Mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik und Computertechnologie ist die AC-Drehzahlregelung zu einem Entwicklungstrend geworden, der die DC-Drehzahlregelung ersetzt. Die Frequenzumwandlungs-Geschwindigkeitsregelung ist im In- und Ausland aufgrund ihrer hervorragenden Geschwindigkeitsregelung und Start- und Bremsleistung als die vielversprechendste Geschwindigkeitsregelungsmethode anerkannt. Die Frequenzumwandlungstechnologie ist die Kerntechnologie der AC-Drehzahlregelung, Leistungselektronik und Computertechnologie sind der Kern der Frequenzumwandlungstechnologie und leistungselektronische Geräte sind die Grundlage der Leistungselektroniktechnologie. Die Leistungselektronik ist eine Hightech-Technologie, die sich in den letzten Jahren rasant entwickelt hat. Es ist weit verbreitet in den Bereichen Mechatronik, Motorgetriebe, Luft- und Raumfahrt usw. Es ist mittlerweile ein Hightech-Unternehmen, um dessen Entwicklung die Länder konkurrieren. Experten gehen davon aus, dass im hochentwickelten Bereich der Automatisierungstechnik des 21. Jahrhunderts die Computertechnik und die Leistungselektronik die beiden wichtigsten Technologien sind.
1. Der Entwicklungsprozess von leistungselektronischen Geräten
Thyristoren kamen in den späten 1950er Jahren in den Vereinigten Staaten auf den Markt und markierten die Geburtsstunde der Leistungselektronik. Die erste Generation leistungselektronischer Geräte sind hauptsächlich siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR), die in den 1970er Jahren in meinem Land als energiesparende Technologie gelistet und landesweit gefördert wurden. SCR ist jedoch ein halbgesteuertes Schaltgerät, das nur sein Einschalten, aber nicht sein Ausschalten steuern kann. Sie ist bei der Anwendung von Frequenzumrichtern und Netzteilen mit variabler Frequenz begrenzt. Leistungstransistoren (GTR), Gate-Abschalt-Thyristoren (GTO), Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren (PowerMOSFET), Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT), statische Induktionstransistoren (SIT) und statische Induktionsthyristoren (SITH), die nach den 1970er Jahren nacheinander erfunden wurden , etc. Ihr gemeinsames Merkmal besteht darin, ihre Leitung und Abschaltung zu steuern. Sie sind voll gesteuerte Schaltgeräte. Da keine Wandlerschaltung erforderlich ist, werden Volumen und Gewicht gegenüber SCR stark reduziert. Gegenwärtig ist IGBT mit seinen hervorragenden Eigenschaften zu einem Mainstream-Gerät geworden, und GTO mit großer Kapazität hat auch eine gewisse Position.
Viele Länder arbeiten hart an der Entwicklung von Geräten mit hoher Kapazität, und 6000-V-IGBTs wurden im Ausland hergestellt. IEGT (Injectionenhanced Gatethyristor) ist ein neuartiger Gerätetyp, der die Vorteile von IGBT und GTO vereint. Muster von 1000A/4500V sind bereits erschienen. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) verwendet eine Pufferschicht und einen transparenten Emitter auf Basis von GTO. Es entspricht einem Thyristor im eingeschalteten und einem Transistor im ausgeschalteten Zustand, wodurch der Widerspruch zwischen Durchlassspannung und Sperrspannung effektiv koordiniert wird, und die Betriebsfrequenz kann mehrere Kilohertz erreichen [2][3 ]. Das Schweizer Unternehmen ABB hat IGCT bis 4500-6000V, 3000-3500A auf den Markt gebracht. MCT ging aufgrund geringer Fortschritte in den Ruhestand, und die Entwicklung von IGCT machte es zu einer wichtigen Position im neuen Muster von leistungselektronischen Geräten. Im Vergleich zu den Industrieländern hat mein Land eine größere Lücke bei der Geräteherstellung als bei der Anwendung. Neue Leistungsbauelemente wie Hochleistungs-IGBT-Module mit Trench-Gate-Struktur, IEGT, MOS-Gate-Thyristoren, Hochspannungs-Galliumarsenid-Hochfrequenz-Gleichrichterdioden, Siliziumkarbid (SIC) und andere neue Leistungsbauelemente weisen die neuesten Entwicklungen im Ausland auf. Es wird angenommen, dass die Verwendung neuer Halbleitermaterialien wie GaAs und SiC zur Herstellung von Leistungsbauelementen das Streben der Menschen nach"idealen Bauelementen" wird der Haupttrend bei der Entwicklung leistungselektronischer Geräte im 21. Jahrhundert sein.
