Tehoelektroniikan ja tietotekniikan nopean kehityksen myötä vaihtovirtanopeuden säätelystä on tullut kehityssuunta korvaamaan tasavirran nopeuden säätö. Taajuudenmuunnosnopeuden säätö tunnustetaan lupaavimmaksi nopeuden säätötavaksi kotimaassa ja ulkomailla erinomaisen nopeuden säätönsä sekä käynnistys- ja jarrutustehonsa vuoksi. Taajuudenmuuntotekniikka on vaihtovirran nopeuden säätötekniikka, tehoelektroniikka ja tietotekniikka ovat taajuusmuutostekniikan ydin, ja tehoelektroniikkalaitteet ovat tehoelektroniikkatekniikan perusta. Tehoelektroniikan tekniikka on huipputekniikkaa, joka on kehittynyt nopeasti viime vuosina. Sitä käytetään laajalti mekatroniikan, moottorin voimansiirron, ilmailuteollisuuden ja niin edelleen. Siitä on nyt tullut huipputeknologia, jonka kehittämisessä maat kilpailevat. Asiantuntijat ennustavat, että 2000-luvun pitkälle kehittyneessä automaattisen ohjauksen alalla tietotekniikka ja tehoelektroniikkatekniikka ovat kaksi tärkeintä tekniikkaa.
1. Tehoelektroniikkalaitteiden kehitysprosessi
Tyristorit ilmestyivät Yhdysvalloissa 1950-luvun lopulla, mikä merkitsi tehoelektroniikan syntymistä. Ensimmäisen sukupolven tehoelektroniikkalaitteet ovat pääasiassa piiohjattuja tasasuuntaajia (SCR), jotka listattiin maassani energiansäästötekniikkana 1970-luvulla ja joita edistettiin valtakunnallisesti. SCR on kuitenkin puoliohjattu kytkinlaite, joka voi hallita vain sen käynnistämistä, mutta ei sammumista. Se on rajoitettu taajuusmuuttajien ja taajuusmuuttajien sovelluksissa. Tehotransistorit (GTR), porttikatkaisutyristorit (GTO), teho-MOS-kenttätransistorit (PowerMOSFET), eristetyt porttitransistorit (IGBT), staattiset induktiotransistorit (SIT) ja staattiset induktiotyristorit (SITH), jotka keksittiin peräkkäin 1970-luvun jälkeen jne. Niiden yhteinen piirre on ohjata niiden johtamista ja sammumista. Ne ovat täysin hallittuja kytkinlaitteita. Koska muunninpiiriä ei tarvita, tilavuus ja paino pienenevät huomattavasti SCR: ään verrattuna. Tällä hetkellä IGBT: stä on tullut valtavirran laite, jolla on erinomaiset ominaisuudet, ja suuren kapasiteetin GTO: lla on myös tietty asema.
Monet maat tekevät kovasti töitä suurikapasiteettisten laitteiden kehittämiseksi, ja ulkomailla on tuotettu 6000 voltin IGBT-levyjä. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) on uudentyyppinen laite, joka yhdistää IGBT: n ja GTO: n edut. Näytteet 1000A / 4500V ovat jo tulleet ulos. IGCT (IntegratedGateeommutatedthyristor) käyttää puskurikerrosta ja läpinäkyvää emitteriä GTO: n perusteella. Se vastaa tyristoria, kun se kytketään päälle, ja transistoria, kun se kytketään pois päältä, mikä koordinoi tehokkaasti tilan jännitteen ja lukitusjännitteen välistä ristiriitaa, ja toimintataajuus voi saavuttaa useita kilohertsejä [2] [3 ]. Sveitsiläinen ABB-yritys on käynnistänyt IGCT: n 4500-6000 V: n, 3000-3500A: n jännitteisiin saakka. MCT jäi eläkkeelle vähäisen edistyksen takia, ja IGCT: n kehitys sai siitä tärkeän aseman sähköisten sähkölaitteiden uudessa mallissa. Kehittyneisiin maihin verrattuna maassani on suurempi kuilu laitteiden valmistuksessa kuin sovelluksissa. Uudet voimalaitteet, kuten suuritehoiset kaivannon porttirakenteen IGBT-moduulit, IEGT, MOS-aidatut tyristorit, korkeajännitteiset galliumarsenidin suurtaajuiset tasasuuntaajan diodit, piikarbidi (SIC) ja muut uudet voimalaitteet, ovat viimeisimpiä kehityksiä ulkomailla. Uskotaan, että uusien puolijohdemateriaalien, kuten GaAs: n ja piikarbidin, käyttö voimalaitteiden valmistamiseksi ihmisten toteuttamiseksi' tulee olemaan päätrendi sähköisten sähkölaitteiden kehityksessä 2000-luvulla.
