通用變頻器的發(fā)展研究

時間:2013-06-03

來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導語:此后的20多年中,電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展,變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步

60年代中期,普通晶閘管、小功率晶體管的實用化,使交流電動機變頻調(diào)速也進入了實用化。采用晶閘管的同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)、采用電壓型或電流型晶閘管變頻器的籠型異步電動機調(diào)速系統(tǒng)(包括不屬變頻方案的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的串級調(diào)速系統(tǒng))等先后實現(xiàn)了實用化,使變頻調(diào)速開始成為交流調(diào)速的主流。

此后的20多年中,電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展,變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進步。

這種進步,突出表現(xiàn)在:

(1)變頻裝置的大容量化

對一些大型生產(chǎn)機械的主傳動,直流電動機在容量等級方面已接近極限值,采用直流調(diào)速方案無論在設(shè)計和制造上都已十分困難。

為了適應(yīng)大容量的高壓電動機,采用直接高壓型PWM變頻器來控制高壓電動機,發(fā)展較迅速。

(2)主開關(guān)器件的自關(guān)斷化

近十幾年,大功率自關(guān)斷電力電子器件的發(fā)展十分迅速,其中“門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極晶體管(BJT)/電力晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)”的發(fā)展最快,實用化的程度也最高。

采用自關(guān)斷器件省去了線路復雜、體積較大的強迫換相電路,既可以減小裝置體積,又降低了開關(guān)損耗提高了效率。同時,由于開關(guān)頻率的提高,變流器可采用PWM控制,既降低諧波損耗、減小轉(zhuǎn)矩脈動,又可以提高快速性、改善功率因數(shù)。優(yōu)點是很多的。

據(jù)統(tǒng)計,目前變頻器中的開關(guān)器件,容量為1500kW以下的采用IGBT;1000~7500kW的采用GTO。

(3)變頻裝置的高性能化

早期的變頻調(diào)速系統(tǒng),基本上是采用U/F控制,無法得到快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),低速特性也不好(負載能力差)。

1971年德國西門子公司發(fā)明了所謂“矢量控制”技術(shù)。一改過去傳統(tǒng)方式中僅對交流電量的量值(電壓、電流、頻率的量值)進行控制的方法,實現(xiàn)了在控制量值的同時也控制其相位的新控制思想。使用坐標變換的辦法,實現(xiàn)定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制,可以使交流電動機像直流電動機一樣具有良好的調(diào)速性能。

多年來,人們圍繞著矢量控制技術(shù)做了大量的工作,如今矢量控制這一新的交流電動機調(diào)速原理得到了廣泛的實際應(yīng)用,做到與直流調(diào)速系統(tǒng)一樣,甚至有所超過,完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

在一些軋鋼廠中,大型初軋機這類快速可逆系統(tǒng),90年代初采用了“交-交變頻”矢量控制系統(tǒng),到目前又開始采用“交-直-交”電壓型變頻器的矢量控制系統(tǒng)。實踐證明,它完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求,達到了已往直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標。

 

(4)PWM技術(shù)的應(yīng)用

PWM:(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制技術(shù)。

自關(guān)斷器件的發(fā)展為PWM技術(shù)鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。

PWM技術(shù)用于變頻器的控制,可以改善變頻器的輸出波形,降低電動機的諧波損耗,并減小轉(zhuǎn)矩脈動,同時還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu),加快了調(diào)節(jié)速度,提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。

PWM技術(shù)除了用于逆變器的控制,還用于整流器的控制。PWM整流器現(xiàn)已開發(fā)成功,利用它可以實現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為1。人們稱PWM整流器是對電網(wǎng)無污染的“綠色”交流器。

(5)控制方式的全數(shù)字化等方面。

全數(shù)字控制方式,使信息處理能力大幅度地增強。采用模擬控制方式無法實現(xiàn)的復雜控制在今天都已成為現(xiàn)實。微處理機和大規(guī)模集成電路的引入,對于變頻器的通用化起到了決定性的作用。全數(shù)字控制具有如下特點:

精度高:數(shù)字計算機的精度與字長有關(guān),變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機,精度在不斷提高。

穩(wěn)定性好:由于控制信息為數(shù)字量,不會隨時間發(fā)生漂移。與模擬控制不同,它一般不會隨溫度和環(huán)境條件發(fā)生變化。

可靠性高:微型計算機采用大規(guī)模集成電路,系統(tǒng)中的硬件電路數(shù)量大為減少,相應(yīng)的故障率大大降低。

靈活性好:系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化方向發(fā)展,可以在盡可能少的硬件支持下,由軟件去完成復雜的控制功能。適當?shù)匦薷能浖涂梢愿淖兿到y(tǒng)的功能或提高其性能。

存儲能力強:存儲容量大,存放時間幾乎不受限制,這是模擬系統(tǒng)不能比擬的。利用這一特點可在存儲器中存放大量的數(shù)據(jù)或表格,利用查表法簡化計算,提高運算速度。

邏輯運算能力強:容易實現(xiàn)自診斷、故障記錄、故障尋找等功能,使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。

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