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1 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。20世紀60年代後半期開始，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)、MCT(MOS控製晶體管)、MCT(MOS控製晶閘管)發展到今天的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展。20世紀70年代開始，脈寬調製變壓變頻(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，並得出諸多優化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代後半期開始,美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器巳投入市場並廣泛應用。
VVVF變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)，機(ji)械(xie)特(te)性(xing)硬(ying)度(du)也(ye)較(jiao)好(hao)，能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)一(yi)般(ban)傳(chuan)動(dong)的(de)平(ping)滑(hua)調(tiao)速(su)要(yao)求(qiu)，已(yi)在(zai)產(chan)業(ye)的(de)各(ge)個(ge)領(ling)域(yu)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。但(dan)是(shi)，這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)在(zai)低(di)頻(pin)時(shi)由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)較(jiao)小(xiao)，受(shou)定(ding)子(zi)電(dian)阻(zu)壓(ya)降(jiang)的(de)影(ying)響(xiang)比(bi)較(jiao)顯(xian)著(zhu),guzaochengshuchuzuidazhuanjujianxiao。lingwai，qijixietexingzhongjiumeiyouzhiliudiandongjiying，dongtaizhuanjunenglihejingtaitiaosuxingnengdouhaibujinrurenyi，yincirenmenyouyanjiuchushiliangkongzhibianpintiaosu。
矢量控製變頻調速的做法是:將異步電動機在三相坐標係下的定子交流iA、iB、iC通過三相―二相變換，等效成兩相靜止坐標係下的交流電流iα、iβ，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標係下的直流電流IM、IT(IM相當於直流電動機的勵磁電流，IT相當於與轉矩成正比的電樞電流)。然後模仿直流電動機的控製方法，求得直流電動機的控製量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控製。
矢shi量liang控kong製zhi方fang法fa的de提ti出chu具ju有you劃hua時shi代dai的de意yi義yi。然ran而er在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，由you於yu轉zhuan子zi磁ci鏈lian難nan以yi準zhun確que觀guan測ce，係xi統tong特te性xing受shou電dian動dong機ji參can數shu的de影ying響xiang較jiao大da，且qie在zai等deng效xiao直zhi流liu電dian動dong機ji控kong製zhi過guo程cheng中zhong所suo用yong矢shi量liang旋xuan轉zhuan變bian換huan較jiao複fu雜za，使shi得de實shi際ji的de控kong製zhi效xiao果guo難nan以yi達da到dao理li想xiang分fen析xi的de結jie果guo。
1985年，德國魯爾大學的Dcpenbrock教授首次提出了直接轉矩控製變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控製的不足，並以新穎的控製思想、簡潔明了的係統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。日前，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(zhi)接(jie)轉(zhuan)矩(ju)控(kong)製(zhi)直(zhi)接(jie)在(zai)定(ding)子(zi)坐(zuo)標(biao)係(xi)下(xia)分(fen)析(xi)交(jiao)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)。控(kong)製(zhi)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)磁(ci)鏈(lian)和(he)轉(zhuan)矩(ju)。它(ta)不(bu)需(xu)要(yao)將(jiang)交(jiao)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)化(hua)成(cheng)等(deng)效(xiao)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)，因(yin)而(er)省(sheng)去(qu)了(le)矢(shi)量(liang)旋(xuan)轉(zhuan)變(bian)換(huan)中(zhong)的(de)許(xu)多(duo)複(fu)雜(za)計(ji)算(suan);它不需要模仿直流電動機的控製，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。
