パワー エレクトロニクスとコンピュータ技術の急速な発展に伴い、AC 速度制御が DC 速度制御に取って代わる開発トレンドになっています。 周波数変換速度調整は、その優れた速度調整と発進・制動性能により、国内外で最も有望な速度調整方法として認識されています。 周波数変換技術はAC速度調整のコア技術であり、パワーエレクトロニクスとコンピュータ技術は周波数変換技術のコア技術であり、パワーエレクトロニクスデバイスはパワーエレクトロニクス技術の基盤です。 パワーエレクトロニクス技術は、近年急速に発展したハイテクです。 メカトロニクス、モータートランスミッション、航空宇宙などの分野で広く使用されています。 それは今、各国が競って開発するハイテクになっています。 専門家は、21世紀の高度に発達した自動制御分野において、コンピュータ技術とパワーエレクトロニクス技術が2つの最も重要な技術であると予測しています。
1. パワーエレクトロニクスデバイスの開発プロセス
1950 年代後半に米国でサイリスタが登場し、パワー エレクトロニクス技術が誕生しました。 第一世代のパワー エレクトロニクス デバイスは、主にシリコン制御整流子 (SCR) です。これは、1970 年代に私の国で省エネ技術としてリストされ、全国的に推進されました。 ただし、SCR は半制御のスイッチング デバイスであり、ターンオンのみを制御でき、ターンオフは制御できません。 これは、AC ドライブおよび可変周波数電源のアプリケーションに制限されます。 パワートランジスタ（GTR）、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）、パワーMOS電界効果トランジスタ（PowerMOSFET）、絶縁ゲートトランジスタ（IGBT）、静電誘導トランジスタ（SIT）、静電誘導サイリスタ（SITH）、1970年代以降順次発明など。それらの共通の機能は、導通とターンオフを制御することです。 これらは完全に制御されたスイッチング デバイスです。 コンバータ回路が不要なため、SCRに比べ体積・重量を大幅に削減。 現在、IGBTはその優れた特性から主流のデバイスとなっており、大容量のGTOも一定の地位を占めています。
多くの国で大容量デバイスの開発が進められており、6000VのIGBTは海外で生産されています。 IEGT (注入増強ゲートサイリスタ) は、IGBT と GTO の利点を組み合わせた新しいタイプのデバイスです。 すでに1000A/4500Vのサンプルが出ています。 IGCT (Integratedgateeommutatedサイリスタ) は、GTO に基づいたバッファー層と透明エミッターを使用します。 これは、オンのときはサイリスタ、オフのときはトランジスタと同等であり、オン状態の電圧と阻止電圧の間の矛盾を効果的に調整し、動作周波数は数キロヘルツに達することができます [2][3 ]。 スイスの ABB 社は、最大 4500 ～ 6000V、3000 ～ 3500A の IGCT を発売しました。 MCT はほとんど進歩せずに引退し、IGCT の開発により、パワー エレクトロニクス デバイスの新しいパターンで重要な位置を占めるようになりました。 先進国と比較して、私の国はアプリケーションよりもデバイス製造で大きなギャップがあります。 ハイパワートレンチゲート構造のIGBTモジュール、IEGT、MOSゲートサイリスタ、高電圧ガリウムaridear素高周波整流ダイオード、シリコンカーバイド（SIC）などの新しいパワーデバイス、およびその他の新しいパワーデバイスは、海外で最新の開発を行っています。 ＧａＡｓやＳｉＣなどの新半導体材料を用いてパワーデバイスを作ることで、人々がＧＧ＃３９の理想とするＧＧクォートを実現できると考えられている。 21 世紀のパワー エレクトロニクス デバイスの開発における主要なトレンドになります。
高信頼性パワー エレクトロニクス ビルディング ブロック (PEBB) と統合パワー エレクトロニクス モジュール (IPEM) は、米国のパワー エレクトロニクス技術の最近の発展における新しいホット スポットです。 GTO と IGCT、IGCT と高電圧 IGBT などの新しいパワー エレクトロニクス デバイス間の激しい競争は、21 世紀の新しいパワー エレクトロニクス技術と周波数変換技術の開発により多くの機会と課題を確実にもたらすでしょう。
2. 周波数変換技術の開発過程
周波数変換技術は、ACモーターの無段階速度制御のニーズに応えて生まれました。 パワエレ更新で電力変換を促進