Korkean luotettavuuden omaavat sähköiset rakennuspalikat (PEBB) ja integroidut tehoelektroniikkamoduulit (IPEM) ovat uusia kohtia sähköisen sähkötekniikan viimeaikaisessa kehityksessä Yhdysvalloissa. Kovaa kilpailua GTO: n ja IGCT: n, IGCT: n ja korkeajännitteisten IGBT: n ja muiden uusien tehoelektroniikkalaitteiden välillä on varmasti enemmän mahdollisuuksia ja haasteita uuden sähköelektroniikan ja taajuusmuutosteknologioiden kehittämiselle 2000-luvulla.
2. Taajuusmuuntotekniikan kehitysprosessi
Taajuusmuunnostekniikka syntyi vastauksena vaihtovirtamoottoreiden portaattomaan nopeuden säätötarpeeseen. Tehoelektroniikan uusiminen edistää virran muuntamista
Teknologian jatkuva kehitys. Aluksi taajuusmuunnostekniikka rajoittui taajuusmuutokseen eikä vaihtuvaan jännitteeseen. 1970-luvulta lähtien pulssinleveyden moduloinnin muuttuvan jännitteen taajuusmuunnoksen (PWM-VVVF) nopeuden säätelyyn liittyvä tutkimus on herättänyt ihmisten huomion' 1980-luvulla PWM-tilan optimointiongelma taajuusmuunnosteknologian ytimenä houkutteli ihmisiä&# 39: n voimakkaaseen kiinnostukseen, ja saatiin monia optimointitiloja, kuten: modulointiaallon pituussuuntainen jakomenetelmä, vaiheen kantoaallon PWM-tekniikka, vaihe - siirretty kantoaallon PWM-tekniikka, kantoaallon modulointi Aaltojen samanaikainen vaihesiirtävä PWM-tekniikka ja niin edelleen.
VVVF-taajuusmuuttajan ohjaus on suhteellisen yksinkertaista, ja sen mekaaniset ominaisuudet ovat myös hyvät. Se voi täyttää yleisen lähetyksen sujuvan nopeuden säätelyvaatimukset, ja sitä on käytetty laajalti teollisuuden eri aloilla. Kuitenkin, kun tämä ohjausmenetelmä on matalalla taajuudella, koska lähtöjännite on pieni, staattorin vastusjännitteen pudotuksen vaikutus on merkittävämpi, joten suurin lähtömomentti pienenee.
Vektoriohjauksen taajuusmuunnosnopeuden säätötapa on: kolmivaiheisen koordinaattijärjestelmän asynkronimoottorin staattorin vaihtovirrat Ia, Ib ja Ic muunnetaan tasavirtoiksi Iml, Itl synkronisen pyörivän koordinaattijärjestelmän alla kolmen vaiheesta kaksivaiheiseen muunnokseen. Jäljitä sitten DC-moottorin ohjaustapaa, hanki DC-moottorin säätömäärä ja toteuta asynkronisen moottorin ohjaus vastaavan koordinaattikäänteismuunnoksen avulla.
