מחקר על פיתוח ויישום של מכשירים אלקטרוניים חשמליים וטכנולוגיית המרת תדרים

עם ההתפתחות המהירה של אלקטרוניקת חשמל וטכנולוגיית מחשבים, ויסות מהירות AC הפך למגמת פיתוח להחלפת ויסות מהירות DC. ויסות מהירות המרת תדרים מוכר כשיטת ויסות המהירות המבטיחה ביותר בבית ובחו"ל בזכות ויסות המהירות המצוין וביצועי ההתחלה והבלימה. טכנולוגיית המרת תדרים היא טכנולוגיית הליבה של ויסות מהירות זרם חילופין, אלקטרוניקה כוח וטכנולוגיית מחשב הם הליבה של טכנולוגיית המרת תדרים, והתקנים אלקטרוניים חשמליים הם הבסיס לטכנולוגיית אלקטרוניקה כוח. טכנולוגיית אלקטרוניקה כוח היא היי-טק שהתפתח במהירות בשנים האחרונות. הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי המכטרוניקה, העברת המנוע, חלל וכדומה. עכשיו זה הפך להיי-טק שמדינות מתחרות בפיתוח. מומחים צופים כי בתחום הבקרה האוטומטית המפותח ביותר במאה ה -21, טכנולוגיית המחשב וטכנולוגיית אלקטרוניקה כוח הן שתי הטכנולוגיות החשובות ביותר.

1. תהליך הפיתוח של מכשירים אלקטרוניים חשמליים

תיריסטורים יצאו בארצות הברית בסוף שנות החמישים, וסימנו את לידתה של טכנולוגיית אלקטרוניקה כוח. הדור הראשון של מכשירים אלקטרוניים חשמליים הוא בעיקר מיישר מבוקר סיליקון (SCR), אשר הוצג כטכנולוגיה לחיסכון באנרגיה בארצי בשנות השבעים וקודם בפריסה ארצית. עם זאת, SCR הוא מכשיר מיתוג מבוקר למחצה שיכול לשלוט רק בהדלקתו אך לא בכיבויו. זה מוגבל ביישום כונני AC וספקי כוח בתדר משתנה. טרנזיסטורי כוח (GTR), טיריריסטורי כיבוי שער (GTO), טרנזיסטורי אפקט שדה כוח MOS (PowerMOSFET), טרנזיסטורי שער מבודדים (IGBT), טרנזיסטורי אינדוקציה סטטיים (SIT) ותיריסטורי אינדוקציה סטטיים (SITH), הומצאו ברציפות לאחר שנות השבעים. וכו 'המאפיין המשותף שלהם הוא לשלוט בהולכה ובכיבוי שלהם. הם התקני מיתוג בשליטה מלאה. מכיוון שלא נדרש מעגל ממיר, הנפח והמשקל מצטמצמים מאוד בהשוואה ל- SCR. נכון לעכשיו IGBT הפך למכשיר מיינסטרים עם המאפיינים המצוינים שלו, וגם ל- GTO עם קיבולת גדולה יש מיקום מסוים.