技術の絶え間ない開発。 当初、周波数変換技術は、可変電圧ではなく周波数変換に限定されていました。 1970 年代以降、パルス幅変調可変電圧周波数変換 (PWM-VVVF) の速度制御に関する研究は、GG #39; の注目を集めています。 1980年代、周波数変換技術の核となるPWMモード最適化問題がGG#39;の強い関心を集め、変調波縦分割法、同相キャリアPWM技術、位相など多くの最適化モードが得られました。 -シフトキャリアPWM技術、キャリア変調波同時位相シフトPWM技術など。
VVVF インバーターの制御は比較的簡単で、機械的特性も良好です。 一般的なトランスミッションのスムーズな速度調整要件に対応でき、さまざまな産業分野で広く使用されています。 ただし、この制御方法が低周波数の場合、出力電圧が小さいため、固定子抵抗電圧降下の影響が大きくなり、最大出力トルクが低下します。
ベクトル制御周波数変換速度調整の方法は次のとおりです。三相座標系の非同期モーターの固定子交流電流 Ia、Ib、Ic は、三相座標系の同期回転座標系で直流電流 Iml、Itl に変換されます。相から二相への転換。 、次に、DC モーターの制御方法を模倣し、DC モーターの制御量を取得し、対応する座標逆変換によって非同期モーターの制御を実現します。
直接トルク制御は、AC モーターの数学モデルを固定子座標系で直接解析し、モーターの鎖交磁束とトルクを制御します。 AC モーターを同等の DC モーターに変換する必要がないため、ベクトル回転変換における多くの複雑な計算が不要になります。 DC モーターの制御を模倣する必要も、デカップリングのために AC モーターの数学的モデルを単純化する必要もありません。
VVVF 周波数変換、ベクトル制御周波数変換、直接トルク制御周波数変換は、すべて AC-DC-AC 周波数変換です。 共通の欠点は、入力力率が低く、高調波電流が大きく、DC 回路に大きなエネルギー蓄積コンデンサが必要であり、回生エネルギーを系統にフィードバックできない、つまり 4 象限運転ができないことです。 . このため、マトリックスAC-AC周波数変換が生まれました。
3. 周波数変換技術と家電
1970年代に入ると家電が周波数変換に変わり、電磁調理器、周波数変換照明器具、周波数変換エアコン、周波数変換電子レンジ、周波数変換冷蔵庫、IH(誘導加熱)おにぎり、周波数変換洗濯機などが登場[4]。
20世紀末、主に高機能化と省電力化を目指した家電製品は、周波数変換技術に依存していました。
まずは冷蔵庫です。 1日中稼働するため、周波数変換冷凍方式採用後は常に低速でコンプレッサーを運転し、コンプレッサーの始動による騒音を完全になくし、省エネ効果がより顕著です。 第二に、エアコンが周波数変換を使用した後、コンプレッサーの動作範囲が拡大し、コンプレッサーを間欠的に運転することなく冷暖房制御を実現できるため、消費電力を削減し、温度による不快感を解消できます。変更します。 近年の周波数変換冷凍機は、消費電力の削減や静粛性だけでなく、高速運転による急速冷凍も実現しています。
洗濯機では、従来、可変速制御を実現し、洗濯性能を向上させるために可変周波数制御を採用していました。 省エネと静粛性に加え、新登場の人気洗濯機は、ソフトな洗い方を実現する新制御コンテンツを導入。 電磁調理器は高周波誘導加熱方式で、ガスや電気の加熱部分を使わず直接鍋を加熱するので、安全なだけでなく加熱効率も大幅にアップします。 その作動周波数は聴覚よりも高く、これにより、鍋の振動による騒音が解消されます。
第四に、パワエレ機器による弊害とその対策
パワー エレクトロニクス デバイスの位相制御整流と制御不能なダイオード整流は、入力電流波形の深刻な歪みを引き起こし、システムの力率を大幅に低下させるだけでなく、深刻な高調波汚染を引き起こします。
また、ハードウェア回路における電圧や電流の急激な変化は、パワーエレクトロニクス機器に大きな電気的ストレスを与え、周囲の電気機器や電波に深刻な電磁干渉（EM1）を引き起こし、状況は悪化しています。 多くの国では、高調波を制限するための国内基準を策定しています。 国際電気電子技術者協会 (IEEE)、国際電気標準会議 (IEC)、および大規模電力グリッドに関する国際会議 (CIGRE) は、独自の高調波規格を発表しました。 中国政府は、高調波を制限するための関連規制も策定しています。
(1) 高調波および電磁干渉への対策
1. 高調波抑制
パワエレ機器から発生する高調波を抑制するためには、高調波補償、すなわち入力電流が正弦波になるように高調波補償装置を設置する方法があります。
