电力电子器件及变频技术的发展与应用研究
2022-12-24
来源:好走旅游网
盛 鱼 文。陈勇叶文通祝永华(浙江工业大学浙西分校) 蟹医翻 电力电子器件及变频技术的发展与应用研究 摘要:介绍了电力电子器件和变频技 新型功率器件在国外有了最新发展。可以 术的发展过程,以及变频技术在家用电器 相信,采用GaAS、SiC等新型半导体材料 的应用,分析了变频技术的应用也带来了 制成功率器件,实现人们对“理想器件”的 谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降 追求,将是2 1世纪电力电子器件发展的主 等问题。提出了相关的谐波抑制方法及提 要趋势。 高电源系统功率因数的措施。 高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集 关键词:电力电子器件;变频技术;谐 成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电 波;功率因数 子技术发展新热点。GT0和IGCT,IGCT 采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运 行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的 噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使 用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需 要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、 暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度 变动而引起的不适感。近年来,新式的变 频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化, 引言 和高压I G B T等电力电子新器件之间的激烈 随着电力电子、计算机技术的迅速发 竞争,必将为2 1世纪世界电力电子新技术 展,交流调速取代直流调速已成为发展趋 和变频技术的发展带来更多的机遇和挑战。 势。变频调速以其优异的调速和启、制动 二、变频技术的发展过程 性能被国内外公认为是最有发展前途的调 变频技术是应交流电机无级调速的需 速方式。变频技术是交流调速的核心技 要而诞生的。电力电子器件的更新促使电 术,电力电子和计算机技术又是变频技术 力变换 的核心,而电力电子器件是电力电子技术 技术的不断发展。起初,变频技术只 的基础。电力电子技术是近几年迅速发展 局限于变频不能变压。2 0世纪7 0年代开 的一种高新技术,广泛应用于机电一体 始,脉宽调制变压变频(PwM—VVVF)调速 化、电机传动、航空航天等领域,现已成 研究引起了人们的高度重视。20世纪8O年 为各国竞相发展的一种高新技术。专家预 代,作为变频技术核心的P W M模式优化 言,在2 l世纪高度发展的自动控制领域 问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多 内,计算机技术与电力电子技术是两项最 优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位 重要的技术。 载波PWM技术、移相载波PWM技术、载 一、电力电子器件的发展过程 波调制波同时移相PWM技术等。 上世纪5 0年代末品闸管在美国问世, VVV F变频器的控制相对简单,机械特 标志着电力电子技术就此诞生。第一代电 性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑 力电子器件主要是可控硅整流器(S C R), 调速要求,已在产业的各个领域得到广泛 我国7 0年代将其列为节能技术在全国推 应用。但是,这种控制方式在低频时,由于 广。然而,S C R毕竟是一种只能控制其导 输出电压较小,受定子电阻压降的影响比 通而不能控制关断的半控型开关器件,在 较显著,故造成输出最大转矩减小。 交流传动和变频电源的应用中受到限制。 