Con il rapido sviluppo dell'elettronica di potenza e della tecnologia informatica, la regolazione della velocità CA è diventata una tendenza di sviluppo per sostituire la regolazione della velocità CC. La regolazione della velocità di conversione di frequenza è riconosciuta come il metodo di regolazione della velocità più promettente in patria e all'estero per la sua eccellente regolazione della velocità e le prestazioni di avviamento e frenata. La tecnologia di conversione della frequenza è la tecnologia di base della regolazione della velocità CA, l'elettronica di potenza e la tecnologia informatica sono il cuore della tecnologia di conversione della frequenza e i dispositivi elettronici di potenza sono il fondamento della tecnologia dell'elettronica di potenza. La tecnologia dell'elettronica di potenza è un'alta tecnologia che si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. È ampiamente utilizzato nei settori della meccatronica, della trasmissione del motore, dell'aerospaziale e così via. Ora è diventato un high-tech che i paesi competono per sviluppare. Gli esperti prevedono che nel campo altamente sviluppato del controllo automatico nel 21° secolo, la tecnologia informatica e la tecnologia dell'elettronica di potenza sono le due tecnologie più importanti.
1. Il processo di sviluppo dei dispositivi elettronici di potenza
I thyristors sono usciti negli Stati Uniti alla fine degli anni '50, segnando la nascita della tecnologia dell'elettronica di potenza. La prima generazione di dispositivi elettronici di potenza è principalmente costituita da un raddrizzatore controllato al silicio (SCR), che è stato elencato come tecnologia di risparmio energetico nel mio paese negli anni '70 e promosso a livello nazionale. Tuttavia, l'SCR è un dispositivo di commutazione semicontrollato che può controllare solo la sua accensione ma non il suo spegnimento. È limitato nell'applicazione di convertitori di frequenza e alimentatori a frequenza variabile. Transistor di potenza (GTR), tiristori di disattivazione del gate (GTO), transistor ad effetto di campo MOS di potenza (PowerMOSFET), transistor a gate isolato (IGBT), transistor a induzione statica (SIT) e tiristori a induzione statica (SITH), inventati successivamente dopo gli anni '70 , ecc. La loro caratteristica comune è di controllarne la conduzione e lo spegnimento. Sono dispositivi di commutazione completamente controllati. Poiché non è richiesto alcun circuito convertitore, il volume e il peso sono notevolmente ridotti rispetto all'SCR. Allo stato attuale, IGBT è diventato un dispositivo mainstream con le sue eccellenti caratteristiche e anche GTO con grande capacità ha una certa posizione.
Molti paesi stanno lavorando duramente per sviluppare dispositivi di grande capacità e all'estero sono stati prodotti IGBT da 6000V. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) è un nuovo tipo di dispositivo che combina i vantaggi di IGBT e GTO. Sono già usciti campioni da 1000A/4500V. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) utilizza uno strato tampone e un emettitore trasparente sulla base di GTO. È equivalente a un tiristore quando è acceso e un transistor quando è spento, coordinando così efficacemente la contraddizione tra la tensione di stato e la tensione di blocco, e la frequenza operativa può raggiungere diversi Kilohertz [2][3 ]. L'azienda svizzera ABB ha lanciato IGCT fino a 4500-6000V, 3000-3500A. MCT si è ritirato a causa di scarsi progressi e lo sviluppo di IGCT gli ha permesso di occupare una posizione importante nel nuovo modello di dispositivi elettronici di potenza. Rispetto ai paesi sviluppati, il mio paese ha un divario maggiore nella produzione di dispositivi rispetto all'applicazione. Nuovi dispositivi di potenza come moduli IGBT con struttura a trench gate ad alta potenza, IEGT, tiristori MOS con gate, diodi raddrizzatori ad alta frequenza ad arseniuro di gallio ad alta tensione, carburo di silicio (SIC) e altri nuovi dispositivi di potenza hanno gli ultimi sviluppi all'estero. Si ritiene che l'uso di nuovi materiali semiconduttori come GaAs e SiC per realizzare dispositivi di potenza per realizzare'la ricerca di"dispositivi ideali" sarà la principale tendenza nello sviluppo di dispositivi elettronici di potenza nel 21° secolo.
