12 电力电子器件在变频器中的应用 - Read.DOCVIP

ISBN 978-7-121-07359-5 书名 变频器技术应用 样 章 第1章 变频器技术应用发展概况 【学习任务】 了解变频器发展概况，认识变频器在现代化建设中的作用。 了解各类电力电子器件的特性及应用。 了解变频器中各类微处理器及其作用。 本章主要介绍以变频器控制交流异步电机为典型的交流变频调速技术的发展概况，重点指出正是由于电力电子技术的发展，计算机微处理器技术的发展，才促进了变频器技术的发展。先进控制理论的应用，更是为变频调速技术插上了腾飞的翅膀，使之成为实现工业自动化的主要手段之一。 1.1 概述 【知识目标】 了解变频调速技术发展概况及其在国家经济建设中的重要作用。 1.1.1 交流变频技术的发展 直流电机与交流电机先后诞生于19世纪后期，它们刚一问世，立即引发工业生产的“第二次革命”，使世界由“蒸汽机时代”迈入“电气化时代”。100多年来各类电机已经成为人类生产、生活中最重要的动力机械，其地位与作用是其他动力机械（如热机）不可比拟的。由于结构和技术上的原因，在需要进行调速控制的拖动系统中基本上采用直流电机。但是，同样由于结构上的原因，直流电机存在一些难以克服的缺陷，主要是：制造工艺复杂，消耗有色金属较多，成本高，且难以制造大容量、高转速和高电压的直流电机；需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难；由于存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。诞生时间稍晚于直流电机的三相交流异步电机，以其结构简单坚固，运行可靠，价格低廉而迅速地在电力拖动领域独占鳌头；由于制造工艺相对简单，容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电机，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大的作用。很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。与此同时，大量采用交流电机拖动的所谓不变速拖动系统中，相当一部分是风机、水泵类的负载。这类负载约占工业电力拖动总量的一半，其中大部分并不是真的不需要变速，只是因为交流电机都不调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，但是电机轴上输出功率并没有减小，相当一部分能量损耗在挡板、阀门上，所以白白消耗掉大量电能。如果实现交流调速，每台电机可节能20%以上。总起来节能效果非常可观。另一方面，据统计，工业电机负荷率通常为50%～60%。这是因为一般情况下，电机的功率选择要考虑最大负载、电网波动、安全系数、电机规格等因素，电机选择的功率大，而实际上通常在50%～60%额定功率下工作。如采取交流调速，在恒转矩的条件下，降低轴上的输出功率，既能满足工作的要求，提高电机效率，也可获得节能效果。综上所述，实现交流调速，是人们长期以来孜孜以求的愿望。 如何实现交流调速呢？从现有的文献资料上来看，尽管异步电机调速系统种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的就是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内的无级调速。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变换过程中没有直流环节的，称为“交—交”变频器，有中间直流环节的，称为“交—直—交”变频器。由直流电变为交流电的变换器称为逆变器。目前应用最为广泛的就是“交—直—交”变频器，通常是由整流器（AC-DC变换）、中间直流储能电路和逆变器（DC-AC变换）三部分构成，其中最为关键的就是“逆变”。 长期以来人们追求、探索交流变频调速，直到20世纪80年代这项技术才在应用上得到普及和推广，这主要得益于以下三个方面。 ① 诞生于1956年的电力电子技术经20年的发展进入了现代电力电子技术阶段，制造出高耐压、大功率，具有自关断全控型电力电子器件，并且具有驱动功率小，开关频率高的特点，应用在“逆变电路”中，极大地提高了变频的性能。应该说高性能的电力电子器件为变频技术提供了良好的“硬件”条件。 ② 1964年，德国的A.Sch?nung等人率先提出了脉宽调制（PWM）变频的思想，就是把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频，几十年来此项技术日臻完善，使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。 ③ 采用全数字微机控制技术，使变频器缩小了体积，降低了成本，提高了效率，增强了功能。 以上三项技术的应用，一举打破了制约变频技术发展的“瓶颈”，即在“逆变”电路中由全控制电力电子器件组成“逆变桥”，甩掉了复杂的“强迫换流电路”，使结构紧凑合理；在异步电机的定子和转子的气隙间重现了频率可调，按正弦分布的旋转磁场，使电机基本上能够运行平稳，无噪声，无抖动。自此以后，变频调速技术（变频器控制技术）的发展日新月异。随着新型的电力电子器件、大容量