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通用變頻器技術(shù)的發(fā)展和展望

http://m.szzj128.cn 2015年09月19日        

        1. 前言  
            交流傳動(dòng)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(jì)算機(jī)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(gè)商品開(kāi)始在國(guó)內(nèi)上市,是近十年的事,銷售額逐年增加,于今全年有超過(guò)數(shù)十億元(RMB)的市場(chǎng)。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(jiǎn)易或復(fù)雜;精度低或高;響應(yīng)慢或快:有PG(測(cè)速機(jī))或無(wú)PG;有噪音或無(wú)噪音等等。 

            對(duì)于許多用戶來(lái)說(shuō),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(jī)型如果從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō),我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國(guó)家沒(méi)有什么兩樣。作為國(guó)內(nèi)制造商,通過(guò)這十年來(lái)對(duì)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷化,也正在積極地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)變頻器的自主開(kāi)發(fā).努力追趕世界發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。 

            回顧近十年來(lái)國(guó)外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對(duì)于深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向,以及如何站在高起點(diǎn)上結(jié)合我國(guó)國(guó)情開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的產(chǎn)品應(yīng)該說(shuō)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(dòng)機(jī)的傳動(dòng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率提高,使之超過(guò)人耳的感受范圍,即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜青化;其四是驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wèn),其優(yōu)點(diǎn)是: 

            (1)開(kāi)關(guān)速度快,驅(qū)動(dòng)電流小,控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單。  

            (2)內(nèi)含電流傳感器,可以高效迅速地檢測(cè)出過(guò)電流和短路電流,能對(duì)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(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)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(wèn)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(jià)已逐漸接近IGBT.而計(jì)人采用IPM后的開(kāi)關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合其性價(jià)比已高過(guò)IGBT,有很好的經(jīng)濟(jì)性。 

            為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后,經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年內(nèi)也開(kāi)始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器,冰箱變頻器、洗衣機(jī)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(jī)最近開(kāi)發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦,通過(guò)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(shí)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(kāi)環(huán)恒壓比(V/F=常數(shù))的控制方式.其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高,比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水調(diào)這場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō),其控制曲線會(huì)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(shí)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(duì)變頻器U/F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。 

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

            (3) 基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型,用直流電流信號(hào)重建相電流,如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值,并通過(guò)反饋控制來(lái)消除低速時(shí)定子電阻對(duì)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(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時(shí)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(gè)好處是對(duì)再生引起的過(guò)電壓、過(guò)電流抑制較為明顯,從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。 

            之后,1991年由富士電機(jī)推出大家熟知的FVR與 FRNG7/P7系列的設(shè)計(jì)中,不同程度融入了(2)(3)(4)項(xiàng)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(méi)有得到根本性的改善。 

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