מדינות רבות שוקדות על פיתוח מכשירים בעלי קיבולת גדולה, והופקו 6,000 וולט IGBT בחו"ל. IEGT (injectenhancedgatethyristor) הוא סוג חדש של מכשיר המשלב את היתרונות של IGBT ו- GTO. דוגמאות של 1000A / 4500V כבר יצאו. IGCT (משולב שערים משוחרר) משתמש בשכבת חיץ ופולט שקוף על בסיס GTO. זה שווה ערך לתיריסטור כאשר הוא מופעל, ולטרנזיסטור כאשר הוא כבוי, ובכך לתאם למעשה את הסתירה בין המתח במצב למתח החוסם, ותדירות ההפעלה יכולה להגיע לכמה קילוהרץ [2] [3 ]. חברת ABB השוויצרית השיקה את IGCT עד 4500-6000V, 3000-3500A. MCT פרש בגלל מעט התקדמות, והתפתחות ה- IGCT גרמה לו לתפוס תפקיד חשוב בתבנית החדשה של מכשירים אלקטרוניים חשמליים. בהשוואה למדינות מפותחות, במדינה שלי יש פער גדול יותר בייצור מכשירים מאשר ביישומים. התקני כוח חדשים כגון מבני שער תעלה בעלי עוצמה גבוהה, מודולי IGBT, IEGT, תריסיסטרים מגודרים של MOS, דיודות מיישר בתדירות גבוהה של תדר גבוה של גליום ארסניד, סיליקון קרביד (SIC) ומכשירי חשמל חדשים אחרים, הם בעלי ההתפתחויות האחרונות בחו"ל. הוא האמין כי השימוש בחומרים מוליכים למחצה חדשים כגון GaAs ו- SiC כדי להפוך מכשירי חשמל למימוש רדיפת אנשים'" מכשירים אידיאליים" תהיה המגמה העיקרית בפיתוח מכשירים אלקטרוניים חשמליים במאה ה -21.

אבני בניין אלקטרוניות בעלות אמינות גבוהה (PEBB) ומודולים אלקטרוניים חשמליים משולבים (IPEM) הם נקודות חמות חדשות בהתפתחות האחרונה של טכנולוגיית חשמל אלקטרונית בארצות הברית. התחרות העזה בין GTO ו- IGCT, IGCT ו- IGBT במתח גבוה ומכשירים אלקטרוניים חשמליים חדשים אחרים בוודאי תביא עוד הזדמנויות ואתגרים לפיתוח טכנולוגיות אלקטרוניות כוח חדשות וטכנולוגיות המרת תדרים במאה ה -21.

2. תהליך הפיתוח של טכנולוגיית המרת תדרים

טכנולוגיית המרת תדרים נולדה כתגובה לצורך בוויסות מהירות חסר צעד של מנועי זרם חילופין. חידוש אלקטרוניקה כוח מקדם המרת הספק

ההתפתחות הרציפה של הטכנולוגיה. בתחילה, טכנולוגיית המרת התדרים הוגבלה להמרת תדרים ולא למתח משתנה. מאז שנות השבעים, המחקר על ויסות מהירות המוונון של תדירות מתח משתנה (PWM-VVVF) משך את תשומת לבם של אנשים&# 39. בשנות השמונים, בעיית האופטימיזציה של מצב PWM כליבת טכנולוגיית המרת התדרים משכה את האינטרס החזק של אנשים&# 39, והתקבלו מצבי אופטימיזציה רבים, כגון: שיטת חלוקת אורך גל מודולציה, טכנולוגיית PWM מובילה בשלב, שלב -טכנולוגיית PWM המובילה, אפנון המוביל גל טכנולוגיית PWM המעבירה פאזה וכן הלאה.

השליטה בממיר מהפך VVVF פשוטה יחסית, וגם התכונות המכניות שלו טובות. זה יכול לעמוד בדרישות ויסות המהירות החלקות של השידור הכללי, והיה בשימוש נרחב בתחומי תעשייה שונים. עם זאת, כאשר שיטת בקרה זו נמצאת בתדירות נמוכה, מכיוון שמתח המוצא קטן, ההשפעה של ירידת מתח התנגדות הסטטור משמעותית יותר, ולכן מומנט המוצא המרבי מצטמצם.

השיטה לוויסות מהירות המרת תדרים של וקטור היא: זרמי זרם החילופין Ia, Ib ו- Ic של המנוע האסינכרוני במערכת הקואורדינטות התלת-פאזיות הופכים לזרמי DC Iml, Itl תחת מערכת הקואורדינטות המסתובבת סינכרונית באמצעות שלוש- שלב לטרנספורמציה דו-פאזית. , לאחר מכן חיקה את שיטת הבקרה של מנוע DC, השג את כמות הבקרה של מנוע ה- DC, ומממש את השליטה במנוע האסינכרוני באמצעות טרנספורמציה ההפוכה המתאימה.

