S hitrim razvojem močnostne elektronike in računalniške tehnologije je uravnavanje hitrosti izmeničnega toka postalo trend razvoja, ki nadomešča enosmerno uravnavanje hitrosti. Regulacija hitrosti pretvorbe frekvence je doma in v tujini zaradi odlične učinkovitosti regulacije hitrosti ter zagona in zaviranja priznana kot najbolj obetavna metoda regulacije hitrosti. Tehnologija pretvorbe frekvence je jedro tehnologije regulacije hitrosti izmeničnega toka, močnostna elektronika in računalniška tehnologija sta jedro tehnologije pretvorbe frekvence, močnostne elektronske naprave pa temelj tehnologije energetske elektronike. Tehnologija močnostne elektronike je visokotehnološka tehnologija, ki se v zadnjih letih hitro razvija. Veliko se uporablja na področjih mehatronike, motornega prenosa, vesoljske industrije in tako naprej. Zdaj je postala visoka tehnologija, ki jo države tekmujejo za razvoj. Strokovnjaki napovedujejo, da sta na zelo razvitem področju samodejnega upravljanja v 21. stoletju najpomembnejši tehnologiji računalniška tehnologija in tehnologija elektroenergetike.
1. Proces razvoja močnostnih elektronskih naprav
Tiristorji so v ZDA izšli konec petdesetih let prejšnjega stoletja in so zaznamovali rojstvo tehnologije močne elektronike. Prva generacija elektronskih naprav je večinoma silicijev usmernik (SCR), ki je bil v moji državi v sedemdesetih letih uvrščen med energetsko varčne tehnologije in promoviran po vsej državi. Vendar je SCR napol krmiljena stikalna naprava, ki lahko nadzoruje samo vklop, ne pa tudi izklopa. Omejena je pri uporabi izmeničnih pogonov in napajalnikov s spremenljivo frekvenco. Močni tranzistorji (GTR), tiristorji za izklop vrat (GTO), tranzistorji s poljskim učinkom MOS (PowerMOSFET), tranzistorji z izoliranimi vrati (IGBT), statični indukcijski tranzistorji (SIT) in statični indukcijski tiristorji (SITH), izumljeni zaporedoma po sedemdesetih letih prejšnjega stoletja itd. Njihova skupna značilnost je nadzor njihovega vodenja in izklopa. So popolnoma nadzorovane stikalne naprave. Ker pretvorniško vezje ni potrebno, se prostornina in teža močno zmanjšata v primerjavi s SCR. Trenutno je IGBT postal glavna naprava s svojimi odličnimi lastnostmi, GTO z veliko zmogljivostjo pa ima tudi določen položaj.
Številne države si močno prizadevajo za razvoj naprav z veliko zmogljivostjo, v IGBT-jih pa so proizvedli 6000 V IEGT (injektionenhancedgatethyristor) je nova vrsta naprav, ki združuje prednosti IGBT in GTO. Izšli so že vzorci 1000A / 4500V. IGCT (integrirani geteommutirani tiristor) uporablja vmesni sloj in prozoren oddajnik na osnovi GTO. Ko je ta vklopljen, je enakovreden tiristorju, ko je ta izklopljen, in tranzistorju, kar učinkovito usklajuje protislovje med napetostjo v stanju in blokirno napetostjo, delovna frekvenca pa lahko doseže več kiloherc [2] [3 ]. Švicarska družba ABB je lansirala IGCT do 4500-6000V, 3000-3500A. MCT se je upokojil zaradi majhnega napredka, razvoj IGCT pa je zavzel pomembno mesto v novem vzorcu močnostnih elektronskih naprav. V primerjavi z razvitimi državami ima moja država večjo vrzel v proizvodnji naprav kot v uporabi. Nove močnostne naprave, kot so IGBT moduli z vgrajeno strukturo rovov, IEGT, MOS tiristorji, visokonapetostne visokofrekvenčne usmerniške diode iz galijevega arzenida, silicijev karbid (SIC) in druge nove napajalne naprave imajo najnovejši razvoj v tujini. Verjame se, da uporaba novih polprevodniških materialov, kot sta GaAs in SiC, za izdelavo napajalnih naprav za uresničitev prizadevanj' idealnih naprav" bo glavni trend v razvoju elektroenergetskih naprav v 21. stoletju.