矢量控制变频调速的做法是:将异步 70年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR)、 电动机在三相坐标系下的定子交流电流 门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效 Ia、Ib、IC通过三相一一二相变换,等效成 应管(P0wer MOSFET)、绝缘栅晶体管 同步旋转坐标系下的直流电流Im1、Itl,然 (IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应 后模仿直流电动机的控制方法,求得直流 晶闸管(SITH)等,它们的共同特点是既控 电动机的控制量,经过相应的坐标反变换, 制其导通,又能控制其关断,是全控型开 实现对异步电动机的控制。 关器件,由于不需要换流电路,故体积、重 直接转矩控制直接在定子坐标系下分 量较之SCR有大幅度下降。当前,IGBT以 析交流电动机的数学模型,控制电动机的 其优异的特性已成为主流器件,容量大的 磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成 GTO也有一定地位【l】[2113】。 等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变 许多国家都在努力开发大容量器件, 换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流 国外已生产6000V的IGBT。ISGT(injection 电动机的控制,也不需要为解耦而简化交 enhanced gate thyristor)是一种将IGBT和 流电动机的数学模型。 G T 0的优点结合起来的新型器件,已有 VVVF变频、矢量控制变频、直接转 1 0 0 0 A/4 5 0 0 V的样品问世。I G C T 矩控制变频都是交一直一交变频中的一 (integrated gate eommutated thyristor)在 种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波 G T 0基础上采用缓冲层和透明发射极,它 电流大,直流回路需要大的储能电容,再生 开通时相当于晶闸管,关断时相当干晶体 能量又不能反馈回电网,即不能进行四象 管,从而有效地协调了通态电压和阻断电 限运行。为此,矩阵式交交变频应运而 压的矛盾,工作频率可达几千赫兹【21【3】。 生。 瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500 三、变频技术与家用电器 —6000V,3000—3500A。MCT因进展 20世纪70年代,家用电器开始逐步变 不大而引退而I G C T的发展使其在电力电 频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、 子器件的新格局中占有重要的地位。与发 变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、I H 达国家相比,我国在器件制造方面比在应 (感应加热)饭堡、变频洗衣机等【4】。 用方面有更大的差距。高功率沟栅结构 2 0世纪末期期,家用电器则依托变频 IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高 技术,主要瞄准高功能和省电。 压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIc)等 首先是电冰箱,由于它处于全天工作, 而且利用高速运行能实现快速冷冻。 在洗衣机方面,过去使用变频实现可变 速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除 了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤 等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用 高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和 电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅 度提高加热效率,其工作频率高于听觉之 上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。 四,电力电子装置带来的危害及对策 电力电子装置中的相控整流和不可控 二极管整流使输入电流波形发生严重畸 变,不但大大降低了系统的功率因数,还引 起了严重的谐波污染。 另外,硬件电路中电压和电流的急剧 变化,使得电力电子器件承受很大的电应 力,并给周围的电气设备及电波造成严重 的电磁干扰(EM 1),而且情况日趋严重。