בקרת מומנט ישירה מנתחת ישירות את המודל המתמטי של מנוע ה- AC במערכת קואורדינטות הסטטור, ושולטת על הצמדת השטף והמומנט של המנוע. אין צורך להפוך את מנוע AC למנוע DC שווה ערך, ובכך לבטל חישובים מורכבים רבים בשינוי סיבוב הווקטורי; אין צורך לחקות את השליטה במנוע DC, ואין צורך לפשט את המודל המתמטי של מנוע ה- AC לניתוק הניתוק.

המרת תדרים VVVF, המרת תדרים של וקטור והמרת תדר בקרת מומנט ישיר הם כולם המרת תדרים AC-DC-AC. החיסרון השכיח הוא שגורם הספק הקלט נמוך, הזרם ההרמוני גדול, מעגל ה- DC דורש קבל אחסון אנרגיה גדול, ולא ניתן להחזיר את האנרגיה המתחדשת לרשת, כלומר, לא ניתן לבצע פעולת ארבע רבעונים. . מסיבה זו, המרה של תדר מטריצה ​​AC-AC נוצרה.

3. טכנולוגיית המרת תדרים ומכשירים ביתיים

בשנות השבעים החלו להמיר מכשירי חשמל ביתיים להמרת תדרים, ומכשירי בישול אלקטרומגנטיים, מכשירי תאורה להמרת תדרים, מזגנים להמרת תדרים, תנורי מיקרוגל להמרת תדרים, מקררים להמרת תדרים, לחמניות אורז IH (חימום אינדוקציה), מכונות כביסה להמרת תדרים. וכו 'הופיע [4].

בסוף המאה ה -20, מכשירי חשמל ביתיים הסתמכו על טכנולוגיית המרת תדרים, בעיקר במטרה לפונקציונליות גבוהה וחיסכון בחשמל.

הראשון הוא המקרר. מכיוון שזה עובד כל היום, המדחס פועל תמיד במהירות נמוכה לאחר אימוץ קירור להמרת תדרים, מה שיכול לבטל לחלוטין את הרעש הנגרם מהפעלת המדחס, ואפקט החיסכון באנרגיה ברור יותר. שנית, לאחר שהמזגן משתמש בהמרת תדרים, מרחיבים את טווח העבודה של המדחס, וניתן לממש את בקרת הקירור והחימום מבלי שהמדחס יפעל במצב לסירוגין, כדי להפחית את צריכת החשמל ולמנוע את אי הנוחות הנגרמת על ידי הטמפרטורה. שינויים. בשנים האחרונות מקררי המרת התדרים החדשים לא רק הפחיתו את צריכת החשמל והשיגו שקט, אלא גם השיגו הקפאה מהירה באמצעות הפעלה מהירה.

במכונת הכביסה שימש בעבר בקרת תדרים משתנה להשגת בקרת מהירות משתנה לשיפור ביצועי הכביסה. בנוסף לחיסכון באנרגיה ושקט, מכונת הכביסה הפופולרית החדשה הציגה גם תכני בקרה חדשים כדי להבטיח כביסה רכה של בגדים; תנורים אלקטרומגנטיים משתמשים באינדוקציה בתדירות גבוהה חימום גורם לחימום הסיר ישירות ללא החלק החם של גז וחימום חשמלי, כך שהוא לא רק בטוח, אלא גם משפר מאוד את יעילות החימום. תדירות העבודה שלו גבוהה מהחוש השמיעתי, ובכך מבטלת את הרעש הנגרם על ידי הרטט של סיר האורז.

