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1、21世纪变频调速技术展望 前言 现代变频技术是交流电动机控制的核心技术 而变频技术的核心是功率变换器件和微电子控制技术 电力电子和微电子技术的发展 推动了变频技术的发展 反过来变频技术的发展又对电力电子变换器件提出了新要求 世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代 世纪 年代应用机械旋转式变频机组 将工频电源变换成低于工频以下的电源 功率变换器件是原动机发电机机组 存在效率低 损耗大 噪声大 体积大等问题 年代 晶闸管 问世 年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组 进入了电力电子变频技术时代 使变频技术有了新发展 但由于晶闸管换向是靠外界电源自然换向或被强迫换向的 只能控制导通而不能直接
2、控制关断 因此需要复杂的换向电路和电压 电流保护回路 控制复杂 开关频率低 目前主要用于交交变频器 年代自关断器件大功率双极性晶体管 的问世 出现了高性能 变频器 曾经红过一阵 其性能大大优于晶闸管变频器 很快就在工业领域得到推广应用 但由于 可关断晶闸管 为电流控制器件 存在驱动功率大 开关频率不高 并联困难等问题 影响实现大容量化及高频低损耗 用户的高频化要求推进了功率器件栅极的 化 年代 场控型 绝缘栅晶体管 广泛用作变频器的功率变换器件 它具有开关频率高 并联容易 容易实现高压大容量化 控制方便的特点 所以一登场就体现了强大生命力 很快取代了 其应用从通用变频器 不间断电源 数值控制
3、伺服 机器人 以至扩大到家用电器 办公自动化 医疗器械 太阳能发电等所有领域 变频器已成为 年代变频调速技术的主流 在未来 世纪相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器 在 世纪 智能化模块 及智能化变频器将会有很大的发展 功率器件及变频器的智能化是将功率变换 驱动 检测 控制 保护等功能集成化 实现高效节能 多功能 高性能 高附加值化 同时将研究开发新电力电子器件 集成门极强驱动晶闸管 控制晶闸管 集成发射式门极晶闸管 砷化嫁 碳化硅复合器件 静电感应晶闸管 光控 及超导功率器件等新功能功率变换器 现在变频装置几乎已实现了数字化控制 但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势 变频装
4、置的数字化技术是从 年代中期开始逐步发展到 位 位微处理器 目前普遍采用 高速数字信号处理器 随着 等器件的高压大容量 中 高压大容量的变频装置也将会广泛应用到各个领域 变频装置应用的电力电子器件发展状况 用于变频装置的代表性电力电子器件有 二极管等 电力电子器件的发展电力电子器件发展状况表略 年代晶闸管的出现开创了电力电子器件时代 晶闸管随着直流传动调速系统的发展而得到了发展 年代末 和 电流控制型自关断器件的出现 进入了第二代电力电子时代 自关断器件和 控制技术相结合使变频技术得到了很大发展 年代初开始应用于 变频器的直流电源 年代末应用于交交变频器 年代末出现的高开关频率低损耗的 电压控
5、制型 及 模块 使电力电子器件进入了第三代 仍将成为 世纪初变频装置的主导功率变换器件 高频化低损耗和高耐压大容量器件是今后的研究开发方向 随着新材料新功能等新概念功率器件的开发 在 世纪将进入新一代电力电子时代 电力电子器件的现状和动向 晶闸管 自 年被发明以来 已经历了近四十年的历史 因其具有高成熟技术 高压大容量 高可靠性 价格低廉等优点 所以至今仍在直流传动装置 交交变频装置中广泛应用 特别在高电压和大电流领域使用更广泛 目前大直径芯片 英寸 英寸 英寸 元件已实用化 我国 英寸元件技术己成熟 英寸元件在研制中 今后将发展光控晶闸管 提高过电压保护功能和降低功耗 由于晶闸管为电流控制
6、关断不可控 开关频率低 用于变频装置中辅助电路复杂 所以将逐步被 等自关断器件所取代 可关断晶闸管 大容量 是由数个小容量 并联组成 大容量化 低阻尼化的关键技术是提高各小容量单元的开关动作能力和各单元的均流技术 降低损耗的关键技术是改善开关动作损耗 目前 英寸 英寸 英寸 己被实用化 国内尚无可以实用的 元件 由于 为电流控制型自关断器件 存在电流驱动功率大 一般门极控制电流为主电流的 驱动回路复杂 并联困难 可靠性差 开关效率不高 开关损耗大 阻尼电路复杂 再加上目前尚没有和驱动电路相匹配的功率变换器件 使用户应用不方便 这是 得不到广泛应用的主要原因 也是今后的研究开发课题 目前主要在机
7、车牵引驱动中应用较多 今后将逐步被 取代 绝缘栅晶体管 是采用 作输入级 作输出级 集成在同一芯片上的复合器件 为场控型电压驱动器件 它开关频率高 芯片的电流密度大 元件并联容易 容易实现耐高压大容量化 在 年代中期己被广泛用于变频装置 替代 占变频装置功率变换器件的主导地位 目前第三代 容量为 模块 己被实用化 今后的发展动向 开发第四代 增加并联数以增大容量 鸦开发适用中 高电压领域的 和 模块 开发大功率平板型反向导通 以及光控 高频低损耗化 绝缘功率模块 电力电子器件的智能化是发展方向 智能化器件是将功率变换 驱动 检测 保护 故障诊断等功能集成在一块芯片上 构成一台变频器 也叫做单片