Visoko zanesljivi elektronski gradniki (PEBB) in integrirani elektronski moduli (IPEM) so nova žarišča nedavnega razvoja elektroenergetske tehnologije v ZDA. Močna konkurenca med GTO in IGCT, IGCT in visokonapetostnimi IGBT ter drugimi novimi močnimi elektronskimi napravami bo zagotovo prinesla več priložnosti in izzivov razvoju novih energetskih elektronskih tehnologij in tehnologij za pretvorbo frekvence v 21. stoletju.
2. Razvojni proces tehnologije pretvorbe frekvence
Tehnologija pretvorbe frekvence se je rodila kot odziv na potrebo po brezstopenjski regulaciji hitrosti AC motorjev. Prenova močnostne elektronike spodbuja pretvorbo energije
Stalni razvoj tehnologije. Sprva je bila tehnologija pretvorbe frekvence omejena na frekvenčno pretvorbo in ne na spremenljivo napetost. Od sedemdesetih let je raziskava o regulaciji hitrosti s spremenljivo frekvenco pretvorbe impulzne modulacije (PWM-VVVF) pritegnila pozornost ljudi' V osemdesetih letih je problem optimizacije načina PWM kot jedra tehnologije pretvorbe frekvence pritegnil veliko zanimanje ljudi' pridobljeni so bili številni načini optimizacije, kot so: metoda vzdolžne delitve modulacijskega vala, tehnologija PWM faznega nosilca, faza -prestavljena tehnologija PWM nosilca, modulacija nosilca Hkratna PWM tehnologija s faznim premikanjem itd.
Upravljanje pretvornika VVVF je sorazmerno preprosto in tudi njegove mehanske lastnosti so dobre. Lahko izpolnjuje zahteve glede splošne hitrosti regulacije hitrosti in se pogosto uporablja na različnih področjih industrije. Kadar pa je ta krmilna metoda pri nizki frekvenci, ker je izhodna napetost majhna, je vpliv padca napetosti statorja pomembnejši, zato se zmanjša največji izhodni navor.
Metoda regulacije hitrosti pretvorbe frekvence krmiljenja vektorjev je: statorski izmenični tokovi Ia, Ib in Ic asinhronega motorja v trifaznem koordinatnem sistemu se pretvorijo v enosmerne tokove Iml, Itl pod sinhrono vrtljivim koordinatnim sistemom skozi tri- fazna do dvofazna transformacija. , Nato posnemite krmilno metodo enosmernega motorja, pridobite nadzorno količino enosmernega motorja in izvedite krmiljenje asinhronega motorja s pomočjo ustrezne koordinatne inverzne transformacije.
Neposredna kontrola navora neposredno analizira matematični model izmeničnega motorja v koordinatnem sistemu statorja in nadzoruje pretočno povezavo in navor motorja. Ni mu treba transformirati izmeničnega motorja v enakovreden enosmerni motor in tako odpraviti številne zapletene izračune pri transformaciji vektorskega vrtenja; ni mu treba posnemati upravljanja enosmernega motorja niti poenostaviti matematičnega modela izmeničnega motorja za ločevanje.
Pretvorba frekvence VVVF, pretvorba frekvence vektorske regulacije in pretvorba frekvence neposrednega nadzora navora so pretvorba frekvence AC-DC-AC. Skupna pomanjkljivost je, da je faktor vhodne moči nizek, harmonski tok velik, enosmerni tokokrog zahteva velik kondenzator za shranjevanje energije in regenerativne energije ni mogoče vrniti nazaj v omrežje, to pomeni, da operacije s štirimi kvadranti ni mogoče . Iz tega razloga je prišlo do matrične pretvorbe AC-AC frekvence.
3. Tehnologija pretvorbe frekvence in gospodinjski aparati
V sedemdesetih letih so se gospodinjski aparati začeli spreminjati v frekvenčno pretvorbo, elektromagnetni kuhalni aparati, svetlobni aparati s pretvorbo frekvence, klimatske naprave s pretvorbo frekvence, mikrovalovne pečice s pretvorbo frekvence, hladilniki s pretvorbo frekvence, riževe žemljice IH (indukcijsko ogrevanje), pralni stroji s pretvorbo frekvence itd. [4].
Konec 20. stoletja so se gospodinjski aparati zanašali na tehnologijo pretvorbe frekvence, katere cilj je bil predvsem visoka funkcionalnost in varčevanje z energijo.