רביעית, הנזק שנגרם על ידי מכשירים אלקטרוניים חשמליים ואמצעי נגד

תיקון מבוקר פאזה ותיקון דיודות בלתי נשלט במכשירים אלקטרוניים חשמליים גורמים לעיוות חמור של צורת גל הזרם הקלט, מה שלא רק מפחית באופן משמעותי את גורם הכוח של המערכת, אלא גם גורם לזיהום הרמוני רציני.

בנוסף, השינויים המהירים במתח ובזרם במעגל החומרה גורמים למכשירים האלקטרוניים החשמליים להוביל למתח חשמלי רב, ולגרום להפרעות אלקטרומגנטיות חמורות (EM1) לציוד החשמלי ולגלי הרדיו שמסביב, והמצב מחמיר. מדינות רבות גיבשו תקנים לאומיים להגבלת הרמוניות. המכון הבינלאומי למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE), הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (IEC) והוועידה הבינלאומית לרשתות חשמל גדולות (CIGRE) השיקו תקנים הרמוניים משלהם. ממשלת סין גיבשה גם תקנות רלוונטיות להגבלת הרמוניות.

(1) אמצעי נגד להרמוניות ולהפרעות אלקטרומגנטיות

1. דיכוי הרמוני

על מנת לדכא את ההרמוניות שנוצרו על ידי מכשירים אלקטרוניים חשמליים, שיטה אחת היא לבצע פיצוי הרמוני, כלומר, להקים מכשיר פיצוי הרמוני כדי להפוך את זרם הקלט לגל סינוס.

מכשיר הפיצוי ההרמוני המסורתי משתמש במסנן מכוון IC, שיכול לפצות הן הרמוניות והן כוח תגובתי. החיסרון הוא שמאפייני הפיצוי מושפעים מעכבת הרשת וממצב ההפעלה, וקל לקבל תהודה מקבילה למערכת, מה שמוביל להגברה הרמונית, ומעמיס או אפילו שורף את פילטר ה- LC. בנוסף, הוא יכול לפצות רק את ההרמוניות של תדר קבוע, וההשפעה אינה אידאלית.

לאחר הפופולריות והיישום של מכשירים אלקטרוניים חשמליים, השימוש במסנני הספק פעיל לתמורה הרמונית הפך לכיוון חשוב. העיקרון הוא לזהות את הזרם ההרמוני מאובייקט הפיצוי, ואז ליצור זרם פיצוי באותו גודל ובקוטביות הפוכה כמו הזרם ההרמוני, כך שזרם הרשת מכיל רק את רכיב הגל היסודי. מסנן זה יכול לעקוב ולפצות הרמוניות שתדירותן ומשרעתם משתנות, ומאפייני הפיצוי אינם מושפעים מעכבת הרשת.

השיטה העיקרית של ממיר בעל קיבולת גדולה להפחתת הרמוניות היא שימוש בטכנולוגיה מרובה: להניח גלים מרובעים מרובים כדי לבטל הרמוניות נמוכות יותר, וכך להשיג גל צעד קרוב לסינוס. ככל שרבוי רב יותר, צורת הגל קרובה יותר לסינוס, אך מבנה המעגל מורכב יותר. על מנת להשיג הרמוניות נמוכות וגורם הספק גבוה, ממירים בעלי קיבולת קטנה משתמשים בדרך כלל בתיקון דיודות ובקיצוץ PWM, המכונה לעתים קרובות תיקון מקדם הספק (PEC). מעגלים אופייניים כוללים סוג דחיפה, סוג פתיחה, סוג דחיפה וכדומה.

