行业资讯变压器资讯

变频器的现状与发展动向

【阿里巴巴冶金】

摘 要:本文从开关元件、调制策略、操纵维护、主电路拓扑及智能化五个方面,综述了变频器的现状与发展动向。

要害词:变频器;开关元件;操纵;发展

1 引言

由于变调速是电动机最幻想的调速方法,国外上世纪70年代即得到较普遍的利用,国内也于90年代得到敏捷推广。作为变频装置的变频器经过不断改良,日益完美,特殊是近十余年来在电力电子和微电子技能敏捷发展的根基上,发生了当前新一代变频器。这类变频器具有高操纵质量、高可靠性、高效力、宽适应性、构造紧凑、操作便利和外形雅观等一系列长处,为更普遍地利用变频调速建立了极为有利的条件。

目前市场上新型变频器品牌繁多,各有千秋。但通过综合剖析可以发明,这类变频器共同点很多,因此我们可以从综合剖析中概括出变频器的现状和预测未来发展的动向,现分五个方面进行论述。

2 开关元件

开关元件是逆变器的实行元件,其首要性无须赘言。为适应PWM策略,逆变器广泛采纳自关断元件,可省去换流回路,减少损耗、简化线路、操纵便利。如大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等,其中GTR利用最为广泛。但在调制策略发展和请求逆变器输出谐波分量更小的情形下,必需进步开关频率,GTR便满足不了这个请求,于是便为新开发的一种工关元件所代替,这种元件就是 IGBT。目前变频器几乎整个采纳IGBT。

IGBT全称是绝缘栅双晶体管,是一种把MOSET与GTR奇妙联合一起的电压型双极/MOS复合器件,可以说IGBT=MOS+GTR,而GTR又经改革进步。因此IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简略、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌才能强、安全区宽、并联容易、稳固可靠及模块化等一系列长处,是一种极幻想的开关元件,故为变频器设计及制作者所青睐。目前IGBT定额为2400A、电压3300V、开关频率40kHz,已在小、中、大功率范畴内使用。IGBT不仅用于500V以下低压变频器,还可以用于1000V以上高压变频器以驱动高压电动机。慈ナ类中压、高压变频器采纳多电平逆变器输出高压,也可用变压器降压→低压变频器→变压器升压的方法。由于IGBT具有性能特好的优势,预计十年内不会为新开发的元件所代替。

3 调制策略

正弦波脉宽SPWM已为世人所熟知,但近年来受到一种新的调制策略电压矢量操纵SVPWM的挑衅,现在SVPWM已经得到普遍利用,有后来居上之势。

电压矢量操纵又称空间矢量操纵或磁通轨迹操纵,其原理简述如下:如图1所示,逆变器在180°方波运行时,每隔60°切换一次,一周内便有6种开关模式。按切换次序为T1T2T3→T2T3T4→T3T4T5→T4T5T6→T5T6T1→T6T1T2,周而复始,每一种开关模式三相合成输出电压可辨别记为V1-V6,Vl=V2=V3=V4=V5=V6=Ud,其空间散布如图2所示。我们知道异步电动机在市电正弦波作用下,定于三相合成电压发生的磁通矢量轨迹为一个圆。因此,如果在一个周期内,我们不断地选用适宜的电压矢量,使磁通矢量轨迹为圆形,则电机运行就到达市电供电的后果。例如在图2中圆上ab一段弧上,从a点开端选取电压矢量V,,则磁通矢量和电压矢量沿雷同方向向前移动。当磁通矢量达到离圆不远的c点时,改用电压矢量奸(模式3切换到模式1),磁通矢量随移动超过弧外不远的d点,又改用电压矢量守3(模式1又切换到模式3),使磁通矢量回到弧上b点,当ab弧取得很短,开关光阴也很短,则磁通轨迹acdb就接近与弧重合,按此方式不断选取适合的电压矢量(不断更换切换模式),便可使全体磁通轨迹逼近于圆(如图2右上角),而获得十分逼近市电后果,使输出谐波分量最小。实践证明,其谐波分量比SPWM小一个数量级,电压应用率高15%,可以三雷同时操纵,故此新型变频器竟相采纳这种调制策略。估量SVPWM不久会全面代替SPWM,且会坚持一段很长光阴而不被淘汰。

4操纵和维护

操纵和维护是变频重视要的环节,新型变频器包,括数一模混淆操纵和全数字操纵,清一色利用了盘算机(微机)。采纳16位,12MHz单片机或多CPU体系,在大范围集成电路LSI配合下,完成变频器各种操纵和维护义务。

在操纵功效方面有:

(1)盘算判断开关元件的开通和关断时刻(开关角),使逆变器遵照调制策略,输出请求的电压;