8、变频器 它具有元件数量少 更加小型轻量化 性能价格比高 不易损坏 安全可靠 不需对静电采取对策 应用方便等特点 小容量 主要适用于家用电器 汽车驱动 办公设备 医疗机械等领域 目前 容量为 今后将发展 的并联技术和封装技术 实现高压大容量化 扩大应用泛围 为 控制晶闸管的复合器件 实现了耐高压大容量 但目前尚没有应用实例 以后它在大容量应用领域将取代 等复合器件这些器件将在 世纪得到发展 在近几年中在实用化方 面不会有太大的进展 概念电力电子器件 世纪将会出现用 以外材料制成的新型功率变换器件 如 超导功率器件 光能功率器件 随着新理论新材料新机理功率变换器件的问世 将会使功率变换器件进入新时
9、代 变频技术对电力电子功率变换器件的要求静止变频技术的多功能高性能化在一定意义上说直接取决于功率变换器件的性能 从提高变频装置的性能出发提出以下要求 高载波频率下的低开关损耗 简化阻尼电路设计 为防止短路时元件破坏 确保宽范围反向偏压安全动作区 阳 和短路安全动作区 适应电磁感应 规定的开发特性 并联容易 实现大容量化 驱动电路简单可靠 应用方便 高性能 低成本 超大规模集成电路化 实现功率变换 驱动 检测 控制 保护一体化 多功能智能化 既导热又绝缘 高耐压 新材料 新工艺的封装技术 接插技术直接焊接于印刷电路板 常用电力电子变换器件的现状和动向用表 说明变频装置常用电力电子器件的容量 电力
10、电子器件的现状和动向 晶闸管 自 年被发明以来 已经历了近四十年的历史 因其具有高成熟技术 高压大容量 高可靠性 价格低廉等优点 所以至今仍在直流传动装置 交交变频装置中广泛应用 特别在高电压和大电流领域使用更广泛 目前大直径芯片 英寸 英寸 英寸 元件已实用化 我国 英寸元件技术己成熟 英寸元件在研制中 今后将发展光控晶闸管 提高过电压保护功能和降低功耗 由于晶闸管为电流控制 关断不可控 开关频率低 用于变频装置中辅助电路复杂 所以将逐步被 等自关断器件所取代 可关断晶闸管 大容量 是由数个小容量 并联组成 大容量化 低阻尼化的关键技术是提高各小容量单元的开关动作能力和各单元的均流技术 降低
11、损耗的关键技术是改善开关动作损耗 目前 英寸 英寸 英寸 己被实用化 国内尚无可以实用的 元件 由于 为电流控制型自关断器件 存在电流驱动功率大 一般门极控制电流为主电流的 驱动回路复杂 并联困难 可靠性差 开关效率不高 开关损耗大 阻尼电路复杂 再加上目前尚没有和驱动电路相匹配的功率变换器件 使用户应用不方便 这是 得不到广泛应用的主要原因 也是今后的研究开发课题 目前主要在机车牵引驱动中应用较多 今后将逐步被 取代 绝缘栅晶体管 是采用 作输入级 作输出级 集成在同一芯片上的复合器件 为场控型电压驱动器件 它开关频率高 芯片的电流密度大 元件并联容易 容易实现耐高压大容量化 在 年代中期己
12、被广泛用于变频装置 替代 占变频装置功率变换器件的主导地位 目前第三代 容量为 模块 己被实用化 今后的发展动向 开发第四代 增加并联数以增大容量 鸦开发适用中 高电压领域的 和 模块 开发大功率平板型反向导通 以及光控 高频低损耗化 绝缘功率模块 电力电子器件的智能化是发展方向 智能化器件是将功率变换 驱动 检测 保护 故障诊断等功能集成在一块芯片上 构成一台变频器 也叫做单片变频器 它具有元件数量少 更加小型轻量化 性能价格比高 不易损坏 安全可靠 不需对静电采取对策 应用方便等特点 小容量 主要适用于家用电器 汽车驱动 办公设备 医疗机械等领域 目前 容量为 今后将发展 的并联技术和封装
13、技术 实现高压大容量化 扩大应用泛围 图开关频率 应用范围的现状和动向 静止变频装置的发展静止变频装置经过 多年的发展 己从第一代晶闸管变频器为模拟系统 控制 第二代晶体管变频器为 矢量控制发展到第三代 变频器为全数字化矢量控制 目前低压变频器技术己进入了成熟期 正在普遍推广应用 己由开始以局部节能为目的而转向全面替代直流电动机调速传动的昌盛时期 静止变频器分类和特点静止变频器主要用于驱动各类交流电动机 目前应用最为广泛的是电压型 变频器和交交变频器 典型静止变频器性能表略 介绍了几种典型的静止变频器特点 其中 为感应电机 为同步电机 交交变频器交交变频器为直接变频 靠电源自然换流无需换流电路
14、 它具有效率高 耐过负荷能力大 输出电压 电流为正弦波 技术成熟 可靠 功率变换器件可用普通晶闸管的特点 目前轧机主机传动已用 晶闸管构成 桥臂交交变频器 可驱动 感应电动机或同步电动机 装置效率可达 以上 交交变频器控制方式可分为无环流控制和环流控制 无环流交交变频器控制简单 但其输出频率理论上最高为电源频率的三分之一 使应用受到限制 而且正 反切换存在死区 环流控制交交变频器 接有环流电抗器 控制精度高 输出频率可达电源频率的 甚至可超过电源频率 正 反切换无死区 可实现低脉动力矩 响应快 主要适用于热连轧机 冷连轧机 造纸机等要求高精度场合 普通交交变频器主回路一般采用 桥臂 其谐波分量大 特别产生 次谐波及旁频分量 采用 桥臂交交变频器 实现双重化控制 可改善输出波形 抑制力矩波动 降低谐波 超过 的主传动特别如轧机主传动采用二套 晶闸管的 桥臂构成双重化 桥臂交交变频器 不含高次谐波分量 可实现高压大容量化 桥臂无环流交交变频器及 桥臂有环流控制交交变频器图略