Suora vääntömomentin ohjaus analysoi suoraan staattorin koordinaatistossa olevan vaihtovirtamoottorin matemaattisen mallin ja ohjaa moottorin vuon kytkentää ja momenttia. Sen ei tarvitse muuttaa vaihtovirtamoottoria vastaavaksi tasavirtamoottoriksi, mikä eliminoi monia monimutkaisia laskelmia vektorin pyörimismuutoksessa; sen ei tarvitse jäljitellä tasavirtamoottorin ohjausta, eikä sen tarvitse yksinkertaistaa vaihtovirtamoottorin matemaattista mallia irtikytkentää varten.
VVVF-taajuusmuunnos, vektoriohjauksen taajuusmuunnos ja suora vääntömomentin säätötaajuusmuunnos ovat kaikki AC-DC-AC-taajuusmuunnoksia. Yleisenä haittana on, että tulotehokerroin on pieni, harmoninen virta on suuri, tasavirtapiiri vaatii suuren energian varastointikondensaattorin ja regeneratiivista energiaa ei voida syöttää takaisin verkkoon, toisin sanoen neljän kvadrantin operaatiota ei voida suorittaa . Tästä syystä matriisin AC-AC-taajuusmuunnos syntyi.
3. Taajuusmuunnostekniikka ja kodinkoneet
1970-luvulla kotitalouslaitteet alkoivat muuntaa taajuusmuunnoksiksi, ja sähkömagneettiset ruoanlaittolaitteet, taajuusmuunnosvalaistuslaitteet, taajuusmuutosilmastointilaitteet, taajuusmuutosuunit, mikroaaltouunit, taajuusmuuttajajääkaapit, IH (induktiolämmitys) riisipullot, taajuusmuunnospesukoneet jne. ilmestyi [4].
1900-luvun lopulla kotitalouskoneet tukeutuivat taajuusmuunnostekniikkaan, ja ne pyrkivät pääasiassa korkeaan toiminnallisuuteen ja virransäästöön.
Ensimmäinen on jääkaappi. Koska se toimii koko päivän, kompressori käy aina pienellä nopeudella taajuusmuunnosjäähdytyksen jälkeen, mikä voi poistaa kokonaan kompressorin käynnistymisen aiheuttaman melun, ja energiansäästövaikutus on selvempi. Toiseksi, kun ilmastointilaite käyttää taajuusmuutosta, kompressorin toiminta-alue laajenee ja jäähdytys- ja lämmitysohjaus voidaan toteuttaa ilman, että kompressori käy ajoittaisessa tilassa virrankulutuksen vähentämiseksi ja lämpötilan aiheuttaman epämukavuuden poistamiseksi. muutoksia. Viime vuosina uudet taajuusmuunnosjääkaapit ovat paitsi vähentäneet virrankulutusta ja saavuttaneet hiljaisuuden, myös nopean jäätymisen käyttämällä nopeaa toimintaa.
Pesukoneessa muuttuvan taajuuden säätöä käytettiin aikaisemmin muuttuvan nopeuden säätämiseksi pesutehon parantamiseksi. Energiansäästön ja hiljaisuuden lisäksi hiljattain suosittu pesukone otti käyttöön myös uuden ohjaussisällön vaatteiden pehmeän pesun varmistamiseksi; sähkömagneettisissa liedissä käytetään korkeataajuista induktiota. Lämmitys saa kattilan lämmittämään suoraan ilman kaasun ja sähkölämmityksen kuumaa osaa, joten se ei ole vain turvallista, vaan myös parantaa huomattavasti lämmityksen tehokkuutta. Sen työskentelytaajuus on korkeampi kuin kuulotaju, jolloin eliminoidaan riisipannun tärinän aiheuttama melu.
Neljänneksi voimalaitteiden ja vastatoimien aiheuttamat haitat
Vaiheohjattu tasasuuntaus ja hallitsematon diodien tasasuuntaus tehoelektroniikkalaitteissa aiheuttavat tulovirran aaltomuodon vakavia vääristymiä, mikä paitsi vähentää huomattavasti järjestelmän tehotekijää myös aiheuttaa vakavan harmonisen pilaantumisen.
