Dengan pesatnya perkembangan elektronika daya dan teknologi komputer, pengaturan kecepatan AC telah menjadi tren perkembangan untuk menggantikan pengaturan kecepatan DC. Pengaturan kecepatan konversi frekuensi diakui sebagai metode pengaturan kecepatan yang paling menjanjikan di dalam dan luar negeri untuk pengaturan kecepatan dan kinerja start dan pengereman yang sangat baik. Teknologi konversi frekuensi adalah teknologi inti dari pengaturan kecepatan AC, elektronika daya dan teknologi komputer adalah inti dari teknologi konversi frekuensi, dan perangkat elektronik daya adalah dasar dari teknologi elektronika daya. Teknologi elektronika daya merupakan teknologi tinggi yang berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Ini banyak digunakan di bidang mekatronik, transmisi motor, dirgantara dan sebagainya. Sekarang telah menjadi teknologi tinggi yang negara-negara berlomba-lomba untuk kembangkan. Para ahli memperkirakan bahwa di bidang kontrol otomatis yang sangat berkembang di abad ke-21, teknologi komputer dan teknologi elektronika daya adalah dua teknologi yang paling penting.
1. Proses pengembangan perangkat elektronika daya
Thyristor muncul di Amerika Serikat pada akhir 1950-an, menandai kelahiran teknologi elektronika daya. Perangkat elektronik daya generasi pertama terutama adalah penyearah yang dikendalikan silikon (SCR), yang terdaftar sebagai teknologi hemat energi di negara saya pada tahun 1970-an dan dipromosikan secara nasional. Namun, SCR adalah perangkat switching semi-terkontrol yang hanya dapat mengontrol nyalanya tetapi tidak mematikannya. Ini terbatas dalam penerapan drive AC dan catu daya frekuensi variabel. Transistor daya (GTR), gerbang turn-off thyristor (GTO), transistor efek medan MOS daya (PowerMOSFET), transistor gerbang terisolasi (IGBT), transistor induksi statis (SIT) dan thyristor induksi statis (SITH), ditemukan berturut-turut setelah tahun 1970-an , dll. Fitur umum mereka adalah untuk mengontrol konduksi dan mematikannya. Mereka adalah perangkat switching yang dikendalikan sepenuhnya. Karena tidak diperlukan rangkaian konverter, volume dan berat sangat berkurang dibandingkan dengan SCR. Saat ini, IGBT telah menjadi perangkat mainstream dengan karakteristik yang sangat baik, dan GTO dengan kapasitas besar juga memiliki posisi tertentu.
Banyak negara bekerja keras untuk mengembangkan perangkat berkapasitas besar, dan IGBT 6000V telah diproduksi di luar negeri. IEGT (injectionenhancedgatethyristor) adalah jenis perangkat baru yang menggabungkan keunggulan IGBT dan GTO. Sampel 1000A/4500V sudah keluar. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor) menggunakan lapisan penyangga dan emitor transparan berdasarkan GTO. Ini setara dengan thyristor ketika dihidupkan, dan transistor ketika dimatikan, sehingga secara efektif mengoordinasikan kontradiksi antara tegangan on-state dan tegangan pemblokiran, dan frekuensi operasi dapat mencapai beberapa Kilohertz [2][3 ]. Perusahaan Swiss ABB telah meluncurkan IGCT hingga 4500-6000V, 3000-3500A. MCT pensiun karena sedikit kemajuan, dan perkembangan IGCT membuatnya menempati posisi penting dalam pola baru perangkat elektronika daya. Dibandingkan dengan negara maju, negara saya memiliki kesenjangan yang lebih besar dalam pembuatan perangkat daripada dalam aplikasi. Perangkat daya baru seperti modul IGBT struktur gerbang parit daya tinggi, IEGT, thyristor berpagar MOS, dioda penyearah frekuensi tinggi gallium arsenide tegangan tinggi, silikon karbida (SIC) dan perangkat daya baru lainnya memiliki perkembangan terbaru di luar negeri. Hal ini diyakini bahwa penggunaan bahan semikonduktor baru seperti GaAs dan SiC untuk membuat perangkat listrik untuk mewujudkan orang's mengejar"perangkat ideal" akan menjadi tren utama dalam pengembangan perangkat elektronika daya di abad ke-21.
