变频技术及应用-白狼.doc

变频技术及其应用 摘要: 变频技术是电力电子技术的主要组成部分,它主要应用在交流电机的调速和供电电源两个领域。变频技术的应用,极大地减小了装置的体积,提高了效率,产生了巨大的经济效益随着人类科学技术日新月异的发展,变频技术 应用也愈加广泛,它促进了其他技术的进步,其他技术的进步也带动了变频技术的发展。关键词: 变频技术: 变频调速: 供电电源1.引言变频技术是电力电子技术的主要组成部分,它主要应用在交流电机的调速和供电电源两个领域。因为交流电机特别是鼠笼式异步电机具有结构简单、牢固、制造容易、运行环境不受限制、免维修等使用上的优点, 加之转速快、电压高、功率大、转动惯量小等性能上的优点,倍受用户青睐。变频技术的产生与发展为交流调速开拓了广阔的天地,国外交流调速在电气传动行业内已占绝对优势, 国内虽然直流调速还在大量使用, 但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速,其发展势头是迅速的。变频技术主要表现在两个方面:将过去用发电机、变压器产生交流电源的地方( 如中频电源、不停电电源等) 用变频电源取代;将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。2.变频调速的类型及发展现状所谓变频就是利用大功率电子器件( 如功率晶体管 GTR、绝缘栅双极型功率晶体管 IGBT )将50Hz的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源。它分为直接变频(或交-交变频) ,即把市电直接变成比它频率低的交流电,大量用在大功率的交流调速中，间接变频(或交-直-交变频),即先将市电整流成直流,再变频为要求频率的交流,它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。变频电焊机和开关电源采用等幅等宽变频。交流调速要求变频器的输出尽可能接近正弦波,所以多采用 SPWM 变频,目前这方面的技术已很成熟。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的 SPWM 法、磁场跟踪式 SPWM 法和等面积 SPWM 法等。在控制上都用 16 位或 32 位微机。8X196MC 单片机是专为变频调速开发的,目前应用很广泛。电力电子器件多用 IGBT ,最大视在功率可达 540kVA , 能驱动 485kW 的电机, 但一般是用在 300kW 以下的中、小功率段。IGBT 允许的开关频率可达几十千赫兹, 在通用变频器中, 一般不追求过高的开关频率, 常用 8kHz 以下。近来开发了一种 IGCT ( 集成门极换相晶闸管) ,它的电流、电压和通态压降与 GTO 相同, 而开关频率和触发功率与 IGBT 相当, 是开发大功率、中电压的理想变频器件。目前在开发中、小功率, 频率 400Hz 以上的单、三相正弦波电源上, 还存在技术难题, 有待进一步研究。用于开关电源和电焊机电源的变频技术, 主要追求高的开关频率。中功率段多用 IGBT , 小功率要用 MOSFET, 频率可达 100MHz 以上。高的开关频率带来高的开关损耗, 为此, 必须采用软开关技术。目前用软开关技术开发的开关电源频率达 10MHz, 功率密度达 7. 32W cm3, 效率达 90% 。3.变频技术在交流调速中的应用电动机的调速分工艺调速和节能调速两大类。工艺调速指生产工艺要求的调速,例如,轧钢机、造纸机、矿井卷扬机、机床、电梯等。这类调速的指标较高, 即要求有宽的调速范围, 小的静差率,快的动态响应。目前这类调速多采用变频变压( VVVF)的矢量控制方式。市场上出售较高档次的变频器一般都具有这种功能。调速要求较低的场合, 也可采用 V F 等于常值的电压频率协调控制方式。不论采用何种方式,目前技术都很成熟。