تحقیق در مورد توسعه و کاربرد دستگاههای الکترونیکی قدرت و فناوری تبدیل فرکانس

با توسعه سریع الکترونیک قدرت و فناوری رایانه ، تنظیم سرعت AC به یک روند توسعه برای جایگزینی تنظیم سرعت DC تبدیل شده است. تنظیم سرعت تبدیل فرکانس به دلیل تنظیم عالی عملکرد و ترمز ، به عنوان امیدوار کننده ترین روش تنظیم سرعت در داخل و خارج شناخته می شود. فناوری تبدیل فرکانس ، فن آوری اصلی تنظیم سرعت AC است ، الکترونیک قدرت و فناوری رایانه هسته اصلی فناوری تبدیل فرکانس است و دستگاه های الکترونیکی قدرت پایه و اساس فناوری الکترونیک قدرت هستند. فناوری الکترونیک قدرت یک فناوری پیشرفته است که در سالهای اخیر به سرعت پیشرفت کرده است. به طور گسترده ای در زمینه مکاترونیک ، انتقال موتور ، هوا فضا و غیره استفاده می شود. اکنون این فناوری پیشرفته شده است که کشورها برای توسعه آن رقابت می کنند. کارشناسان پیش بینی می کنند که در زمینه بسیار پیشرفته کنترل خودکار در قرن بیست و یکم ، فناوری رایانه و فناوری الکترونیک قدرت دو فناوری مهم هستند.

1. روند توسعه دستگاه های الکترونیکی قدرت

تریستورها در اواخر دهه 1950 در ایالات متحده به بازار آمدند که این امر به معنای تولد فناوری الکترونیک قدرت است. اولین نسل از دستگاه های الکترونیکی قدرت عمدتا یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) است که در دهه 1970 در کشور من به عنوان یک فناوری صرفه جویی در انرژی ذکر شد و در سراسر کشور تبلیغ شد. با این حال ، SCR یک دستگاه سوئیچینگ نیمه کنترل شده است که فقط می تواند روشن بودن آن را کنترل کند اما خاموش بودن آن را کنترل نمی کند. این در استفاده از درایوهای AC و منابع تغذیه با فرکانس متغیر محدود است. ترانزیستورهای قدرت (GTR) ، تریستورهای خاموش کردن دروازه (GTO) ، ترانزیستورهای اثر میدان MOS قدرت (PowerMOSFET) ، ترانزیستورهای گیت عایق (IGBT) ، ترانزیستورهای القایی استاتیک (SIT) و تریستورهای القایی استاتیک (SITH) ، پس از دهه 1970 به طور متوالی اختراع شدند و غیره ویژگی مشترک آنها کنترل هدایت و خاموش شدن آنها است. آنها دستگاههای سوئیچینگ کاملاً کنترل شده ای هستند. از آنجا که به مدار مبدل نیاز نیست ، حجم و وزن در مقایسه با SCR بسیار کاهش می یابد. در حال حاضر ، IGBT با ویژگی های عالی خود به یک دستگاه اصلی تبدیل شده است و GTO با ظرفیت زیاد نیز از موقعیت خاصی برخوردار است.

