Con el rápido desarrollo de la electrónica de potencia y la tecnología informática, la regulación de velocidad de CA se ha convertido en una tendencia de desarrollo para reemplazar la regulación de velocidad de CC. La regulación de velocidad por conversión de frecuencia es reconocida como el método de regulación de velocidad más prometedor en el país y en el extranjero por su excelente regulación de velocidad y rendimiento de arranque y frenado. La tecnología de conversión de frecuencia es la tecnología central de la regulación de la velocidad de CA, la electrónica de potencia y la tecnología informática son el núcleo de la tecnología de conversión de frecuencia, y los dispositivos electrónicos de potencia son la base de la tecnología de electrónica de potencia. La tecnología de la electrónica de potencia es una alta tecnología que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Es ampliamente utilizado en los campos de la mecatrónica, transmisión de motores, aeroespacial, etc. Ahora se ha convertido en una alta tecnología por la que los países compiten por desarrollar. Los expertos predicen que en el campo altamente desarrollado del control automático en el siglo XXI, la tecnología informática y la tecnología de la electrónica de potencia son las dos tecnologías más importantes.
1. El proceso de desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia
Los tiristores aparecieron en los Estados Unidos a fines de la década de 1950, lo que marcó el nacimiento de la tecnología de electrónica de potencia. La primera generación de dispositivos electrónicos de potencia es principalmente rectificador controlado por silicio (SCR), que fue catalogado como una tecnología de ahorro de energía en mi país en la década de 1970 y promovido a nivel nacional. Sin embargo, SCR es un dispositivo de conmutación semi-controlado que solo puede controlar su encendido pero no su apagado. Está limitado en la aplicación de variadores de frecuencia y fuentes de alimentación de frecuencia variable. Transistores de potencia (GTR), tiristores de apagado de puerta (GTO), transistores de efecto de campo MOS de potencia (PowerMOSFET), transistores de puerta aislada (IGBT), transistores de inducción estática (SIT) y tiristores de inducción estática (SITH), inventados sucesivamente después de la década de 1970 , etc. Su característica común es controlar su conducción y apagado. Son dispositivos de conmutación totalmente controlados. Dado que no se requiere un circuito convertidor, el volumen y el peso se reducen considerablemente en comparación con el SCR. En la actualidad, IGBT se ha convertido en un dispositivo convencional con sus excelentes características, y GTO con gran capacidad también tiene una cierta posición.
Muchos países están trabajando arduamente para desarrollar dispositivos de gran capacidad y se han producido IGBT de 6000 V en el extranjero. IEGT (gatethyristor mejorado por inyección) es un nuevo tipo de dispositivo que combina las ventajas de IGBT y GTO. Ya han salido muestras de 1000A / 4500V. IGCT (tirosistores conmutados de gatee integrado) utiliza una capa amortiguadora y un emisor transparente sobre la base de GTO. Es equivalente a un tiristor cuando está encendido y a un transistor cuando está apagado, coordinando así efectivamente la contradicción entre el voltaje de estado encendido y el voltaje de bloqueo, y la frecuencia de operación puede alcanzar varios kilohercios [2] [3 ]. La empresa suiza ABB ha lanzado IGCT hasta 4500-6000V, 3000-3500A. MCT se retiró debido a pocos avances, y el desarrollo de IGCT hizo que ocupara una posición importante en el nuevo patrón de dispositivos electrónicos de potencia. En comparación con los países desarrollados, mi país tiene una brecha mayor en la fabricación de dispositivos que en la aplicación. Los nuevos dispositivos de energía como los módulos IGBT de estructura de compuerta de trinchera de alta potencia, IEGT, tiristores con compuerta MOS, diodos rectificadores de alta frecuencia de arseniuro de galio de alto voltaje, carburo de silicio (SIC) y otros dispositivos de energía nuevos tienen los últimos desarrollos en el extranjero. Se cree que el uso de nuevos materiales semiconductores como GaAs y SiC para hacer dispositivos de energía para realizar la búsqueda de personas&de&"dispositivos ideales GG"; será la principal tendencia en el desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia en el siglo XXI.
