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變頻器的研究發(fā)展方向
武漢晨豐機電設(shè)備有限公司
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1 變頻技術(shù)的發(fā)展過程 
    變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀60年代后半期開始,電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MCT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管),器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始,美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器巳投入市場并廣泛應(yīng)用。  
    VVVF變頻器的控制相對簡單,機械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機械特性終究沒有直流電動機硬,動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意,因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。  
    矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動機在三相坐標系下的定子交流iA、iB、iC通過三相—二相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα、iβ,再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流IM、IT(IM相當于直流電動機的勵磁電流,IT相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)。然后模仿直流電動機的控制方法,求得直流電動機的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換,實現(xiàn)對異步電動機的控制。  
    矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。  
    1985年,德國魯爾大學(xué)的Dcpenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。日前,該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。  
    直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型。控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機,因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算;它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。  
    VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交-直-交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流回路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋回電網(wǎng),即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交-交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié),從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1,輸入電流為正弦且能四象限運行,系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟,但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。 

2 變頻技術(shù)與家用電器  
    20世紀70年代,家用電器開始逐步變頻化,出現(xiàn)了電磁烹飪器、變頻照明器具、變頻空調(diào)器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應(yīng)加熱)飯煲、變頻洗衣機等。  
    20世紀90年代后半期,家用電器則依托變頻技術(shù),主要瞄準高功能和省電。比如,要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優(yōu)點。 
首先是電冰箱,由于它處于全天工作,采用變頻制冷后,壓縮機始終處在低速運行狀態(tài),可以徹底消除因壓縮機起動引起的噪聲,節(jié)能效果更加明顯。  
    其次,空調(diào)器使用變頻后,擴大了壓縮機的工作范圍,不需要壓縮機在斷續(xù)狀態(tài)下運行就可實現(xiàn)冷、暖控制,達到降低電力消耗,消除由于溫度變動而引起的不適感。近年來,新式的空調(diào)器已采用無刷直流電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速,其節(jié)能效果較交流異步電動機變頻又提高約10%~15%。為了進一步提高裝置的效能,近年來,日本的空調(diào)器又逐步從單純的PWM控制改為PWM+PAM混合控制方式。即較低速時采用PWM控制,保持U/f為一定;當轉(zhuǎn)速大于一定值時,將調(diào)制固定在最大值附近,通過改變直流斬波器的導(dǎo)通占空比,提高逆變器輸入直流電壓值,從而保持變頻器輸出電壓和轉(zhuǎn)速成比例,這一區(qū)域稱為PAM區(qū)。采用混合控制方式后,變頻器的輸入功率因數(shù)、電機效率、裝置綜合效率都比單獨PWM控制時有較大幅度的提高。  
    近年來,新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現(xiàn)靜音化,而且利用高速運行能實現(xiàn)大幅度的快速冷凍;在洗衣機方面,過去使用變頻實現(xiàn)可變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機除了節(jié)能和靜音化外,還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內(nèi)容;電磁烹飪器利用高頻感應(yīng)加熱使鍋子直接發(fā)熱,沒有燃氣和電加熱的熾熱部分,因此不但安全,還大幅度提高加熱效率,其工作頻率高于聽覺頻率之上,從而消除了飯鍋振動引起的噪聲;IH電飯煲得到的火力比電加熱器更強,而且利用變頻可以進行火力微調(diào),只要合理設(shè)計加熱感應(yīng)線圈,可得到任意的加熱布局,炊飯性能上了一個檔次;變頻微波爐利用高頻電能給磁控管必要的升壓驅(qū)動,電源結(jié)構(gòu)小,爐內(nèi)空間更寬敞,新式微波爐能任意調(diào)節(jié)電力,并根據(jù)不同食品選擇最佳加熱方式,縮短時間,降低電耗;照明方面,熒光燈使用高頻照明,可提高發(fā)光效率,實現(xiàn)節(jié)能,無閃爍,易調(diào)光,頻率任意可調(diào),鎮(zhèn)流器小型輕量。  
    變頻技術(shù)正在給形形色色的家電帶來新的革命,并將給用戶帶來更大的福音。今后變頻技術(shù)還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓撲電路、濾波及屏蔽技術(shù)的進步而發(fā)展。家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)還將給家電增添新的能源。 


 

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