بسیاری از کشورها سخت در تلاشند تا دستگاه های با ظرفیت بزرگ تولید کنند و 6000 ولت IGBT در خارج از کشور تولید شده است. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) نوع جدیدی از دستگاه است که مزایای IGBT و GTO را با هم ترکیب می کند. نمونه های 1000A / 4500V قبلاً بیرون آمده است. IGCT (یکپارچه درگاه متحرک تریتیور) از یک لایه بافر و یک ساطع کننده شفاف بر اساس GTO استفاده می کند. با روشن شدن تریستور و خاموش بودن با ترانزیستور معادل است ، بنابراین به طور موثر تناقض بین ولتاژ حالت روشن و ولتاژ مسدود کننده را هماهنگ می کند و فرکانس کار می تواند به چندین کیلوهرتز برسد [2] [3 ] شرکت ABB سوئیس IGCT تا 4500-6000V ، 3000-3500A را راه اندازی کرده است. MCT به دلیل پیشرفت کم بازنشسته شد و توسعه IGCT باعث شد موقعیت مهمی در الگوی جدید دستگاه های الکترونیکی قدرت اشغال کند. در مقایسه با کشورهای پیشرفته ، کشور من شکاف بیشتری در ساخت دستگاه نسبت به کاربرد دارد. دستگاه های جدید برق مانند ساختار پرقدرت دروازه ترانشه ماژول های IGBT ، IGT ، تریستورهای دردار MOS ، دیودهای یکسوساز با فرکانس بالا گالیم آرسنید با ولتاژ بالا ، کاربید سیلیکون (SIC) و سایر دستگاه های قدرت جدید آخرین تحولات را در خارج از کشور دارند. اعتقاد بر این است که استفاده از مواد نیمه هادی جدید مانند GaAs و SiC برای ساختن دستگاه های قدرت برای پیگیری افراد&# 39؛ s&"؛ دستگاه های ایده آل GG"؛ روند اصلی در توسعه دستگاه های الکترونیکی قدرت در قرن 21 خواهد بود.

بلوک های ساختمانی الکترونیکی با قابلیت اطمینان بالا (PEBB) و ماژول های الکترونیکی قدرت یکپارچه (IPEM) نقاط جدید در توسعه اخیر فناوری الکترونیکی قدرت در ایالات متحده هستند. رقابت شدید بین GTO و IGCT ، IGCT و ولتاژ بالا IGBT و سایر دستگاه های الکترونیکی قدرت جدید مطمئناً فرصت ها و چالش های بیشتری را برای توسعه فن آوری های الکترونیکی قدرت جدید و فن آوری های تبدیل فرکانس در قرن 21 ایجاد می کند.

2. روند توسعه فن آوری تبدیل فرکانس

فناوری تبدیل فرکانس در پاسخ به نیاز به تنظیم سرعت مرحله ای موتورهای AC متولد شد. تجدید الکترونیک قدرت باعث تبدیل قدرت می شود

توسعه مداوم فناوری. در ابتدا ، فن آوری تبدیل فرکانس محدود به تبدیل فرکانس بود و ولتاژ متغیر نبود. از دهه 1970 ، تحقیقات در مورد تنظیم سرعت تنظیم تغییر سرعت فرکانس ولتاژ متغیر مدولاسیون عرض پالس توجه افراد&# 39 را به خود جلب کرده است. در دهه 1980 ، مسئله بهینه سازی حالت PWM به عنوان هسته اصلی فن آوری تبدیل فرکانس ، علاقه شدید مردم&# 39 را به خود جلب کرد و بسیاری از حالت های بهینه سازی به دست آمد ، مانند: روش تقسیم طولی موج مدولاسیون ، فناوری PWM حامل فاز ، فاز حامل تغییر فن آوری PWM ، مدولاسیون حامل موج تغییر فاز همزمان فن آوری PWM و غیره.

کنترل اینورتر VVVF نسبتاً ساده است و خواص مکانیکی آن نیز خوب است. این می تواند نیازهای تنظیم سرعت آرام انتقال عمومی را برآورده کند و به طور گسترده ای در زمینه های مختلف صنعت مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال ، هنگامی که این روش کنترل در فرکانس پایین است ، زیرا ولتاژ خروجی کم است ، تأثیر افت ولتاژ مقاومت استاتور بیشتر است ، بنابراین حداکثر گشتاور خروجی کاهش می یابد.

روش تنظیم سرعت تبدیل فرکانس کنترل بردار: جریانهای متناوب استاتور Ia ، Ib و Ic موتور ناهمزمان در سیستم مختصات سه فاز به جریانهای DC Iml ، Itl تحت سیستم مختصات چرخش همزمان از طریق سه تبدیل می شوند: تحول فاز به دو فاز. ، سپس از روش کنترل موتور DC تقلید کرده و مقدار کنترل موتور DC را بدست آورده و کنترل موتور ناهمزمان را از طریق تبدیل معکوس مختصات مربوطه تحقق می بخشیم.

