21世纪变频调速技术展望Word文档下载推荐.docx

1、世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。世纪年代应用机械旋转式变频机组，将工频电源变换成低于工频以下的电源，功率变换器件是原动机发电机机组，存在效率低、损耗大、噪声大、体积大等问题。年代 （晶闸管）问世，年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组，进入了电力电子变频技术时代，使变频技术有了新发展。但由于晶闸管换向是靠外界电源自然换向或被强迫换向的，只能控制导通而不能直接控制关断，因此需要复杂的换向电路和电压、电流保护回路，控制复杂，开关频率低，目前主要用于交交变频器。年代自关断器件大功率双极性晶体管 的问世，出现了高性能 变频器，曾经红过一阵，其性能大大优于晶闸管变频器，很快就在工业领域得

2、到推广应用。但由于、 （可关断晶闸管 ）为电流控制器件、存在驱动功率大、开关频率不高、并联困难等问题，影响实现大容量化及高频低损耗。用户的高频化要求推进了功率器件栅极的化，年代 场控型 （绝缘栅晶体管 ）广泛用作变频器的功率变换器件。它具有开关频率高、并联容易，容易实现高压大容量化、控制方便的特点，所以一登场就体现了强大生命力，很快取代了 ，其应用从通用变频器（）、不间断电源（）、数值控制（）、伺服（）、机器人，以至扩大到家用电器、办公自动化、医疗器械、太阳能发电等所有领域。 变频器已成为年代变频调速技术的主流，在未来世纪相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。在世纪智能化模块，及智

3、能化变频器将会有很大的发展。功率器件及变频器的智能化是将功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能集成化，实现高效节能、多功能、高性能、高附加值化。同时将研究开发新电力电子器件 （集成门极强驱动晶闸管 ）、（控制晶闸管 ）、（集成发射式门极晶闸管 ）、 （砷化嫁）、 （碳化硅复合器件）、 （静电感应晶闸管 ）、光控及超导功率器件等新功能功率变换器。现在变频装置几乎已实现了数字化控制，但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从年代中期开始逐步发展到位、位微处理器，目前普遍采用（ ）高速数字信号处理器。随着 等器件的高压大容量，中、高压大容量的变频装置也将会广泛应用到各个领域

4、。 变频装置应用的电力电子器件发展状况用于变频装置的代表性电力电子器件有、 、二极管等。电力电子器件的发展电力电子器件发展状况表略。年代晶闸管的出现开创了电力电子器件时代，晶闸管随着直流传动调速系统的发展而得到了发展。年代末和 电流控制型自关断器件的出现，进入了第二代电力电子时代，自关断器件和 控制技术相结合使变频技术得到了很大发展。年代初开始应用于 （ ）变频器的直流电源，年代末应用于交交变频器。年代末出现的高开关频率低损耗的 电压控制型及模块，使电力电子器件进入了第三代。仍将成为世纪初变频装置的主导功率变换器件。高频化低损耗和高耐压大容量器件是今后的研究开发方向。随着新材料新功能等新概念功

5、率器件的开发，在世纪将进入新一代电力电子时代。电力电子器件的现状和动向晶闸管自年被发明以来，已经历了近四十年的历史。因其具有高成熟技术、高压大容量、高可靠性、价格低廉等优点，所以至今仍在直流传动装置，交交变频装置中广泛应用，特别在高电压和大电流领域使用更广泛。目前大直径芯片英寸，英寸，英寸元件已实用化，我国英寸元件技术己成熟，英寸元件在研制中。今后将发展光控晶闸管，提高过电压保护功能和降低功耗。由于晶闸管为电流控制，关断不可控、开关频率低、用于变频装置中辅助电路复杂，所以将逐步被 、 、 等自关断器件所取代。可关断晶闸管大容量 是由数个小容量并联组成。 大容量化、低阻尼化的关键技术是提高各小容

