbruik verminderd en de stilte bereikt, maar ook snel ingevroren door gebruik te maken van hoge snelheid.
In de wasmachine werd in het verleden variabele frequentieregeling gebruikt om een variabele snelheidsregeling te bereiken om de wasprestaties te verbeteren. Naast energiebesparing en stilte, introduceerde de nieuw populaire wasmachine ook nieuwe controle-inhoud om het zacht wassen van kleding te garanderen; elektromagnetische fornuizen gebruiken hoogfrequente inductie Verwarming maakt de pot direct warm zonder het hete deel van gas en elektrische verwarming, dus het is niet alleen veilig, maar verbetert ook de verwarmingsefficiëntie aanzienlijk. De werkfrequentie is hoger dan de auditieve zin, waardoor het geluid wordt geëlimineerd dat wordt veroorzaakt door de trillingen van de rijstpot.
Ten vierde, de schade veroorzaakt door vermogenselektronica en tegenmaatregelen
De fasegestuurde rectificatie en oncontroleerbare diode-rectificatie in vermogenselektronica veroorzaken ernstige vervorming van de ingangsstroomgolfvorm, die niet alleen de arbeidsfactor van het systeem aanzienlijk vermindert, maar ook ernstige harmonische vervuiling veroorzaakt.
Bovendien zorgen de snelle veranderingen van spanning en stroom in het hardwarecircuit ervoor dat de vermogenselektronische apparaten grote elektrische spanningen ondergaan en ernstige elektromagnetische interferentie (EM1) veroorzaken voor de omringende elektrische apparatuur en radiogolven, en de situatie wordt erger. Veel landen hebben nationale normen opgesteld om harmonischen te beperken. Het International Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), de International Electrotechnical Commission (IEC) en de International Conference on Large Power Grids (CIGRE) hebben hun eigen harmonische normen gelanceerd. De Chinese overheid heeft ook relevante regelgeving opgesteld om harmonischen te beperken.
(1) Tegenmaatregelen voor harmonischen en elektromagnetische interferentie
1. Harmonische onderdrukking
Om de harmonischen te onderdrukken die worden gegenereerd door vermogenselektronische apparaten, is een methode om harmonische compensatie uit te voeren, dat wil zeggen het opzetten van een harmonische compensatie-apparaat om de ingangsstroom een sinusgolf te maken.
Het traditionele apparaat voor harmonische compensatie maakt gebruik van een op IC afgestemd filter, dat zowel harmonischen als reactief vermogen kan compenseren. Het nadeel is dat de compensatiekarakteristieken worden beïnvloed door de impedantie van het net en de bedrijfstoestand, en het is gemakkelijk om parallelle resonantie met het systeem te hebben, wat leidt tot harmonische versterking en het LC-filter overbelast of zelfs verbrandt. Bovendien kan het alleen de harmonischen van een vaste frequentie compenseren en is het effect niet ideaal.
Na de popularisering en toepassing van vermogenselektronica is het gebruik van actieve vermogensfilters voor harmonische compensatie een belangrijke richting geworden. Het principe is om de harmonische stroom van het compensatieobject te detecteren en vervolgens een compensatiestroom te genereren met dezelfde grootte en tegengestelde polariteit als de harmonische stroom, zodat de roosterstroom alleen de fundamentele golfcomponent bevat. Dit filter kan harmonischen volgen en compenseren waarvan de frequentie en amplitude veranderen, en de compensatiekarakteristieken worden niet beïnvloed door de impedantie van het raster.
De belangrijkste methode van een converter met grote capaciteit om harmonischen te verminderen, is het gebruik van meerdere technologie: meerdere blokgolven over elkaar heen leggen om lagere harmonischen te elimineren, waardoor een stapgolf wordt verkregen die dicht bij de sinus ligt. Hoe meer multipliciteit, hoe dichter de golfvorm bij sinus ligt, maar hoe complexer de circuitstructuur. Om lage harmonischen en een hoge arbeidsfactor te bereiken, gebruiken converters met een kleine capaciteit over het algemeen diode-rectificatie en PWM-happing, vaak vermogensfactorcorrectie (PEC) genoemd. Typische circuits zijn onder meer het boost-type, het step-down-type, het buck-boost-type enzovoort.