VVVF變頻、矢量控製變頻、直接轉矩控製變頻都是交-直-交(jiao)變(bian)頻(pin)中(zhong)的(de)一(yi)種(zhong)。其(qi)共(gong)同(tong)缺(que)點(dian)是(shi)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)低(di)，諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)大(da)，直(zhi)流(liu)回(hui)路(lu)需(xu)要(yao)大(da)的(de)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)，再(zai)生(sheng)能(neng)量(liang)又(you)不(bu)能(neng)反(fan)饋(kui)回(hui)電(dian)網(wang)，即(ji)不(bu)能(neng)進(jin)行(xing)四(si)象(xiang)限(xian)運(yun)行(xing)。為(wei)此(ci)，矩(ju)陣(zhen)式(shi)交(jiao)-交變頻應運而生。由於矩陣式交―交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為1，輸入電流為正弦且能四象限運行，係統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。
2 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，出現了電磁烹飪器、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)飯煲、變頻洗衣機等。
20世紀90年代後半期，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、控製性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優點。
首shou先xian是shi電dian冰bing箱xiang，由you於yu它ta處chu於yu全quan天tian工gong作zuo，采cai用yong變bian頻pin製zhi冷leng後hou，壓ya縮suo機ji始shi終zhong處chu在zai低di速su運yun行xing狀zhuang態tai，可ke以yi徹che底di消xiao除chu因yin壓ya縮suo機ji起qi動dong引yin起qi的de噪zao聲sheng，節jie能neng效xiao果guo更geng加jia明ming顯xian。
其次，空調器使用變頻後，擴大了壓縮機的工作範圍，不需要壓縮機在斷續狀態下運行就可實現冷、暖nuan控kong製zhi，達da到dao降jiang低di電dian力li消xiao耗hao，消xiao除chu由you於yu溫wen度du變bian動dong而er引yin起qi的de不bu適shi感gan。近jin年nian來lai，新xin式shi的de空kong調tiao器qi已yi采cai用yong無wu刷shua直zhi流liu電dian動dong機ji實shi現xian變bian頻pin調tiao速su，其qi節jie能neng效xiao果guo較jiao交jiao流liu異yi步bu電dian動dong機ji變bian頻pin又you提ti高gao約yue10％～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控製改為PWM+PAM混合控製方式。即較低速時采用PWM控製，保持U/f為一定;當dang轉zhuan速su大da於yu一yi定ding值zhi時shi，將jiang調tiao製zhi固gu定ding在zai最zui大da值zhi附fu近jin，通tong過guo改gai變bian直zhi流liu斬zhan波bo器qi的de導dao通tong占zhan空kong比bi，提ti高gao逆ni變bian器qi輸shu入ru直zhi流liu電dian壓ya值zhi，從cong而er保bao持chi變bian頻pin器qi輸shu出chu電dian壓ya和he轉zhuan速su成cheng比bi例li，這zhe一yi區qu域yu稱cheng為weiPAM區。采用混合控製方式後，變頻器的輸入功率因數、電機效率、裝置綜合效率都比單獨PWM控製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、實現靜音化，而且利用高速運行能實現大幅度的快速冷凍;在(zai)洗(xi)衣(yi)機(ji)方(fang)麵(mian)，過(guo)去(qu)使(shi)用(yong)變(bian)頻(pin)實(shi)現(xian)可(ke)變(bian)速(su)控(kong)製(zhi)，提(ti)高(gao)洗(xi)淨(jing)性(xing)能(neng)，新(xin)流(liu)行(xing)的(de)洗(xi)衣(yi)機(ji)除(chu)了(le)節(jie)能(neng)和(he)靜(jing)音(yin)化(hua)外(wai)，還(hai)在(zai)確(que)保(bao)衣(yi)物(wu)柔(rou)和(he)洗(xi)滌(di)等(deng)方(fang)麵(mian)推(tui)出(chu)新(xin)的(de)控(kong)製(zhi)內(nei)容(rong);diancipengrenqiliyonggaopinganyingjiareshiguozizhijiefare，meiyouranqihedianjiaredechirebufen，yincibudananquan，haidafudutigaojiarexiaolv，qigongzuopinlvgaoyutingjiaopinlvzhishang，congerxiaochulefanguozhendongyinqidezaosheng;IH電dian飯fan煲bao得de到dao的de火huo力li比bi電dian加jia熱re器qi更geng強qiang，而er且qie利li用yong變bian頻pin可ke以yi進jin行xing火huo力li微wei調tiao，隻zhi要yao合he理li設she計ji加jia熱