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60年代中期,普通晶閘管、小功率晶體管的實用化,使交流電動機變頻調速也進入了實用化。采用晶閘管的同步電動機自控式變頻調速系統、采用電壓型或電流型晶閘管變頻器的籠型異步電動機調速系統(包括不屬變頻方案的繞線轉子異步電動機的串級調速系統)等先后實現了實用化,使變頻調速開始成為交流調速的主流。
此后的20多年中,電力電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發展,變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。
這種進步,突出表現在:
(1)變頻裝置的大容量化
對一些大型生產機械的主傳動,直流電動機在容量等級方面已接近極限值,采用直流調速方案無論在設計和制造上都已十分困難。
為了適應大容量的高壓電動機,采用直接高壓型PWM變頻器來控制高壓電動機,發展較迅速。
(2)主開關器件的自關斷化
近十幾年,大功率自關斷電力電子器件的發展十分迅速,其中“門極關斷晶閘管(GTO)、雙極晶體管(BJT)/電力晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)”的發展最快,實用化的程度也最高。
采用自關斷器件省去了線路復雜、體積較大的強迫換相電路,既可以減小裝置體積,又降低了開關損耗提高了效率。同時,由于開關頻率的提高,變流器可采用PWM控制,既降低諧波損耗、減小轉矩脈動,又可以提高快速性、改善功率因數。優點是很多的。
據統計,目前變頻器中的開關器件,容量為1500kW以下的采用IGBT;1000~7500kW的采用GTO。
(3)變頻裝置的高性能化
早期的變頻調速系統,基本上是采用U/F控制,無法得到快速的轉矩響應,低速特性也不好(負載能力差)。
1971年德國西門子公司發明了所謂“矢量控制”技術。一改過去傳統方式中僅對交流電量的量值(電壓、電流、頻率的量值)進行控制的方法,實現了在控制量值的同時也控制其相位的新控制思想。使用坐標變換的辦法,實現定子電流的磁場分量和轉矩分量的解耦控制,可以使交流電動機像直流電動機一樣具有良好的調速性能。
多年來,人們圍繞著矢量控制技術做了大量的工作,如今矢量控制這一新的交流電動機調速原理得到了廣泛的實際應用,做到與直流調速系統一樣,甚至有所超過,完全可以取代直流調速系統。
在一些軋鋼廠中,大型初軋機這類快速可逆系統,90年代初采用了“交-交變頻”矢量控制系統,到目前又開始采用“交-直-交”電壓型變頻器的矢量控制系統。實踐證明,它完全可以滿足生產工藝的要求,達到了已往直流調速系統的性能指標。
(4)PWM技術的應用
PWM:(PulseWidthModulation)脈寬調制技術。
自關斷器件的發展為PWM技術鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調速裝置都采用這一技術。
PWM技術用于變頻器的控制,可以改善變頻器的輸出波形,降低電動機的諧波損耗,并減小轉矩脈動,同時還簡化了逆變器的結構,加快了調節速度,提高了系統的動態響應性能。
PWM技術除了用于逆變器的控制,還用于整流器的控制。PWM整流器現已開發成功,利用它可以實現輸入電流正弦和電網功率因數為1。人們稱PWM整流器是對電網無污染的“綠色”交流器。
(5)控制方式的全數字化等方面。
全數字控制方式,使信息處理能力大幅度地增強。采用模擬控制方式無法實現的復雜控制在今天都已成為現實。微處理機和大規模集成電路的引入,對于變頻器的通用化起到了決定性的作用。全數字控制具有如下特點:
精度高:數字計算機的精度與字長有關,變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機,精度在不斷提高。
穩定性好:由于控制信息為數字量,不會隨時間發生漂移。與模擬控制不同,它一般不會隨溫度和環境條件發生變化。
可靠性高:微型計算機采用大規模集成電路,系統中的硬件電路數量大為減少,相應的故障率大大降低。
靈活性好:系統中硬件向標準化、集成化方向發展,可以在盡可能少的硬件支持下,由軟件去完成復雜的控制功能。適當地修改軟件,就可以改變系統的功能或提高其性能。
存儲能力強:存儲容量大,存放時間幾乎不受限制,這是模擬系統不能比擬的。利用這一特點可在存儲器中存放大量的數據或表格,利用查表法簡化計算,提高運算速度。
邏輯運算能力強:容易實現自診斷、故障記錄、故障尋找等功能,使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。