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高壓變頻技術發展方向

       從20 世紀80 年代以來,現代電力電子技術開始向高頻,高效(低開關損耗),高功率因數,高功率密度(組合集成化)及高壓大功率方向迅速發展。以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關斷器件得到長足的發展,尤其是以IGBT為代表的雙極型複合器件的驚人發展,使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅動、低損耗、智能模塊化的方向前進。伴隨著電力電子器件的飛速發展,大功率逆變器及交流調速技術的發展也日趨高性能化。傳統的大功率逆變電路有:普通三相逆變器、降壓普通變頻升壓電路、交交變頻電路和變壓器耦合的多脈衝逆變器。以上的大功率逆變電路研究比較成熟,但在實現大功率流傳動的同時,在性能上沒有什麽突破,且裝置複雜,製作成本高,控製方式可靠低,並且對電網汙染嚴重,功率因數低,無功損耗大,須附加諧波治理裝置,設備成本成倍增加。因此,近10 年來一些新型多電平電壓源型變頻器吸引了許多學者的注意,多電平技術成為高壓變頻方向重要的研究課題。隨著以高壓IGBT、IGCT為代表的性能優異的複合器件的快速發展,和相應的各種PWM 控製算法的不斷深入研究,使多電平結構得以逐步走向應用化,電力電子技術在高壓大容量電能變換及高品質控製方麵的應用得到了極大的拓展。其應用領域包括交直流能量轉換、高壓大容量交流電動機變頻調速、電能質量綜合治理等。多電平電路最早由日本學者提出,稱為中點箝位式(NPC)逆變器,它的出現為高壓大容量電壓型逆變器的研製開辟了一條新思路。在此基礎上,經過多年的研究發展出4 種主要的拓撲結構:二極管箝位式和電容箝位式,帶分離直流電源的串聯式和三相逆變器串聯式結構。

這4 種結構與普通兩電平逆變器相比具有以下優點:
       (1)更適合大容量、高壓的場合。
       (2)可產生M 層階梯形輸出電壓,理論上提高電平數可接近純正弦波形,諧波含量很小。
       (3)電磁幹擾(EMI)問題大大減輕,因為開關器件一次動作的dv/dt 通常隻有傳統雙電平的1/(M-1)。
       (4)效率高。消除同樣諧波,兩電平采用PWM控製法開關頻率高、損耗大,而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作,開關頻率低、損耗小,效率提高。

未來高壓變頻調速技術發展的主要表現為:
       (1)高壓變頻器將朝著大功率,小型化,輕型化的方向發展。
       (2)高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加(器件串聯和單元串聯)兩個方向發展。
       (3)更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中。
       (4)現階段,IGBT、IGCT、SGCT 仍將扮演著主要的角色,SCR、GTO 將會退出變頻器市場。
       (5)無速度傳感器的矢量控製,磁通控製和直接轉矩控製等技術的應用將趨於成熟。
       (6)全麵實現數字化的自動化,參數自設定技術;過程自優化技術;故障自診斷技術。
       (7)應用32 位MCU、DSP 及ASIC 等器件,實現變頻器的高精度,多功能控製。
       (8)相關配套行業正朝著專業化,規模化發展,社會分工將更加明顯。

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