電力電子器件及變頻技術的應用研究

孫素軍 楊入超

【摘要】隨著科技的發展，電力電子器件以及變頻技術扮演著越來越重要的角色，變頻技術在現代家用電器中也發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的發展歷程的基礎上，著重介紹了變頻技術在家用電器中的應用，并在此基礎上分析了變頻技術的發展帶來的諧波以及電磁干擾等問題，最后針對變頻技術帶來的問題提出了相應的抑制諧波以及抑制電磁干擾的措施。

【關鍵詞】電力電子器件;變頻技術;應用研究

引言

隨著電力電子技術、微電子技術以及計算機技術的迅速發展，電力電子器件以及變頻技術扮演著越來越重要的角色，變頻技術在現代家用電器中也發揮了不可替代的作用。電力電子器件又被稱為功率半導體器件，主要用于電力設備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件（通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上）。電力電子技術是近幾年迅速發展的一種高新技術，廣泛應用于機電一體化、電機傳動、航空航天等領域，現已成為各國競相發展的一種高新技術。

1.電力電子器件以及變頻技術的發展歷程

1.1 電力電子器件的發展歷程

電力電子技術的組成部分主要可以分為四個大方面：一是功率半導體器件，即一般所說的電力電子器件方面;二是IC技術方面，包括集成電路設計制造以及后端封裝測試方面;三是功率變換技術方面;四是控制技術方面，主要包括自動控制領域的內容[2]。在這其中電力電子器件是整個電力電子技術的重要組成部分以及技術基礎。

普通晶閘管是電力電子器件中最早投入應用的產品。這個產品與現在相比在結構上面還存在很多的不完善性，但是它的出現卻奠定了電力電子器件發展的基礎，在這個基礎上開發出來的新型晶閘管產品在現代工業的方方面面都有長足的應用。電力電子器件中，絕緣柵型雙極性晶體管IGBT是研發時間較短的產品之一，它的特點是輸入阻抗較大而驅動功率較小，且開關損耗低、工作頻率高。IGBT一經問世就獲得了使用者的認可，有著非常巨大的發展空間[4]。

1.2 變頻技術的發展概述

變頻技術是20世紀70年代初開始出現的，當時主要是為了交流電機無級調速。之后幾年，有關學者深入探討了脈寬調制變壓變頻調速方面的技術。進入80年代，PWM模式優化問題開始成為學者探討的重點，有關學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（靜電感應晶體管）、金屬氧化物場效應管、SITH（靜電感應晶閘管）、門極可關斷晶閘管、晶閘管、控制晶體管轉變為現在的HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）與絕緣柵雙極型晶體管，管件的換代進一步發展了變頻技術[6]。

VVVF變頻器的在操作上不復雜，硬度也能達到標準的要求，可以適應普通傳動的平滑調速，已得到許多行業的使用者所認可，并被使用。但操作中的輸出電壓在低頻時數值不大，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矩[7]。還有它的靜態調速性能與動態轉矩性能都還存在一定的不足，機械特性與直流電動機相比硬度也較小。所以學者們又開發出矢量控制變頻調速。

矢量控制法的問世意義非同小可。可是在現實使用當中，因為電動機參數決定著系統的特性，轉子磁鏈觀測所出現的誤差較大，且所用矢量旋轉變換在等效直流電動機的作用之下變得不簡單，使所進行的控制不可能取得滿意的效果。

直接轉矩控制變頻技術是由德國魯爾大學的Dcpenbrock教授在1985年研究成的。矢量控制所出現的問題基本都能用此技術處理，并以先進的操作理念、不十分復雜的組成結構、完好地動靜態性能得到了大范圍的應用。現在，在電力機車帶動的大功率交流傳動中已經開始使用此技術[8]。