(2)通过不同的编码实现多种传动调速功效。如各种频率的设定和实行、起动、运行方法选择、转矩操纵设定与运行、加减速设计与运行、制动方法设定和实行等达数十种;(3)通过接口电路与外部传感器、专用盘算机、体系操纵机或可编程序操纵器等联接构成各类调速传动体系。有的变频器内部设置了PID调节器,便于实现PID闭环主动操纵。

在维护功效方面,在外部传感器及I/O电路配合下,构成完美的检测维护体系,可完成多种自诊断维护计划。维护功效包含:(1)主电路、操纵电路欠压维护;(2)输出电流过电流维护;(3)过电压维护;(4)电动机或逆变器过载维护;(5)制动电阻过热维护;(6)失速维护等十余种。在微机软件中有各种故障维护动作程度与光阴的设定,通过自诊断功效,当呈现异常现象时,维护动作,此时逆变器或结束输出,或信号告警,同时显示故障内容,并将其存入存储器备查。

由于变频器利用了盘算机,因此得到了如此良好的操纵和维护后果,可以断言,今后,变频器永远离不开盘算机。

5 主电路拓扑构造

多数变频器主电路和传统变频器雷同,网侧仍是三相二极管整流桥,功率因数高。中间电容滤波,构成直流侧。逆变器为六臂逆变桥,六开关元件各并联反馈二极管,按必定调制策略操纵,输出三相交换。此种主电路拓扑已久经考验,性能可靠。但现在也有一些变频器对此有所转变,其中引人注目标引入了软开关型逆变器。

传统逆变器开关元件基础上是在电压或电流不过零切换,称为硬开关型逆变器。反之在电压或电流过零时切换,则称为软开关型逆变器。此时开关元件没有通、断损耗,只有通态损耗,因此逆器效力和开关频率可以进步,为实现过零切换,在逆变器直流侧,设置一个谐振环节,使直流电压发生谐振,加于逆变器开关元件,使应切换的元件在谐振过零时通断,到达减少损耗的目标。这种带有谐振环节的逆变器称为DC环节谐振型逆变器,即软开关逆变器。

图3(a)示出DC环节谐振型逆变器主电路最基础的拓扑构造。Va为直流电源,L、R为谐振线圈电感和电阻,C为谐振电容,S为起动开关,UL、iL为谐振电压、电流。谐振周期开端时,开关S导通,电容C被短路,谐振电路被鼓励。当IL达到请求的初值IF时使S关断,LC便构成串联谐振,谐振电压Uc及电流让如图3(b)所示。当U。过零变负时,二极管D箝位使之为零。再次导通S,下一拍开端,如此反复下去便得到持续的谐振电压,逆变器开关元件应用过零时刻切换(零电压导通,零电流关断),便得到软开关逆变器减小损耗的后果。

上述电路拓扑构造有两个显明问题,一个是谐振电压高达2Ua以上,使开关元件耐压值增高,从而增添成本。一个是开关元件按调制策略请求的开关时刻难于与谐振零同拍,但是经过不断完美,已用于某些变频器,是否有很大推广价值,可能还要经过实践考验。

6 智能化问题

人工智能已普遍用于各个范畴,收到良好的后果。在变频器范畴,呈现了智能IBGT模块、智能传感器等,有些变频器还推出了智能故障诊断体系,后果很好,进步了可靠性,有推广价值。

这种智能故障诊断体系以微机为主体,不仅在故障产生后能正确指出故障性质、部位。在故障产生前也能预测产生故障的可能性,因此大大地进步变频器的快速性、及时性、正确性和可靠性。

典范的智能故障诊断体系由监控、检测、知识库 (故障模式知识库或故障诊断专家体系知识库)、推理机构、人机对话接口和数据库组成。诊断一般分为预诊和在线诊断断两部分:

(1)预诊 是指在变频器起动前对诊断体系本身及变频器主电路(包含电源)、操纵体系等进行一次诊断清查隐患,一般是在主电路不通电、操纵体系通电情形下进行。若发明故障现象则调用知识库推理、断定故障原因并显示不能开机,如无故障则显示可以开机。

(2)在线诊断 是指开机以后运行中的实时检测诊断。工作时对各检测点进行循环查询,存储数据并不断刷新。若发明数据越限,则觉得可能产生故障,立即定向追踪。若几次反省成果雷同,阐明确凿出了故障,于是调用知识库进行剖析推理,判断是何种故障及其部位,时显示出来,严重时则发出停机指令。人机对话用于人机共同剖析故障,施展人的作用。

参考文献

[1] 各国变频器产品阐明书[Z].

[2] 曾允文.下一代变频器的预测[J]《电气开关》1995年No.3