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    變頻器技術(sh¨´)亟需明確發(f¨¡)展方向

    作者£ºygdqq  發(f¨¡)布時(sh¨ª)間£º2015/6/6 18:02:12    

    變頻器是運動(d¨°ng)控制系統中的功率變換器£¬運動(d¨°ng)控制系統是作為機電能量變換器的電氣傳動(d¨°ng)技術(sh¨´)的發(f¨¡)展¡£當今的運動(d¨°ng)控制系統是包含多種學(xu¨¦)科的技術(sh¨´)領(l¨«ng)域£¬總的發(f¨¡)展趨勢是£º驅動(d¨°ng)的交流化£¬功率變換器的高頻化£¬控制的數字化¡¢智能化和網(w¨£ng)絡(lu¨° )化¡£因此£¬變頻器作為系統的重要功率變換部件£¬提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(f¨¡)展¡£

    經(j¨©ng)歷大約三十年的研發(f¨¡)與應用實(sh¨ª)踐£¬隨著(zh¨´)新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術(sh¨´)的發(f¨¡)展£¬變頻器的性能價(ji¨¤)格比越來(l¨¢i)越高£¬體積越來(l¨¢i)越小£¬而廠(ch¨£ng)家仍然在不斷地提高可靠性實(sh¨ª)現變頻器的進(j¨¬n)一步小型輕量化¡¢高性能化和多功能化以及無(w¨²)公害化而做著(zh¨´)新的努力¡£變頻器性能的優(y¨­u)劣£¬一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響£¬二要看對電網(w¨£ng)的諧波污染和輸入功率因數£¬三要看本身的能量損耗£¨即效率£©如何£¿這里僅以量大面廣的交¡ª直¡ª交變頻器為例£¬從技術(sh¨´)上看在以下幾個(g¨¨)方面會(hu¨¬ )進(j¨¬n)一步得到發(f¨¡)展£º

    脈寬調制變壓變頻器的控制方法£º正弦波脈寬調制£¨SPWM£©控制¡£消除指定次數諧波的PWM控制¡£電流跟蹤控制¡£電壓空間矢量控制£¨磁鏈跟蹤控制£©¡£交流電動(d¨°ng)機變頻調整控制方法的進(j¨¬n)展£º由標量控制£¨V£¯f控制和轉差頻率控制£©向高動(d¨°ng)態(t¨¤i)性能的矢量控制和直接轉矩控制發(f¨¡)展¡£開(k¨¡i)發(f¨¡)無(w¨²)速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制系統¡£

    微處理器的進(j¨¬n)步使數字控制成為現代控制器的發(f¨¡)展方向£¬運動(d¨°ng)控制系統是快速系統£¬特別是交流電動(d¨°ng)機高性能的控制需要存儲多種數據和快速實(sh¨ª)時(sh¨ª)處理大量信息¡£近幾年來(l¨¢i)£¬國外各大公司紛紛推出以DSP£¨數?#20013;?#34399;處理器£©為基礎的內核£¬配以電機控制所需的外圍功能電路£¬集成在單一芯片內的稱(ch¨¥ng)為DSP單片電機控制器£¨如ADI的ADMC3¡Á¡Á系?#23567;¢TI的TM S320C240和Motorola的DSP56F8¡Á¡Á系列£©£¬價(ji¨¤)格大大降低£¬體積縮小£¬結構緊湊£¬使用便捷£¬可靠性提高¡£

    DSP的最大速度為20¡«40MIPS£¬單周期指令執行時(sh¨ª)間快達幾十納秒£¬它和普通的單片機相比£¬處理數字運算能力增強10¡«15倍£¬確保系統有更優(y¨­u)越的控制性能¡£數字控制使?#24067;?#31777;(ji¨£n)化£¬柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性£¬可實(sh¨ª)現復雜控制規律£¬使現代控制理論在運動(d¨°ng)控制系統中應用成為現實(sh¨ª)£¬?#23376;?#33287;上層系統連接進(j¨¬n)行數據傳輸£¬便于?#25910;?#35386;斷加強保護和監視功能£¬使系統智能化£¨如有些變頻器具有自調整功能£©¡£