2.家用電器方面變頻技術的應用

一是電冰箱，因為它的工作比較長，壓縮機在其變頻制冷后，運行狀態可保持在低速，這樣一來，由壓縮機所引起的噪聲現象基本上就不存在了，非常有利于節能。

二是空調器，壓縮機的工作范圍在其變頻后得到增加，改變了以往壓縮機進行冷、暖操作需要在斷續狀態才行的狀況，使電力資源利用率提高，由溫度變化而產生的不舒服也消失了。目前在空調器上的變頻調速已通過無刷直流電動機進行，與以往的電動機變頻相比，在節能方面又提高了約十分之一。為了使設備的功效能更大地提高，日本現在的空調器又開始使用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，使U/f恒定。若轉速超過規定的值時，調到接近最大值，為使逆變器輸入直流電壓值增加，須先將直流斬波器的導通占空比調整，以使變頻器轉速隨輸出電壓的增大而增加，它被叫作PAM區[9]。實行一體操作法后，變頻器的裝置綜合效率、輸入功率因數、電機效率與以往PWM控制相比提高程度十分明顯。

變頻技術的出現給家電使用者帶來了極大的方便，是對各種家電的一種技術上的革新。將來家用太陽能發電系統還會在能源上給家電帶來支持。隨著新型電力變換拓撲電路、電力電子器件、屏蔽及濾波技術的更新，變頻技術還會發展。

3.變頻技術的問題以及措施探討

電力電子設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，它不但產生諧波污染的現象，還使設備的功率因數降低。

3.1 諧波調控

要調控電力電子設備引起的諧波，首先是經由安諧波補償裝置，也就是諧波補償，將輸入電流轉為正弦波。

其次應用單位功率因數變流器，對變流器的內部進行改造，在使其功率因數提高的同時，又調控了諧波。

多重化技術對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不高的諧波減少，使得到階梯波在正弦附近。隨著重數增加，電路構造變得不再簡單，波形會離正弦更近。

PWM整流技術一般用于數百至數千瓦的高功率因數變流器上。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。它的優點是，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，功率因數幾乎為1。此類變頻器運行能達到四象限，可以雙向來傳送能量。

3.2 電磁干擾的抑制對策

解決EMI的主要對策是避免開關器件導通以及關斷的時候出現的過大電流上升率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（ZCS）以及零電壓開關（ZVS）電路的應用。

（1）實現零電流開關（ZCS）以及零電壓開關（ZVS）的方法：

可以通過在開關器件上串聯電感的手段，這樣的手段可以顯著抑制開關器件導通時的電流上升率di/dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區，這樣的結果就會減少開關損耗，從而抑制電磁干擾;

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

器件上反并聯二極管。在二極管導通期間，開關器件呈零電壓、零電流狀態，此時驅動器件導通或關斷能實現ZVS、ZCS動作。

（2）目前較常用的軟開關技術：

部分諧振PWM。為了使效率盡量與硬開關時接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個開關周期內，僅在器件開通和關斷時使電路諧振，稱之為部分諧振。

無損耗緩沖電路。串聯電感或并聯電容上的電能釋放時不經過電阻或開關器件，稱無損耗緩沖電路，常不用反并聯二極管。

在電機控制中主開關器件多采用IGBT、IGBT關斷時有尾部電流，對關斷損耗很有影響。因此，關斷時采用零電流時間長的ZCS更合適。

4.結束語

隨著科技的發展，電力電子器件以及變頻技術在現代社會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的發展歷程，著重介紹了變頻技術在家用電器中的應用，并在此基礎上分析了變頻技術的發展帶來的諧波以及電磁干擾等問題，最后針對變頻技術帶來的問題提出了相應的抑制諧波以及抑制電磁干擾的措施。

參考文獻

[1]顏發根，劉健群，陳興.電力電子器件及其在制造業中的應用[J].機械制造，2004（42）483：78-81.

[2]陳純.計算機圖像處理技術與算法[M].北京：清華大學出版社，2012：57.

[3]朱志剛譯.數字圖像處理[M].北京：電子工業出版社，2013：20.

[4]劉瑞新.電力電子器件應用簡介[M].北京：機械工業出版社，2012：7.

[5]郁有文，常健.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013：36.

[6]湯競南，沈國琴.電力電子器件實例簡介[M].北京：人民郵電出版社，2014：77.