Hochzuverlässige leistungselektronische Bausteine (PEBB) und integrierte leistungselektronische Module (IPEM) sind neue Brennpunkte in der jüngsten Entwicklung der leistungselektronischen Technologie in den Vereinigten Staaten. Der scharfe Wettbewerb zwischen GTO und IGCT, IGCT und Hochspannungs-IGBT und anderen neuen leistungselektronischen Geräten wird im 21. Jahrhundert sicherlich mehr Möglichkeiten und Herausforderungen für die Entwicklung neuer leistungselektronischer Technologien und Frequenzumwandlungstechnologien mit sich bringen.
2. Der Entwicklungsprozess der Frequenzumwandlungstechnologie
Die Frequenzumwandlungstechnologie wurde als Reaktion auf die Notwendigkeit einer stufenlosen Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren geboren. Erneuerung der Leistungselektronik fördert die Leistungsumwandlung
Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie. Zunächst war die Frequenzumwandlungstechnologie auf die Frequenzumwandlung und nicht auf die variable Spannung beschränkt. Seit den 1970er Jahren hat die Forschung zur Drehzahlregelung mit Pulsweitenmodulation und variabler Spannungs-Frequenz-Umwandlung (PWM-VVVF) die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen. In den 1980er Jahren zog das Problem der PWM-Modus-Optimierung als Kern der Frequenzumwandlungstechnologie das starke Interesse der Menschen auf sich, und es wurden viele Optimierungsmodi erzielt, wie z -verschobene Träger-PWM-Technologie, Trägermodulation Wave simultane Phasenverschiebung PWM-Technologie und so weiter.
Die Steuerung des VVVF-Wechselrichters ist relativ einfach und seine mechanischen Eigenschaften sind ebenfalls gut. Es kann die Anforderungen der sanften Geschwindigkeitsregelung allgemeiner Getriebe erfüllen und ist in verschiedenen Industriebereichen weit verbreitet. Wenn dieses Steuerverfahren jedoch eine niedrige Frequenz hat, ist der Einfluss des Spannungsabfalls des Statorwiderstands stärker, da die Ausgangsspannung klein ist, so dass das maximale Ausgangsdrehmoment verringert wird.
Die Methode der vektorgesteuerten Frequenzumwandlungsgeschwindigkeitsregelung ist: Die Statorwechselströme Ia, Ib und Ic des Asynchronmotors im Dreiphasen-Koordinatensystem werden in die Gleichstromströme Iml, Itl unter dem synchronen rotierenden Koordinatensystem durch drei- Phase-zu-Zwei-Phasen-Umwandlung. , Dann imitieren Sie das Steuerverfahren des Gleichstrommotors, erhalten Sie die Steuergröße des Gleichstrommotors und realisieren Sie die Steuerung des Asynchronmotors durch die entsprechende Koordinatenumkehrtransformation.
Die direkte Drehmomentsteuerung analysiert direkt das mathematische Modell des Wechselstrommotors im Statorkoordinatensystem und steuert die Flusskopplung und das Drehmoment des Motors. Der Wechselstrommotor muss nicht in einen gleichwertigen Gleichstrommotor umgewandelt werden, wodurch viele komplizierte Berechnungen bei der Vektordrehungstransformation entfallen; es muss weder die Steuerung des Gleichstrommotors nachgeahmt werden, noch muss das mathematische Modell des Wechselstrommotors zur Entkopplung vereinfacht werden.