Gli elementi costitutivi dell'elettronica di potenza ad alta affidabilità (PEBB) e i moduli elettronici di potenza integrati (IPEM) sono nuovi punti caldi nel recente sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza negli Stati Uniti. La feroce concorrenza tra GTO e IGCT, IGCT e IGBT ad alta tensione e altri nuovi dispositivi elettronici di potenza porterà sicuramente maggiori opportunità e sfide allo sviluppo di nuove tecnologie elettroniche di potenza e tecnologie di conversione di frequenza nel 21° secolo.
2. Il processo di sviluppo della tecnologia di conversione di frequenza
La tecnologia di conversione di frequenza è nata in risposta alla necessità di una regolazione continua della velocità dei motori AC. Il rinnovo dell'elettronica di potenza favorisce la conversione di potenza
Il continuo sviluppo della tecnologia. Inizialmente, la tecnologia di conversione di frequenza era limitata alla conversione di frequenza e non alla tensione variabile. Dagli anni '70, la ricerca sulla regolazione della velocità di conversione della frequenza di tensione e frequenza (PWM-VVVF) a modulazione di larghezza di impulso ha attirato l'attenzione delle persone. Negli anni '80, il problema dell'ottimizzazione della modalità PWM come nucleo della tecnologia di conversione di frequenza ha attirato il forte interesse delle persone e sono state ottenute molte modalità di ottimizzazione, come: metodo di divisione longitudinale dell'onda di modulazione, tecnologia PWM portante in fase, fase - Tecnologia PWM portante spostata, modulazione portante Tecnologia PWM a sfasamento simultaneo Wave e così via
Il controllo dell'inverter VVVF è relativamente semplice e anche le sue proprietà meccaniche sono buone. Può soddisfare i requisiti di regolazione della velocità regolare della trasmissione generale ed è stato ampiamente utilizzato in vari campi dell'industria. Tuttavia, quando questo metodo di controllo è a bassa frequenza, poiché la tensione di uscita è piccola, l'influenza della caduta di tensione della resistenza dello statore è più significativa, quindi la coppia di uscita massima viene ridotta.
Il metodo di regolazione della velocità di conversione della frequenza a controllo vettoriale è: le correnti CA dello statore Ia, Ib e Ic del motore asincrono nel sistema di coordinate trifase vengono trasformate nelle correnti CC Iml, Itl nel sistema di coordinate rotanti sincrone attraverso tre trasformazione da fase a bifase. , Quindi imita il metodo di controllo del motore CC, ottieni la quantità di controllo del motore CC e realizza il controllo del motore asincrono attraverso la corrispondente trasformazione inversa delle coordinate.
Il controllo diretto della coppia analizza direttamente il modello matematico del motore CA nel sistema di coordinate dello statore e controlla il collegamento del flusso e la coppia del motore. Non ha bisogno di trasformare il motore AC in un motore DC equivalente, eliminando così molti calcoli complicati nella trasformazione della rotazione del vettore; non ha bisogno di imitare il controllo del motore DC, né ha bisogno di semplificare il modello matematico del motore AC per il disaccoppiamento.
La conversione della frequenza VVVF, la conversione della frequenza del controllo vettoriale e la conversione della frequenza del controllo diretto della coppia sono tutte conversioni di frequenza AC-DC-AC. Lo svantaggio comune è che il fattore di potenza in ingresso è basso, la corrente armonica è elevata, il circuito CC richiede un grande condensatore di accumulo di energia e l'energia rigenerativa non può essere reimmessa in rete, ovvero non è possibile eseguire l'operazione a quattro quadranti . Per questo motivo è nata la conversione di frequenza AC-AC a matrice.
3. Tecnologia di conversione di frequenza ed elettrodomestici
Negli anni '70, gli elettrodomestici iniziarono a essere convertiti in conversione di frequenza e apparecchi di cottura elettromagnetici, apparecchi di illuminazione a conversione di frequenza, condizionatori d'aria a conversione di frequenza, forni a microonde a conversione di frequenza, frigoriferi a conversione di frequenza, focacce di riso IH (riscaldamento a induzione), lavatrici a conversione di frequenza , ecc. è apparso [4].
Alla fine del XX secolo, gli elettrodomestici si affidavano alla tecnologia di conversione di frequenza, puntando principalmente all'elevata funzionalità e al risparmio energetico.
