基于電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究
(作者未知) 2010/6/19
論文關(guān)鍵詞:電力電子器件;變頻技術(shù);諧波;功率因數(shù)
論文摘要:介紹了電力電子器件和變頻技術(shù)的發(fā)展過程,以及變頻技術(shù)在家用電器的應(yīng)用,分析了變頻技術(shù)的應(yīng)用也帶來了諧波、電磁干擾和電源系統(tǒng)功率因數(shù)下降等問題。提出了相關(guān)的諧波抑制方法及提高電源系統(tǒng)功率因數(shù)的措施。
引言
隨著電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為發(fā)展趨勢(shì)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動(dòng)性能被國內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻技術(shù)是交流調(diào)速的核心技術(shù),電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)又是變頻技術(shù)的核心,而電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術(shù),廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電機(jī)傳動(dòng)、航空航天等領(lǐng)域,現(xiàn)已成為各國競相發(fā)展的一種高新技術(shù)。專家預(yù)言,在21世紀(jì)高度發(fā)展的自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi),計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)是兩項(xiàng)最重要的技術(shù)。
一、電力電子器件的發(fā)展過程
上世紀(jì)50年代末晶閘管在美國問世,標(biāo)志著電力電子技術(shù)就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR),我國70年代將其列為節(jié)能技術(shù)在全國推廣。然而,SCR畢竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開關(guān)器件,在交流傳動(dòng)和變頻電源的應(yīng)用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等,它們的共同特點(diǎn)是既控制其導(dǎo)通,又能控制其關(guān)斷,是全控型開關(guān)器件,由于不需要換流電路,故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當(dāng)前,IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件,容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。
許多國家都在努力開發(fā)大容量器件,國外已生產(chǎn)6000V的IGBT。IEGT(injection enhanced gate thyristor)是一種將IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的新型器件,已有1000A/4500V的樣品問世。IGCT(integrated gate eommutated thyristor)在GTO基礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極,它開通時(shí)相當(dāng)于晶閘管,關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于晶體管,從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾,工作頻率可達(dá)幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經(jīng)推出的IGCT可達(dá)4500一 6000V,3000一 3500A。MCT因進(jìn)展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達(dá)國家相比,我國在器件制造方面比在應(yīng)用方面有更大的差距。高功率溝柵結(jié)構(gòu)IGBT模塊、IEGT、MOS門控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國外有了最新發(fā)展?梢韵嘈牛捎肎aAs、SiC等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件,實(shí)現(xiàn)人們對(duì)“理想器件”的追求,將是21世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢(shì)。
高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國電力電子技術(shù)發(fā)展新熱點(diǎn)。GTO和IGCT,IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競爭,必將為21世紀(jì)世界電力電子新技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
二、變頻技術(shù)的發(fā)展過程
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換
技術(shù)的不斷發(fā)展。起初,變頻技術(shù)只局限于變頻不能變壓。20世紀(jì)70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,如:調(diào)制波縱向分割法、同相位載波PWM技術(shù)、移相載波PWM技術(shù)、載波調(diào)制波同時(shí)移相PWM技術(shù)等。
VVVF變頻器的控制相對(duì)簡單,機(jī)械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時(shí),由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。
矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過三相——二相變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iml、Itl,然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。
直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī),因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算;它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
VVVF變頻、矢量控制(未完,下一頁)
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