Blok bangunan elektronik daya (PEBB) dan modul elektronik daya terintegrasi (IPEM) dengan keandalan tinggi adalah titik panas baru dalam perkembangan teknologi elektronik daya baru-baru ini di Amerika Serikat. Persaingan sengit antara GTO dan IGCT, IGCT dan IGBT tegangan tinggi dan perangkat elektronik daya baru lainnya pasti akan membawa lebih banyak peluang dan tantangan bagi pengembangan teknologi elektronik daya baru dan teknologi konversi frekuensi di abad ke-21.
2. Proses pengembangan teknologi konversi frekuensi
Teknologi konversi frekuensi lahir untuk menjawab kebutuhan akan pengaturan kecepatan motor AC tanpa langkah. Pembaruan elektronika daya mendorong konversi daya
Perkembangan teknologi yang terus menerus. Pada awalnya, teknologi konversi frekuensi hanya terbatas pada konversi frekuensi dan bukan tegangan variabel. Sejak tahun 1970-an, penelitian tentang pengaturan kecepatan konversi frekuensi tegangan variabel modulasi lebar pulsa (PWM-VVVF) telah menarik perhatian orang' Pada 1980-an, masalah optimasi mode PWM sebagai inti dari teknologi konversi frekuensi menarik minat orang's, dan banyak mode optimasi diperoleh, seperti: metode pembagian longitudinal gelombang modulasi, teknologi PWM pembawa dalam fase, fase -menggeser teknologi PWM pembawa, modulasi pembawa Gelombang teknologi PWM pergeseran fase simultan dan sebagainya.
Kontrol inverter VVVF relatif sederhana, dan sifat mekaniknya juga baik. Ini dapat memenuhi persyaratan pengaturan kecepatan transmisi umum yang mulus, dan telah banyak digunakan di berbagai bidang industri. Namun, ketika metode kontrol ini berada pada frekuensi rendah, karena tegangan keluaran kecil, pengaruh penurunan tegangan resistansi stator lebih signifikan, sehingga torsi keluaran maksimum berkurang.
Metode pengaturan kecepatan konversi frekuensi kontrol vektor adalah: arus AC stator Ia, Ib, dan Ic motor asinkron dalam sistem koordinat tiga fase diubah menjadi arus DC Iml, Itl di bawah sistem koordinat putar sinkron melalui tiga- transformasi fase menjadi dua fase. , Kemudian tiru metode kontrol motor DC, dapatkan kuantitas kontrol motor DC, dan realisasikan kontrol motor asinkron melalui transformasi kebalikan koordinat yang sesuai.
Kontrol torsi langsung secara langsung menganalisis model matematis motor AC dalam sistem koordinat stator, dan mengontrol hubungan fluks dan torsi motor. Tidak perlu mengubah motor AC menjadi motor DC yang setara, sehingga menghilangkan banyak perhitungan rumit dalam transformasi rotasi vektor; tidak perlu meniru kontrol motor DC, juga tidak perlu menyederhanakan model matematika motor AC untuk decoupling.
Konversi frekuensi VVVF, konversi frekuensi kontrol vektor, dan konversi frekuensi kontrol torsi langsung semuanya adalah konversi frekuensi AC-DC-AC. Kerugian umum adalah bahwa faktor daya input rendah, arus harmonik besar, rangkaian DC membutuhkan kapasitor penyimpanan energi yang besar, dan energi regeneratif tidak dapat diumpankan kembali ke jaringan, yaitu, operasi empat kuadran tidak dapat dilakukan. . Untuk alasan ini, konversi frekuensi AC-AC matriks muncul.
3. Teknologi konversi frekuensi dan peralatan rumah tangga
Pada 1970-an, peralatan rumah tangga mulai dikonversi ke konversi frekuensi, dan peralatan memasak elektromagnetik, peralatan pencahayaan konversi frekuensi, AC konversi frekuensi, oven microwave konversi frekuensi, lemari es konversi frekuensi, bakpao nasi IH (pemanasan induksi), mesin cuci konversi frekuensi , dll. muncul [4].
Pada akhir abad ke-20, peralatan rumah tangga mengandalkan teknologi konversi frekuensi, terutama ditujukan untuk fungsionalitas tinggi dan penghematan daya.