Los bloques de construcción electrónicos de potencia de alta confiabilidad (PEBB) y los módulos electrónicos de potencia integrados (IPEM) son nuevos puntos calientes en el desarrollo reciente de la tecnología electrónica de potencia en los Estados Unidos. La feroz competencia entre GTO e IGCT, IGCT e IGBT de alto voltaje y otros nuevos dispositivos electrónicos de potencia seguramente traerá más oportunidades y desafíos para el desarrollo de nuevas tecnologías de electrónica de potencia y tecnologías de conversión de frecuencia en el siglo XXI.
2. El proceso de desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia
La tecnología de conversión de frecuencia nació en respuesta a la necesidad de una regulación continua de la velocidad de los motores de CA. La renovación de la electrónica de potencia promueve la conversión de energía
El continuo desarrollo de la tecnología. Al principio, la tecnología de conversión de frecuencia se limitaba a la conversión de frecuencia y no al voltaje variable. Desde la década de 1970, la investigación sobre la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia de voltaje variable de modulación de ancho de pulso (PWM-VVVF) ha atraído la atención de la gente. En la década de 1980, el problema de optimización del modo PWM como el núcleo de la tecnología de conversión de frecuencia atrajo el gran interés de la gente GG, y se obtuvieron muchos modos de optimización, como: método de división longitudinal de onda de modulación, tecnología PWM de portadora en fase, fase -Tecnología PWM de portadora desplazada, tecnología PWM de cambio de fase simultáneo de onda de modulación de portadora, etc.
El control del inversor VVVF es relativamente simple y sus propiedades mecánicas también son buenas. Puede cumplir con los requisitos de regulación de velocidad suave de la transmisión general y se ha utilizado ampliamente en varios campos de la industria. Sin embargo, cuando este método de control es de baja frecuencia, debido a que el voltaje de salida es pequeño, la influencia de la caída de voltaje de la resistencia del estator es más significativa, por lo que se reduce el par de salida máximo.
El método de regulación de la velocidad de conversión de frecuencia de control vectorial es: las corrientes de CA del estator Ia, Ib e Ic del motor asíncrono en el sistema de coordenadas trifásico se transforman en las corrientes de CC Iml, Itl bajo el sistema de coordenadas de rotación síncrona a través de tres transformación de fase a dos fases. Luego, imite el método de control del motor de CC, obtenga la cantidad de control del motor de CC y realice el control del motor asíncrono a través de la transformación inversa de coordenadas correspondiente.
El control de par directo analiza directamente el modelo matemático del motor de CA en el sistema de coordenadas del estator y controla el enlace de flujo y el par del motor. No necesita transformar el motor de CA en un motor de CC equivalente, eliminando así muchos cálculos complicados en la transformación de rotación vectorial; no necesita imitar el control del motor de CC ni simplificar el modelo matemático del motor de CA para el desacoplamiento.
La conversión de frecuencia VVVF, la conversión de frecuencia de control vectorial y la conversión de frecuencia de control de par directo son todas conversiones de frecuencia AC-DC-AC. La desventaja común es que el factor de potencia de entrada es bajo, la corriente armónica es grande, el circuito de CC requiere un gran condensador de almacenamiento de energía y la energía regenerativa no se puede realimentar a la red, es decir, no se puede realizar la operación en cuatro cuadrantes. . Por esta razón, surgió la conversión de frecuencia de matriz AC-AC.
3. Tecnología de conversión de frecuencia y electrodomésticos
En la década de 1970, los electrodomésticos comenzaron a convertirse a conversión de frecuencia y electrodomésticos de cocina electromagnéticos, aparatos de iluminación de conversión de frecuencia, acondicionadores de aire de conversión de frecuencia, hornos de microondas de conversión de frecuencia, refrigeradores de conversión de frecuencia, bollos de arroz IH (calentamiento por inducción), lavadoras de conversión de frecuencia. , etc. apareció [4].
A finales del siglo XX, los electrodomésticos se basaban en la tecnología de conversión de frecuencia, con el objetivo principal de lograr una alta funcionalidad y ahorro de energía.