کنترل گشتاور مستقیم ، مستقیماً مدل ریاضی موتور AC را در سیستم مختصات استاتور تجزیه و تحلیل می کند و اتصال شار و گشتاور موتور را کنترل می کند. نیازی به تبدیل موتور AC به موتور DC معادل نیست ، بنابراین بسیاری از محاسبات پیچیده در تبدیل چرخش بردار حذف می شود. نیازی به تقلید از کنترل موتور DC نیست و همچنین نیازی به ساده سازی مدل ریاضی موتور AC برای جدا کردن نیست.

تبدیل فرکانس VVVF ، تبدیل فرکانس کنترل بردار و تبدیل فرکانس کنترل گشتاور مستقیم ، همه تبدیل فرکانس AC-DC-AC هستند. عیب رایج این است که ضریب توان ورودی کم است ، جریان هارمونیک زیاد است ، مدار DC به یک خازن بزرگ ذخیره انرژی احتیاج دارد و انرژی احیا کننده را نمی توان به شبکه بازگرداند ، یعنی نمی توان عملیات چهار ربع را انجام داد . به همین دلیل ، تبدیل فرکانس ماتریس AC-AC به وجود آمد.

3. فناوری تبدیل فرکانس و لوازم خانگی

در دهه 1970 ، تبدیل لوازم خانگی به تبدیل فرکانس و لوازم آشپزی الکترومغناطیسی ، وسایل روشنایی تبدیل فرکانس ، تهویه مطبوع تبدیل فرکانس ، اجاق های مایکروویو تبدیل فرکانس ، یخچال های فرکانس تبدیل ، نان برنج IH (گرمایش القایی) ، ماشین لباسشویی تبدیل فرکانس و غیره ظاهر شد [4].

در پایان قرن 20 ، لوازم خانگی به فناوری تبدیل فرکانس متکی بودند ، که هدف اصلی آن کارکرد بالا و صرفه جویی در مصرف برق بود.

اولین یخچال است. از آنجا که تمام روز کار می کند ، کمپرسور پس از اتخاذ تبرید تبدیل فرکانس ، همیشه با سرعت کم کار می کند ، که می تواند سر و صدای ناشی از راه اندازی کمپرسور را کاملاً از بین ببرد و اثر صرفه جویی در انرژی آشکارتر است. ثانیا ، پس از استفاده کولر گازی از تبدیل فرکانس ، دامنه کار کمپرسور گسترش می یابد ، و کنترل خنک کننده و گرمایش می تواند بدون کارکرد کمپرسور در حالت متناوب انجام شود ، به طوری که باعث کاهش مصرف برق و رفع ناراحتی ناشی از دما می شود تغییر می کند در سال های اخیر ، یخچال های جدید تبدیل فرکانس جدید نه تنها مصرف برق را کاهش داده و به سکوت رسیده اند ، بلکه با استفاده از کار با سرعت بالا به انجماد سریع نیز دست یافته اند.

در گذشته در ماشین لباسشویی از کنترل فرکانس متغیر برای دستیابی به کنترل سرعت متغیر برای بهبود عملکرد شستشو استفاده می شد. علاوه بر صرفه جویی در انرژی و سکوت ، ماشین لباسشویی تازه محبوب همچنین محتوای کنترل جدیدی را برای اطمینان از شستشوی نرم لباس ها ارائه داد. اجاق های الکترومغناطیسی از القایی با فرکانس بالا استفاده می کنند گرمایش باعث می شود گلدان مستقیماً بدون قسمت گرم گاز و گرمایش الکتریکی گرم شود ، بنابراین نه تنها ایمن نیست بلکه راندمان گرمایش را نیز تا حد زیادی بهبود می بخشد. فرکانس کار آن بالاتر از حس شنوایی است ، در نتیجه صدای ناشی از ارتعاش گلدان برنج را از بین می برد.

چهارم ، آسیب ناشی از قدرت دستگاه های الکترونیکی و اقدامات متقابل

تصحیح کنترل شده فاز و اصلاح دیود غیرقابل کنترل در دستگاه های الکترونیکی قدرت باعث ایجاد تغییر شکل جدی در شکل موج جریان ورودی می شود که نه تنها ضریب توان سیستم را تا حد زیادی کاهش می دهد بلکه باعث ایجاد آلودگی جدی هارمونیکی می شود.