人们关注的是装置的小型化、智能化及免维修等功能,此外,设置网络通讯和多机协调运转功能, 也是发展的方向。随着网络技术的发展,电机的调速将与企业的生产管理结合起来,国外已经实现以网络方式控制,国内正在研究、推广应用。在工艺调速中, 正在发展的调速方式是直接转矩控制的变频调速。直接转矩控制避免了复杂矢量变换运算, 直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型, 并决定其控制量。它强调的不是获得理想的正弦波形,而是转矩的直接控制效果。因此,它的 PWM 波形直接由转矩决定, 其准确性和快速性比矢量控制更优越,必将获得广泛应用。交流电机的节能调速, 应用量很大。我国目前发电总量的 63% 是用于电机, 其中风机、水泵就占 31% 。若都采用节能调速可节电 30% 40% 。其节电效果是很可观的。一般中小功率的风机、水泵直接用通用变频器。我国大多数大型风机水泵所用电动机都是 3000 6000V 的中压电机, 变频调速难以用到这个电压段,只待 IGCT 变频器的发展。在这一电压段的节能调速多采用线绕式异步电机的串调或双馈调速, 因转子电压低容易与器件的电压匹配。但线绕式异步电机有滑环, 维修麻烦, 也不受欢迎。现在国外在开发一种无刷双馈电机, 它有两套定子绕组, 一套接中压电网, 另一套为控制绕组, 相当于线绕式异步电机的转子绕组, 接串调或双馈装置实现调速, 效果很好, 可能成为理想的中压节能调速方案。与变频调速有两个相关的问题是大家非常重视的。一是谐波治理, 二是将变频器与电机结合开发机电一体化产品。由于大量应用变频器给电网带来严重的谐波污染, 必须设法解决。用变频技术产生与谐波频率、幅值相同而方向相反的电压波, 去抵消谐波是解决该问题较好方法。变频器与传统的电机结合使用存在很多问题, 一是低速的出力问题, 传统的电机未考虑调速, 其温升是按额定速度设计的, 当电机在低速下运行时, 出力就不够。因此, 当选用通用电机调速时, 容量要选大一点, 或者加强电机的冷却。第二个问题是谐波影响和高 dv dt 易使电机的端部过电压。通用电机是按正弦波设计的, 而变频器的输出必然含有很多高次谐波, 对电机的运行不利。解决的办法是开发方波型电机, 也就是将变频器与电机结合, 开发机电一体化产品,是变频调速的一个发展方向。目前的变频器多数是在 60Hz 以下运行, 最高不超过 100Hz, 远没有发挥变频器的作用。如果将电机的频率提高到 250Hz, 不仅发挥了变频器的作用, 同时也扩大了电机最高转速, 提高了调速范围, 使电气传动技术获得很大进步。4变频技术在电源中的应用大家都知道用电设备的体积与它的电源频率成反比。过去的直流电源是通过市电整流滤波后得到,因此体积很大。但若利用变频技术,将直流变成高频交流然后再整流成直流,即所谓 DC- DC 变换,这样就可极大地减小体积。以直流电焊机为例,一台300Kg的电焊机,若用 IGBT 作成变频电焊机, 效率可达 85% ,体积仅为 30Kg。提高频率的结果会增加开关损耗,因而必须发展各种软开关技术,即电压或电流过零开断技术。国外已有产品出售,国内正在研究。此外,频率提高,磁性材料又是大家关注的问题,要求高频损耗小,磁通密度高的磁性材料。由于软开关技术的成功,目前电子装置的电源体积已很小。为了满足 1.5V 供电的新一代计算机的需要,国内外正在开发 1.5V 、200A 开关电源模块,将它直接放在主板上。这为减小计算机的体积,提供了技术支持。在高频电源方面,国外用功率 MOSFET 制造出了 1000kW 15 600kHz( 比利时) 、用 SITH ( 静电感应晶闸管) 制造出了 1000kW 200kHz 和 400kW 400KHz( 日本) 的高频电源。目前的变频技术已经能满足电动汽车的要求,问题是蓄电池和控制技术阻碍着电动汽车的发展,解决这两个问题, 等于是促进变频技术的发展。各种新能源(例如太阳能、风能