Prvi je hladilnik. Ker deluje ves dan, kompresor po sprejetju hladilnega sistema s frekvenčno pretvorbo vedno deluje z nizko hitrostjo, kar lahko popolnoma odpravi hrup, ki ga povzroči zagon kompresorja, učinek varčevanja z energijo pa je bolj očiten. Drugič, potem ko klimatska naprava uporablja pretvorbo frekvence, se delovno območje kompresorja razširi in nadzor hlajenja in ogrevanja je mogoče izvesti brez kompresorja, ki deluje v prekinitvah, da se zmanjša poraba energije in odpravi nelagodje, ki ga povzroča temperatura spremembe. V zadnjih letih novi hladilniki s pretvorbo frekvence niso samo zmanjšali porabe energije in dosegli tišino, temveč tudi hitro zamrzovanje z uporabo visoke hitrosti.
V pralnem stroju so v preteklosti uporabljali nadzor spremenljive frekvence za doseganje spremenljivega števila vrtljajev za izboljšanje pralnih lastnosti. Na novo priljubljeni pralni stroj je poleg varčevanja z energijo in tišine uvedel tudi novo krmilno vsebino, ki zagotavlja mehko pranje oblačil; elektromagnetni štedilniki uporabljajo visokofrekvenčno indukcijsko ogrevanje. Lonec se ogreva neposredno brez vročega dela plinskega in električnega ogrevanja, zato ni le varen, temveč tudi močno izboljša učinkovitost ogrevanja. Njegova delovna frekvenca je višja od slušnega občutka in s tem odpravlja hrup, ki ga povzročajo tresljaji riževega lonca.
Četrtič, škoda, ki jo povzročajo elektronske naprave in protiukrepi
Fazno nadzorovana usmeritev in neobvladljiva dioda v električnih napravah povzročata resno popačenje valovne oblike vhodnega toka, kar ne samo, da močno zmanjša faktor moči sistema, temveč tudi resno harmonično onesnaženje.
Poleg tega zaradi hitrih sprememb napetosti in toka v vezju strojne opreme močne elektronske naprave prenašajo velike električne napetosti in povzročajo resne elektromagnetne motnje (EM1) na okoliško električno opremo in radijske valove, stanje pa se poslabšuje. Številne države so oblikovale nacionalne standarde za omejitev harmonikov. Mednarodni inštitut za inženirje elektrotehnike in elektronike (IEEE), Mednarodna elektrotehniška komisija (IEC) in Mednarodna konferenca o velikih elektroenergetskih omrežjih (CIGRE) so uvedli svoje harmonične standarde. Kitajska vlada je oblikovala tudi ustrezne predpise za omejitev harmonikov.
(1) Protiukrepi za harmonike in elektromagnetne motnje
1. Harmonsko zatiranje
Za zatiranje harmonikov, ki jih ustvarjajo močnostne elektronske naprave, je ena metoda izvajanje harmonske kompenzacije, to je, da se postavi harmonična kompenzacijska naprava, da vhodni tok postane sinusni val.
Tradicionalna naprava za kompenzacijo harmonike uporablja IC nastavljen filter, ki lahko kompenzira tako harmonike kot reaktivno moč. Pomanjkljivost je v tem, da na kompenzacijske značilnosti vplivata impedanca mreže in obratovalno stanje, enostavno pa je vzporedno resonanca s sistemom, kar vodi do ojačanja harmonike in preobremeni ali celo opeče LC filter. Poleg tega lahko kompenzira samo harmonike fiksne frekvence, učinek pa ni idealen.
Po popularizaciji in uporabi močnostnih elektronskih naprav je postala uporaba usmerjevalnih filtrov za harmonično kompenzacijo pomembna usmeritev. Načelo je zaznati harmonski tok iz kompenzacijskega objekta in nato ustvariti kompenzacijski tok z enako velikostjo in nasprotno polarnostjo kot harmonski tok, tako da mrežni tok vsebuje le osnovno valovno komponento. Ta filter lahko sledi in kompenzira harmonike, katerih frekvenca in amplituda se spreminjata, impedanca mreže pa ne vpliva na kompenzacijske lastnosti.
