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变频技术的研究发展动向

1 变频技术的发展过程

变频技术是应交流电机**调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门*可关断晶闸管)、BJT(双*型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双*型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双*型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核*的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果*佳。20世纪80年代后半期开始,*、日、德、英等发达**的VVVF变频器巳投入市场并广泛应用。

VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足*般传动的平滑调速要求，已在产业的各个*域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出*大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。

矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流iA、iB、iC通过三相―二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流iα、iβ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流IM、IT(IM相当于直流电动机的励磁电流，IT相当于与转矩成正比的电枢电流)。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1985年，德*鲁尔大学的Dcpenbrock教授*次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。日前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的*种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交―交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

2 变频技术与*用电器

20世纪70年代，*用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹饪器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭煲、变频洗衣机等。

20世纪90年代后半期，*用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。

*先是电冰箱，由于它处于全天工作，采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。

其次，空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用*刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高约10％～15％。为了进*步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM+PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为*定;当转速大于*定值时，将调制固定在*大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这*区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单*PWM控制时有较大幅度的提高。

近年来，新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化，而且利用高速运�*苁迪执蠓鹊目焖倮涠�;在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，新流行的洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹饪器利用高频感应加热使锅子直接发热，没有燃气和电加热的炽热部分，因此不但安全，还大幅度提高加热效率，其工作频率高于听觉频率之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声;IH电饭煲得到的火力比电加热器更强，而且利用变频可以进行火力微调，只要合理设计加热感应线圈，可得到任意的加热布局，炊饭性能上了*个档次;变频微波炉利用高频电能给磁控管必要的升压驱动，电源结构小，炉内空间更宽敞，新式微波炉能任意调节电力，并根据不同食品选择*佳加热方式，缩短时间，降低电耗;照明方面，荧光灯使用高频照明，可提高发光效率，实现节能，*闪烁，易调光，频率任意可调，镇流器小型轻量。

变频技术正在给形形色色的*电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。*用太阳能发电系统还将给*电增添新的能源。

3 电力电子装置带来的危害及对策

电力电子装置中的相控整流和不可控二*管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMl)，而且情况日趋严重。许多**�*阎贫讼拗菩巢ǖ�**标准，*际电气电子工程师协会(1EEE)、*际电工委员会(1EC)和*际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我*政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。

3.1 谐波的抑制

     为了抑制电力电子装置产生的谐波，*种方法是进行谐波补偿，即设置谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。

    传统的谐波补偿装置是采用LC调谐滤波器，它既可补偿谐波，又可补偿*功功率。其缺点是，补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也不够理想。但这种补偿装置结构简单，目前仍被广泛应用。

    电力电子器件普及应用之后，运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是，从补偿对象中*测出谐波电流，然后产生*个与该谐波电流大小相等*性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它已得到人们的重视，并将逐步推广应用。

    另*种方法是改革变流器的工作机理，做到既抑制谐波，又提高功率因数，这种变流器称单位功率因数变流器。

    大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术:将多个方波叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦，但电路结构越复杂。

    几千瓦到几百千瓦的高功率因数变流器主要采用PWM整流技术。它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1。采用PWM整流器作为AC/DC变换的PWM逆变器，就是所谓的双PWM变频器。它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。这种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送。

(源自：)

小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数，*般采用二*管整流加PWM斩波，常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。

3.2 电磁干扰的抑制对策

解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt，目前比较引人注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。

    (1) 实现零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)的方法:
    l 开关器件上串联电感，这样可抑制开关器件导通时的di/dt，使器件上不存在电压、电流重叠区，减少了开关损牦;
    l 开关器件上并联电容，当器件关断后抑制du/dt上升，器件上不存在电压、电流重叠区，减少了开关损耗;
    l 器件上反并联二*管。在二*管导通期间，开关器件呈零电压、零电流状态，此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。

    (2)目前较常用的软开关技术
    l 部分谐振PWM。为了使效率尽量与硬开关时接近，必须防止器件电流有效值的增加。因此，在*个开关周期内，仅在器件开通和关断时使电路谐振，称之为部分谐振。
    l *损耗缓冲电路。串联电感或并联电容上的电能释放时不经过电阻或开关器件，称*损耗缓冲电路，常不用反并联二*管。
在电机控制中主开关器件多采用IGBT、IGBT关断时有尾部电流，对关断损耗很有影响。因此，关断时采用零电流时间长的ZCS更合适。

    3.3 功率因数补偿

    早期的方法是采用同步调相机，它是*门�*床�*功功率的同步电机，利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性*功功率。然而，由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢。因此，在很多情况下已*法适应快速*功功率补偿的要求。

    另―种方法是采用饱和电抗器的静止*功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点，但由于其铁*需磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的*些特殊问题。又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止*功补偿装置的主流。

     随着电力电子技水的不断发展，使用SCR、GTO和IGBT等的静止*功补偿装置得到了长足发展，其中以静止*功发生器*为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后。可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是，静止*功发生器使用的电抗器和电容元件小，大大缩小装置的体积和成本。静止*功发生器代表着动态*功补偿装置的发展方向。

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