孫素軍 楊入超

【摘要】隨著科技的發(fā)展，電力電子器件以及變頻技術(shù)扮演著越來越重要的角色，變頻技術(shù)在現(xiàn)代家用電器中也發(fā)揮了不可替代的作用。本文在介紹了電力電子器件以及變頻技術(shù)的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，著重介紹了變頻技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上分析了變頻技術(shù)的發(fā)展帶來的諧波以及電磁干擾等問題，最后針對(duì)變頻技術(shù)帶來的問題提出了相應(yīng)的抑制諧波以及抑制電磁干擾的措施。

【關(guān)鍵詞】電力電子器件;變頻技術(shù);應(yīng)用研究

引言

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子器件以及變頻技術(shù)扮演著越來越重要的角色，變頻技術(shù)在現(xiàn)代家用電器中也發(fā)揮了不可替代的作用。電力電子器件又被稱為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上）。電力電子技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電機(jī)傳動(dòng)、航空航天等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為各國競(jìng)相發(fā)展的一種高新技術(shù)。

1.電力電子器件以及變頻技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 電力電子器件的發(fā)展歷程

電力電子技術(shù)的組成部分主要可以分為四個(gè)大方面：一是功率半導(dǎo)體器件，即一般所說的電力電子器件方面;二是IC技術(shù)方面，包括集成電路設(shè)計(jì)制造以及后端封裝測(cè)試方面;三是功率變換技術(shù)方面;四是控制技術(shù)方面，主要包括自動(dòng)控制領(lǐng)域的內(nèi)容[2]。在這其中電力電子器件是整個(gè)電力電子技術(shù)的重要組成部分以及技術(shù)基礎(chǔ)。

普通晶閘管是電力電子器件中最早投入應(yīng)用的產(chǎn)品。這個(gè)產(chǎn)品與現(xiàn)在相比在結(jié)構(gòu)上面還存在很多的不完善性，但是它的出現(xiàn)卻奠定了電力電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)，在這個(gè)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新型晶閘管產(chǎn)品在現(xiàn)代工業(yè)的方方面面都有長(zhǎng)足的應(yīng)用。電力電子器件中，絕緣柵型雙極性晶體管IGBT是研發(fā)時(shí)間較短的產(chǎn)品之一，它的特點(diǎn)是輸入阻抗較大而驅(qū)動(dòng)功率較小，且開關(guān)損耗低、工作頻率高。IGBT一經(jīng)問世就獲得了使用者的認(rèn)可，有著非常巨大的發(fā)展空間[4]。

1.2 變頻技術(shù)的發(fā)展概述

變頻技術(shù)是20世紀(jì)70年代初開始出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)主要是為了交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速。之后幾年，有關(guān)學(xué)者深入探討了脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速方面的技術(shù)。進(jìn)入80年代，PWM模式優(yōu)化問題開始成為學(xué)者探討的重點(diǎn)，有關(guān)學(xué)者們圍繞此問題展開了全面地分析，并取得了很好地研究效果[5]。電力電子器件從控制晶閘管、雙極型功率晶體管、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、門極可關(guān)斷晶閘管、晶閘管、控制晶體管轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）與絕緣柵雙極型晶體管，管件的換代進(jìn)一步發(fā)展了變頻技術(shù)[6]。

VVVF變頻器的在操作上不復(fù)雜，硬度也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以適應(yīng)普通傳動(dòng)的平滑調(diào)速，已得到許多行業(yè)的使用者所認(rèn)可，并被使用。但操作中的輸出電壓在低頻時(shí)數(shù)值不大，在很大程度上被電阻壓降所影響著，因此減小了輸出最大轉(zhuǎn)矩[7]。還有它的靜態(tài)調(diào)速性能與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩性能都還存在一定的不足，機(jī)械特性與直流電動(dòng)機(jī)相比硬度也較小。所以學(xué)者們又開發(fā)出矢量控制變頻調(diào)速。

矢量控制法的問世意義非同小可。可是在現(xiàn)實(shí)使用當(dāng)中，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)參數(shù)決定著系統(tǒng)的特性，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)所出現(xiàn)的誤差較大，且所用矢量旋轉(zhuǎn)變換在等效直流電動(dòng)機(jī)的作用之下變得不簡(jiǎn)單，使所進(jìn)行的控制不可能取得滿意的效果。

直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)是由德國魯爾大學(xué)的Dcpenbrock教授在1985年研究成的。矢量控制所出現(xiàn)的問題基本都能用此技術(shù)處理，并以先進(jìn)的操作理念、不十分復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)、完好地動(dòng)靜態(tài)性能得到了大范圍的應(yīng)用?，F(xiàn)在，在電力機(jī)車帶動(dòng)的大功率交流傳動(dòng)中已經(jīng)開始使用此技術(shù)[8]。

2.家用電器方面變頻技術(shù)的應(yīng)用

一是電冰箱，因?yàn)樗墓ぷ鞅容^長(zhǎng)，壓縮機(jī)在其變頻制冷后，運(yùn)行狀態(tài)可保持在低速，這樣一來，由壓縮機(jī)所引起的噪聲現(xiàn)象基本上就不存在了，非常有利于節(jié)能。

