一、變頻技術的發(fā)展過程

變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀60年代后半期開始，電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、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的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻（PWM—VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的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80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。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速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。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，故造成輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調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速。

矢量控制變頻調速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉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)過相應的坐標反變換，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。

然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，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變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。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變換中的許多復雜計算；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)學模型。

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—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l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。

二、變頻技術與家用電器

20世紀70年代，家用電器開始逐步變頻化，出現(xiàn)了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH（感應加熱）飯堡、變頻洗衣機等。

20世紀90年代后半期，家用電器則依托變頻技術，主要瞄準高功能和省電。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，新式的空調器已采用無刷直流電動機實現(xiàn)變頻調速，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。即較低速時采用PWM控制，保持U／f為一定；當轉速大于一定值時，將調制度固定在最大值附近，通過改變直流斬波器的導通占空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PWA4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)大幅度時快速冷凍；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容；電磁烹任器利用高頻感應加熱使鍋子直接發(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之上，從而消除了飯鍋振動引起的噪聲；IH電飯堡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，只要合理設計加熱感應線圈，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動，電源結構小，爐內空間更寬敞，新式微波爐能任意調節(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，易調光，頻率任意可調，鎮(zhèn)流器小型輕量。

變頻技術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。今后變頻技術還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓撲電路、濾波及屏蔽技術的進步而發(fā)展。家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)還將給家電增添新的能源。

三、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)生嚴重畸變，不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，還引起了嚴重的諧波污染。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力，并給周圍的電氣設備及電波造成嚴重的電磁干擾（EMl），而且情況日趨嚴重。許多國家都已制定了限制諧波的國家標準，國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、國際電工委員會（IEC）和國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也分別于1984年和1993年制定了限制諧波的有關規(guī)定。

1．諧波與電磁干擾的對策

（1）諧波抑制為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，一種方法是進行諧波補償，即設置諧波補償裝置，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。但這種補償裝置結構簡單，目前仍被廣泛應用。電力電子器件普及應用之后，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：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，但電路結構越復雜。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。

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頻率有關的高次諧波，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。

（2）電磁干擾抑制解決EMI的措施是克服開關器件導通和關斷時出現(xiàn)過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du／dt，目前比較引入注目的是零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）電路。方法是：

①開關器件上串聯(lián)電感，這樣可抑制開關器件導通時的di／dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區(qū)，減少了開關損耗；

②開關器件上并聯(lián)電容，當器件關斷后抑制du／dt上升，器件上不存在電壓、電流重疊區(qū)，減少了開關損耗；

③器件上反并聯(lián)二極管，在二極管導通期間，開關器件呈零電壓、零電流狀態(tài)，此時驅動器件導通或關斷能實現(xiàn)ZVS、ZCS動作。

目前較常用的軟開關技術有：

①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。

②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。

2、功率因數(shù)補償早期的方法是采用同步調相機，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，由于它是旋轉電機，噪聲和損耗都較大，運行維護也復雜，響應速度慢，因此，在很多情況下已無法適應快速無功功率補償?shù)囊蟆?/p>

另一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，又不能分相調節(jié)以補償負載的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無功補償裝置的主流。

隨著電力電子技術的不斷發(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技術等措施后，可大大減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。

編輯：黃飛