VVVF-Frequenzumwandlung, Vektorsteuerungs-Frequenzumwandlung und direkte Drehmomentsteuerungs-Frequenzumwandlung sind alle AC-DC-AC-Frequenzumwandlungen. Der gemeinsame Nachteil besteht darin, dass der Eingangsleistungsfaktor niedrig ist, der Oberwellenstrom groß ist, der Gleichstromkreis einen großen Energiespeicherkondensator benötigt und die regenerative Energie nicht in das Netz zurückgespeist werden kann, d. h. kein Vierquadrantenbetrieb durchgeführt werden kann . Aus diesem Grund entstand die Matrix-AC-AC-Frequenzumsetzung.
3. Frequenzumwandlungstechnik und Haushaltsgeräte
In den 1970er Jahren wurden Haushaltsgeräte auf Frequenzumwandlung umgestellt, und elektromagnetische Kochgeräte, Frequenzumwandlungsbeleuchtungsgeräte, Frequenzumwandlungsklimaanlagen, Frequenzumwandlungsmikrowellenherde, Frequenzumwandlungskühlschränke, IH (Induktionsheizung) Reisbrötchen, Frequenzumwandlungswaschmaschinen , usw. erschienen [4].
Ende des 20. Jahrhunderts verließen sich Haushaltsgeräte auf die Frequenzumwandlungstechnologie, die hauptsächlich auf hohe Funktionalität und Energieeinsparung abzielte.
Der erste ist der Kühlschrank. Da der Kompressor den ganzen Tag arbeitet, läuft der Kompressor nach der Frequenzumwandlungskühlung immer mit niedriger Drehzahl, wodurch die durch den Kompressorstart verursachten Geräusche vollständig beseitigt werden können, und der Energiespareffekt ist offensichtlicher. Zweitens wird der Arbeitsbereich des Kompressors erweitert, nachdem die Klimaanlage die Frequenzumwandlung verwendet hat, und die Kühl- und Heizsteuerung kann realisiert werden, ohne dass der Kompressor in einem intermittierenden Zustand läuft, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die durch die Temperatur verursachten Beschwerden zu beseitigen Änderungen. In den letzten Jahren haben die neuen Kühlschränke mit Frequenzumwandlung nicht nur den Energieverbrauch reduziert und die Laufruhe erreicht, sondern auch ein schnelles Einfrieren durch den Hochgeschwindigkeitsbetrieb erreicht.
Bei Waschmaschinen wurde in der Vergangenheit eine variable Frequenzsteuerung verwendet, um eine variable Geschwindigkeitssteuerung zu erreichen, um die Waschleistung zu verbessern. Neben Energieeinsparung und Laufruhe führte die neu beliebte Waschmaschine auch neue Kontrollinhalte ein, um ein sanftes Waschen der Kleidung zu gewährleisten; Elektromagnetische Herde verwenden Hochfrequenz-Induktion. Durch die Heizung wird der Topf direkt ohne den heißen Teil der Gas- und Elektroheizung erhitzt, sodass dies nicht nur sicher ist, sondern auch die Heizeffizienz erheblich verbessert wird. Seine Arbeitsfrequenz ist höher als der Hörsinn, wodurch die durch die Vibration des Reistopfs verursachten Geräusche eliminiert werden.
Viertens der Schaden, der durch leistungselektronische Geräte und Gegenmaßnahmen verursacht wird
Die phasengesteuerte Gleichrichtung und unkontrollierbare Diodengleichrichtung in leistungselektronischen Geräten verursachen eine ernsthafte Verzerrung der Eingangsstromwellenform, die nicht nur den Leistungsfaktor des Systems stark reduziert, sondern auch eine ernsthafte Oberwellenverschmutzung verursacht.