علاوه بر این ، تغییرات سریع ولتاژ و جریان در مدار سخت افزار باعث می شود که دستگاه های الکترونیکی قدرت فشار الکتریکی زیادی را تحمل کنند و باعث ایجاد تداخل الکترومغناطیسی جدی (EM1) در تجهیزات الکتریکی اطراف و امواج رادیویی شوند و اوضاع بدتر شود. بسیاری از کشورها استانداردهای ملی را برای محدود کردن هارمونیک ها تدوین کرده اند. انستیتوی بین المللی مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) ، کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) و کنفرانس بین المللی شبکه های بزرگ برق (CIGRE) استانداردهای هارمونیک خود را راه اندازی کرده اند. دولت چین همچنین مقررات مربوطه را برای محدود کردن سازگاری تنظیم کرده است.

(1) اقدامات متقابل برای هارمونیک و تداخل الکترومغناطیسی

1. سرکوب هماهنگ

به منظور سرکوب هارمونیک های تولید شده توسط دستگاه های الکترونیکی قدرت ، یک روش انجام جبران هارمونیک است ، یعنی راه اندازی دستگاه جبران هارمونیک برای ایجاد جریان ورودی به یک موج سینوسی.

دستگاه سنتی جبران هارمونیک از فیلتر تنظیم شده IC استفاده می کند ، که می تواند هارمونیک ها و توان راکتیو را جبران کند. نقطه ضعف این است که خصوصیات جبران تحت تأثیر امپدانس شبکه و حالت عملکرد قرار می گیرد و داشتن رزونانس موازی با سیستم آسان است که منجر به تقویت هارمونیک می شود و فیلتر LC را بیش از حد بار می کند یا حتی می سوزاند. علاوه بر این ، فقط می تواند هارمونیک های یک فرکانس ثابت را جبران کند و اثر ایده آل نیست.

پس از محبوبیت و استفاده از دستگاه های الکترونیکی قدرت ، استفاده از فیلترهای فعال برق برای جبران هارمونیک به یک جهت مهم تبدیل شده است. اصل این است که جریان هارمونیک از جبران کننده جبران شود ، و سپس یک جریان جبرانی با همان اندازه و قطب مخالف جریان هارمونیک تولید شود ، به طوری که جریان شبکه فقط حاوی جز wave موج اساسی است. این فیلتر می تواند هارمونیک هایی را که فرکانس و دامنه آنها تغییر می کند ردیابی و جبران کند و خصوصیات جبران تحت تأثیر امپدانس شبکه قرار نمی گیرد.

روش اصلی مبدل با ظرفیت بزرگ برای کاهش هارمونیک ها استفاده از فناوری چندگانه است: برای حذف هارمونیک های پایین تر ، چند موج مربع را روی هم قرار دهید و بدین ترتیب یک موج پله ای نزدیک به سینوس بدست آورید. هرچه ضرب بیشتر باشد ، شکل موج به سینوس نزدیکتر است ، اما ساختار مدار پیچیده تر است. به منظور دستیابی به هارمونیک کم و ضریب توان بالا ، مبدل های با ظرفیت کم عموماً از اصلاح دیود و خرد کردن PWM استفاده می کنند که اغلب اصلاح فاکتور قدرت (PEC) نامیده می شود. مدارهای معمول شامل نوع تقویت ، نوع پایین آوردن ، نوع تقویت فشار و غیره است.

2. سرکوب تداخل الکترومغناطیسی

اقدام برای حل EMI غلبه بر نرخ افزایش جریان بیش از حد di / dt و نرخ افزایش ولتاژ du / dt است که هنگام روشن و خاموش شدن دستگاه سوئیچینگ ظاهر می شود. در حال حاضر ، توجه بیشتر به سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) و سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) توجه می شود. ) جریان. راه این است:

(1) القایی به طور سری با دستگاه سوئیچینگ متصل می شود ، که می تواند هنگام روشن شدن دستگاه سوئیچ ، di / dt را سرکوب کند ، به طوری که هیچ ولتاژ و منطقه ای از همپوشانی جریان روی دستگاه وجود نداشته باشد ، و از دست دادن جلو را کاهش دهد.

