电力电子器件及变频技术的发展和应用

电力电子器件及变频技术的发展和应用

作者：闫小羽

来源：《群文天地》2012年第22期

时代在不断进步着，科学技术在飞速发展着。变频技术是到目前为止比较科学、很受欢迎的调速方式之一。变频技术是交流调速技术的核心技术。变频技术是以电力电子技术和计算机技术为主导的，电力电子技术离不开电力电子器件，离开了电力电子器件，电子电力技术就是海市蜃楼。因此，自动控制的无限巨大的舞台将交给计算机与电力电子这两项技术。本文着重从这两个方面进行探讨。 一、电力电子器件的成长史

1958年，美国的一家通用电气公司研制出了普通晶闸管，并投产，它是电力电子器件这个大家族的祖先。尽管这种最早的也是最普通的的晶闸管结构、功能很落后，但它是后来电力电子器件发展的垫脚石。后来不断改进开发出的新型晶闸管产品一直沿用至今。

1964年，门极可关断晶闸管作为新的一员加入电力电子器件。拥有大容量频率低，但低的工作频率没有对门极可关断晶闸管在大功率电力牵引驱动方面造成任何不良的影响这是它的最显著的特征。

之后功率晶体管加入了电力电子器件。功率晶体管的产品可以灵活组成电路，开关时造成的损耗小耗时短，很快就成为中等容量和中等频率的电路中的主角。

绝缘栅型双极性晶体管相对而言，研制的时间短，之所以被广大用户喜欢，是因为输入阻抗大、驱动功率小，且开关时产生的损耗低、工作频率高等别人无法替代的优势。

市场上最新产品是集成门极换流晶闸管，人们也称它发射极关断晶闸管，与其他相比，优点特别显著：阻断电压高、开关时间短、开关频率高。 二、变频技术的成长史

目前变频技术飞速发展。一开始，它只能改变频率却不能改变电压。之后，吸引了人们的目光的是脉宽调制变压变频调速研制成功了。到了80年代，PWM模式优化问题又唤起了人们探索研究的欲望，从而衍生出移相载波PWM技术、调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术等优化模式。

普遍应用于产业的各个领域的VVVF变频器机械特性硬度好，易控制，可以符合一般传动的平滑调速要求。但是这种控制方式的缺点是在低频率工作时可导致输出最大转矩变小。

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矢量控制变频调速是通过三相、二相将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流，等效成同步旋转坐标系下的直流电，对异步电动机实现控制是用直流电动机来控制。

而直接转矩控制把各个琐碎的步骤简洁了，是在定子坐标系下对交流电动机进行分析的数学模型，通过电动机的磁链和转矩来实行控制。

谐波电流大、输入功率因数低、需要大的储能电容等各种劣势VVVF变频、矢量控制变频和直接转矩控制变频都具有，所以矩阵式交—交变频受到人们的喜爱，是因为它能弥补这些缺点。

三、变频技术在家用电器领域的运用

现代家用电器的发展将会是变频技术的广泛应用。它既能增加家用电器的功能，使其性能得到大大的改善，而且具有节约能源和减少噪声污染的优点，进一步延长家用电器的使用寿命。

二十世纪末期，变频家电还以高功能和节约能源为主要研制目标。首先是变频电冰箱，它的压缩机一直以较低速的速度运转，不再频繁起动，因此降噪和节能效果特别显著。其次是变频空调器，它可根据周围的温度和湿度自动选择运行方式，使室内的环境很快达到预先设定的要求。再次是变频洗衣机，一是洗衣效果好，二是节能，三是噪音低、震动小。第四是变频电磁微波炉，真正实现了均匀火力调控，食物口感好，营养价值高。 四、电力电子装置带来的危害和应对策略

科学技术是一把双刃剑，电力电子技术的发展给人们带来了便利的同时也产生了一系列的危害，如谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等。 （一）谐波与电磁干扰的应对策略

1.抑制谐波。补偿的方式可以是，用谐波补偿装置来补偿电力电子装置自身产生的谐波污染等其他谐波源的谐波污染。

虽然传统的LC调谐滤波器，能对谐波和无功功率进行补偿。可是补偿的范围太小，只限定对固定频率的谐波进行补偿，有时甚至会因为受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统产生共振，直接引起设备过载甚至烧毁。

适用的范围相对较宽的有源电力滤波器，它可以从补偿的对象中检测出谐波，然后用产生的相对应的补偿电流进行补偿。

而各种大容量变流器是把多个方波进行叠加，次数较低的谐波被抵消，获得接近正弦的阶梯波。另外，小容量变流器一般采用二极管整流加PWM斩波。

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2.抑制电磁干扰。我们可以用常见的降低或消除阻抗、屏蔽、滤波等方式方法，从干扰源、传播途径和接收器来切断干扰耦合的路径，彻底消除电磁干扰。 （二）功率因数补偿

最早的方法是通过同步调相机来进行功率因数补偿，但是它产生的噪声和造成的损耗都很大，响应的速度较缓慢，运行维护也繁杂，因此无法适应而渐渐被舍弃。

后来的方式是使用饱和电抗器的靜止无功补偿装置，克服了同步调相机的部分劣势，可以依然没法改变噪声的损耗都很大的致命缺点，并且还有非线性电路和不能分相调节以补偿负载的不平衡等问题，同样无法主导潮流。

还有一种方式方法是用静止无功发生器。它以体积小、成本低、调节速度快、运行范围宽，而且可大大减少补偿电流中谐波含量的优点迅速成为动态无功补偿装置发展方向的代表。 总之，在二十一世纪科学技术飞速发展的今天，我国在电力电子技术及变频技术领域的应用和研究也取得了令世人瞩目的成就，但同时也面临着新的机遇和挑战，唯有敢于创新，方能使电力电子和变频技术更好地为人类的生产生活服务。