6、量单元的开关动作能力和各单元的均流技术。降低损耗的关键技术是改善开关动作损耗。目前英寸，英寸，英寸己被实用化，国内尚无可以实用的 元件。由于为电流控制型自关断器件，存在电流驱动功率大，一般门极控制电流为主电流的，驱动回路复杂、并联困难、可靠性差、开关效率不高、开关损耗大、阻尼电路复杂。再加上目前尚没有和驱动电路相匹配的功率变换器件，使用户应用不方便。这是得不到广泛应用的主要原因，也是今后的研究开发课题。 目前主要在机车牵引驱动中应用较多，今后将逐步被、取代。绝缘栅晶体管是采用 作输入级， 作输出级，集成在同一芯片上的复合器件，为场控型电压驱动器件。它开关频率高、芯片的电流密度大、元件并联容易、

7、容易实现耐高压大容量化，在年代中期己被广泛用于变频装置，替代、 、，占变频装置功率变换器件的主导地位。目前第三代 容量为，模块，己被实用化。今后的发展动向：开发第四代 ；增加并联数以增大容量?鸦开发适用中、高电压领域的和模块；开发大功率平板型反向导通 以及光控；高频低损耗化。绝缘功率模块（ ）电力电子器件的智能化是发展方向。智能化器件是将功率变换、驱动、检测、保护、故障诊断等功能集成在一块芯片上，构成一台变频器，也叫做单片变频器。它具有元件数量少，更加小型轻量化，性能价格比高，不易损坏，安全可靠，不需对静电采取对策，应用方便等特点。小容量 主要适用于家用电器、汽车驱动、办公设备、医疗机械等领域

8、。目前容量为，今后将发展 的并联技术和封装技术，实现高压大容量化，扩大应用泛围。 为 控制晶闸管的复合器件，实现了耐高压大容量。但目前尚没有应用实例，以后它在大容量应用领域将取代。 、 、 等复合器件这些器件将在世纪得到发展，在近几年中在实用化方面不会有太大的进展。概念电力电子器件世纪将会出现用以外材料制成的新型功率变换器件，如 、 、超导功率器件、光能功率器件。随着新理论新材料新机理功率变换器件的问世，将会使功率变换器件进入新时代。变频技术对电力电子功率变换器件的要求静止变频技术的多功能高性能化在一定意义上说直接取决于功率变换器件的性能。从提高变频装置的性能出发提出以下要求：高载波频率下的低

9、开关损耗；简化阻尼电路设计，为防止短路时元件破坏，确保宽范围反向偏压安全动作区（阳）和短路安全动作区（）；适应电磁感应（， ）规定的开发特性；并联容易，实现大容量化；驱动电路简单可靠，应用方便：高性能、低成本；超大规模集成电路化，实现功率变换、驱动、检测、控制、保护一体化；多功能智能化；既导热又绝缘、高耐压、新材料、新工艺的封装技术，接插技术直接焊接于印刷电路板。常用电力电子变换器件的现状和动向用表说明变频装置常用电力电子器件的容量、电力电子器件的现状和动向图开关频率、应用范围的现状和动向。 静止变频装置的发展静止变频装置经过多年的发展，己从第一代晶闸管变频器为模拟系统 控制、第二代晶体管变频

10、器为矢量控制发展到第三代变频器为全数字化矢量控制。目前低压变频器技术己进入了成熟期，正在普遍推广应用，己由开始以局部节能为目的而转向全面替代直流电动机调速传动的昌盛时期。静止变频器分类和特点静止变频器主要用于驱动各类交流电动机，目前应用最为广泛的是电压型 变频器和交交变频器。典型静止变频器性能表略，介绍了几种典型的静止变频器特点，其中为感应电机， 为同步电机。交交变频器交交变频器为直接变频，靠电源自然换流无需换流电路。它具有效率高，耐过负荷能力大，输出电压、电流为正弦波，技术成熟，可靠，功率变换器件可用普通晶闸管的特点。目前轧机主机传动已用晶闸管构成桥臂交交变频器，可驱动、感应电动机或同步电动

11、机，装置效率可达以上。交交变频器控制方式可分为无环流控制和环流控制。无环流交交变频器控制简单，但其输出频率理论上最高为电源频率的三分之一，使应用受到限制，而且正、反切换存在死区。环流控制交交变频器，接有环流电抗器，控制精度高，输出频率可达电源频率的，甚至可超过电源频率，正、反切换无死区，可实现低脉动力矩，响应快，主要适用于热连轧机、冷连轧机、造纸机等要求高精度场合。普通交交变频器主回路一般采用桥臂，其谐波分量大，特别产生、次谐波及旁频分量。采用桥臂交交变频器，实现双重化控制，可改善输出波形，抑制力矩波动，降低谐波。超过的主传动特别如轧机主传动采用二套晶闸管的桥臂构成双重化桥臂交交变频器，不含高

