電力電子器件及變頻技術的發展和應用研究

閆小羽

（江蘇省昆山第二中等專業學校，江蘇 昆山 215300）

電力電子器件及變頻技術的發展和應用研究

閆小羽

（江蘇省昆山第二中等專業學校，江蘇 昆山 215300）

變頻技術是交流調速技術的核心技術。變頻技術是以電力電子技術和計算機技術為主導的，電力電子技術離不開電力電子器件，離開了電力電子器件，電子電力技術就是海市蜃樓。目前變頻技術飛速發展。到了80年代，PWM模式優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、調制波縱向分割法、同相位載波PWM技術等優化模式。

電力電子器件；變頻技術；應用

變頻技術是交流調速技術的核心技術。變頻技術是以電力電子技術和計算機技術為主導的，電力電子技術離不開電力電子器件，離開了電力電子器件，電子電力技術就是海市蜃樓。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。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，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構、功能很落后，但它是后來電力電子器件發展的墊腳石。后來不斷改進開發出的新型晶閘管產品一直沿用至今。

1964年，門極可關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斷晶閘管在大功率電力牽引驅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。功率晶體管的產品可以靈活組成電路，開關時造成的損耗小、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、驅動功率小，且開關時產生的損耗低、工作頻率高等別人無法替代的優勢。市場上最新產品是集成門極換流晶閘管，人們也稱它發射極關斷晶閘管，與其他相比，優點特別顯著：阻斷電壓高、開關時間短、開關頻率高。

二、變頻技術的成長史

目前變頻技術飛速發展。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制變壓變頻調速研制成功了。到了上世紀80年代，PWM模式優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、調制波縱向分割法、同相位載波PWM技術等優化模式。普遍應用于產業的各個領域的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速要求。但是這種控制方式的缺點是在低頻率工作時可導致輸出最大轉矩變小。矢量控制變頻調速是通過三相、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的。而直接轉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學模型，通過電動機的磁鏈和轉矩來實行控制。

諧波電流大、輸入功率因數低、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、變頻技術在家用電器領域的運用

現代家用電器的發展趨勢將會是變頻技術的廣泛應用。它既能增加家用電器的功能，使其性能得到大大的改善，而且具有節約能源和減少噪聲污染的優點，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，不再頻繁起動，因此降噪和節能效果特別顯著。其次是變頻空調器，它可根據周圍的溫度和濕度自動選擇運行方式，使室內的環境很快達到預先設定的要求。再次是變頻洗衣機，一是洗衣效果好，二是節能，三是噪音低、震動小。第四是變頻電磁微波爐，真正實現了均勻火力調控，食物口感好，營養價值高。

四、電力電子裝置帶來的危害和應對策略

科學技術是一把雙刃劍，電力電子技術的發展給人們帶來了便利的同時也產生了一系列的危害，如諧波、電磁干擾和電源系統功率因數下降等。

（一）諧波與電磁干擾的應對策略

1.抑制諧波。補償的方式可以是，用諧波補償裝置來補償電力電子裝置自身產生的諧波污染等其他諧波源的諧波污染。雖然傳統的LC調諧濾波器，能對諧波和無功功率進行補償，可是補償的范圍太小，只限定對固定頻率的諧波進行補償，有時甚至會因為受電網阻抗和運行狀態的影響，容易和系統產生共振，直接引起設備過載甚至燒毀。適用的范圍相對較寬的有源電力濾波器，它可以從補償的對象中檢測出諧波，然后用產生的相對應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）功率因數補償

最早的方法是通過同步調相機來進行功率因數補償，但是它產生的噪聲和造成的損耗都很大，響應的速度較緩慢，運行維護也繁雜，因此無法適應而漸漸被舍棄。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節以補償負載的不平衡等問題，同樣無法主導潮流。還有一種方式方法是用靜止無功發生器。它以體積小、成本低、調節速度快、運行范圍寬，而且可大大減少補償電流中諧波含量的優點迅速成為動態無功補償裝置發展方向的代表。

總之，在21世紀科學技術飛速發展的今天，我國在電力電子技術及變頻技術領域的應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，唯有敢于創新，方能使電力電子和變頻技術更好地為人類的生產生活服務。

G712

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1674-9324（2014）17-0156-01