電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

　　時(shí)代在不斷進(jìn)步著，科學(xué)技術(shù)在飛速發(fā)展著。變頻技術(shù)是到目前為止比較科學(xué)、很受歡迎的調(diào)速方式之一。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(jì)算機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)的，電力電子技術(shù)離不開(kāi)電力電子器件，離開(kāi)了電力電子器件，電子電力技術(shù)就是海市蜃樓。因此，自動(dòng)控制的無(wú)限巨大的舞臺(tái)將交給計(jì)算機(jī)與電力電子這兩項(xiàng)技術(shù)。本文著重從這兩個(gè)方面進(jìn)行探討。
　　一、電力電子器件的成長(zhǎng)史
　　1958年，美國(guó)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(gè)大家族的祖先。盡管這種最早的也是最普通的的晶閘管結(jié)構(gòu)、功能很落后，但它是后來(lái)電力電子器件發(fā)展的墊腳石。后來(lái)不斷改進(jìn)開(kāi)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，但低的工作頻率沒(méi)有對(duì)門極可關(guān)斷晶閘管在大功率電力牽引驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)時(shí)造成的損耗小耗時(shí)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(duì)而言，研制的時(shí)間短，之所以被廣大用戶喜歡，是因?yàn)檩斎胱杩勾蟆Ⅱ?qū)動(dòng)功率小，且開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的損耗低、工作頻率高等別人無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。
　　市場(chǎng)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(diǎn)特別顯著：阻斷電壓高、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、開(kāi)關(guān)頻率高。
　　二、變頻技術(shù)的成長(zhǎng)史
　　目前變頻技術(shù)飛速發(fā)展。一開(kāi)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80年代，PWM模式優(yōu)化問(wèn)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(gè)領(lǐng)域的VVVF變頻器機(jī)械特性硬度好，易控制，可以符合一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求。但是這種控制方式的缺點(diǎn)是在低頻率工作時(shí)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(guò)三相、二相將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制是用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制。
　　而直接轉(zhuǎn)矩控制把各個(gè)瑣碎的步驟簡(jiǎn)潔了，是在定子坐標(biāo)系下對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)行控制。
　　諧波電流大、輸入功率因數(shù)低、需要大的儲(chǔ)能電容等各種劣勢(shì)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(ài)，是因?yàn)樗軓浹a(bǔ)這些缺點(diǎn)。
　　三、變頻技術(shù)在家用電器領(lǐng)域的運(yùn)用
　　現(xiàn)代家用電器的發(fā)展將會(huì)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(diǎn)，進(jìn)一步延長(zhǎng)家用電器的使用壽命。
　　二十世紀(jì)末期，變頻家電還以高功能和節(jié)約能源為主要研制目標(biāo)。首先是變頻電冰箱，它的壓縮機(jī)一直以較低速的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，不再頻繁起動(dòng)，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(dòng)選擇運(yùn)行方式，使室內(nèi)的環(huán)境很快達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求。再次是變頻洗衣機(jī)，一是洗衣效果好，二是節(jié)能，三是噪音低、震動(dòng)小。第四是變頻電磁微波爐，真正實(shí)現(xiàn)了均勻火力調(diào)控，食物口感好，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。
　　四、電力電子裝置帶來(lái)的危害和應(yīng)對(duì)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(lái)了便利的同時(shí)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(duì)策略
　　1.抑制諧波。補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢允牵弥C波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)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(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。可是補(bǔ)償?shù)姆秶。幌薅▽?duì)固定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)槭茈娋W(wǎng)阻抗和運(yùn)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(guò)載甚至燒毀。
　　適用的范圍相對(duì)較寬的有源電力濾波器，它可以從補(bǔ)償?shù)膶?duì)象中檢測(cè)出諧波，然后用產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流進(jìn)行補(bǔ)償。
　　而各種大容量變流器是把多個(gè)方波進(jìn)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(jiàn)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(lái)切斷干擾耦合的路徑，徹底消除電磁干擾。
　　（二）功率因數(shù)補(bǔ)償
　　最早的方法是通過(guò)同步調(diào)相機(jī)來(lái)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)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(yùn)行維護(hù)也繁雜，因此無(wú)法適應(yīng)而漸漸被舍棄。
　　后來(lái)的方式是使用飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，克服了同步調(diào)相機(jī)的部分劣勢(shì)，可以依然沒(méi)法改變?cè)肼暤膿p耗都很大的致命缺點(diǎn)，并且還有非線性電路和不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)載的不平衡等問(wèn)題，同樣無(wú)法主導(dǎo)潮流。
　　還有一種方式方法是用靜止無(wú)功發(fā)生器。它以體積小、成本低、調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬，而且可大大減少補(bǔ)償電流中諧波含量的優(yōu)點(diǎn)迅速成為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)展方向的代表。
　　總之，在二十一世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，我國(guó)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(shí)也面臨著新的機(jī)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)。
　　（作者單位：江蘇省昆山市第二職業(yè)中