電力電子器件及變頻技術應用探析

潘運軍 王斯賢

（天津華云自控股份有限公司，天津 300402）

電力電子器件及變頻技術應用探析

潘運軍 王斯賢

（天津華云自控股份有限公司，天津 300402）

隨著電子科技的發展，電力電子器件和變頻技術發揮著重要的作用，特別是變頻技術在家電領域的應用也越來越廣泛。為此我們分析了電力電子器件及變頻技術的發展歷程，分析了變頻技術的應用，并在此基礎上對變頻技術的發展帶來的很多電子問題進行了分析，最后提出了對應的解決辦法。

電力電子器件 變頻技術 應用探索

變頻技術是重要的交流調速技術，是在電力電子器件和計算機硬件技術的發展下興起的技術。特別是隨著微電子技術以及計算機技術的飛速發展，變頻技術承擔著越來越重要的角色，而電力電子器件也叫功率半導體器件，主要作用于電子設備的電能轉換以及大型控制電路的電子器件，其在機電一體化、電機傳動、航空航天等領域已經得到了廣泛的應用。

1 電力電子器件以及變頻技術的發展

電力電子技術通常有四個方面分別是：功率半導體器件；IC技術；功率轉換技術；自動控制技術，而電力電子技術是實現這些技術基礎。普通晶閘管是最早投入使用的電力電子器件，是奠定電力電子器件的基礎。變頻技術最早是在上世紀70年代出現的，技術的產生一開始是為了實現交流電機的無極調速，但是隨著研究的深入，很多研究學者對脈寬調制變壓變頻調速進行了深入的研究。直到八十年代，PWM模式的優化逐漸成為了研究的重點方向，并且也取得了較好的成果。電力電子器件從最初的控制晶閘管、雙極功率晶體管、SIT等逐漸的向HVIGBT進行轉變，使得變頻技術得到了發展。隨后產生的VVVF變頻器的操作不并不難，而且也能夠達到硬度上的標準，并逐漸的得到重視，但是其在最大輸出轉矩、靜態調速等方面還有著很大的不足。矢量控制法的出現極大的改善了這些問題，但是在現實應用中由于電動機參數和系統特性有關，矢量轉換的效果并不理想。直接轉矩控制是由德國的Dcpen.教授研究的，操作理念先進，結構簡單，獲得了廣泛的應用。

2 變頻技術在家電中的應用

（1）電冰箱，因為電冰箱需要長時間運行狀態，當壓縮機完成變頻制冷后，可以將運行速度控制到低速狀態，這樣就可以有效的降低壓縮機引起的噪聲現象，而且也非常的利于節能。

（2）空調器，變頻技術最大好處就是擴大了空調器中壓縮機的工作范圍，壓縮器的運行不再是冷、暖操作斷續狀態，因此大大提升了電力資源的利用率。當前空調器上的變頻調速已經可以實現無刷直流電機運行，相比于以往的電機變頻，其節能效果進一步提升。為了進一步的提高空調的功能轉換效率，日本的研發者已經開始采用PWM+PAM的方法取代原來單一PWM的操作方法。其控制的方法是，當速率較低的時候采用U/f恒定控制，如果轉速超過了臨界值，則調節到最大值從而增加逆變器的輸入直流電壓值，所以就必須先調整直流斬波器的導通占空比，從而使變頻器轉速隨輸出電壓的增大而增加，通常這個區域被叫做PAM區。進行這樣的操作和技術后，使得變頻器的綜合效率、輸入功率因素等相比于以往的控制進一步增加。

變頻技術的應用給家電帶來很大的便利，可以說是對家電領域的一次技術革新。而且隨著變頻技術與其他學科的交叉越來越深入，其對于太陽能發電系統、新型能源拓撲、濾波技術等也會越來越大。

3 變頻技術的核心問題和解決對策

3.1 諧波調控

要實現對電子設備諧波的控制，首先的措施就是通過諧波補償將輸入電流轉換成正弦波。其次是運用單位功率對交流器內部進行改造，在提高功率因數的同時控制諧波。多重化技術對大容量變流器的諧波有著很好的消除作用，通過疊加方波的方法減少次數不高的諧波，保持階梯波在正弦附近，隨著重數增加讓波形更加接近于正弦波。PWM技術則應用于更高功率的因數變流器上，輸入電流幾乎等同于正弦波，并由PWM來控制整流橋的各個電子器件，因此輸入電流幾乎等同于正弦波，經由正弦PWM控制著整流橋上的各器件。如此，則高次諧波成為輸入電流中唯一的諧波，而這些諧波更加的方便于濾除。PWM逆變器通常采用整流器，好處是電流頻率和輸入電壓保持不變，而輸出電壓則并不確定，在運行時可以達到四象限，完成雙向傳輸能量。

3.2 電磁干擾的抑制策略

解決電磁干擾的主要辦法是盡量減少開關器件開合時產生的過大電流以及電壓上升率，當前應用最為廣泛也是最有效的兩種方法是零電流開關和零電壓開關電路。其中具體的實現辦法為：首先可以改變開關器件上的串聯電感，這樣就能有效的削弱電流開關器件到導通時的電流上升率，并讓器件喪失了電壓、電流重疊區，從而達到減少開關損耗、抑制電磁干擾的目的。同樣也可以在開關器件上并聯電容的方法來實現，這樣的方式能夠削弱器件關閉時的抑制電壓上升率（du/dt），同樣也會避免其出現電壓、電流重疊區，減小開關損耗。目前變頻技術中存在的軟開關技術：部分諧振PWM，為了讓效率更加的接近硬開關，必須避免器件電流有效值的升高。因此在一個開關周期內，電路諧振僅存在于器件開關和斷開的時候，所以稱之為部分諧振。無損耗緩沖電路是串聯電感或者并聯電容在進行電能釋放的過程中并不經過開關或者電阻，因此也被稱為無損耗緩沖電路，一般不會采用反并聯二極管。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，因此通常采用零電流時間較長的ZCS。

4 結語

電力電子器件和變頻技術不僅在家電領域，在輸送泵、風機類、工業鍋爐等都有著廣泛的運用，我們介紹了電力電子器件和變頻技術的發展和應用，并在此技術上分析了變頻技術中的難點，提出了相關問題目前的解決辦法，為其應用提供了參考。

［1］陳純.計算機圖像處理技術與算法［M］.北京：清華大學出版社，2012：57.

［2］朱志剛譯.數字圖像處理［M］.北京：電子工業出版社，2013：20.

［3］劉瑞新.電力電子器件應用簡介［M］.北京：機械工業出版社，2012：7.