2. Onderdrukking van elektromagnetische interferentie
De maatregel om EMI op te lossen, is het overwinnen van de overmatige stroomstijgingssnelheid di/dt en spanningsstijgingssnelheid du/dt die optreden wanneer het schakelapparaat wordt in- en uitgeschakeld. Op dit moment wordt des te meer aandacht besteed aan nulstroomschakeling (ZCS) en nulspanningsschakeling (ZVS). ) Circuit. de manier is:
(1) De inductantie is in serie verbonden met het schakelapparaat, dat de di/dt kan onderdrukken wanneer het schakelapparaat is ingeschakeld, zodat er geen spannings- en stroomoverlappingsgebied op het apparaat is en het voorwaartse verlies wordt verminderd;
(2) Parallelle condensatoren zijn verbonden met het schakelapparaat, wanneer het apparaat is uitgeschakeld, wordt de du/dt verhinderd om te stijgen en is er geen spannings- en stroomoverlapgebied op het apparaat, wat het schakelverlies vermindert;
(3) Op het apparaat zijn antiparallelle diodes aangesloten. Tijdens de diodegeleidingsperiode bevindt het schakelapparaat zich in een nulspanning en een nulstroomtoestand. Op dit moment wordt het aandrijfapparaat in- of uitgeschakeld om ZVS- en ZCS-acties uit te voeren.
Op dit moment omvatten de meer algemeen gebruikte software-schakeltechnologieën gedeeltelijk resonante PWM en een verliesvrij snubbercircuit.
(2) Vermogensfactorcompensatie
De vroege methode is om een synchrone motor te gebruiken, een synchrone motor die speciaal wordt gebruikt om reactief vermogen te genereren. Het maakt gebruik van over- en onder-excitatie om respectievelijk verschillende hoeveelheden capacitief of inductief reactief vermogen uit te zenden. Omdat het echter een roterende elektrische machine is, zijn het geluid en het verlies groot, zijn de bediening en het onderhoud ook gecompliceerd en is de reactiesnelheid laag. Daarom is het in veel gevallen niet in staat geweest om te voldoen aan de vereisten van snelle reactieve vermogenscompensatie.
Een andere methode is het gebruik van een statisch blindvermogencompensatieapparaat met een verzadigde reactor. Het heeft de voordelen van een statisch type en een hoge responssnelheid, maar omdat de kern moet worden gemagnetiseerd tot een verzadigde toestand, zijn het verlies en de ruis groot, en zijn er enkele speciale problemen van niet-lineaire circuits, en het kan niet worden aangepast in fase om de onbalans van de belasting te compenseren. Daarom slaagde het er niet in de hoofdstroom van statische var-compensatie-apparaten te bezetten.
Met de voortdurende ontwikkeling van vermogenselektronicatechnologie zijn statische var-compensatieapparaten die SCR, GTO en IGBT gebruiken met grote sprongen ontwikkeld. Onder hen is de statische var-generator de meest superieure. Het heeft de voordelen van een snelle aanpassingssnelheid en een breed werkbereik, en na het toepassen van meerdere, multi-level of PWM-technieken, kan het de harmonische inhoud in de compensatiestroom aanzienlijk verminderen. Wat nog belangrijker is, de reactor en capacitieve componenten die in de statische var-generator worden gebruikt, zijn klein, wat de grootte en kosten van het apparaat aanzienlijk vermindert. De statische blindvermogengenerator vertegenwoordigt de ontwikkelingsrichting van dynamische blindvermogencompensatie-apparaten.
Vijf, afsluitende opmerkingen
Wij zijn van mening dat vermogenselektronische technologie een van de belangrijkste pijlertechnologieën zal worden in de 21e eeuw. Frequentieconversietechnologie neemt een belangrijke positie in op het gebied van vermogenselektronicatechnologie. In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling op het gebied van snelheidsregeling van middenspanningsfrequentie-omzetting en elektrische tractie de aandacht getrokken. Met de integratie van de wereldeconomie en de toetreding van mijn land tot de Wereldhandelsorganisatie, zullen de vermogenselektronica en frequentieconversietechnologie-industrieën van mijn land ongekende ontwikkelingsmogelijkheden krijgen.