El primero es el frigorífico. Debido a que funciona todo el día, el compresor siempre funciona a baja velocidad después de adoptar la refrigeración por conversión de frecuencia, lo que puede eliminar por completo el ruido causado por el arranque del compresor, y el efecto de ahorro de energía es más obvio. En segundo lugar, después de que el aire acondicionado usa la conversión de frecuencia, el rango de trabajo del compresor se expande y el control de enfriamiento y calefacción se puede realizar sin que el compresor funcione en un estado intermitente, para reducir el consumo de energía y eliminar las molestias causadas por la temperatura. cambios. En los últimos años, los nuevos refrigeradores de conversión de frecuencia no solo han reducido el consumo de energía y han logrado el silencio, sino que también han logrado una congelación rápida mediante el funcionamiento a alta velocidad.
En la lavadora, el control de frecuencia variable se utilizó en el pasado para lograr un control de velocidad variable para mejorar el rendimiento del lavado. Además del ahorro de energía y la tranquilidad, la lavadora recientemente popular también introdujo un nuevo contenido de control para garantizar el lavado suave de la ropa; Las cocinas electromagnéticas utilizan inducción de alta frecuencia El calentamiento hace que la olla se caliente directamente sin la parte caliente del gas y la calefacción eléctrica, por lo que no solo es seguro, sino que también mejora en gran medida la eficiencia del calentamiento. Su frecuencia de trabajo es superior al sentido auditivo, eliminando así el ruido causado por la vibración de la olla de arroz.
En cuarto lugar, el daño causado por los dispositivos electrónicos de potencia y las contramedidas.
La rectificación controlada por fase y la rectificación incontrolable de diodos en los dispositivos electrónicos de potencia provocan una grave distorsión de la forma de onda de la corriente de entrada, lo que no solo reduce en gran medida el factor de potencia del sistema, sino que también provoca una grave contaminación armónica.
Además, los rápidos cambios de voltaje y corriente en el circuito de hardware hacen que los dispositivos electrónicos de potencia soporten una gran tensión eléctrica y provoquen graves interferencias electromagnéticas (EM1) en los equipos eléctricos y las ondas de radio circundantes, y la situación empeora. Muchos países han formulado estándares nacionales para limitar los armónicos. El Instituto Internacional de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y la Conferencia Internacional sobre Grandes Redes Eléctricas (CIGRE) han lanzado sus propios estándares de armónicos. El gobierno chino también ha formulado regulaciones relevantes para limitar los armónicos.
(1) Contramedidas para armónicos e interferencia electromagnética
1. Supresión de armónicos
Para suprimir los armónicos generados por los dispositivos electrónicos de potencia, un método es realizar una compensación armónica, es decir, configurar un dispositivo de compensación armónica para hacer que la corriente de entrada sea una onda sinusoidal.
El dispositivo de compensación de armónicos tradicional utiliza un filtro sintonizado por IC, que puede compensar tanto los armónicos como la potencia reactiva. La desventaja es que las características de compensación se ven afectadas por la impedancia de la red y el estado operativo, y es fácil tener resonancia en paralelo con el sistema, lo que conduce a una amplificación armónica y sobrecarga o incluso quema el filtro LC. Además, solo puede compensar los armónicos de una frecuencia fija y el efecto no es ideal.
Después de la popularización y aplicación de los dispositivos electrónicos de potencia, el uso de filtros de potencia activa para la compensación de armónicos se ha convertido en una dirección importante. El principio es detectar la corriente armónica del objeto de compensación y luego generar una corriente de compensación con la misma magnitud y polaridad opuesta que la corriente armónica, de modo que la corriente de la red solo contenga el componente de onda fundamental. Este filtro puede rastrear y compensar armónicos cuya frecuencia y amplitud cambian, y las características de compensación no se ven afectadas por la impedancia de la red.
El método principal del convertidor de gran capacidad para reducir los armónicos es utilizar tecnología múltiple: superponer múltiples ondas cuadradas para eliminar los armónicos más bajos, obteniendo así una onda escalonada cercana al seno. Cuanto más multiplicidad, más cercana está la forma de onda al seno, pero más compleja es la estructura del circuito. Para lograr armónicos bajos y factor de potencia alto, los convertidores de pequeña capacidad generalmente usan rectificación de diodos y corte PWM, a menudo llamado corrección del factor de potencia (PEC). Los circuitos típicos incluyen el tipo boost, el tipo reductor, el tipo buck-boost, etc.