Glavna metoda pretvornika velike zmogljivosti za zmanjšanje harmonikov je uporaba več tehnologij: nalaganje več kvadratnih valov za odpravo nižjih harmonikov in s tem pridobitev koračnega vala blizu sinusa. Več kot je mnogokratnost, bližje je valovni obliki sinusu, vendar bolj zapletena je struktura vezja. Da bi dosegli nizke harmonike in visok faktor moči, pretvorniki majhne zmogljivosti običajno uporabljajo diodno usmerjanje in sekanje PWM, pogosto imenovano korekcijo faktorja moči (PEC). Tipični tokokrogi vključujejo tip povečanja, tip navzdol, tip dviga in tako naprej.
2. Zatiranje elektromagnetnih motenj
Ukrep za rešitev EMI je premagovanje prekomerne stopnje naraščanja toka di / dt in hitrosti naraščanja napetosti du / dt, ki se pojavita, ko se vklopi in izklopi stikalna naprava. Trenutno je več pozornosti namenjeno ničelnemu preklopu toka (ZCS) in preklopu ničelne napetosti (ZVS). ) Krog. pot je:
(1) Induktivnost je serijsko povezana s preklopno napravo, ki lahko pri vklopu stikalne naprave prepreči di / dt, tako da na napravi ni območja prekrivanja napetosti in toka ter zmanjša naprej izgubo;
(2) Vzporedni kondenzatorji so priključeni na preklopno napravo, ko je naprava izključena, du / dt prepreči naraščanje in na napravi ni območja prekrivanja napetosti in toka, kar zmanjša preklopne izgube;
(3) Na napravo so priključene protit vzporedne diode. V obdobju prevodnosti diode je stikalna naprava v ničelni napetosti in ničelnem stanju. Trenutno je pogonska naprava vklopljena ali izklopljena za doseganje dejanj ZVS in ZCS.
Trenutno najpogosteje uporabljane tehnologije preklapljanja vključujejo delno resonančni PWM in snubber vezje brez izgub.
(2) Kompenzacija faktorja moči
Zgodnja metoda je uporaba sinhronega motorja, ki je sinhroni motor, posebej uporabljen za ustvarjanje jalove moči. Uporablja prekomerno in premajhno vzbujanje, da oddaja različne količine kapacitivne ali induktivne jalove moči. Ker pa gre za vrtljivi električni stroj, sta hrup in izguba velika, tudi delovanje in vzdrževanje sta zapletena, odzivna hitrost pa počasna. Zato v mnogih primerih ni mogel izpolniti zahtev po hitri kompenzaciji jalove moči.
Druga metoda je uporaba naprave za kompenzacijo statične jalove moči z nasičenim reaktorjem. Ima prednosti statičnega tipa in hitre odzivne hitrosti, ker pa je treba njegovo jedro magnetizirati do nasičenega stanja, so izgube in hrup veliki in obstajajo nekatere posebne težave nelinearnih vezij in jih ni mogoče prilagoditi v fazo za kompenzacijo neravnovesja bremena. Zato mu ni uspelo zasesti glavnega dela statičnih var kompenzacijskih naprav.
Z nenehnim razvojem tehnologije močnostne elektronike so bile naprave za kompenzacijo statične var z uporabo SCR, GTO in IGBT skokovito razvite. Med njimi je najboljši statični generator var. Ima prednosti hitre nastavitvene hitrosti in širokega delovnega območja, po sprejetju večstopenjskih ali večstopenjskih tehnik pa lahko močno zmanjša vsebnost harmonike v kompenzacijskem toku. Še pomembneje je, da so reaktor in kapacitivni sestavni deli, ki se uporabljajo v statičnem generatorju var, majhni, kar močno zmanjša velikost in stroške naprave. Generator statične jalove moči predstavlja smer razvoja dinamičnih naprav za kompenzacijo jalove moči.
Pet, sklepne besede
Verjamemo, da bo energetska elektronska tehnologija v 21. stoletju postala ena pomembnejših stebrov. Tehnologija frekvenčne pretvorbe zavzema pomemben položaj na področju tehnologije elektroenergetike. V zadnjih letih je pozornost pritegnil razvoj na področju regulacije hitrosti pretvorbe srednje napetosti in električne vleke. Z vključitvijo svetovnega gospodarstva in vstopom moje države v Svetovno trgovinsko organizacijo bo imela industrija močne elektronike in tehnologije pretvorbe frekvence moje države razvojne priložnosti brez primere.