12、次谐波分量，可实现高压大容量化。桥臂无环流交交变频器及桥臂有环流控制交交变频器图略。为了解决交交变频器存在的电源功率因数低，输出频率受限制等问题，采用晶闸管和 构成直接反并联的混合式交交变频器，图略。晶闸管和同时给脉冲，晶闸管靠电源自然换流，为滞后功率因数， 自己换流为超前功率因数。因此混合式交交变频器可使电源功率因数接近，而且没有环流，正、反切换无死区，可提高输出频率，而桥臂可使晶闸管变流器和变流器产生的低次谐波、无功功率相抵消，可以消除电源系统的低次谐波及旁频。目前采用三电平变频器实现高压大容量化。表 电压型变频器变频器比交交变频器的功率因数高而且可以控制，主要用于大容量传动设备。采用三电

13、平 变频器可以驱动感应电动机或同步电动机，目前采用等级的构成的 变频器可以驱动等级交流电动机，在机车牵引、轧机传动，特别是在象初轧开坯轧机等低速大容量传动设备上用得较多，图略。由于的驱动电路复杂，控制极关断电流大，且存在保护、冷却、驱动等问题，使变频器没有得到普遍推广应用，近几年己逐步被变频器所取代。 变频器今后的技术发展将是减小 门板驱动功率，生产和 相适应的门极驱动电路。 电压型变频器是 型电压控制电力电子器件， 变频器具有控制简单，动作安全，保护可靠，开关频率高，电流密度大，并联容易，容易实现大容量化等特点，因而得到了普遍应用。随着 的高耐压大容量化，采用多电平 变频器可以应用于中、高电

14、压场所，目前用元件并联构成的 变频器单机容量可做到。三电平 变频器主回路，图略。 电压型变频器变频器集功率变换、驱动、高精度电压、电流检测、控制于一体，封装在一个管内，一个芯片为 台 变频器，可完成功率变换、检测、驱动、保护、自诊断等功能。这种变频器结构简单，小型轻量化，使用方便，主回路无需配线，抗干扰能力强，安全可靠。目前有将个 或 器，最大容量己做到，主要应用场合为空调、冰箱、洗衣机等家用电器及汽车、轻工、纺织、交流伺服系统、医疗器械、太阳能发电和微波送电装置等小容量传动设备。集成在一起的 变频图静止变频器的未来技术高压大功率化，中高压变频器工程应用，高频化低损耗，大规模集成智能化；阻尼电

15、路能量再生或无阻尼回路技术；无谐波变频技术；电机控制一体化技术（智能电机）；无传感器矢量控制技术；新概念变频器的研究开发应用。 控制技术微电子技术的发展，使静止变频装置数字化，控制高精度化，高功能化，数据处理高速化。矢量控制技术矢量控制有转差频率控制加磁通控制方式和磁场定向控制方式。由于转差频率控制方式简单、使用方便，得到了普遍应用。矢量控制框图略。图中为速度调节器：为转子温度检测；为矢量运算器；为磁通控制器：为延时补偿器；为电流调节器；为调制器。磁场定向方式具有良好的力矩控制性能。全数字控制技术控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术，是今后的发展趋势。目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制，电子元件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度。采用 和 （ ），实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形，使变频器的噪音大幅度降低。由于应用微电子技术和 技术，装置的元器件数量得以大幅度减少，从而使变频装置的可靠性大幅度提高。早期由于受处理速度限制和离散化延迟时间的影响，电流控制响应为数毫秒，速度控制响应为左右。近年来处理速度的提高和应用 、 控制使扫描时间大幅度缩短，目前电流响应为，速度响应为，足以满足传动领域要求。前馈控制技术目前在静止变频装置中广泛应用现代控制理论的前馈控制技术，在钢铁工业轧机主传动中用来抑制轧机轴扭矩振动和弹性刚度下降。摘要?这