变频方式比较应用及其发展

摘要:随着电力电子技术的应用日趋成熟,变频技术作为其一项应用也随之发展。文章主要就变频技术进行分类比较,通过横向比较各种变频方式,并对其原理分析各种变频技术的优缺点及其应用价值,最后简述了变频技术的发展前景及发展中所需要解决的问题。

关键词:电力电子　变频器　变频技术　调速

1、概　述

电力电子技术是伴随着1957年美国通用电气公司第一个晶闸管的研制而诞生的,其发展经历了从整流器时代到逆变器时代,到现在的变频器时代,交流变直流称为整流,直流变交流称为逆变,而通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期起,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件的更新促使电力变换技术不断发展。20世纪70年代,脉宽调制变压变频(PwM―VVVF)调速研究开始引起人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引了人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。到现在经历了这么长时间的发展,变频技术的理论日趋成熟,但是,其应用仍存在各种问题。

传统变频就是以直流电机拖动发电变频,现在已经不存在了。现在变频技术是电力电子技术的一种应用,以变频器为核心,变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节,把50Hz的固定电网频率改为30-130Hz的变化频率。同时,还使电源电压适应范围达到142-270V,将任意电源变换成三相电压、频率平滑可调的交流电源,解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。

2、变频方式分类

2.1　交-直-交变频

交一直一交变频(又称VVVF变频)是最常用的变频方式,先将交流电整流为直流,再将直流逆变为预期频率的交流电。由于其原理简单,性能稳定,在工业、交通运输,家用电器等各个领域得到应用,成为应用最为广泛的变频方式,但因其需要整流、逆变两套设备,价格较昂贵。

恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。它们共同缺点是输入功率因数低,在整流逆变的过程中消耗大量无功,直流回路需要大的储能电容来补偿无功。再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行,且谐波电流大,在交流段和直流段需装设滤波回路,直流段还需装设平波电抗器,费用较大。

恒压变频控制是对变频器的电压和频率的比率进行控制,使之保持恒定,即u/f为一给定控制值,以维持气隙磁通的恒定,这样电动机就不会因频率变化而导致磁饱和而使励磁电流增大,引起功率因数和效率都降低。恒压频比控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求。这种变频方式被广泛用于转速开环的交流调速系统,适用于生产机械对调速系统静动态性能要求不高的场合,如对风机、泵类调速,也用于空调等家用电器以达到节能的目的,恒压变频控制系统框图如图1所示。

但是,这是一种开环控制方式,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,因此人们又研究出其他的变频调速。

转差频率控制是一种闭环的控制方式。当稳态气隙磁通保持恒定时,近似有电磁通转矩与转差角频率人ωs成正比,当保持稳态转子全磁链恒定时,有ωs正比于转矩。当采用闭环的转差频率控制时,定子频率ω1=ωr+ωs,式中ωr为实际转子角频率,则定子角频率可随转子变化而变化,得到平滑稳定的调速系统,但此调速是在静态模型下得到,不具有动态特性。

矢量控制变频调速是一种转子磁链定向的动态模型,主要原理是坐标的变换,将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相一二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ial、Ibl,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电动机励磁电流Iml。和与转矩成正比的电枢电流Itl,参照直流调速系统控制方法,求得其控制量,经过相应的坐标反变换,完成对异步电动机的控制。矢量控制方法性能好但控制复杂,实际应用中,转子磁链难以准确的观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

德国鲁尔大学的DePenbrock教授在1985年首次提出直接转矩控制变频技术。该技术同样基于动态模型直接采用转矩反馈,在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

2.2　交一交变频

交一交变频是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电,使用电力半导体功率管直接控制通过的交流电流,由于其直接变换的特点,交一交变频器效率较高,可方便地进行可逆运行。但是它存在很多缺点,如功率因数低,主电路使用晶闸管元件数目多,控制电路复杂且变频器输出频率受到其电网频率的限制,最大变频范围在电网二分之一以下。变频类似于载波调制,效果、精度都较差。为此,矩阵式交一交变频应运而生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。但是该技术目前尚未成熟,有待更多研究。

交一交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统,三相输出电压相位各差120°的单项交一交变频组 成三相交一交变频电路,它有两种接线方式,公共交流木先进线方式和输出星星连接方式。前者电源进线端公用,所以电路出线端必须隔离,如图2所示,这种接线方式主要用于中等容量交流调速系统。后者输出端终点不与负载中点相连,构成电路的六组桥式电路至少需要不同输出相的两组桥中四个晶闸管同时导通才能构成回路并产生电流如图3所示。

目前,交一交变频器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。

2.3　直流变频

直流变频是相对于交流变频而言的,直流并没有频率,它是通过改变直流电压来调节压缩机转速的。直流变频用于无刷直流电机,因为其具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,故称为直流变频。直流变频输出电压是可变的直流电,没有逆变环节,比较交流变频更加省电。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

3、变频技术的应用与发展

变频技术广泛应用于各个领域,从工业到交通运输大到家用电器,变频器产生的最初用途是速度控制,是理想的调速方法,但目前我们应用得较多的是它的节能特性,因为中国是能耗大国能源储备不足且利用率不高,电动力在电力消耗中占很大比例。应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行,可大大提高轻载运行时的工作效率。功率大电压高的变频器在电力行业有很大的发展潜力。在家用电器中,带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等,在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。

由于变频方式不同,其特点就不同,在不同的领域采用不同的变频技术。交一直一交变频技术可用于风机、泵类调速,也可用于家用电器变频;交一交变频技术主要用于大功率交流电机调速;直流变频主要用于无刷直流电机,目前国内已将直流变频用于空调。交流变频空调器采用交一直一交变频控制交流电机的转速。而对变频器的控制是通过传感器将室内温度信息传递给微电脑,输出一定频率变化的波形,控制变频器的频率。当室内急速降温或急速升温时,室内空调负荷加大,压缩机转速加快,制冷量按比例增加。相反,当室内空调负荷减少时,压缩机正常运转或减速。直流变频空调器是把工频交流电转换为直流电,并将其送至功率模块主电路,功率模块与交流调速一样受微电脑控制,不同的是模块所输出的是电压可变的直流电源,压缩机使用的是直流电机,是全直流变速空调器。直流变频空调器没有逆变环节,在这方面比交流变频更加省电。但目前国内用得较多的仍然是V/F控制,工业上负载多数动态特性要求并不高,故可以满足要求,但随着技术发展尤其是半导体制造业的发展,必会使其他变频方式得到更广泛的应用。

4、结束语

变频技术在理论上已有多种方式,但实际应用中仍然存在很多问题,在生产工艺上国内外仍存在差距。由于变频技术在节能控制方面有明显的优势,因而变频技术有广泛的发展前景,但其发展受到半导体功率器件的制造业发展情况的限制,且电力电子装置中的相控整流以及不可控二极管整流电路使输入电压电流波形发生畸变,系统功率因数被大大降低并且引入大量谐波。此外,由于硬件电路中电压和电流的急剧变化,电力电子器件需承受很大的电应力,并且对周围通信设备产生严重电磁干扰,这些都是变频技术发展中必须面对解决的重要问题。

参考文献

[1]向铁元,《电气工程基础》武汉大学出版社。

[2]王兆安,黄俊,《电力电子技术》西安佳通大学。

[3]周杨忠,胡育文,《交流电动机直接转矩控制》机械工业出版社。

[4]李烨,严辛平,永磁无刷电动机技术发展水平及应用前景,微电机,2D0l(34)。

[5]董燕飞,赵红梅,变频器的发展与应用,平顶山工学院学报,2005(14)。