re感gan應ying線xian圈quan，可ke得de到dao任ren意yi的de加jia熱re布bu局ju，炊chui飯fan性xing能neng上shang了le一yi個ge檔dang次ci;變bian頻pin微wei波bo爐lu利li用yong高gao頻pin電dian能neng給gei磁ci控kong管guan必bi要yao的de升sheng壓ya驅qu動dong，電dian源yuan結jie構gou小xiao，爐lu內nei空kong間jian更geng寬kuan敞chang，新xin式shi微wei波bo爐lu能neng任ren意yi調tiao節jie電dian力li，並bing根gen據ju不bu同tong食shi品pin選xuan擇ze最zui佳jia加jia熱re方fang式shi，縮suo短duan時shi間jian，降jiang低di電dian耗hao;照明方麵，熒光燈使用高頻照明，可提高發光效率，實現節能，無閃爍，易調光，頻率任意可調，鎮流器小型輕量。
變頻技術正在給形形色色的家電帶來新的革命，並將給用戶帶來更大的福音。今後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展。家用太陽能發電係統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dian力li電dian子zi裝zhuang置zhi中zhong的de相xiang控kong整zheng流liu和he不bu可ke控kong二er極ji管guan整zheng流liu使shi輸shu入ru電dian流liu波bo形xing發fa生sheng嚴yan重zhong畸ji變bian，不bu但dan大da大da降jiang低di了le係xi統tong的de功gong率lv因yin數shu，還hai引yin起qi了le嚴yan重zhong的de諧xie波bo汙wu染ran。另ling外wai，硬ying件jian電dian路lu中zhong電dian壓ya和he電dian流liu的de急ji劇ju變bian化hua，使shi得de電dian力li電dian子zi器qi件jian承cheng受shou很hen大da的de電dian應ying力li，並bing給gei周zhou圍wei的de電dian氣qi設she備bei及ji電dian波bo造zao成cheng嚴yan重zhong的de電dian磁ci幹gan擾rao(EMl)，而且情況日趨嚴重。許多國家都已製定了限製諧波的國家標準，國際電氣電子工程師協會(1EEE)、國際電工委員會(1EC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也分別於1984年和1993年製定了限製諧波的有關規定。
3.1 諧波的抑製
為了抑製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。
傳統的諧波補償裝置是采用LC調tiao諧xie濾lv波bo器qi，它ta既ji可ke補bu償chang諧xie波bo，又you可ke補bu償chang無wu功gong功gong率lv。其qi缺que點dian是shi，補bu償chang特te性xing受shou電dian網wang阻zu抗kang和he運yun行xing狀zhuang態tai影ying響xiang，易yi和he係xi統tong發fa生sheng並bing聯lian諧xie振zhen，導dao致zhi諧xie波bo放fang大da，使shiLC濾波器過載甚至燒毀。此外，它隻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。
dianlidianziqijianpujiyingyongzhihou，yunyongyouyuandianlilvboqijinxingxiebobuchangchengweizhongyaofangxiang。qiyuanlishi，congbuchangduixiangzhongjiancechuxiebodianliu，ranhouchanshengyigeyugaixiebodianliudaxiaoxiangdengjixingxiangfandebuchangdianliu，congershidianwangdianliuzhihanyoujibofenliang。zhezhonglvboqinengduipinlvhefuzhidoubianhuadexiebojinxinggenzongbuchang，qiebuchangtexingbushoudianwangzukangdeyingxiang。tayidedaorenmendezhongshi，bingjiangzhubutuiguangyingyong。
另一種方法是改革變流器的工作機理，做到既抑製諧波，又提高功率因數，這種變流器稱單位功率因數變流器。
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，但電路結構越複雜。
幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數變流器主要采用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(kong)製(zhi)，使(shi)得(de)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)，其(qi)相(xiang)位(wei)與(yu)電(dian)源(yuan)相(xiang)電(dian)壓(ya)相(xiang)位(wei)相(xiang)同(tong)。這(zhe)樣(yang)，輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)中(zhong)就(jiu)隻(zhi)含(han)與(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)有(you)關(guan)的(de)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)，這(zhe)些(xie)諧(xie)波(bo)次(ci)數(shu)高(gao)，容(rong)易(yi)濾(lv)除(chu)，同(tong)時(shi)也(ye)使(shi)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)接(jie)近(jin)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。
