電力電子器件及變頻技術發展論文

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一、電力電子器件的發展過程

上世紀50年代末晶閘管在美國問世，標志著電力電子技術就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我國70年代將其列為節能技術在全國推廣。然而，SCR畢竟是一種只能控制其導通而不能控制關斷的半控型開關器件，在交流傳動和變頻電源的應用中受到限制。70年代以后陸續發明的功率晶體管(GTR)、門極可關斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應管(PowerMOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應晶體管(SIT)和靜電感應晶閘管(SITH)等，它們的共同特點是既控制其導通，又能控制其關斷，是全控型開關器件，由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當前，IGBT以其優異的特性已成為主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。

許多國家都在努力開發大容量器件，國外已生產6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一種將IGBT和GTO的優點結合起來的新型器件，已有1000A/4500V的樣品問世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基礎上采用緩沖層和透明發射極，它開通時相當于晶閘管，關斷時相當于晶體管，從而有效地協調了通態電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經推出的IGCT可達4500一6000V，3000一3500A。MCT因進展不大而引退而IGCT的發展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發達國家相比，我國在器件制造方面比在應用方面有更大的差距。高功率溝柵結構IGBT模塊、IEGT、MOS門控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國外有了最新發展?？梢韵嘈牛捎肎aAs、SiC等新型半導體材料制成功率器件，實現人們對“理想器件”的追求，將是21世紀電力電子器件發展的主要趨勢。

高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國電力電子技術發展新熱點。GTO和IGCT，IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競爭，必將為21世紀世界電力電子新技術和變頻技術的發展帶來更多的機遇和挑戰。

二、變頻技術的發展過程

變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換

技術的不斷發展。起初,變頻技術只局限于變頻不能變壓。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模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優化模式,如:調制波縱向分割法、同相位載波PWM技術、移相載波PWM技術、載波調制波同時移相PWM技術等。

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,已在產業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。

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,等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Iml、Itl,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,經過相應的坐標反變換,實現對異步電動機的控制。

直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型,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,即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交—交變頻應運而生。

三、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,出現了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應加熱)飯堡、變頻洗衣機等[4]。

20世紀末期期,家用電器則依托變頻技術,主要瞄準高功能和省電。

首先是電冰箱,由于它處于全天工作,采用變頻制冷后,壓縮機始終處在低速運行狀態,可以徹底消除因壓縮機起動引的噪聲,節能效果更加明顯。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狀態下運行就可實現冷、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,新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現靜音化,而且利用高速運行能實現快速冷凍。

在洗衣機方面,過去使用變頻實現可變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機除了節能和靜音化外,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。

四、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生嚴重畸變,不但大大降低了系統的功率因數,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(EM1),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會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也制定了限制諧波的有關規定[5]。

（一）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[3]。

傳統的諧波補償裝置是采用IC調諧濾波器,它既可補償諧波,又可補償無功功率。其缺點是,補償特性受電網阻抗和運行狀態影響,易和系統發生并聯諧振,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。

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:將多個方波疊加以消除次數較低的諧波,從而得到接近正弦的階梯波。重數越多,波形越接近正弦,但電路結構越復雜。小容量變流器為了實現低諧波和高功率因數,一般采用二極管整流加PWM斬波,常稱之為功率因數校正(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,減少了正關損耗;

(2)開關器件上并聯電容,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,減少了開關損耗;

(3)器件上反并聯二極管,在二極管導通期間,開關器件呈零電壓、零電流狀態,此時驅動器件導通或關斷能實現ZVS、ZCS動作。

目前較常用的軟件開關技術有部分諧振PWM和無損耗緩沖電路。

（二）功率因數補償

早期的方法是采用同步調相機,它是專門用來產生無功功率的同步電機,利用過勵磁和欠勵磁分別發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的要求。

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點,但由于其鐵心需磁化到飽和狀態,損耗和噪聲都很大,而且存在非線性電路的一些特殊問題,又不能分相調節以補償負載的不平衡,所以未能占據靜止無功補償裝置的主流。

隨著電力電子技術的不斷發展,使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發展,其中以靜止無功發生器最為優越。它具有調節速度快、運行范圍寬的優點,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,靜止無功發生器使用的抗器和電容元件小,大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發生器代表著動態無功補償裝置的發展方向。

五、結束語

我們相信，電力電子技術將成為21世紀重要的支柱技術之一，變頻技術在電力電子技術領域中占有重要的地位，近年來在中壓變頻調速和電力牽引領域中的發展引人注目。隨著全球經濟一體化及我國加人世界貿易組織，我國電力電子技術及變頻技術產業將出現前所未有的發展機遇。

參考文獻:

[1]周明寶.電力電子技術[M].北京:機制工業出版社,1985.

[2]陳堅.電力電子學－電力電子變換和控制技術.北京：高等教育出版社,2002.

[3]王兆安黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2003.

[4]陳國呈,周勤利.變頻技術研究[J].上海大學自動化學院學報,1995(6):23-26.

[5]王正元.面向新世紀的電力電子技術電源技術應用，2001論文關鍵詞:電力電子器件；變頻技術；諧波；功率因數

論文摘要:介紹了電力電子器件和變頻技術的發展過程，以及變頻技術在家用電器的應用,分析了變頻技術的應用也帶來了諧波、電磁干擾和電源系統功率因數下降等問題。提出了相關的諧波抑制方法及提高電源系統功率因數的措施。