(2) خازن های موازی به دستگاه سوئیچ متصل هستند ، هنگامی که دستگاه خاموش است ، از افزایش du / dt جلوگیری می شود ، و هیچ منطقه ولتاژ و جریان همپوشانی روی دستگاه وجود ندارد ، که باعث کاهش افت سوئیچینگ می شود.

(3) دیودهای ضد موازی به دستگاه متصل می شوند. در طول دوره هدایت دیود ، دستگاه سوئیچینگ در حالت ولتاژ صفر و جریان صفر است. در این زمان ، دستگاه درایو برای دستیابی به اقدامات ZVS و ZCS روشن یا خاموش است.

در حال حاضر ، فن آوری های معمول تغییر سیستم نرم افزاری شامل PWM با تشدید جزئی و مدار خرابکاری بدون افت می باشد.

(2) جبران ضریب قدرت

روش اولیه استفاده از یک موتور همزمان است که یک موتور همزمان است که مخصوصاً برای تولید توان راکتیو استفاده می شود. با استفاده از تحریک بیش از حد و کم تحریک به ترتیب مقادیر مختلف توان راکتیو خازنی یا القایی را منتشر می کند. با این حال ، زیرا این یک ماشین الکتریکی دوار است ، سر و صدا و از دست دادن آن زیاد است ، عملکرد و نگهداری آن نیز پیچیده است و سرعت پاسخگویی کند است. بنابراین ، در بسیاری از موارد ، قادر به تأمین نیازهای جبران سریع توان راکتیو نبوده است.

روش دیگر استفاده از دستگاه جبران توان راکتیو ساکن با راکتور اشباع است. از مزایای نوع استاتیک و سرعت پاسخگویی سریع برخوردار است ، اما از آنجا که هسته آن باید به حالت اشباع مغناطیسی شود ، اتلاف و سر و صدا زیاد است ، و مدارهای غیر خطی دارای مشکلات خاصی هستند و نمی توان آن را تنظیم کرد فاز برای جبران عدم تعادل بار. بنابراین ، نتوانست جریان اصلی دستگاه های جبران خسارت ساکن را اشغال کند.

با توسعه مداوم فناوری الکترونیک قدرت ، دستگاه های جبران کننده استاتیک var با استفاده از SCR ، GTO و IGBT با جهش و مرز توسعه یافته اند. در میان آنها ، ژنراتور استاتیک var از همه برتر است. از مزایای سرعت تنظیم سریع و دامنه عملکرد گسترده برخوردار است و پس از اتخاذ تکنیک های چند سطح ، چند سطح یا PWM ، می تواند محتوای هارمونیک موجود در جریان جبران را تا حد زیادی کاهش دهد. از همه مهمتر ، راکتور و اجزای خازنی استفاده شده در ژنراتور استاتیک کوچک هستند ، که اندازه و هزینه دستگاه را بسیار کاهش می دهد. ژنراتور توان راکتیو ساکن جهت توسعه دستگاه های جبران توان راکتیو پویا را نشان می دهد.

پنج ، سخنان پایانی

ما معتقدیم که فناوری الکترونیکی قدرت در قرن بیست و یکم به یکی از مهمترین فناوری های ستونی تبدیل خواهد شد. فناوری تبدیل فرکانس در زمینه فناوری الکترونیک قدرت جایگاه مهمی را اشغال می کند. در سالهای اخیر ، توسعه در زمینه تنظیم سرعت تبدیل فرکانس ولتاژ متوسط ​​و کشش الکتریکی جلب توجه کرده است. با ادغام اقتصاد جهانی و پیوستن کشور من به سازمان تجارت جهانی ، صنایع الکترونیک قدرت و فناوری تبدیل فرکانس کشور من از فرصت های توسعه بی سابقه ای برخوردار می شوند.