Yang pertama adalah kulkas. Karena bekerja sepanjang hari, kompresor selalu berjalan pada kecepatan rendah setelah mengadopsi pendinginan konversi frekuensi, yang dapat sepenuhnya menghilangkan kebisingan yang disebabkan oleh kompresor mulai, dan efek penghematan energi lebih jelas. Kedua, setelah AC menggunakan konversi frekuensi, rentang kerja kompresor diperluas, dan kontrol pendinginan dan pemanasan dapat direalisasikan tanpa kompresor berjalan dalam keadaan terputus-putus, sehingga dapat mengurangi konsumsi daya dan menghilangkan ketidaknyamanan yang disebabkan oleh suhu. perubahan. Dalam beberapa tahun terakhir, lemari es konversi frekuensi baru tidak hanya mengurangi konsumsi daya dan mencapai ketenangan, tetapi juga mencapai pembekuan cepat dengan menggunakan operasi kecepatan tinggi.
Di mesin cuci, kontrol frekuensi variabel digunakan di masa lalu untuk mencapai kontrol kecepatan variabel untuk meningkatkan kinerja pencucian. Selain hemat energi dan ketenangan, mesin cuci yang baru populer ini juga memperkenalkan konten kontrol baru untuk memastikan pencucian pakaian yang lembut; kompor elektromagnetik menggunakan induksi frekuensi tinggi Pemanasan membuat panci panas langsung tanpa bagian panas dari gas dan pemanas listrik, sehingga tidak hanya aman, tetapi juga sangat meningkatkan efisiensi pemanasan. Frekuensi kerjanya lebih tinggi dari indera pendengaran, sehingga menghilangkan kebisingan yang disebabkan oleh getaran periuk nasi.
Keempat, kerusakan yang disebabkan oleh perangkat elektronik daya dan tindakan pencegahan
Penyearahan terkendali fase dan penyearahan dioda tak terkendali pada perangkat elektronika daya menyebabkan distorsi serius pada bentuk gelombang arus input, yang tidak hanya sangat mengurangi faktor daya sistem, tetapi juga menyebabkan polusi harmonik yang serius.
Selain itu, perubahan tegangan dan arus yang cepat di sirkuit perangkat keras membuat perangkat elektronik daya menanggung tekanan listrik yang besar, dan menyebabkan gangguan elektromagnetik serius (EM1) ke peralatan listrik dan gelombang radio di sekitarnya, dan situasinya semakin buruk. Banyak negara telah merumuskan standar nasional untuk membatasi harmonik. Institut Internasional Insinyur Listrik dan Elektronik (IEEE), Komisi Elektroteknik Internasional (IEC) dan Konferensi Internasional tentang Jaringan Listrik Besar (CIGRE) telah meluncurkan standar harmonik mereka sendiri. Pemerintah China juga telah merumuskan peraturan terkait untuk membatasi harmonik.
(1) Penanggulangan gangguan harmonik dan elektromagnetik electromagnetic
1. Penekanan harmonik
Untuk menekan harmonik yang dihasilkan oleh perangkat elektronika daya, salah satu metode adalah dengan melakukan kompensasi harmonik, yaitu dengan mengatur perangkat kompensasi harmonik untuk membuat arus input menjadi gelombang sinus.
Perangkat kompensasi harmonik tradisional menggunakan filter yang disetel IC, yang dapat mengkompensasi harmonik dan daya reaktif. Kerugiannya adalah bahwa karakteristik kompensasi dipengaruhi oleh impedansi grid dan status operasi, dan mudah untuk memiliki resonansi paralel dengan sistem, yang mengarah ke amplifikasi harmonik, dan kelebihan beban atau bahkan membakar filter LC. Selain itu, hanya dapat mengkompensasi harmonik frekuensi tetap, dan efeknya tidak ideal.
Setelah mempopulerkan dan menerapkan perangkat elektronik daya, penggunaan filter daya aktif untuk kompensasi harmonik telah menjadi arah yang penting. Prinsipnya adalah mendeteksi arus harmonik dari objek kompensasi, kemudian membangkitkan arus kompensasi dengan besaran yang sama dan polaritas yang berlawanan dengan arus harmonik, sehingga arus grid hanya berisi komponen gelombang fundamental. Filter ini dapat melacak dan mengkompensasi harmonik yang frekuensi dan amplitudonya berubah, dan karakteristik kompensasinya tidak terpengaruh oleh impedansi jaringan.
