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1 變頻技術(shù)的發(fā)展過程
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代后半期開始，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(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MCT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)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年代后半期開始,美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器巳投入市場并廣泛應(yīng)用。
VVVF變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時由于輸出電壓較小，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，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(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:將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流iA、iB、iC通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα、iβ，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流IM、IT(IM相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流，IT相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)。然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。
矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。
1985年，德國魯爾大學(xué)的Dcpenbrock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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。日前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。
直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型�？刂齐妱訖C的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算;它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(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。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交-交變頻應(yīng)運而生。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、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運行，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。
2 變頻技術(shù)與家用電器
20世紀(jì)70年代，家用電器開始逐步變頻化，出現(xiàn)了電磁烹飪器、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)飯煲、變頻洗衣機等。
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、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優(yōu)點。
首先是電冰箱，由于它處于全天工作，采用變頻制冷后，壓縮機始終處在低速運行狀態(tài)，可以徹底消除因壓縮機起動引起的噪聲，節(jié)能效果更加明顯。
其次，空調(diào)器使用變頻后，擴大了壓縮機的工作范圍，不需要壓縮機在斷續(xù)狀態(tài)下運行就可實現(xiàn)冷、暖控制，達到降低電力消耗，消除由于溫度變動而引起的不適感。近年來，新式的空調(diào)器已采用無刷直流電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速，其節(jié)能效果較交流異步電動機變頻又提高約10％～15％。為了進一步提高裝置的效能，近年來，日本的空調(diào)器又逐步從單純的PWM控制改為PWM+PAM混合控制方式。即較低速時采用PWM控制，保持U/f為一定;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定值時，將調(diào)制固定在最大值附近，通過改變直流斬波器的導(dǎo)通占空比，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)、電機效率、裝置綜合效率都比單獨PWM控制時有較大幅度的提高。
近年來，新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現(xiàn)靜音化，而且利用高速運行能實現(xiàn)大幅度的快速冷凍;在洗衣機方面，過去使用變頻實現(xiàn)可變速控制，提高洗凈性能，新流行的洗衣機除了節(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;電磁烹飪器利用高頻感應(yīng)加熱使鍋子直接發(fā)熱，沒有燃氣和電加熱的熾熱部分，因此不但安全，還大幅度提高加熱效率，其工作頻率高于聽覺頻率之上，從而消除了飯鍋振動引起的噪聲;IH電飯煲得到的火力比電加熱器更強，而且利用變頻可以進行火力微調(diào)，只要合理設(shè)計加熱感應(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，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，實現(xiàn)節(jié)能，無閃爍，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新的革命，并將給用戶帶來更大的福音。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�、濾波及屏蔽技術(shù)的進步而發(fā)展。家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)還將給家電增添新的能源。
3 電力電子裝置帶來的危害及對策
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。許多國家都已制定了限制諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，國際電氣電子工程師協(xié)會(1EEE)、國際電工委員會(1EC)和國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國政府也分別于1984年和1993年制定了限制諧波的有關(guān)規(guī)定。
3.1 諧波的抑制
為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，一種方法是進行諧波補償，即設(shè)置諧波補償裝置，使輸入電流成為正弦波。
傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用LC調(diào)諧濾波器，它既可補償諧波，又可補償無功功率。其缺點是，補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(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濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，效果也不夠理想。但這種補償裝置結(jié)構(gòu)簡單，目前仍被廣泛應(yīng)用。
電力電子器件普及應(yīng)用之后，運用有源電力濾波器進行諧波補償成為重要方向。其原理是，從補償對象中檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(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。重數(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)。它直接對整流橋上各電力電子器件進行正弦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。這種變頻器可實現(xiàn)四象限運行，從而達到能量的雙向傳送。
小容量變流器為了實現(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。
3.2 電磁干擾的抑制對策
解決EMI的措施是克服開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時出現(xiàn)過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt，目前比較引人注目的是零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)電路。
(1) 實現(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)的方法:
開關(guān)器件上串聯(lián)電感，這樣可抑制開關(guān)器件導(dǎo)通時的di/dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區(qū)，減少了開關(guān)損牦;
開關(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)，減少了開關(guān)損耗;
器件上反并聯(lián)二極管。在二極管導(dǎo)通期間，開關(guān)器件呈零電壓、零電流狀態(tài)，此時驅(qū)動器件導(dǎo)通或關(guān)斷能實現(xiàn)ZVS、ZCS動作。
(2)目前較常用的軟開關(guān)技術(shù)
部分諧振PWM。為了使效率盡量與硬開關(guān)時接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個開關(guān)周期內(nèi)，僅在器件開通和關(guān)斷時使電路諧振，稱之為部分諧振。
無損耗緩沖電路。串聯(lián)電感或并聯(lián)電容上的電能釋放時不經(jīng)過電阻或開關(guān)器件，稱無損耗緩沖電路，常不用反并聯(lián)二極管。
在電機控制中主開關(guān)器件多采用IGBT、IGBT關(guān)斷時有尾部電流，對關(guān)斷損耗很有影響。因此，關(guān)斷時采用零電流時間長的ZCS更合適。
3.3 功率因數(shù)補償
早期的方法是采用同步調(diào)相機，它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機，利用過勵磁和欠勵磁分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機，噪聲和損耗都較大，運行維護也復(fù)雜，響應(yīng)速度慢。因此，在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率補償?shù)囊蟆?nbsp;
另—種方法是采用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應(yīng)速度快的優(yōu)點，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題。又不能分相調(diào)節(jié)以補償負(fù)載的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補償裝置的主流。
隨著電力電子技水的不斷發(fā)展，使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發(fā)展，其中以靜止無功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬的優(yōu)點，而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后�？纱蟠鬁p少補償電流中諧波含量。更重要的是，靜止無功發(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。靜止無功發(fā)生器代表著動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。
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