基于電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究一剖析

1、基于電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究（一）論文關(guān)鍵詞：電力電子器件；變頻技術(shù)；諧波；功率因數(shù)論文要：介紹了電力電子器件和變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，以及變頻技術(shù)在家 用電器的應(yīng)用，分析了變頻技術(shù)的應(yīng)用也帶來(lái)了諧波、電磁干擾和電源系統(tǒng)功率 因數(shù)下降等問(wèn)題。提出了相關(guān)的諧波抑制方法及提高電源系統(tǒng)功率因數(shù)的措 施。引言隨著電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為發(fā) 展趨勢(shì)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動(dòng)性能被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展 前途的調(diào)速方式。變頻技術(shù)是交流調(diào)速的核心技術(shù)，電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)又 是變頻技術(shù)的核心，而電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)是 近幾年迅速發(fā)

2、展的一種高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電機(jī)傳動(dòng)、航空航 天等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的一種高新技術(shù)。專(zhuān)家預(yù)言，在 21世紀(jì)高度 發(fā)展的自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)是兩項(xiàng)最重要的技術(shù)。一、電力電子器件的發(fā)展過(guò)程上世紀(jì)50年代末品閘管在美國(guó)問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)就此誕生。第一 代電力電子器件主要是可控硅整流器（SCR）,我國(guó)70年代將其列為節(jié)能技術(shù)在 全國(guó)推廣。然而，SC群竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開(kāi) 關(guān)器件，在交流傳動(dòng)和變頻電源的應(yīng)用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管（GTR）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率MO勃效應(yīng)管（Power MOSFET）

3、絕緣柵晶體管（IGBT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）和靜電感應(yīng)晶閘管（SITH） 等，它們的共同特點(diǎn)是既控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，是全控型開(kāi)關(guān)器件， 由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCRW大幅度下P當(dāng)前，IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件，容量大的 GTC&有一定地位123。許多國(guó)家都在努力開(kāi)發(fā)大容量器件，國(guó)外已生產(chǎn)6000V的IGBT。IEGT（injection enhanced gate thyristor）是一種將 IGBT和 GTO勺優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的新型器件，已有 1000A/4500V的樣品問(wèn)世。IGCT（integrated gate eommutated thyr

4、istor）在GTOS礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開(kāi)通時(shí)相當(dāng)于品閘管，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于晶體管，從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛 盾，工作頻率可達(dá)幾千赫茲23。瑞士 ABB公司已經(jīng)推出的IGCT可達(dá)4500 一 6000V, 3000 3500A。MCTS進(jìn)展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電 子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在器件制造方面比 在應(yīng)用方面有更大的差距。高功率溝柵結(jié)構(gòu) IGBT模塊、IEGT、MOS1控晶閘 管、高壓神化稼高頻整流二極管、碳化硅（SIC）等新型功率器件在國(guó)外有了最新 發(fā)展?？梢韵嘈?，采用GaAs SiC等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件，實(shí)現(xiàn)人

5、們 對(duì)“理想器件”的追求，將是 21世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢(shì)。高可靠性的電力電子積木（PEBB開(kāi)口集成電力電子模塊（IPEM）是近期美國(guó)電力電子技術(shù)發(fā)展新熱點(diǎn)。GT&口 IGCT, IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之 間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，必將為21世紀(jì)世界電力電子新技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更多 的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。二、變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促 使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。起初，變頻技術(shù)只局限于變頻不能變壓。20世紀(jì)70年代 開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM-VVV硼速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì) 80年代，作為變頻技術(shù)核心的P

6、WM1式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣,并得出 諸多優(yōu)化模式，如：調(diào)制波縱向分割法、同相位載波 PW瞰術(shù)、移相載波PW瞰 術(shù)、載波調(diào)制波同時(shí)移相PW眼術(shù)等。VVV注頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平 滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)， 由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減 小。矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流 Ia、Ib、Ic 通過(guò)三相二相變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iml、Itl,然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐 標(biāo)反變換

7、，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ，控制電動(dòng)機(jī) 的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而 簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。VVVF頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻中的一 種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲(chǔ)能電容，再 生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交一交變頻應(yīng) 運(yùn)而生。三、變頻技術(shù)與家用電器20世紀(jì)70年代,家用電器開(kāi)始逐步變頻化，出現(xiàn)了電磁烹任器、變頻照明 器具、變頻空調(diào)、變頻微