2. Supresión de interferencias electromagnéticas
La medida para resolver EMI es superar la tasa de aumento de corriente excesiva di / dt y la tasa de aumento de voltaje du / dt que aparecen cuando el dispositivo de conmutación se enciende y apaga. En la actualidad, se presta más atención a la conmutación de corriente cero (ZCS) y la conmutación de voltaje cero (ZVS). ) Circuito. el camino es:
(1) La inductancia está conectada en serie con el dispositivo de conmutación, que puede suprimir el di / dt cuando el dispositivo de conmutación está encendido, de modo que no haya un área de superposición de voltaje y corriente en el dispositivo y reducir la pérdida directa
(2) Los condensadores en paralelo están conectados al dispositivo de conmutación, cuando el dispositivo está apagado, el du / dt no puede aumentar y no hay un área de superposición de voltaje y corriente en el dispositivo, lo que reduce la pérdida de conmutación;
(3) Los diodos anti-paralelo están conectados al dispositivo. Durante el período de conducción del diodo, el dispositivo de conmutación se encuentra en un estado de voltaje cero y corriente cero. En este momento, el dispositivo de accionamiento se enciende o apaga para lograr acciones ZVS y ZCS.
En la actualidad, las tecnologías de conmutación de software más utilizadas incluyen PWM resonante parcial y circuito amortiguador sin pérdidas.
(2) Compensación del factor de potencia
El primer método consiste en utilizar un motor síncrono, que es un motor síncrono especialmente utilizado para generar potencia reactiva. Utiliza sobreexcitación y subexcitación para emitir respectivamente diferentes cantidades de potencia reactiva capacitiva o inductiva. Sin embargo, debido a que es una máquina eléctrica giratoria, el ruido y la pérdida son grandes, la operación y el mantenimiento también son complicados y la velocidad de respuesta es lenta. Por lo tanto, en muchos casos, no ha podido cumplir con los requisitos de compensación rápida de potencia reactiva.
Otro método consiste en utilizar un dispositivo de compensación de potencia reactiva estática con un reactor saturado. Tiene las ventajas del tipo estático y la velocidad de respuesta rápida, pero debido a que su núcleo debe magnetizarse a un estado saturado, la pérdida y el ruido son grandes, y hay algunos problemas especiales de los circuitos no lineales, y no se puede ajustar en fase para compensar el desequilibrio de la carga. Por lo tanto, no pudo ocupar la corriente principal de dispositivos de compensación de var estática.
Con el desarrollo continuo de la tecnología de electrónica de potencia, los dispositivos de compensación de var estática que utilizan SCR, GTO e IGBT se han desarrollado a pasos agigantados. Entre ellos, el generador de var estático es el más superior. Tiene las ventajas de una velocidad de ajuste rápida y un amplio rango operativo, y después de adoptar técnicas múltiples, multinivel o PWM, puede reducir en gran medida el contenido de armónicos en la corriente de compensación. Más importante aún, el reactor y los componentes capacitivos utilizados en el generador de var estático son pequeños, lo que reduce en gran medida el tamaño y el costo del dispositivo. El generador de potencia reactiva estática representa la dirección de desarrollo de los dispositivos de compensación de potencia reactiva dinámica.
Cinco, observaciones finales
Creemos que la tecnología de la electrónica de potencia se convertirá en uno de los pilares más importantes del siglo XXI. La tecnología de conversión de frecuencia ocupa un lugar importante en el campo de la tecnología de la electrónica de potencia. En los últimos años, el desarrollo en el campo de la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia de voltaje medio y la tracción eléctrica ha llamado la atención. Con la integración de la economía mundial y la adhesión de mi país a la Organización Mundial del Comercio, las industrias de electrónica de potencia y tecnología de conversión de frecuencia tendrán oportunidades de desarrollo sin precedentes.