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大功率变频电源的设计优化方案

来源:未知作者:kayan8发表时间:2019年05月09日 15时02分43秒

大功率变频电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。变频变压电源,是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源,如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用,比如:

(1)各种进口设备。各国的工频电形式不同,如美国采用120V/60Hz交流电,同本采用110V/60Hz交流,台湾110V/60Hz,英国240V/50Hz,这使得进口设备在国内运行必须通过变频变压供电;
(2)交流电机调速。交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、特性好、结构简单、机械特性硬、?;すδ芷肴?、运行平稳安全可靠、在生产过程中能获得最佳速度参数等优点,是理想的调速方式。且有数据表明,交流电机用于风机、水泵全额运行时,采用变频调速能节电30%,因此这也是国家重点推广的技术;
(3)风力发电。直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上,其转子转速随风速而改变,所产生的交流电频率也随之变化。需采用大功率电力电子变流器,将其整流为直流电,再逆变成与电网频率相同的交流电输出。通过中间电力电子环节,可对系统有功功率和无功功率进行控制,实现最大功率跟踪,最大效率的利用风能;
(4)实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。近年来随着工业自动化产业的高速发展,人们对变频电源的需求与日剧增,变频电源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的新兴产业。

大功率变频电源设计优化国内现状
(1)国产高压变频器功率越做越大,目前国内最大能做到8000kw
(2)与发达国家的技术差距在缩小,具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中
(3)已经研制出具有瞬时掉电再恢复,故障再恢复等功能的变频器
(4)部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器
(5)矢量控制的高压变频器已经在应用
(6)具有研发能力和产业规模的企业逐年增加。    

大功率变频电源设计优化国外现状
高压变频器国外主流供应厂商主要有西门子,罗宾康,罗克韦尔(AB)及ABB等。以西门子为代表的国外品牌占据大量和为大型工程配套的高端市场。国外各大品牌的变频器生产商,均形成了系列化的产品,其控制系统也已实现了全数字化。矢量控制功能和完善的工艺水平是国外品牌的一大特点。

技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模;能够提供特大功率的变频器,目前已超过20000kw;具备成熟的变频器用功率器件生产技术,如IGBT,  IGCT,  SGCT等;创新技术,新工艺层出不穷,并大量和快速地运用于产品中,采用输入多脉波整流,输出H桥逆变叠加多电平输出,逆变单元使用通用???,无需输入,输出滤波器即可以控制高压异步电机与同步高压电机;采用输入多脉波整流,输出E桥逆变叠加多电平输出,逆变单元使用高压???,需输入,输出滤波器即可以控制高压异步电机与高压同步电机。

大功率交-交变频调速技术:法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。
大功率无换向器电机变频调速技术:ABB公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。
中功率变频调速技术:西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备(10—2600kw)和Simovert P GTO PWM变频调速设备(100—900kw)。
小功率交流变频调速技术:日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kw。

大功率变频电源设计优化的发展趋势
 变频器技术是强弱电混合,机电一体的)综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流,逆变),又要处理信息的收集,变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬,软件开发问题。
(1)实现高水平的控制。
(2)开发清洁电能的变频器。
(3)缩小装置的尺寸。
(4)高速度的数字控制。
变频电源正朝着以下几个方向发展:

高频化
电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根战反比,
当时时中彩票平台把频率提高,设备的体积、重量将显著下降。因此提高电子器件工作频
率能带来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。

??榛?br /> 由于频率的不断提高,导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重,产生
过电压、过电流毛刺等问题。为增强系统的可靠性,许多厂商开发了用户专用功率???,将一台整机以集成芯片的形式安装到一个??橹?,使元器件之间不再由
传统的引线连接,以达到优化的效果。

数字化
随着数字信号处理技术的日趋完善,基于数字技术的电力电子技术逐渐取代
了原来基于模拟电路的技术,并显示出其优势:便于计算机处理控制、减小杂散
信号的干扰、避免模拟信号的畸变失真,也便于自诊断、容错技术的植入。
 
首先明确交流电的概念:是指电压方向改变的电压
由于工频电是220v,50Hz的正弦交流电,因此首先面对的问题是变频和调压。虽然交—交变频原理简单,能量变换直接,效率高,但其主电路复杂,可控器件多,触发驱动电路就会复杂,只适合大容量场合应用,故选择交—直—交变频。时时中彩票平台首先用一个整流电路得到直流电源,再将直流电逆变为交流电,这样解决了变频问题。时时中彩票平台采用可控整流,根据需要调整控制角来改变直流电压。这样输出了一个方波脉冲的交流电,通过调压改变脉冲的幅值,通过逆变器改变脉冲的频率(PAM)。
但由于此种方式之下输出波形是矩形波,有很大的谐波成分。为此时时中彩票平台要在此基础之上改善输出波形。时时中彩票平台用一连串很窄的矩形脉冲代替一个宽的矩形脉冲,由于中间存在没有脉冲的间隔,因此平均电压降低了。脉冲窄而间隔大,平均电压就低些,脉冲宽而间隔小,平均电压就高些。利用调压能力构造一个正弦交流正半周和负半周,实现波形改善。在输出波形的每个半周中,将占空比由小变大再由大变小就行,改变最大电压时的脉冲宽度,就改变了平均电压的幅值实现了调压。改变脉冲宽度变化的快慢就改变了输出频率实现了变频。至于正负半波的转换,依靠两组反并联器件完成。



上述脉冲的实现(采用SPWM控制)
 SPWM波形(Sinusodial PWM)就是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。产生SPWM波的原理是:用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较,其相交的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻,这组等腰三角形成为载波,
 
 
 图2  SPWM波形成原理
而正弦波成为调制波,如图所示。正弦波的频率和幅值是可控制的,改变正弦波的频率,就可以改变电源输出电压的频率,改变正弦波的幅值,也改变了正弦波与载波的交点,使得输出脉冲系列的宽度发生变化,从而改变电源输出电压的大小。

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