8、波爐、變頻電冰箱、IH（感應(yīng)加熱）飯堡、變頻洗衣機(jī) 等4 o20世紀(jì)末期期，家用電器則依托變頻技術(shù)，主要瞄準(zhǔn)高功能和省電。首先是電冰箱，由于它處于全天工作，采用變頻制冷后，壓縮機(jī)始終處在低速 運(yùn)行狀態(tài)，可以徹底消除因壓縮機(jī)起動(dòng)引的噪聲，節(jié)能效果更加明顯。其次，空調(diào) 器使用變頻后，擴(kuò)大了壓縮機(jī)的工作范圍，不需要壓縮機(jī)在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行就可 實(shí)現(xiàn)冷、暖控制，達(dá)到降低電力消耗，消除由于溫度變動(dòng)而引起的不適感。近年 來(lái)，新式的變頻冷藏庫(kù)不但耗電量減少、實(shí)現(xiàn)靜音化，而且利用高速運(yùn)行能實(shí)現(xiàn) 快速冷凍。在洗衣機(jī)方面，過(guò)去使用變頻實(shí)現(xiàn)可變速控制，提高洗凈性能，新流行的洗衣 機(jī)除了節(jié)能和靜音化外，還在確保衣物柔和

9、洗滌等方面推出新的控制內(nèi)容；電磁烹任器利用高頻感應(yīng)加熱使鍋?zhàn)又苯影l(fā)熱，沒(méi)有燃?xì)夂碗娂訜岬臒霟岵糠郑虼?不但安全，還大幅度提高加熱效率，其工作頻率高于聽(tīng)覺(jué)之上，從而消除了飯鍋振 動(dòng)引起的噪聲。四、電力電子裝置帶來(lái)的危害及對(duì)策電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重 畸變，不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，還引起了嚴(yán)重的諧波污染。另外，硬件電路中電壓和電流的急劇變化，使得電力電子器件承受很大的電 應(yīng)力，并給周?chē)碾姎庠O(shè)備及電波造成嚴(yán)重的電磁干擾 （EM1）,而且情況日趨嚴(yán) 重。許多國(guó)家都已制定了限制諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）

10、和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE翔紛推出了自己的諧 波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)政府也制定了限制諧波的有關(guān)規(guī)定 5。（一）諧波與電磁干擾的對(duì)策1、諧波抑制為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，一種方法是進(jìn)行諧波補(bǔ)償，即設(shè)置諧波 補(bǔ)償裝置，使輸入電流成為正弦波3。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置是采用IC調(diào)諧濾波器，它既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功 功率。其缺點(diǎn)是，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振， 導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波， 效果也不夠理想。電力電子器件普及應(yīng)用之后，運(yùn)用有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償成為重要方 向。其原理是，從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與該諧波

11、電流大小 相等極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對(duì)頻 率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)：將多個(gè)方波疊加以消 除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦的階梯波。重?cái)?shù)越多，波形越接近正弦，但 電路結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。小容量變流器為了實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，一般采用二極管整流加PWMf波，常稱(chēng)之為功率因數(shù)校正（PEC）。典型的電路有升壓型、降壓 型、升降壓型等。2、電磁干擾抑制解決EMI的措施是克服開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的電流上升率 di/dt和電壓上升率du/dt,目前比較引入注目的是零電流開(kāi)關(guān)（ZC

12、S）和零電壓開(kāi) 關(guān)（ZVS）電路。方法是：（1）開(kāi)關(guān)器件上串聯(lián)電感，這樣可抑制開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的di/dt,使器件上不 存在電壓、電流重疊區(qū)，減少了正關(guān)損耗；（2）開(kāi)關(guān)器件上并聯(lián)電容，當(dāng)器件關(guān)斷后抑制du/dt上升，器件上不存在電 壓、電流重疊區(qū)，減少了開(kāi)關(guān)損耗；（3）器件上反并聯(lián)二極管，在二極管導(dǎo)通期間，開(kāi)關(guān)器件呈零電壓、零電流狀 態(tài)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器件導(dǎo)通或關(guān)斷能實(shí)現(xiàn) ZVS ZCS動(dòng)作。目前較常用的軟件開(kāi)關(guān)技術(shù)有部分諧振 PWM 口無(wú)損耗緩沖電路。（二）功率因數(shù)補(bǔ)償早期的方法是采用同步調(diào)相機(jī)，它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)，利 用過(guò)勵(lì)磁和欠勵(lì)磁分別發(fā)出不同大小的容性或感性無(wú)功功率。然而，由于它是旋 轉(zhuǎn)電機(jī)，噪聲和損耗都較大，運(yùn)行維護(hù)也復(fù)雜，響應(yīng)速度慢。因此，在很多情況下 已無(wú)法適應(yīng)快速無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊?。另一種方法是采用飽和電抗器的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。它具有靜止型和響應(yīng) 速度快的優(yōu)點(diǎn)，但由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，損耗和噪聲都很大，而且存在非 線(xiàn)性電路的一些特殊問(wèn)題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)載的不平衡，所以未能占據(jù) 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主流。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使用SCR GTOF口 IGBT等的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝 置得到了長(zhǎng)足發(fā)展，其中以靜止無(wú)功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調(diào)節(jié)速度快