Darüber hinaus führen die schnellen Spannungs- und Stromänderungen in der Hardwareschaltung dazu, dass die leistungselektronischen Geräte großen elektrischen Belastungen ausgesetzt sind und ernsthafte elektromagnetische Störungen (EM1) für die umgebenden elektrischen Geräte und Funkwellen verursachen, und die Situation verschlimmert sich. Viele Länder haben nationale Standards formuliert, um Oberschwingungen zu begrenzen. Das International Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), die International Electrotechnical Commission (IEC) und die International Conference on Large Power Grids (CIGRE) haben ihre eigenen Oberschwingungsstandards auf den Markt gebracht. Auch die chinesische Regierung hat entsprechende Regelungen zur Begrenzung von Oberschwingungen formuliert.
(1) Gegenmaßnahmen für Oberschwingungen und elektromagnetische Störungen
1. Oberwellenunterdrückung
Um die von leistungselektronischen Geräten erzeugten Oberwellen zu unterdrücken, besteht ein Verfahren darin, eine Oberwellenkompensation durchzuführen, das heißt, eine Oberwellenkompensationseinrichtung einzurichten, um den Eingangsstrom zu einer Sinuswelle zu machen.
Das herkömmliche Gerät zur Oberwellenkompensation verwendet einen abgestimmten IC-Filter, der sowohl Oberwellen als auch Blindleistung kompensieren kann. Nachteilig ist, dass die Kompensationseigenschaften durch die Impedanz des Netzes und den Betriebszustand beeinflusst werden und es leicht zu Parallelresonanzen mit dem System kommt, die zu Oberwellenverstärkungen führen und das LC-Filter übersteuern oder sogar verbrennen. Außerdem kann es nur die Oberwellen einer festen Frequenz kompensieren, und der Effekt ist nicht ideal.
Nach der Popularisierung und Anwendung leistungselektronischer Geräte hat sich die Verwendung von aktiven Leistungsfiltern zur Oberwellenkompensation zu einer wichtigen Richtung entwickelt. Das Prinzip besteht darin, den Oberschwingungsstrom aus dem Kompensationsobjekt zu erfassen und dann einen Kompensationsstrom mit der gleichen Größe und entgegengesetzter Polarität wie der Oberschwingungsstrom zu erzeugen, so dass der Netzstrom nur die Grundwellenkomponente enthält. Dieses Filter kann Oberwellen verfolgen und kompensieren, deren Frequenz und Amplitude sich ändern, und die Kompensationseigenschaften werden nicht durch die Impedanz des Netzes beeinflusst.
Die Hauptmethode eines Hochleistungswandlers zur Reduzierung von Oberwellen besteht in der Verwendung mehrerer Technologien: Überlagern mehrerer Rechteckwellen, um niedrigere Oberwellen zu eliminieren, wodurch eine stufenförmige Welle nahe dem Sinus erhalten wird. Je mehr Multiplizität, desto näher liegt die Wellenform am Sinus, aber desto komplexer ist die Schaltungsstruktur. Um niedrige Oberwellen und einen hohen Leistungsfaktor zu erreichen, verwenden Wandler mit kleiner Kapazität im Allgemeinen Diodengleichrichtung und PWM-Zerhacken, oft als Leistungsfaktorkorrektur (PEC) bezeichnet. Typische Schaltungen umfassen den Boost-Typ, den Step-Down-Typ, den Buck-Boost-Typ und so weiter.