Lisäksi laitteistopiirin nopeat jännitteen ja virran muutokset saavat sähköelektroniikkalaitteet kantamaan suuren sähköisen rasituksen ja aiheuttavat vakavia sähkömagneettisia häiriöitä (EM1) ympäröiville sähkölaitteille ja radioaalloille, ja tilanne pahenee. Monet maat ovat laatineet kansalliset standardit harmonisten yliaaltojen rajoittamiseksi. Kansainvälinen sähkö- ja elektroniikkasuunnittelulaitos (IEEE), Kansainvälinen sähkötekninen toimikunta (IEC) ja Kansainvälinen suurten sähköverkkojen konferenssi (CIGRE) ovat käynnistäneet omat harmoniset standardinsa. Kiinan hallitus on myös laatinut asiaankuuluvat asetukset harmonisten yliaaltojen rajoittamiseksi.
(1) Yliaaltojen ja sähkömagneettisten häiriöiden vastatoimenpiteet
1. Harmoninen vaimennus
Tehoelektroniikkalaitteiden synnyttämien yliaaltojen vaimentamiseksi yksi menetelmä on suorittaa harmoninen kompensointi, eli perustaa harmoninen kompensointilaite tekemään tulovirrasta siniaalto.
Perinteinen harmoninen kompensointilaite käyttää IC-viritettyä suodatinta, joka voi kompensoida sekä harmoniset että loistehon. Haittana on, että verkon impedanssi ja toimintatila vaikuttavat kompensointiominaisuuksiin, ja järjestelmän kanssa on helppo saada rinnakkainen resonanssi, mikä johtaa harmoniseen vahvistukseen ja ylikuormittaa tai jopa palaa LC-suodattimen. Lisäksi se voi kompensoida vain kiinteän taajuuden yliaaltoja, eikä vaikutus ole ihanteellinen.
Tehoelektroniikkalaitteiden suosion ja soveltamisen jälkeen aktiivisuodattimien käytöstä harmoniseen kompensointiin on tullut tärkeä suunta. Periaatteena on havaita harmoninen virta kompensointikohteesta ja tuottaa sitten kompensointivirta, jolla on sama suuruus ja päinvastainen napaisuus kuin harmonisella virralla, niin että verkkovirta sisältää vain perusaaltokomponentin. Tämä suodatin pystyy seuraamaan ja kompensoimaan yliaaltoja, joiden taajuus ja amplitudi muuttuvat, ja kompensoinnin ominaisuuksiin ei vaikuta verkon impedanssi.
Suurten kapasiteettimuuntimien pääasiallinen menetelmä harmonisten vähentämiseksi on käyttää useita tekniikoita: päällekkäin useita neliöaaltoja alempien harmonisten eliminoimiseksi, jolloin saadaan vaihe-aalto lähellä siniä. Mitä enemmän monikertaisuutta, sitä lähempänä aaltomuoto on siniä, mutta sitä monimutkaisempi piirirakenne. Matalan harmonisen ja suuren tehokertoimen saavuttamiseksi pienikapasiteettiset muuntimet käyttävät yleensä diodin tasasuuntausta ja PWM-pilkkomista, jota usein kutsutaan tehokertoimen korjaukseksi (PEC). Tyypillisiä piirejä ovat boost-tyyppi, down-down-tyyppi, buck-boost-tyyppi ja niin edelleen.