3.2 電磁幹擾的抑製對策
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，目前比較引人注目的是零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)電路。
(1) 實現零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)的方法:
開關器件上串聯電感，這樣可抑製開關器件導通時的di/dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區，減少了開關損犛;
開關器件上並聯電容，當器件關斷後抑製du/dt上升，器件上不存在電壓、電流重疊區，減少了開關損耗;
器件上反並聯二極管。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。
(2)目前較常用的軟開關技術
部分諧振PWM。weileshixiaolvjinliangyuyingkaiguanshijiejin，bixufangzhiqijiandianliuyouxiaozhidezengjia。yinci，zaiyigekaiguanzhouqinei，jinzaiqijiankaitongheguanduanshishidianluxiezhen，chengzhiweibufenxiezhen。
無損耗緩衝電路。串聯電感或並聯電容上的電能釋放時不經過電阻或開關器件，稱無損耗緩衝電路，常不用反並聯二極管。
在電機控製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。
3.3 功率因數補償
早(zao)期(qi)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)采(cai)用(yong)同(tong)步(bu)調(tiao)相(xiang)機(ji)，它(ta)是(shi)專(zhuan)門(men)用(yong)來(lai)產(chan)生(sheng)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)的(de)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)，利(li)用(yong)過(guo)勵(li)磁(ci)和(he)欠(qian)勵(li)磁(ci)分(fen)別(bie)發(fa)出(chu)不(bu)同(tong)大(da)小(xiao)的(de)容(rong)性(xing)或(huo)感(gan)性(xing)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)它(ta)是(shi)旋(xuan)轉(zhuan)電(dian)機(ji)，噪(zao)聲(sheng)和(he)損(sun)耗(hao)都(dou)較(jiao)大(da)，運(yun)行(xing)維(wei)護(hu)也(ye)複(fu)雜(za)，響(xiang)應(ying)速(su)度(du)慢(man)。因(yin)此(ci)，在(zai)很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)已(yi)無(wu)法(fa)適(shi)應(ying)快(kuai)速(su)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)補(bu)償(chang)的(de)要(yao)求(qiu)。
另―zhongfangfashicaiyongbaohediankangqidejingzhiwugongbuchangzhuangzhi。tajuyoujingzhixinghexiangyingsudukuaideyoudian，danyouyuqitiexinxucihuadaobaohezhuangtai，sunhaohezaoshengdouhenda，erqiecunzaifeixianxingdianludeyixieteshuwenti。youbunengfenxiangtiaojieyibuchangfuzaidebupingheng，suoyiweinengzhanjujingzhiwugongbuchangzhuangzhidezhuliu。
隨著電力電子技水的不斷發展，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、運行範圍寬的優點，而且在采取多重化、多電平或PWM技(ji)術(shu)等(deng)措(cuo)施(shi)後(hou)。可(ke)大(da)大(da)減(jian)少(shao)補(bu)償(chang)電(dian)流(liu)中(zhong)諧(xie)波(bo)含(han)量(liang)。更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，靜(jing)止(zhi)無(wu)功(gong)發(fa)生(sheng)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)抗(kang)器(qi)和(he)電(dian)容(rong)元(yuan)件(jian)小(xiao)，大(da)大(da)縮(suo)小(xiao)裝(zhuang)置(zhi)的(de)體(ti)積(ji)和(he)成(cheng)本(ben)。靜(jing)止(zhi)無(wu)功(gong)發(fa)生(sheng)器(qi)代(dai)表(biao)著(zhe)動(dong)態(tai)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)裝(zhuang)置(zhi)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)。
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