Il primo è il frigorifero. Poiché funziona tutto il giorno, il compressore funziona sempre a bassa velocità dopo aver adottato la refrigerazione a conversione di frequenza, che può eliminare completamente il rumore causato dall'avvio del compressore e l'effetto di risparmio energetico è più evidente. In secondo luogo, dopo che il condizionatore d'aria utilizza la conversione di frequenza, il campo di lavoro del compressore viene ampliato e il controllo del raffreddamento e del riscaldamento può essere realizzato senza che il compressore funzioni in uno stato intermittente, in modo da ridurre il consumo energetico ed eliminare il disagio causato dalla temperatura i cambiamenti. Negli ultimi anni, i nuovi frigoriferi a conversione di frequenza non solo hanno ridotto il consumo energetico e raggiunto la silenziosità, ma hanno anche ottenuto un congelamento rapido utilizzando il funzionamento ad alta velocità.
Nella lavatrice, in passato veniva utilizzato il controllo della frequenza variabile per ottenere il controllo della velocità variabile e migliorare le prestazioni di lavaggio. Oltre al risparmio energetico e alla silenziosità, la nuova lavatrice ha introdotto anche nuovi contenuti di controllo per garantire il lavaggio morbido dei vestiti; i fornelli elettromagnetici utilizzano l'induzione ad alta frequenza Il riscaldamento fa riscaldare la pentola direttamente senza la parte calda del riscaldamento a gas ed elettrico, quindi non solo è sicuro, ma migliora anche notevolmente l'efficienza del riscaldamento. La sua frequenza di lavoro è superiore al senso uditivo, eliminando così il rumore causato dalla vibrazione della pentola del riso.
In quarto luogo, il danno causato da dispositivi elettronici di potenza e contromisure
La rettifica a controllo di fase e la rettifica a diodi incontrollabili nei dispositivi elettronici di potenza causano una grave distorsione della forma d'onda della corrente in ingresso, che non solo riduce notevolmente il fattore di potenza del sistema, ma causa anche un grave inquinamento armonico.
Inoltre, i rapidi cambiamenti di tensione e corrente nel circuito hardware fanno sopportare ai dispositivi elettronici di potenza grandi sollecitazioni elettriche e causano gravi interferenze elettromagnetiche (EM1) alle apparecchiature elettriche e alle onde radio circostanti e la situazione sta peggiorando. Molti paesi hanno formulato standard nazionali per limitare le armoniche. L'International Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), la International Electrotechnical Commission (IEC) e la International Conference on Large Power Grids (CIGRE) hanno lanciato i propri standard armonici. Il governo cinese ha anche formulato regolamenti pertinenti per limitare le armoniche.
(1) Contromisure per armoniche e interferenze elettromagnetiche
1. Soppressione delle armoniche
Al fine di sopprimere le armoniche generate dai dispositivi elettronici di potenza, un metodo consiste nell'eseguire la compensazione armonica, ovvero impostare un dispositivo di compensazione armonica per rendere la corrente di ingresso un'onda sinusoidale.
Il tradizionale dispositivo di compensazione delle armoniche utilizza un filtro sintonizzato su circuito integrato, che può compensare sia le armoniche che la potenza reattiva. Lo svantaggio è che le caratteristiche di compensazione sono influenzate dall'impedenza della rete e dallo stato di funzionamento, ed è facile avere una risonanza parallela con il sistema, che porta all'amplificazione armonica e sovraccarica o addirittura brucia il filtro LC. Inoltre, può solo compensare le armoniche di una frequenza fissa e l'effetto non è ideale.
Dopo la divulgazione e l'applicazione dei dispositivi elettronici di potenza, l'uso di filtri di potenza attiva per la compensazione armonica è diventato una direzione importante. Il principio è quello di rilevare la corrente armonica dall'oggetto di compensazione e quindi generare una corrente di compensazione con la stessa ampiezza e polarità opposta della corrente armonica, in modo che la corrente di rete contenga solo la componente d'onda fondamentale. Questo filtro può tracciare e compensare le armoniche la cui frequenza e ampiezza cambiano e le caratteristiche di compensazione non sono influenzate dall'impedenza della rete.
Il metodo principale del convertitore di grande capacità per ridurre le armoniche consiste nell'utilizzare una tecnologia multipla: sovrapporre più onde quadre per eliminare le armoniche inferiori, ottenendo così un'onda a gradino vicino al seno. Maggiore è la molteplicità, più la forma d'onda è vicina al seno, ma più complessa è la struttura del circuito. Per ottenere basse armoniche e un elevato fattore di potenza, i convertitori di piccola capacità utilizzano generalmente la rettifica a diodi e il taglio PWM, spesso chiamato correzione del fattore di potenza (PEC). I circuiti tipici includono il tipo boost, il tipo step-down, il tipo buck-boost e così via.