2. Sähkömagneettisten häiriöiden vaimennus
Toimenpide EMI: n ratkaisemiseksi on voittaa liiallinen virran nousunopeus di / dt ja jännitteen nousunopeus du / dt, jotka näkyvät, kun kytkinlaite kytketään päälle ja pois päältä. Tällä hetkellä enemmän huomiota kiinnitetään nollavirtakytkentään (ZCS) ja nollajännitekytkentään (ZVS). ) Piiri. tapa on:
(1) Induktanssi on kytketty sarjaan kytkinlaitteen kanssa, joka voi estää di / dt: n, kun kytkinlaite kytketään päälle, jotta laitteessa ei ole jännitteen ja virran päällekkäisyyttä, ja vähentää eteenpäin suuntautuvaa häviötä;
(2) Rinnakkaiskondensaattorit kytketään kytkentälaitteeseen, kun laite sammutetaan, du / dt: n estyminen nousee eikä laitteessa ole jännitteen ja virran päällekkäisyyttä, mikä vähentää kytkentähäviötä;
(3) Rinnakkaisvastaiset diodit on kytketty laitteeseen. Diodin johtamisjakson aikana kytkinlaite on nollajännitteessä ja nollavirrassa. Tällä hetkellä käyttölaite kytketään päälle tai pois päältä ZVS- ja ZCS-toimintojen saavuttamiseksi.
Tällä hetkellä yleisimmin käytettyihin ohjelmistokytkentätekniikoihin kuuluvat osittainen resonanssi PWM ja häviötön katkaisupiiri.
(2) Tehokertoimen kompensointi
Varhainen menetelmä on käyttää synkronimoottoria, joka on synkronimoottori, jota käytetään erityisesti loistehon tuottamiseen. Se käyttää liikaherotusta ja aliherätystä vastaavasti erilaisten kapasitiivisen tai induktiivisen loistehon tuottamiseen. Koska kyseessä on pyörivä sähkökone, melu ja häviöt ovat suuria, käyttö ja huolto ovat myös monimutkaisia ja vastausnopeus on hidas. Siksi se ei ole monissa tapauksissa kyennyt täyttämään loistehon nopean kompensoinnin vaatimuksia.
Toinen menetelmä on käyttää staattista loistehon kompensointilaitetta kyllästetyn reaktorin kanssa. Sillä on staattisen tyypin ja nopean vastenopeuden edut, mutta koska sen ydin on magnetoitava kyllästettyyn tilaan, häviö ja kohina ovat suuria, ja epälineaaristen piirien yhteydessä on joitain erityisongelmia, eikä sitä voida säätää vaihe kuormituksen epätasapainon kompensoimiseksi. Siksi se ei käyttänyt staattisten var-kompensointilaitteiden valtavirtaa.
Tehoelektroniikkatekniikan jatkuvan kehityksen myötä SCR: tä, GTO: ta ja IGBT: tä käyttävät staattiset varikorjauslaitteet on kehitetty harppauksin. Niistä staattinen varageneraattori on ylivoimainen. Sen etuna on nopea säätönopeus ja laaja toiminta-alue, ja kun se on ottanut käyttöön useita, monitasoisia tai PWM-tekniikoita, se voi vähentää huomattavasti kompensointivirran harmonista sisältöä. Vielä tärkeämpää on, että staattisessa varageneraattorissa käytetyt reaktori ja kapasitiiviset komponentit ovat pieniä, mikä vähentää huomattavasti laitteen kokoa ja kustannuksia. Staattinen loistehogeneraattori edustaa dynaamisen loistehon kompensointilaitteiden kehityssuuntaa.
Viisi loppuhuomautusta
Uskomme, että sähköisestä sähkötekniikasta tulee yksi tärkeimmistä pilaritekniikoista 2000-luvulla. Taajuusmuunnostekniikalla on tärkeä asema tehoelektroniikkatekniikan alalla. Viime vuosina keskijännitetaajuuden muunnosnopeuden säätämisen ja sähköisen vetovoiman kehitys on herättänyt huomiota. Kun maailmantalous yhdentyy ja maani liittyy Maailman kauppajärjestöön, maani sähköelektroniikka- ja taajuusmuunnosteknologiateollisuudella on ennennäkemättömät kehitysmahdollisuudet.