Metode utama konverter berkapasitas besar untuk mengurangi harmonik adalah dengan menggunakan beberapa teknologi: menempatkan beberapa gelombang persegi untuk menghilangkan harmonik yang lebih rendah, sehingga memperoleh gelombang langkah yang mendekati sinus. Semakin banyak multiplisitas, semakin dekat bentuk gelombangnya dengan sinus, tetapi semakin kompleks struktur rangkaiannya. Untuk mencapai harmonik rendah dan faktor daya tinggi, konverter berkapasitas kecil umumnya menggunakan penyearah dioda dan pencacahan PWM, yang sering disebut koreksi faktor daya (PEC). Sirkuit tipikal termasuk tipe boost, tipe step-down, tipe buck-boost dan sebagainya.
2. Penekanan interferensi elektromagnetik
Langkah untuk mengatasi EMI adalah dengan mengatasi laju kenaikan arus berlebih di/dt dan laju kenaikan tegangan du/dt yang muncul saat perangkat pensaklaran dihidupkan dan dimatikan. Saat ini, perhatian lebih diberikan pada zero current switching (ZCS) dan zero voltage switching (ZVS). ) Sirkuit. caranya adalah:
(1) Induktansi dihubungkan secara seri dengan perangkat switching, yang dapat menekan di/dt ketika perangkat switching dihidupkan, sehingga tidak ada area tumpang tindih tegangan dan arus pada perangkat, dan mengurangi kerugian maju;
(2) Kapasitor paralel terhubung ke perangkat switching, ketika perangkat dimatikan, du/dt dihambat untuk naik, dan tidak ada area tumpang tindih tegangan dan arus pada perangkat, yang mengurangi kerugian switching;
(3) Dioda anti-paralel terhubung ke perangkat. Selama periode konduksi dioda, perangkat pensaklaran berada dalam tegangan nol dan keadaan arus nol. Pada saat ini, perangkat drive dihidupkan atau dimatikan untuk mencapai tindakan ZVS dan ZCS.
Saat ini, teknologi switching perangkat lunak yang lebih umum digunakan termasuk PWM resonansi parsial dan sirkuit snubber lossless.
(2) Kompensasi faktor daya
Metode awal adalah dengan menggunakan motor sinkron, yaitu motor sinkron yang khusus digunakan untuk membangkitkan daya reaktif. Ini menggunakan over-excitation dan under-excitation untuk masing-masing memancarkan jumlah daya reaktif kapasitif atau induktif yang berbeda. Namun, karena ini adalah mesin listrik yang berputar, kebisingan dan kerugiannya besar, operasi dan perawatannya juga rumit, dan kecepatan responsnya lambat. Oleh karena itu, dalam banyak kasus, ia tidak dapat memenuhi persyaratan kompensasi daya reaktif cepat.
Metode lain adalah dengan menggunakan perangkat kompensasi daya reaktif statis dengan reaktor jenuh. Ini memiliki keuntungan dari tipe statis dan kecepatan respons yang cepat, tetapi karena intinya perlu dimagnetisasi ke keadaan jenuh, kehilangan dan kebisingannya besar, dan ada beberapa masalah khusus dari sirkuit non-linier, dan tidak dapat disesuaikan dalam fase untuk mengkompensasi ketidakseimbangan beban. Oleh karena itu, ia gagal menempati arus utama perangkat kompensasi var statis.
Dengan perkembangan teknologi elektronika daya yang berkelanjutan, perangkat kompensasi var statis menggunakan SCR, GTO dan IGBT telah dikembangkan dengan pesat. Di antara mereka, generator var statis adalah yang paling unggul. Ini memiliki keuntungan dari kecepatan penyesuaian yang cepat dan jangkauan operasi yang luas, dan setelah mengadopsi beberapa, teknik multi-level atau PWM, itu dapat sangat mengurangi konten harmonik dalam arus kompensasi. Lebih penting lagi, komponen reaktor dan kapasitif yang digunakan dalam generator var statis berukuran kecil, yang sangat mengurangi ukuran dan biaya perangkat. Generator daya reaktif statis mewakili arah pengembangan perangkat kompensasi daya reaktif dinamis.
Lima, kata penutup
Kami percaya bahwa teknologi elektronika daya akan menjadi salah satu pilar penting teknologi di abad ke-21. Teknologi konversi frekuensi menempati posisi penting dalam bidang teknologi elektronika daya. Dalam beberapa tahun terakhir, perkembangan di bidang pengaturan kecepatan konversi frekuensi tegangan menengah dan traksi listrik telah menarik perhatian. Dengan integrasi ekonomi global dan aksesi negara saya ke Organisasi Perdagangan Dunia, industri elektronika daya dan teknologi konversi frekuensi negara saya akan memiliki peluang pengembangan yang belum pernah terjadi sebelumnya.