一、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。20世紀(jì)60年代后半期開(kāi)始，電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制品閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM—VVVF）調(diào)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PWM模式優(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，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。

20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。VVVF變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(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。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。

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，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），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，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。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變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—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—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

二、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)器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH（感應(yīng)加熱）飯堡、變頻洗衣機(jī)等。

20世紀(jì)90年代后半期，家用電器則依托變頻技術(shù)，主要瞄準(zhǔn)高功能和省電。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長(zhǎng)壽命、安全可靠、靜音、省電等優(yōu)點(diǎn)。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)引起的噪聲，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)，新式的空調(diào)器已采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，其節(jié)能效果較交流異步電動(dòng)機(jī)變頻又提高約10％—15％。為了進(jìn)一步提高裝置的效能，近年來(lái)，日本的空調(diào)器又逐步從單純的PWM控制改為PWM十PAM混合控制方式。即較低速時(shí)采用PWM控制，保持U／f為一定；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定值時(shí)，將調(diào)制度固定在最大值附近，通過(guò)改變直流斬波器的導(dǎo)通占空LL，提高逆變器輸入直流電壓值，從而保持變頻器輸出電壓和轉(zhuǎn)速成比例，這一區(qū)域稱為PAM區(qū)。采用混合控制方式后，變頻器的輸入功率因數(shù)、電機(jī)效率、裝置綜合效率都比單獨(dú)PWA4控制時(shí)有較大幅度的提高。

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)大幅度時(shí)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虼瞬坏踩€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；IH電飯堡得到的火力比電加熱器更強(qiáng)，而且利用變頻可以進(jìn)行火力微調(diào)，只要合理設(shè)計(jì)加熱感應(yīng)線圈，可得到任意的加熱布局，炊飯性能上了一個(gè)檔次；變頻微波爐利用高頻電能給磁控管必要的升壓驅(qū)動(dòng)，電源結(jié)構(gòu)小，爐內(nèi)空間更寬敞，新式微波爐能任意調(diào)節(jié)電力，并根據(jù)不同食品選擇最佳加熱方式，縮短時(shí)間，降低電耗；照明方面，熒光燈使用高頻照明，可提高發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，無(wú)閃爍，易調(diào)光，頻率任意可調(diào)，鎮(zhèn)流器小型輕量。

變頻技術(shù)正在給形形色色的家電帶來(lái)新的革命，并將給用戶帶來(lái)更大的福音。今后變頻技術(shù)還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓?fù)潆娐贰V波及屏蔽技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)還將給家電增添新的能源。

三、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，并給周圍的電氣設(shè)備及電波造成嚴(yán)重的電磁干擾（EMl），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）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）紛紛推出了自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)政府也分別于1984年和1993年制定了限制諧波的有關(guān)規(guī)定。

1．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。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置是采用lC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。但這種補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前仍被廣泛應(yīng)用。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。它已得到人們的重視，并將逐步推廣應(yīng)用。另一種方法是改革變流器的工作機(jī)理，做到既抑制諧波，又提高功率因數(shù)，這種變流器稱單位功率因數(shù)變流器。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。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)。

它直接對(duì)整流橋上各電力電子器件進(jìn)行正弦PWM控制，使得輸入電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同。這樣，輸入電流中就只含與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，這些諧波次數(shù)高，容易濾除，同時(shí)也使功率因數(shù)接近1。采用PWM整流器作為AC／DC變換的 PWM逆變器，就是所謂的雙PWM變頻器。它具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數(shù)接近1，輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點(diǎn)。這種變頻器可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，從而達(dá)到能量的雙向傳送。

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PWM斬波，常稱之為功率因數(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)（ZCS）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)，減少了開(kāi)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。

目前較常用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有：

①部分諧振PWM。為了使效率盡量與硬開(kāi)關(guān)時(shí)接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，僅在器件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)使電路諧振，稱之為部分諧振。

②無(wú)損耗緩沖電路。串聯(lián)電感或并聯(lián)電容上的電能釋放時(shí)不經(jīng)過(guò)電阻或開(kāi)關(guān)器件，稱無(wú)損耗緩沖電路，常不用反并聯(lián)二極管。

在電機(jī)控制中主開(kāi)關(guān)器件多采用 IGBT，IGBT關(guān)斷時(shí)有尾部電流，對(duì)關(guān)斷損耗很有影響。因此，關(guān)斷時(shí)采用零電流時(shí)間長(zhǎng)的ZCS更合適。

2、功率因數(shù)補(bǔ)償早期的方法是采用同步調(diào)相機(jī)，它是專門用來(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蟆?/p>

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、GTO和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、運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后，可大大減少補(bǔ)償電流中諧波含量。更重要的是，靜止無(wú)功發(fā)生器使用的電抗器和電容元件小，大大縮小裝置的體積和成本。靜止無(wú)功發(fā)生器代表著動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。

編輯：黃飛