二是空調(diào)器，壓縮機(jī)的工作范圍在其變頻后得到增加，改變了以往壓縮機(jī)進(jìn)行冷、暖操作需要在斷續(xù)狀態(tài)才行的狀況，使電力資源利用率提高，由溫度變化而產(chǎn)生的不舒服也消失了。目前在空調(diào)器上的變頻調(diào)速已通過無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行，與以往的電動(dòng)機(jī)變頻相比，在節(jié)能方面又提高了約十分之一。為了使設(shè)備的功效能更大地提高，日本現(xiàn)在的空調(diào)器又開始使用PWM+PAM的一體操作法，此法取代了原來的單一PWM操作。就是PWM操作用在速率不高時(shí)，使U/f恒定。若轉(zhuǎn)速超過規(guī)定的值時(shí)，調(diào)到接近最大值，為使逆變器輸入直流電壓值增加，須先將直流斬波器的導(dǎo)通占空比調(diào)整，以使變頻器轉(zhuǎn)速隨輸出電壓的增大而增加，它被叫作PAM區(qū)[9]。實(shí)行一體操作法后，變頻器的裝置綜合效率、輸入功率因數(shù)、電機(jī)效率與以往PWM控制相比提高程度十分明顯。

變頻技術(shù)的出現(xiàn)給家電使用者帶來了極大的方便，是對(duì)各種家電的一種技術(shù)上的革新。將來家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)還會(huì)在能源上給家電帶來支持。隨著新型電力變換拓?fù)潆娐贰㈦娏﹄娮悠骷?、屏蔽及濾波技術(shù)的更新，變頻技術(shù)還會(huì)發(fā)展。

3.變頻技術(shù)的問題以及措施探討

電力電子設(shè)備中的不可控二極管整流與相控整流極大地改變了電流波形，它不但產(chǎn)生諧波污染的現(xiàn)象，還使設(shè)備的功率因數(shù)降低。

3.1 諧波調(diào)控

要調(diào)控電力電子設(shè)備引起的諧波，首先是經(jīng)由安諧波補(bǔ)償裝置，也就是諧波補(bǔ)償，將輸入電流轉(zhuǎn)為正弦波。

其次應(yīng)用單位功率因數(shù)變流器，對(duì)變流器的內(nèi)部進(jìn)行改造，在使其功率因數(shù)提高的同時(shí)，又調(diào)控了諧波。

多重化技術(shù)對(duì)大容量變流器的諧波具有消除作用：即通過疊加方波以把次數(shù)不高的諧波減少，使得到階梯波在正弦附近。隨著重?cái)?shù)增加，電路構(gòu)造變得不再簡(jiǎn)單，波形會(huì)離正弦更近。

PWM整流技術(shù)一般用于數(shù)百至數(shù)千瓦的高功率因數(shù)變流器上。它的相位和電源相電壓相位一致，輸入電流幾乎等于正弦波，經(jīng)由正弦PWM控制著整流橋上的各器件。如此，則高次諧波成為輸入電流中唯一的諧波，這些諧波可使功率因數(shù)幾乎為1，且方便濾除。PWM逆變器采用PWM整流器，也即通常所指的雙PWM變頻器。它的優(yōu)點(diǎn)是，電流頻率與輸入電壓不變，電流頻率與輸出電壓不一定，電流波形是正弦，功率因數(shù)幾乎為1。此類變頻器運(yùn)行能達(dá)到四象限，可以雙向來傳送能量。

3.2 電磁干擾的抑制對(duì)策

解決EMI的主要對(duì)策是避免開關(guān)器件導(dǎo)通以及關(guān)斷的時(shí)候出現(xiàn)的過大電流上升率di/dt以及電壓上升率du/dt，目前兩種比較有效的方式包括零電流開關(guān)（ZCS）以及零電壓開關(guān)（ZVS）電路的應(yīng)用。

（1）實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)（ZCS）以及零電壓開關(guān)（ZVS）的方法：

可以通過在開關(guān)器件上串聯(lián)電感的手段，這樣的手段可以顯著抑制開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的電流上升率di/dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區(qū)，這樣的結(jié)果就會(huì)減少開關(guān)損耗，從而抑制電磁干擾;

也可以通過在開關(guān)器件上并聯(lián)電容的手段，采用這樣的方式當(dāng)器件關(guān)斷后抑制電壓上升率du/dt上升，也會(huì)使得器件上不存在電壓、電流重疊區(qū)，從而減少了開關(guān)損耗;

器件上反并聯(lián)二極管。在二極管導(dǎo)通期間，開關(guān)器件呈零電壓、零電流狀態(tài)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器件導(dǎo)通或關(guān)斷能實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS動(dòng)作。

（2）目前較常用的軟開關(guān)技術(shù)：

部分諧振PWM。為了使效率盡量與硬開關(guān)時(shí)接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，僅在器件開通和關(guān)斷時(shí)使電路諧振，稱之為部分諧振。

無損耗緩沖電路。串聯(lián)電感或并聯(lián)電容上的電能釋放時(shí)不經(jīng)過電阻或開關(guān)器件，稱無損耗緩沖電路，常不用反并聯(lián)二極管。

在電機(jī)控制中主開關(guān)器件多采用IGBT、IGBT關(guān)斷時(shí)有尾部電流，對(duì)關(guān)斷損耗很有影響。因此，關(guān)斷時(shí)采用零電流時(shí)間長(zhǎng)的ZCS更合適。

4.結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，電力電子器件以及變頻技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)扮演著越來越重要的作用。本文介紹電力電子器件以及變頻技術(shù)的發(fā)展歷程，著重介紹了變頻技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上分析了變頻技術(shù)的發(fā)展帶來的諧波以及電磁干擾等問題，最后針對(duì)變頻技術(shù)帶來的問題提出了相應(yīng)的抑制諧波以及抑制電磁干擾的措施。

參考文獻(xiàn)

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