世纪变频调速技术展望【DOC精选】.docVIP

21世纪变频调速技术展望 （北京冶金工业部） 沈龙大 Shen,Longda摘要?押介绍了变频器新技术及相关核心技术，电力电子器件，数字矢量控制技术的现状及未来展望。 关键词?押２１世纪变频技术; 交交变频器; ＧＴＯ变频器; ＩＧＢＴ变频器; 电力电子器件; 展望 文章编号:1008-0570(2004)07-0037-04 １ 前言 现代变频技术是交流电动机控制的核心技术，而变频技术的核心是功率变换器件和微电子控制技术。电力电子和微电子技术的发展，推动了变频技术的发展，反过来变频技术的发展又对电力电子变换器件提出了新要求。２０世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。２０世纪３０年代应用机械旋转式变频机组，将工频电源变换成低于工频以下的电源，功率变换器件是原动机发电机机组，存在效率低、损耗大、噪声大、体积大等问题。６０年代 ＳＣＲ(晶闸管)问世，７０年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组，进入了电力电子变频技术时代，使变频技术有了新发展。但由于晶闸管换向是靠外界电源自然换向或被强迫换向的，只能控制导通而不能直接控制关断，因此需要复杂的换向电路和电压、电流保护回路，控制复杂，开关频率低，目前主要用于交交变频器。８０年代自关断器件大功率双极性晶体管 ＧＴＲ的问世，出现了高性能 ＧＴＲ变频器，曾经红过一阵，其性能大大优于晶闸管变频器，很快就在工业领域得到推广应用。但由于ＧＴＲ、 ＧＴＯ(可关断晶闸管 Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ)为电流控制器件、存在驱动功率大、开关频率不高、并联困难等问题，影响实现大容量化及高频低损耗。用户的高频化要求推进了功率器件栅极的ＭＯＳ化，９０年代 ＭＯＳ场控型 ＩＧＢＴ(绝缘栅晶体管 Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)广泛用作变频器的功率变换器件。它具有开关频率高、并联容易，容易实现高压大容量化、控制方便的特点，所以一登场就体现了强大生命力，很快取代了 ＧＴＲ，其应用从通用变频器(ＩＮＶ)、不间断电源(ＵＰＳ)、数值控制(ＮＣ)、伺服(ＳＶ)、机器人，以至扩大到家用电器、办公自动化、医疗器械、太阳能发电等所有领域。 ＩＧＢＴ变频器已成为９０年代变频调速技术的主流，在未来２１世纪相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。在２１世纪ＩＧＢＴ智能化模块ＩＧＢＴ，ＩＰＭ及智能化变频器将会有很大的发展。功率器件及变频器的智能化是将功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能集成化，实现高效节能、多功能、高性能、高附加值化。同时将研究开发新电力电子器件 ＩＧＣＴ(集成门极强驱动晶闸管Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ)、ＭＣＴ(ＭＯＳ控制晶闸管ＭＯＳ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ)、ＩＥＧＴ(集成发射式门极晶闸管 Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｍｉｔ Ｇａｔｅ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ)、 ＧａＡｓ(砷化嫁)、 ＳｉＣ(碳化硅复合器件)、 ＳＩＴＨ(静电感应晶闸管 ＳｔａｔｉｃＩｎｄｕｃｔ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ)、光控ＩＧＢＴ及超导功率器件等新功能功率变换器。 现在变频装置几乎已实现了数字化控制，但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从８０年代中期开始逐步发展到１６位、３２位微处理器，目前普遍采用ＤＳＰ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ)高速数字信号处理器。 随着 ＩＧＢＴ等器件的高压大容量，中、高压大容量的变频装置也将会广泛应用到各个领域。 ２ 变频装置应用的电力电子器件发展状况 用于变频装置的代表性电力电子器件有ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、 ＳＣＲ、二极管等。 ２．１电力电子器件的发展 电力电子器件发展状况表略。 ６０年代晶闸管的出现开创了电力电子器件时代，晶闸管随着直流传动调速系统的发展而得到了发展。７０年代末ＧＴＲ和 ＧＴＯ电流控制型自关断器件的出现，进入了第二代电力电子时代，自关断器件和 ＰＷＭ控制技术相结合使变频技术得到了很大发展。８０年代初开始应用于 ＰＷＭ(Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ)变频器的直流电源，８０年代末应用于交交变频器。９０年代末出现的高开关频率低损耗的 ＭＯＳ电压控制型ＩＧＢＴ及ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块，使电力电子器件进入了第三代。ＩＧＢＴ仍将成为２１世纪初变频装置的主导功率变换器件。高频化低损耗和高耐压大容量器件是今后的研究开发方向。随着新材料新功能等新概念功率器件的开发，在２１世纪将进入新一代电力电子时代。２．２电力电子器件的现状和动向 ２．２．１晶闸管ＳＣＲ ＳＣＲ自１９６０年被发明以来，已经历了近四十年的历史。因其具有高成熟技术、高压大容量、高可靠性、价格低廉等优点，所以至今仍在直流传动装置，交交变频装置中广泛应用，特别在高电压和大电流