2. Soppressione delle interferenze elettromagnetiche
La misura per risolvere l'EMI consiste nel superare l'eccessiva velocità di aumento della corrente di/dt e la velocità di aumento della tensione du/dt che appaiono quando il dispositivo di commutazione viene acceso e spento. Attualmente, la maggiore attenzione è rivolta alla commutazione a corrente zero (ZCS) e alla commutazione a tensione zero (ZVS). ) Circuito. il modo è:
(1) L'induttanza è collegata in serie con il dispositivo di commutazione, che può sopprimere il di/dt quando il dispositivo di commutazione è acceso, in modo che non vi sia alcuna area di sovrapposizione di tensione e corrente sul dispositivo e ridurre la perdita diretta;
(2) I condensatori paralleli sono collegati al dispositivo di commutazione, quando il dispositivo è spento, il du/dt è inibito dall'aumento e non vi è alcuna area di sovrapposizione di tensione e corrente sul dispositivo, il che riduce la perdita di commutazione;
(3) I diodi antiparallelo sono collegati al dispositivo. Durante il periodo di conduzione del diodo, il dispositivo di commutazione è in uno stato di tensione zero e corrente zero. A questo punto, il dispositivo di azionamento viene acceso o spento per ottenere azioni ZVS e ZCS.
Attualmente, le tecnologie di commutazione software più comunemente utilizzate includono PWM a risonanza parziale e circuito snubber senza perdite.
(2) Compensazione del fattore di potenza
Il primo metodo consiste nell'utilizzare un motore sincrono, che è un motore sincrono appositamente utilizzato per generare potenza reattiva. Utilizza la sovraeccitazione e la sottoeccitazione per emettere rispettivamente diverse quantità di potenza reattiva capacitiva o induttiva. Tuttavia, poiché si tratta di una macchina elettrica rotante, il rumore e la perdita sono grandi, anche il funzionamento e la manutenzione sono complicati e la velocità di risposta è lenta. Pertanto, in molti casi, non è stato in grado di soddisfare i requisiti di una rapida compensazione della potenza reattiva.
Un altro metodo consiste nell'utilizzare un dispositivo di compensazione della potenza reattiva statica con un reattore saturo. Presenta i vantaggi del tipo statico e della velocità di risposta rapida, ma poiché il suo nucleo deve essere magnetizzato in uno stato saturo, la perdita e il rumore sono grandi e ci sono alcuni problemi speciali dei circuiti non lineari e non può essere regolato in fase per compensare lo squilibrio del carico. Pertanto, non è riuscito a occupare il mainstream dei dispositivi di compensazione var statici.
Con il continuo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza, i dispositivi di compensazione var statica che utilizzano SCR, GTO e IGBT sono stati sviluppati a passi da gigante. Tra questi, il generatore di var statico è il più superiore. Presenta i vantaggi della velocità di regolazione rapida e dell'ampio intervallo operativo e, dopo aver adottato tecniche multiple, multilivello o PWM, può ridurre notevolmente il contenuto armonico nella corrente di compensazione. Ancora più importante, il reattore e i componenti capacitivi utilizzati nel generatore var statico sono piccoli, il che riduce notevolmente le dimensioni e il costo del dispositivo. Il generatore di potenza reattiva statica rappresenta la direzione di sviluppo dei dispositivi dinamici di compensazione della potenza reattiva.
Cinque, osservazioni conclusive
Riteniamo che la tecnologia dell'elettronica di potenza diventerà una delle più importanti tecnologie pilastro nel 21° secolo. La tecnologia di conversione di frequenza occupa una posizione importante nel campo della tecnologia dell'elettronica di potenza. Negli ultimi anni, lo sviluppo nel campo della regolazione della velocità di conversione della frequenza di media tensione e della trazione elettrica ha attirato l'attenzione. Con l'integrazione dell'economia globale e l'adesione del mio paese all'Organizzazione mondiale del commercio, le industrie dell'elettronica di potenza e della tecnologia di conversione di frequenza del mio paese avranno opportunità di sviluppo senza precedenti.