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电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一,具有极大的吸引力,同时也具有较强的挑战性。它的市场异常庞大,据报道,世界上大约有100亿以上各种电机在工作,近年来,我国空调一年的产量已经超过1000万台,仅此一项市场已非常庞大;另外,其应用面极其广泛,例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。同时,电机行业也是一个比较老的行业,其在工业上已应用了一个多世纪,虽然随着新材料的使用、计算机技术的发展,电机建模的改进和电机计算机辅助设计软件的不断推出,电机在功率密度、效率、可靠性等方面已与最初的电机有了很大的改进,但相对的变化比较缓慢。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点,在很长一段时间内被广泛应用,被人们认为难以被其它电机所取代,但随着电力电子技术的发展,各种新型器件和先进的控制方法在电机调速变换器系统中的应用,在很多的场合直流电机正逐渐被交流异步电机所代替。有人认为,在二十一世纪,直流电机将会在传动领域逐渐消失,而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。同步电机效率高,可工作在功率因数为1的工作状况下,在响应要求不高的场合,可以采用结构简单、成本低的变换器系统给它供电,正由于其具有上述优点,虽然同步电机价格比较高,但仍具有相当的竞争力。永磁同步电机因为具有比较高的效率,虽然其控制需要加装轴位置传感器,并且难以工作在弱磁调速区,但对于长期运行是有利的。无刷直流电机虽然价格比较高,但在低惯量、小尺寸的应用场合,优点比较显著,目前在中小功率范围应用比较普遍。另一种开关磁阻电机(SMR),其结构简单、价格低廉,但必须加装位置检测装置,转矩脉动和噪声也比较大,若对位置估测、转矩脉动和噪声问题有比较好的解决方案,这种电机有可能是交流异步电机的竞争对手。22128
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从前面几种电机特点的叙述我们可以看出,与其它几种电机相比,交流电机具有适应性强、文修简单、价格低、容易实现高速和大容量化等特点,因此过去直流电机占主要地位的调速传动领域,将逐渐被交流电机变频调速所占领。交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的,其优越性体现在两个方面:一是节电显著;二是卓越的调速性能。论文网
随着电力电子技术的发展变频调速系统性能逐渐改进,而成本不断下降；一方面,全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视,对于消耗了30%左右能量的电机,其驱动系统也越来越引起人们的重视,每一台电机配备一个变频调速驱动系统正获得越来越多的认同和采用,同时对变频调速驱动系统也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。
2 电力电子技术的发展现况和趋势
自从1956年第一只晶闸管的问世,电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来,电力电子技术已取得了令人注目的发展,早期的半控型电力电子器件SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替,并发展出了多种高电压、大电流、快速(高频)、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如,单极型器件有功率MOSFET;双极型全控器件有:GTR、达林顿管、GTO等;复合器件有IGBT,MCT,MGT,SITH等;近几年发展的智能型功率器件有SMARTFET,TOPSWITCH等。其中场效应晶体管(MOSFET)作为一种电压控制型多子器件,具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点,因此,近些年来MOSFET和以MOSFET为基础的复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中,并随着生产工艺和制造技术的发展,性能不断被改进。例如MOSFET的通态内阻不断减小,新的MOSFET通态内阻不仅比PN结的正向好,甚至比肖特基二极管的正向内阻还小,己成为最佳的整流器件之一;以MOSFET为基础的复合型器件IGBT、EIGT、MER(固态继电器)、FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐压不断增加,电流逐渐增大。如目前IGBT耐压已达到4500V以上,EIGT已有4500V/1000A的产品。同时由于电压控制型器件的应用,使功率开关管的驱动电路大大简化,例如IGBT器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多,而且,所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多,从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能,并且经过了近些年来的发展,功率电子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块,例如SMARTFET,它们内部不仅集成了各种自保护功能,也将控制芯片集成在里面。其中SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件,IPM是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程,我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展