许 多国家都已制定了限制谐波的国家标准, 国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电 工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE) 纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也 制定了限制谐波的有关规定f 5】。 (一)谐波与电磁干扰的对策 1、谐波抑制 为了抑制电力电子装置产生的谐波, 一种方法是进行谐波补偿,即设置谐波补 偿装置,使输入电流成为正弦波f 3】。 传统的谐波补偿装置是采用I C调谐 滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功 率。其缺点是,补偿特性受电网阻抗和运 行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致 谐波放大,使L C滤波器过载甚至烧毁。此 外,它只能补偿固定频率的谐波,效果也不 够理想。 电力电子器件普及应用之后,运用有 源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方 向。其原理是,从补偿对象中检测出谐波 电流,然后产生一个与该谐波电流大小相 等极性相反的补偿电流,从而使电网电流 只含有基波分量。这种滤波器能对频率和 幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿 特性不受电网阻抗的影响。 大容量变流器减少谐波的主要方法是 采用多重化技术:将多个方波叠加以消除 次数较低的谐波,从而得到接近正弦的阶 梯波。重数越多,波形越接近正弦,但电路 结构越复杂。小容量变流器为了实现低谐 波和高功率因数,一般采用二极管整流加 PWM斩波,常称之为功率因数校正(PE C)。 典型的电路有升压型、降压型、(下转8 8页) 87 翟量叠臣 幽 文0雷志银任纪兵冯保柱(山东华聚能源兴隆庄矿电厂) 蠢 励磁电流不均衡对发电机的危害及解决办法 摘要:励磁电流是否均衡对发电机的 机运行时,励磁调节器通过调整发电机的 否会均衡呢?不同型号的碳刷在同一极上 正常运行有很大的影响,本文着重讨论了 励磁电流来调整发电机的端电压,当电力 混用,这是我们提出的有一可疑原因。不 励磁电流不均衡对发电机正常运行的危 系统中有多台发电机并联运行时,励磁调 同型号的碳刷其本身的电阻系数是不同 害,分析其产生的原因,并提出解决办法。 节器通过调整励磁电流来合理分配并联运 的,也就是说即使外部情况一模一样,在 关键词:励磁电流;发电机;不均衡;解 行发电机组间的无功功率,从而提高电力 这样的情况下其励磁电流依然不会均衡。 决办法 系统的静态和动态稳定性。可虽然在励磁 4、日常运行维护不当这是我们提出 本文所研究的是小机组直接励磁的运 调节器工作正常时,加入到转子上的励磁 的最后一个可疑原因。在现实生产过程中 行方式,即在发电机出口侧有励磁变压 电流仍然有不均衡的时候。这是为什么 我们会发现,由于碳刷热胀冷缩或者是安 器,励磁变压器将降压后的电流供给可控 呢?首先我们排除了发电机转子的问题, 装调试不当,致使碳刷卡在了刷架中。在 硅整流后再提供给发电机转子作为励磁电 因为在发电机转子回路有了问题的时候, 这样的情况下,由于碳刷与滑环接触不良 流。(在我厂的1#,2#机中励磁方式就是 那么讨论励磁电流已为时过晚。这时我们 好也改变了碳刷的接触电阻,致使励磁电 采用此种方式。)励磁电流就是同步电机转 的思路就大为开阔了,而思考的对象则比 流不均衡。 子中流过的电流(有了这个电流,使转子 较能够固定了,那就是作为发电机动静部 在发电机运行时,应经常注意碳刷的 相当于一个电磁铁,有N极和s极),在正 分的连接体:碳刷。通过对实际的情况的 运行状态是否良好,碳刷在刷握内上下滑 常运行时,这个电流是由外部加在转子上 分析与研究,我们发现碳刷是造成励磁电 动是否正常,碳刷的温升及噪音,压簧的 的直流电压产生的。以前这个直流电压是 流不均衡的一大原因,更是影响发电机正 压力是否均匀,碳刷上通过的电流是否均 由直流电动机供给,现在大多是由可控硅 常运行的一大隐患。 匀,刷辫是否完整,接触是否良好,有无发 整流后供给。我们通常把可控硅整流系统 针对以上提出的问题,对我厂的两台 热,有无碰触机壳的情况等。更换碳刷时, 称为励磁装置。 发电机组展开了研究。我们分析了很多的 最好在有、无功较低,发电机转子及主励 励磁电流不均衡可直接使流过个别碳 原因,采用排除的办法,在实践中检验其 转子电流均较低的时候进行更换,更换碳 刷的励磁电流升高。