    主電路功率開(k¨¡i)關(gu¨¡n)元件的自關(gu¨¡n)斷化¡¢模塊化¡¢集成化¡¢智能化£¬開(k¨¡i)關(gu¨¡n)頻率不斷提高£¬開(k¨¡i)關(gu¨¡n)損耗進(j¨¬n)一步降低¡£低壓小容量變頻器普遍采用的功率開(k¨¡i)關(gu¨¡n)器件是£º功率M OSFET¡¢IG£­BT£¨絕緣柵雙極?#26579;?#39636;管£©和IPM£¨智能功率模塊£©¡£

    中壓大容量變頻器采用有£ºGTO£¨門(m¨¦n)極可關(gu¨¡n)斷晶閘管£©¡¢IGCT£¨集成門(m¨¦n)極換流晶閘管£©¡¢SGCT£¨對稱(ch¨¥ng)門(m¨¦n)極換流晶閘管£©¡¢IEGT£¨注入增強柵晶體管£©和高壓IGBT¡£變頻器主電路的拓撲結構方面£º變頻器的網(w¨£ng)側變流器對低壓小容量的常采用6脈沖變流器£¬而對中壓大容量的采用多重化12脈沖以?#31995;?#35722;流器¡£

    負載側變流器對低壓小容量的常采用兩電平的橋式逆變器£¬而對中壓大容量的采用多電平逆變器¡£值得注意的是£¬對于四象限運行的傳動(d¨°ng)£¬為實(sh¨ª)現變頻器再生能量向電網(w¨£ng)回饋和節省能量£¬網(w¨£ng)側變流器應為可逆變流器£¬出現了功率可雙向流動(d¨°ng)的雙PWM變頻器£¬對網(w¨£ng)側變流器加以適當控制可使輸入電流接近正弦波£¬并使系統的功率因數接近于1£¬減少對電網(w¨£ng)的公害¡£

    目前£¬低¡¢中壓變頻器都有這類(l¨¨i)產(ch¨£n)品¡£公用直流母線(xi¨¤n)技術(sh¨´)的采用使多臺£¨或多軸£©傳動(d¨°ng)系統能量更好利用£¬提高系統的整體運行效率£¬并可降低變頻器本身的價(ji¨¤)格¡£公用直流母線(xi¨¤n)?#37096;?#20197;有再生型和非再生型的¡£探索采用諧振直流環(hu¨¢n)技術(sh¨´)使變頻器的功率開(k¨¡i)關(gu¨¡n)工作在軟開(k¨¡i)關(gu¨¡n)狀態(t¨¤i)£¬器件損耗大大下降£¬開(k¨¡i)關(gu¨¡n)頻率可進(j¨¬n)一步提高£¬因電壓和電流尖峰引起的E£­MI問(w¨¨n)題得到抑制£¬可取消緩沖電路¡£

    交流同步電動(d¨°ng)機已成為交流可調傳動(d¨°ng)中的一顆新星£¬特別是永磁同步電動(d¨°ng)機£¬電機獲得無(w¨²)刷結構£¬功率因數高£¬效率也高£¬轉子轉速?l¨¤i)?#26684;與電源頻率保持同步¡£同步電機變頻調速系統有他控變頻和自控變頻兩大類(l¨¨i)¡£

    自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似£¬用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器£¬如采用交¡ª直¡ª交變壓變頻器時(sh¨ª)叫做¡°直流無(w¨²)換向器電機¡±或稱(ch¨¥ng)¡°無(w¨²)刷直流電動(d¨°ng)機£¨BLDC£©¡±¡£傳統的自控變頻同步機調速系統有轉子位置傳感器£¬現正開(k¨¡i)發(f¨¡)無(w¨²)轉子位置傳感器的系統¡£