2. דיכוי הפרעות אלקטרומגנטיות

המדד לפתרון EMI הוא להתגבר על קצב עליית הזרם המוגזם di / dt ועליית המתח du / dt המופיעים כאשר מכשיר המיתוג מופעל ומכבה. נכון לעכשיו, יותר תשומת לב מוקדשת למיתוג זרם אפס (ZCS) ומיתוג מתח אפס (ZVS). ) מעגל חשמלי. הדרך היא:

(1) ההשראות מחוברות בסדרה עם מכשיר המיתוג, שיכול לדכא את ה- di / dt כאשר מכשיר המיתוג מופעל, כך שאין אזור חפיפה של מתח וזרם במכשיר, ולהפחית את אובדן הקדימה;

(2) קבלים מקבילים מחוברים למכשיר המיתוג, כאשר המכשיר כבוי, ה- du / dt מונע מעלייתו, ואין אזור חפיפה של מתח וזרם במכשיר, מה שמקטין את אובדן המיתוג;

(3) דיודות אנטי-מקבילות מחוברות למכשיר. במהלך תקופת ההולכה של הדיודה, מכשיר המיתוג נמצא במצב אפס ואפס זרם. בשלב זה, מכשיר הכונן מופעל או מושבת כדי להשיג פעולות ZVS ו- ZCS.

נכון לעכשיו, טכנולוגיות החלפת התוכנה הנפוצות יותר כוללות PWM מהדהד חלקי ומעגל חסר אובדן.

(2) פיצוי מקדם כוח

השיטה המוקדמת היא להשתמש במנוע סינכרוני, שהוא מנוע סינכרוני המשמש במיוחד לייצור כוח תגובתי. היא משתמשת בערעור יתר וברמת עירור בכדי לפלוט כמויות שונות של כוח תגובתי קיבולי או אינדוקטיבי. עם זאת, מכיוון שמדובר במכונה חשמלית מסתובבת, הרעש והאובדן גדולים, גם התפעול והתחזוקה מסובכים ומהירות התגובה איטית. לכן, במקרים רבים היא לא הצליחה לעמוד בדרישות של פיצוי כוח תגובתי מהיר.

שיטה אחרת היא להשתמש במכשיר לפיצוי כוח תגובתי סטטי עם כור רווי. יש לו את היתרונות של סוג סטטי ומהירות תגובה מהירה, אך מכיוון שצריך למגנט את הליבה שלו למצב רווי, האובדן והרעש גדולים, ויש כמה בעיות מיוחדות של מעגלים לא ליניאריים, ולא ניתן לכוונן אותו שלב כדי לפצות על חוסר איזון בעומס. לכן, היא לא הצליחה לכבוש את הזרם המרכזי של מכשירי פיצוי סטטי.

עם ההתפתחות הרציפה של טכנולוגיית האלקטרוניקה החשמלית, פותחו התקדמות פיצוי סטטי של ורידים המשתמשים ב- SCR, GTO ו- IGBT. ביניהם, מחולל הוורטים הסטטי הוא העולה ביותר. יש לו את היתרונות של מהירות כוונון מהירה וטווח פעולה רחב, ולאחר אימוץ טכניקות מרובות, רב-מפלסיות או PWM, זה יכול להפחית במידה ניכרת את התוכן ההרמוני בזרם הפיצוי. חשוב מכך, הכור ורכיבי הקיבול המשמשים בגנרטור ה- vary הסטטי הם קטנים, מה שמפחית מאוד את גודל המכשיר ואת עלותו. מחולל הכוח התגובה הסטטי מייצג את כיוון הפיתוח של התקני פיצוי כוח תגובתי דינמי.

חמש, הערות סיכום

אנו מאמינים כי טכנולוגיית חשמל אלקטרונית תהפוך לאחת מטכנולוגיות העמוד החשובות במאה ה -21. טכנולוגיית המרת תדרים תופסת תפקיד חשוב בתחום טכנולוגיית האלקטרוניקה החשמלית. בשנים האחרונות הפיתוח בתחום ויסות מהירות המרת תדרים במתח בינוני ומתיחה חשמלית משך תשומת לב. עם שילוב הכלכלה העולמית והצטרפותה של ארצי לארגון הסחר העולמי, לתעשיות האלקטרוניקה החשמליות ולהמרת תדרים של ארצי יהיו אפשרויות פיתוח חסרות תקדים.