閆小羽

（江蘇省昆山第二中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 昆山 215300）

電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用研究

閆小羽

（江蘇省昆山第二中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 昆山 215300）

變頻技術(shù)是交流調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)。變頻技術(shù)是以電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)為主導(dǎo)的，電力電子技術(shù)離不開電力電子器件，離開了電力電子器件，電子電力技術(shù)就是海市蜃樓。目前變頻技術(shù)飛速發(fā)展。到了80年代，PWM模式優(yōu)化問題又喚起了人們探索研究的欲望，從而衍生出移相載波PWM技術(shù)、調(diào)制波縱向分割法、同相位載波PWM技術(shù)等優(yōu)化模式。

電力電子器件；變頻技術(shù)；應(yīng)用

變頻技術(shù)是交流調(diào)速技術(shù)的核心技術(shù)。變頻技術(shù)是以電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)為主導(dǎo)的，電力電子技術(shù)離不開電力電子器件，離開了電力電子器件，電子電力技術(shù)就是海市蜃樓。因此，自動控制的無限巨大的舞臺將交給計算機與電力電子這兩項技術(shù)。本文著重從這兩個方面進行探討。

一、電力電子器件的成長史

1958年，美國的一家通用電氣公司研制出了普通晶閘管，并投產(chǎn)，它是電力電子器件這個大家族的祖先。盡管這種最早的也是最普通的晶閘管結(jié)構(gòu)、功能很落后，但它是后來電力電子器件發(fā)展的墊腳石。后來不斷改進開發(fā)出的新型晶閘管產(chǎn)品一直沿用至今。

1964年，門極可關(guān)斷晶閘管作為新的一員加入電力電子器件。擁有大容量頻率低的特點，但低的工作頻率沒有對門極可關(guān)斷晶閘管在大功率電力牽引驅(qū)動方面造成任何不良的影響，這是它的最顯著的特征。之后功率晶體管加入了電力電子器件。功率晶體管的產(chǎn)品可以靈活組成電路，開關(guān)時造成的損耗小、耗時短，很快就成為中等容量和中等頻率的電路中的主角。絕緣柵型雙極性晶體管相對而言，研制的時間短，之所以被廣大用戶喜歡，是因為其輸入阻抗大、驅(qū)動功率小，且開關(guān)時產(chǎn)生的損耗低、工作頻率高等別人無法替代的優(yōu)勢。市場上最新產(chǎn)品是集成門極換流晶閘管，人們也稱它發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，與其他相比，優(yōu)點特別顯著：阻斷電壓高、開關(guān)時間短、開關(guān)頻率高。

二、變頻技術(shù)的成長史

目前變頻技術(shù)飛速發(fā)展。一開始，它只能改變頻率卻不能改變電壓。之后，吸引了人們的目光的是脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速研制成功了。到了上世紀80年代，PWM模式優(yōu)化問題又喚起了人們探索研究的欲望，從而衍生出移相載波PWM技術(shù)、調(diào)制波縱向分割法、同相位載波PWM技術(shù)等優(yōu)化模式。普遍應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域的VVVF變頻器機械特性硬度好、易控制，可以符合一般傳動的平滑調(diào)速要求。但是這種控制方式的缺點是在低頻率工作時可導(dǎo)致輸出最大轉(zhuǎn)矩變小。矢量控制變頻調(diào)速是通過三相、二相將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電，對異步電動機的控制是通過直流電動機的控制來實現(xiàn)的。而直接轉(zhuǎn)矩控制把各個瑣碎的步驟簡潔了，是在定子坐標系下對交流電動機進行分析的數(shù)學(xué)模型，通過電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩來實行控制。

諧波電流大、輸入功率因數(shù)低、需要大的儲能電容等各種劣勢VVVF變頻、矢量控制變頻和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都具有，所以矩陣式交—交變頻受到人們的喜愛，是因為它能彌補這些缺點。

三、變頻技術(shù)在家用電器領(lǐng)域的運用

現(xiàn)代家用電器的發(fā)展趨勢將會是變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用。它既能增加家用電器的功能，使其性能得到大大的改善，而且具有節(jié)約能源和減少噪聲污染的優(yōu)點，進一步延長家用電器的使用壽命。20世紀末期，變頻家電還以高功能和節(jié)約能源為主要研制目標。首先是變頻電冰箱，它的壓縮機一直以較低速的速度運轉(zhuǎn)，不再頻繁起動，因此降噪和節(jié)能效果特別顯著。其次是變頻空調(diào)器，它可根據(jù)周圍的溫度和濕度自動選擇運行方式，使室內(nèi)的環(huán)境很快達到預(yù)先設(shè)定的要求。再次是變頻洗衣機，一是洗衣效果好，二是節(jié)能，三是噪音低、震動小。第四是變頻電磁微波爐，真正實現(xiàn)了均勻火力調(diào)控，食物口感好，營養(yǎng)價值高。

四、電力電子裝置帶來的危害和應(yīng)對策略

科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，電力電子技術(shù)的發(fā)展給人們帶來了便利的同時也產(chǎn)生了一系列的危害，如諧波、電磁干擾和電源系統(tǒng)功率因數(shù)下降等。

（一）諧波與電磁干擾的應(yīng)對策略

1.抑制諧波。補償?shù)姆绞娇梢允?，用諧波補償裝置來補償電力電子裝置自身產(chǎn)生的諧波污染等其他諧波源的諧波污染。雖然傳統(tǒng)的LC調(diào)諧濾波器，能對諧波和無功功率進行補償，可是補償?shù)姆秶?，只限定對固定頻率的諧波進行補償，有時甚至?xí)驗槭茈娋W(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)產(chǎn)生共振，直接引起設(shè)備過載甚至燒毀。適用的范圍相對較寬的有源電力濾波器，它可以從補償?shù)膶ο笾袡z測出諧波，然后用產(chǎn)生的相對應(yīng)的補償電流進行補償。而各種大容量變流器是把多個方波進行疊加，次數(shù)較低的諧波被抵消，獲得接近正弦的階梯波。另外，小容量變流器一般采用二極管整流加PWM斬波。

2.抑制電磁干擾。我們可以用常見的降低或消除阻抗、屏蔽、濾波等方式方法，從干擾源、傳播途徑和接收器來切斷干擾耦合的路徑，徹底消除電磁干擾。

（二）功率因數(shù)補償

最早的方法是通過同步調(diào)相機來進行功率因數(shù)補償，但是它產(chǎn)生的噪聲和造成的損耗都很大，響應(yīng)的速度較緩慢，運行維護也繁雜，因此無法適應(yīng)而漸漸被舍棄。后來的方式是使用飽和電抗器的靜止無功補償裝置，克服了同步調(diào)相機的部分劣勢，可以依然沒法改變噪聲和損耗都很大的致命缺點，并且還有非線性電路和不能分相調(diào)節(jié)以補償負載的不平衡等問題，同樣無法主導(dǎo)潮流。還有一種方式方法是用靜止無功發(fā)生器。它以體積小、成本低、調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬，而且可大大減少補償電流中諧波含量的優(yōu)點迅速成為動態(tài)無功補償裝置發(fā)展方向的代表。

總之，在21世紀科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，我國在電力電子技術(shù)及變頻技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究也取得了令世人矚目的成就，但同時也面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)，唯有敢于創(chuàng)新，方能使電力電子和變頻技術(shù)更好地為人類的生產(chǎn)生活服務(wù)。

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1674-9324（2014）17-0156-01