2. Elektromagnetische Störunterdrückung
Die Maßnahme zur Lösung von EMI besteht darin, die übermäßige Stromanstiegsrate di/dt und die Spannungsanstiegsrate du/dt zu überwinden, die auftreten, wenn die Schaltvorrichtung ein- und ausgeschaltet wird. Gegenwärtig wird dem Nullstromschalten (ZCS) und dem Nullspannungsschalten (ZVS) mehr Aufmerksamkeit geschenkt. ) Schaltkreis. der weg ist:
(1) Die Induktivität ist mit der Schaltvorrichtung in Reihe geschaltet, wodurch di/dt unterdrückt werden kann, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, so dass es keinen Spannungs- und Stromüberlappungsbereich auf der Vorrichtung gibt und den Durchlassverlust verringert;
(2) Parallelkondensatoren sind mit der Schaltvorrichtung verbunden, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet ist, wird der Anstieg von du/dt verhindert und es gibt keinen Spannungs- und Stromüberlappungsbereich auf der Vorrichtung, was den Schaltverlust verringert;
(3) Am Gerät sind antiparallele Dioden angeschlossen. Während der Diodenleitungsperiode befindet sich die Schaltvorrichtung in einem Nullspannungs- und Nullstromzustand. Zu diesem Zeitpunkt wird das Antriebsgerät ein- oder ausgeschaltet, um ZVS- und ZCS-Aktionen auszuführen.
Gegenwärtig umfassen die am häufigsten verwendeten Software-Schalttechnologien eine teilweise resonante PWM und eine verlustfreie Snubber-Schaltung.
(2) Leistungsfaktorkompensation
Die frühe Methode besteht darin, einen Synchronmotor zu verwenden, bei dem es sich um einen Synchronmotor handelt, der speziell zur Erzeugung von Blindleistung verwendet wird. Es verwendet Übererregung und Untererregung, um jeweils unterschiedliche Mengen an kapazitiver oder induktiver Blindleistung abzugeben. Da es sich jedoch um eine rotierende elektrische Maschine handelt, sind das Geräusch und der Verlust groß, der Betrieb und die Wartung sind ebenfalls kompliziert und die Ansprechgeschwindigkeit ist langsam. Daher ist es in vielen Fällen nicht in der Lage, die Anforderungen einer schnellen Blindleistungskompensation zu erfüllen.
Ein anderes Verfahren besteht darin, eine statische Blindleistungskompensationsvorrichtung mit einer gesättigten Drossel zu verwenden. Es hat die Vorteile des statischen Typs und der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit, aber da sein Kern in einen gesättigten Zustand magnetisiert werden muss, sind die Verluste und das Rauschen groß, und es gibt einige spezielle Probleme nichtlinearer Schaltungen, und es kann nicht angepasst werden Phase, um die Unwucht der Last zu kompensieren. Daher konnte es den Mainstream der statischen Var-Kompensationsvorrichtungen nicht besetzen.
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Leistungselektronik-Technologie wurden statische Var-Kompensationsgeräte mit SCR, GTO und IGBT sprunghaft entwickelt. Unter diesen ist der statische Var-Generator der überlegenste. Es hat die Vorteile einer schnellen Anpassungsgeschwindigkeit und eines großen Betriebsbereichs und kann nach der Einführung mehrerer, mehrstufiger oder PWM-Techniken den Oberwellengehalt im Kompensationsstrom erheblich reduzieren. Noch wichtiger ist, dass der Reaktor und die kapazitiven Komponenten, die im statischen Var-Generator verwendet werden, klein sind, was die Größe und Kosten der Vorrichtung stark reduziert. Der statische Blindleistungsgenerator repräsentiert die Entwicklungsrichtung dynamischer Blindleistungskompensationsgeräte.
Fünf, abschließende Bemerkungen
Wir glauben, dass die leistungselektronische Technologie im 21. Jahrhundert zu einer der wichtigsten Säulentechnologien werden wird. Die Frequenzumwandlungstechnik nimmt eine wichtige Stellung im Bereich der Leistungselektronik ein. In den letzten Jahren hat die Entwicklung auf dem Gebiet der Drehzahlregelung mit Mittelspannungs-Frequenzumwandlung und der elektrischen Traktion Aufmerksamkeit erregt. Mit der Integration der Weltwirtschaft und dem Beitritt meines Landes zur Welthandelsorganisation werden die Leistungselektronik- und Frequenzumwandlungstechnologie-Industrie meines Landes beispiellose Entwicklungsmöglichkeiten haben.