随着运行时间的增 是否是导致励磁电流不均衡的原因。以下 刷时螺丝刀是必不可少的工具,使用前一 长,励磁电流的升高使碳刷温度升高。碳 是我们进行论证的步骤: 定要在手柄上缠上绝缘带,以免碰触导电 届0温度的升高,使碳刷表面组织结构发生 1、机组振动大,这是我们提出的第一 部位。严禁用两手同时碰触励磁回路和接 破坏,容易引起碳刷冒火。碳刷的冒火花 个可疑原因,在机组振动大的情况下,碳 地部分,或两个不同极的带电部分。当发 可导致发电机滑环冒火,严重时还会造成 刷与滑环的接触情况肯定不是很好,接触 现碳刷下产生火花时,及时调整压簧压力 环火。这对发电机组安全运行造成直接威 状况的改变直接改变着碳刷的接触电阻, 及无功,避免引起环火。如果在机组停机 协,严重时被迫停机。就大型发电机而言, 致使励磁电流不均衡。 备用时进行碳刷的更换,虽然此时为不带 紧急停机不仅造成系统出力下降,影响系 2、刷握安装孔与滑环切面不垂直,作 电作业且转子转速很低,碳刷温度较低很 统稳定运行,而且对发电机组本身也将产 为我们第二个可疑原因,如果刷握安装孔 容易更换,但开机后一定要注意临界状态 生危害。 与滑环切面不垂直,那么刷握对碳刷的压 时的碳刷磨损情况及时调整压簧的压力。 通过认真分析、研究产生环火的原 力就不均匀,也会使碳刷与滑环的接触情 因,监测设备运行情况,我们认为拟订相 况肯定不是很好,接触状况的改变直接改 参考文献: 应对策等方法是可以有效地防止发生此类 变着碳刷的接触电阻,致使励磁电流不均 …汽轮发电机运行规程(1 999年版).中国电力 故障的。 衡。 出版社 2000.01 在同步发电机的控制系统中,励磁调 3、那么在机组振动也不大,刷握安装 节器是其中的重要组成部分。当发电机单 孔与滑环切面垂直的情况下,励磁电流是 (上接8 7页)升降压型等。 过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性 五,结束语 2、电磁干扰抑制 或感性无功功率。然而,由于它是旋转电 我们相信,电力电子技术将成为2 1世 解决E M I的措施是克服开关器件导通 机,噪声和损耗都较大,运行维护也复杂, 纪重要的支柱技术之一,变频技术在电力 和关断时出现过大的电流上升率d i/dt和 响应速度慢。因此,在很多情况下已无法 电子技术领域中占有重要的地位,近年来 电压上升率du/dt,目前比较引入注目的是 适应快速无功功率补偿的要求。 在中压变频调速和电力牵引领域中的发展 零电流开关(Z CS)和零电压开关(ZVS)电 另一种方法是采用饱和电抗器的静止 引人注目。随着全球经济一体化及我国加 路。方法是: 无功补偿装置。它具有静止型和响应速度 人世界贸易组织,我国电力电子技术及变 (1)开关器件上串联电感,这样可抑制 快的优点,但由于其铁心需磁化到饱和状 频技术产业将出现前所未有的发展机遇。 开关器件导通时的di/dt,使器件上不存在 态,损耗和噪声都很大,而且存在非线性电 电压、电流重叠区,减少了正关损耗; 路的一些特殊问题,又不能分相调节以补 参考文献: (2)开关器件上并联电容,当器件关断 偿负载的不平衡,所以未能占据静止无功 [1】周明宝.电力电子技术[M].北京:机制工业出 后抑制du/dt上升,器件上不存在电压、电 补偿装置的主流。 版社 1 985. [2]陈坚.电力电子学一电力电子变换和控制技 流重叠区,减少了开关损耗; 随着电力电子技术的不断发展,使用 术.北京:高等教育出版社,2OO2. (3)器件上反并联二极管,在二极管导 sCR、GT0和IGBT等的静止无功补偿装 [3]王兆安黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工 通期间,开关器件呈零电压、零电流状态, 置得到了长足发展,其中以静止无功发生 业出版社,2 00 5. 此时驱动器件导通或关断能实现Z V s、 器最为优越。它具有调节速度快、运行范 [4]陈国呈,周勤利.变频技术研究[J】.上海大学 ZCS动作。 围宽的优点,而且在采取多重化、多电平 自动化学院学报,1 995(6):25—26. [5 J王正元.面向新世纪的电力电子技术电源技 目前较常用的软件开关技术有部分谐 或P W M技术等措施后,可大大减少补偿 术应用.20 01 振PWM和无损耗缓冲电路。 电流中谐波含量。更重要的是,静止无功 (二)功率因数补偿 发生器使用的抗器和电容元件小,大大缩 早期的方法是采用同步调相机,它是 小装置的体积和成本。静止无功发生器代 专门用来产生无功功率的同步电机,利用 表着动态无功补偿装置的发展方向。 88