    同步電機的他控變頻方式?#37096;?#37319;用矢量控制£¬其按轉子磁場(ch¨£ng)定向的矢量控制比異步電機簡(ji¨£n)單¡£開(k¨¡i)關(gu¨¡n)磁阻式電機£¨SR£©是一種特殊類(l¨¨i)型的同步電機£¬定轉子為雙凸極結構£¬結實(sh¨ª)無(w¨²)刷£¬輸出轉矩較大£¬由于SR電動(d¨°ng)機的繞組只需單方向電流£¬因此給它供電的只需單極性功率變換器就可以了£¬電路簡(ji¨£n)單¡£

    傳統的SR電動(d¨°ng)機調速系統同樣需要位置檢測器£¬目前也正在開(k¨¡i)發(f¨¡)無(w¨²)位置傳感器的SR調速系統¡£SR電機優(y¨­u)點(di¨£n)突出£¬應用領(l¨«ng)域日益擴大£¬稍顯遜色的是£ºSR電動(d¨°ng)機功率變換器輸出的是不規則電流脈沖£¬低速時(sh¨ª)導致運行噪聲和轉矩脈動(d¨°ng)問(w¨¨n)題較為突出£¬這有待于進(j¨¬n)一步改進(j¨¬n)控制方法¡£

    交流變頻調速技術(sh¨´)是強弱電混合¡¢機電一體的綜合性技術(sh¨´)£¬既要處理巨大電能的轉換£¨整流¡¢逆變£©£¬又要處理信息的收集¡¢變換和傳輸£¬因此它的共性技術(sh¨´)必定分成功率和控制兩大部分¡£前者要解決與高壓大電流有關(gu¨¡n)的技術(sh¨´)問(w¨¨n)題和新型電力電子器件的應用技術(sh¨´)問(w¨¨n)題£¬后者要解決£¨基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略£©的硬¡¢軟件開(k¨¡i)發(f¨¡)問(w¨¨n)題£¨在目前狀況下主要全數字控制技術(sh¨´)£©¡£

    其主要發(f¨¡)展方向有如下幾項£º實(sh¨ª)現高水平的控制¡£

    基于電動(d¨°ng)機和機?#30340;?#22411;的控制策略£¬有矢量控制¡¢磁場(ch¨£ng)控制¡¢直接傳矩控制和機械扭振補?#25976;È£?#22522;于現代理論的控制策略£¬有滑模變結構技術(sh¨´)¡¢模型參考自適應技術(sh¨´)¡¢采用微分幾何理論的非線(xi¨¤n)性解耦¡¢魯棒觀(gu¨¡n)察器£¬在某種指標意義下的最優(y¨­u)控制技術(sh¨´)和逆奈奎斯特陣列設計方法等£»

    基于智能控制思想的控制策略£¬有模糊控制¡¢神經(j¨©ng)元網(w¨£ng)絡(lu¨° )¡¢專(zhu¨¡n)家系統和各種各樣的自?x¨²n)?y¨­u)化¡¢自診斷技術(sh¨´)?#21462;?#32302;小裝置的尺寸¡£

    緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度£¬其中包括智能化的功率模塊¡¢緊湊型的光耦合器¡¢高頻率的開(k¨¡i)關(gu¨¡n)電源£¬以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器¡¢電抗器和電容器¡£功率器件冷卻方式的改變£¨如水冷¡¢蒸發(f¨¡)冷卻和熱管£©對縮小裝置的尺寸也很有效¡£高速度的數字控制¡£

    以32位高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實(sh¨ª)現各種控制算法£¬Windows操作系統的引入使得可自由設計£¬圖形編程的控制技術(sh¨´)也有很大的發(f¨¡)展¡£模擬與計算機輔助設計£¨CAD£©技術(sh¨´)¡£

    開(k¨¡i)發(f¨¡)清潔電能的變流器¡£所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數為1£¬網(w¨£ng)側?#25299;?#36617;側有盡可能低的諧波分量£¬以減少對電網(w¨£ng)的公害和電動(d¨°ng)機的轉矩脈動(d¨°ng)¡£對中小容量變流器£¬提高開(k¨¡i)關(gu¨¡n)頻率的PWM控制是有效的¡£對大容量變流器£¬在常規的開(k¨¡i)關(gu¨¡n)頻率下£¬可改變電?#26041;Y構和控制方式£¬實(sh¨ª)現清潔電能的變換¡£

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