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通用變頻器技術(shù)的發(fā)展和展望

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

    1. 前言  
        交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一,這是和冉力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。 

        通用變頻器作為早個商品開始在國內(nèi)上市,是近十年的事,銷售額逐年增加,于今全年有超過數(shù)十億元(RMB)的市場。其中,各種進(jìn)口品牌居多,功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦;功能簡易或復(fù)雜;精度低或高;響應(yīng)慢或快:有PG(測速機)或無PG;有噪音或無噪音等等。 

        對于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新,現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進(jìn)的機型如果從應(yīng)用的角度來說,我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國家沒有什么兩樣。作為國內(nèi)制造商,通過這十年來對國外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷化,也正在積極地進(jìn)行國產(chǎn)變頻器的自主開發(fā).努力追趕世界發(fā)達(dá)國家的水平。 

        回顧近十年來國外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向,以及如何站在高起點上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義。 

        2. 關(guān)于功率器件 

        變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中,應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(Intelligent Power Module),后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可<3V,頻率可達(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前,采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE(sat)]的第四代IGBT也已問世。 

        第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關(guān)器件發(fā)熱減少,將曾占主回路發(fā)熱50-70%的器件發(fā)熱降低了30%。其二是高載波控制,使輸出電流波形有明顯改善;其三是開關(guān)頻率提高,使之超過人耳的感受范圍,即實現(xiàn)了電機運行的靜青化;其四是驅(qū)動功率減少,體積趨于更小。 

        而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年,由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動和保護(hù)電路。甚至還有的把光耦也集成于一體,因此是種更為好用的集成型功率器件,目前,在模塊額定由流10-600A范圍內(nèi),通用變頻器均有采用IPM的趨問,其優(yōu)點是: 

        (1)開關(guān)速度快,驅(qū)動電流小,控制驅(qū)動更為簡單。  

        (2)內(nèi)含電流傳感器,可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流,能對功率芯片給予足夠的保護(hù),故障率大大降低。 

        (3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動電路的配線設(shè)計上做到優(yōu)化,所以浪涌電壓,門極振蕩,噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。 

    4)保護(hù)功能較為豐富,如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)一應(yīng)俱全,隨著技術(shù)的進(jìn)步,保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善。 

        (5)IPM的售價已逐漸接近IGBT.而計人采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT,有很好的經(jīng)濟性。 

        為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后,經(jīng)濟型的IPM在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器,冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展,日本三菱電機最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦,通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù),在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化,專用化,高性能,低成本方面又推進(jìn)了一步。 

        3. 關(guān)于控制方式 

        早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列,SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比(V/F=常數(shù))的控制方式.其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,缺點是系統(tǒng)性能不高,比較適合應(yīng)用在風(fēng)機、水調(diào)這場合。具體來說,其控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化;轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢,電視轉(zhuǎn)矩利用率不高,低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對變頻器U/F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段。 

        第一階段: 

        (1) 八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進(jìn)入中國市場的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。 

        (2) 引人頻率補償控制,以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差 

        (3) 基于電機的穩(wěn)態(tài)模型,用直流電流信號重建相電流,如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值,并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。 

        (4) 將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制,以提高動態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯,從而可以實現(xiàn)快速的加減速。 

        之后,1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7/P7系列的設(shè)計中,不同程度融入了(2)(3)(4)項技術(shù),因此很具有代表性。三菱日立,東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。 

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