従来の高調波補償デバイスは、高調波と無効電力の両方を補償できる I2C 調整フィルターを使用しています。 欠点は、補償特性がグリッドのインピーダンスと動作状態の影響を受け、システムとの並列共振が発生しやすく、高調波増幅を引き起こし、LC フィルターを過負荷または焼損することです。 また、固定周波数の高調波のみを補償することができ、効果は理想的ではありません。
パワー エレクトロニクス デバイスの普及とアプリケーションの後、高調波補償のためのアクティブ パワー フィルターの使用が重要な方向になってきました。 原理は、補償対象から高調波電流を検出し、高調波電流と同じ大きさで逆極性の補償電流を生成し、グリッド電流が基本波成分のみを含むようにすることです。 このフィルタは、周波数と振幅が変化する高調波を追跡および補償でき、補償特性はグリッドのインピーダンスの影響を受けません。
高調波を低減する大容量コンバータの主な方法は、複数の技術を使用することです。複数の方形波を重ね合わせて低次の高調波を除去し、正弦に近いステップ波を取得します。 多重度が高いほど、波形は正弦に近くなりますが、回路構造はより複雑になります。 低高調波と高力率を実現するために、小容量コンバーターは通常、ダイオード整流と PWM チョッピングを使用します。これは、多くの場合、力率改善 (PEC) と呼ばれます。 代表的な回路には、昇圧型、降圧型、昇降圧型などがあります。
2. 電磁干渉抑制
EMI 対策としては、スイッチング素子のオンオフ時に発生する過大な電流上昇率 di/dt および電圧上昇率 du/dt を克服することが挙げられます。 現在、ゼロ電流スイッチング（ZCS）とゼロ電圧スイッチング（ZVS）が注目されています。 ) 回路。 方法は次のとおりです。
(1) インダクタンスはスイッチング素子と直列に接続され、スイッチング素子がオンのときの di/dt を抑制できるため、素子上に電圧と電流の重複領域がなく、順方向損失が低減されます。
（２）スイッチング素子に並列コンデンサを接続し、ターンオフ時のｄｕ／ｄｔの上昇を抑え、素子上に電圧と電流のオーバーラップ領域がなく、スイッチング損失を低減する。
(3) デバイスに逆並列ダイオードが接続されている。 ダイオード導通期間中、スイッチングデバイスはゼロ電圧およびゼロ電流状態にあります。 このとき、ドライブ装置はオンまたはオフになり、ZVS および ZCS アクションを実現します。
現在、より一般的に使用されているソフトウェア スイッチング技術には、部分共振 PWM と無損失スナバ回路があります。
(2) 力率補償
初期の方法は、無効電力を生成するために特別に使用される同期モーターである同期モーターを使用することです。 それは、過励磁と過小励磁を使用して、それぞれ異なる量の容量性または誘導性無効電力を放出します。 しかし、回転電機であるため騒音や損失が大きく、運用やメンテナンスも煩雑で、応答速度も遅い。 したがって、多くの場合、高速無効電力補償の要件を満たすことができませんでした。
別の方法は、飽和リアクトルを備えた静的無効電力補償デバイスを使用することです。 スタティック型で応答速度が速いという利点がありますが、コアを飽和状態に磁化する必要があるため損失やノイズが大きく、非線形回路特有の問題があり、内部では調整できません。負荷のアンバランスを補償する位相。 したがって、静止型無効電力補償装置の主流を占めることはできませんでした。
パワー エレクトロニクス技術の継続的な開発により、SCR、GTO、IGBT を使用した静止型無効電力補償装置が飛躍的に開発されました。 その中で最も優れているのは静止型無効電力補償装置です。 調整速度が速く、動作範囲が広いという利点があり、複数、マルチレベル、または PWM 技術を採用した後、補償電流の高調波成分を大幅に減らすことができます。 さらに重要なことに、静止型無効電力補償装置で使用されるリアクトルおよび容量性コンポーネントは小さいため、デバイスのサイズとコストが大幅に削減されます。 静的無効電力発生器は、動的無効電力補償デバイスの開発の方向性を表しています。
五、おわりに
パワーエレクトロニクス技術は、21世紀の重要な柱技術の1つになると信じています。 周波数変換技術は、パワーエレクトロニクス技術の分野で重要な位置を占めています。 近年、中電圧周波数変換速度規制や電気牽引の分野での発展が注目されている。 世界経済の統合と私の国の世界貿易機関への加盟により、私の国のパワー エレクトロニクスと周波数変換技術産業は、前例のない発展の機会を得るでしょう。