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通用变频器技术的发展和展望

http://www.electric.hc360.com2005年12月06日09:54 来源:上海铁道大学作者:张宗桐T|T
    了解近十年来国外通用变频器的技术发展对于深入了解交流传动与控制技术的发展走向以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品都具有十分积极的意义。

    1. 前言

    交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一,这是和冉力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。

    通用变频器作为早个商品开始在国内上市,是近十年的事,销售额逐年增加,于今全年有超过数十亿元(RMB)的市场。其中,各种进口品牌居多,功率小至百瓦大至数千千瓦;功能简易或复杂;精度低或高;响应慢或快:有PG(测速机)或无PG;有噪音或无噪音等等。

    对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新,现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说,我们的水准与发达国家没有什么两样。作为国内制造商,通过这十年来对国外的先进技术进行销化,也正在积极地进行国产变频器的自主开发.努力追赶世界发达国家的水平。

    回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向,以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义。

    2. 关于功率器件

    变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中,应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module),后面二种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT集射电压Vce可<3V,频率可达到20KHZ,内含的集射极间超高速二极管Trr可达150ns,1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低,开关速度更快、电压更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前,采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低了集电极一发射极之间的饱和电压[VCE(sat)]的第四代IGBT也已问世。

    第四代IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高。其一是ICBT开关器件发热减少,将曾占主回路发热50-70%的器件发热降低了30%。其二是高载波控制,使输出电流波形有明显改善;其三是开关频率提高,使之超过人耳的感受范围,即实现了电机运行的静青化;其四是驱动功率减少,体积趋于更小。

    而IPM的投入应用比IGBT约晚二年,由于IPM包含了1GBT芯片及外围的驱动和保护电路。甚至还有的把光耦也集成于一体,因此是种更为好用的集成型功率器件,目前,在模块额定由流10-600A范围内,通用变频器均有采用IPM的趋问,其优点是:

    (1)开关速度快,驱动电流小,控制驱动更为简单。

    (2)内含电流传感器,可以高效迅速地检测出过电流和短路电流,能对功率芯片给予足够的保护,故障率大大降低。

    (3)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化,所以浪涌电压,门极振荡,噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。

    (4)保护功能较为丰富,如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全,随着技术的进步,保护功能将进一步日臻完善。

    (5)IPM的售价已逐渐接近IGBT.而计人采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比已高过IGBT,有很好的经济性。

    为此IPM除了在工业变频器中被大量采用之后,经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器,冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。IPM也在向更高的水平发展,日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化,专用化,高性能,低成本方面又推进了一步。

    3. 关于控制方式

    早期通用变频器如东芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列,SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比(V/F=常数)的控制方式.其优点是控制结构简单、成本较低,缺点是系统性能不高,比较适合应用在风机、水泵调这场合。具体来说,其控制曲线会随着负载的变化而变化;转矩响应慢,电视转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U/F控制系统的改造主要经历了三个阶段。

    第一阶段:

    (1) 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三垦)MF系列等。

    (2) 引人频率补偿控制,以消除速度控制的稳态误差

    (3) 基于电机的稳态模型,用直流电流信号重建相电流,如西门子MicroMaster系列,由此估算出磁链幅值,并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。

    (4) 将输出电压、电流进行闭环控制,以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度,同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显,从而可以实现快速的加减速。

    之后,1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与 FRNG7/P7系列的设计中,不同程度融入了(2)(3)(4)项技术,因此很具有代表性。三菱日立,东芝也都有类似的产品。然而,在上述四种方法中,由于未引入转矩的调节,系统性能没有得到根本性的改善。

责任编辑:杨涵

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