电力电子器件及变频技术的应用研究

孙素军 杨入超

【摘要】随着科技的发展，电力电子器件以及变频技术扮演着越来越重要的角色，变频技术在现代家用电器中也发挥了不可替代的作用。本文在介绍了电力电子器件以及变频技术的发展历程的基础上，着重介绍了变频技术在家用电器中的应用，并在此基础上分析了变频技术的发展带来的谐波以及电磁干扰等问题，最后针对变频技术带来的问题提出了相应的抑制谐波以及抑制电磁干扰的措施。

【关键词】电力电子器件;变频技术;应用研究

引言

随着电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的迅速发展，电力电子器件以及变频技术扮演着越来越重要的角色，变频技术在现代家用电器中也发挥了不可替代的作用。电力电子器件又被称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。

1.电力电子器件以及变频技术的发展历程

1.1 电力电子器件的发展历程

电力电子技术的组成部分主要可以分为四个大方面：一是功率半导体器件，即一般所说的电力电子器件方面;二是IC技术方面，包括集成电路设计制造以及后端封装测试方面;三是功率变换技术方面;四是控制技术方面，主要包括自动控制领域的内容[2]。在这其中电力电子器件是整个电力电子技术的重要组成部分以及技术基础。

普通晶闸管是电力电子器件中最早投入应用的产品。这个产品与现在相比在结构上面还存在很多的不完善性，但是它的出现却奠定了电力电子器件发展的基础，在这个基础上开发出来的新型晶闸管产品在现代工业的方方面面都有长足的应用。电力电子器件中，绝缘栅型双极性晶体管IGBT是研发时间较短的产品之一，它的特点是输入阻抗较大而驱动功率较小，且开关损耗低、工作频率高。IGBT一经问世就获得了使用者的认可，有着非常巨大的发展空间[4]。

1.2 变频技术的发展概述

变频技术是20世纪70年代初开始出现的，当时主要是为了交流电机无级调速。之后几年，有关学者深入探讨了脉宽调制变压变频调速方面的技术。进入80年代，PWM模式优化问题开始成为学者探讨的重点，有关学者们围绕此问题展开了全面地分析，并取得了很好地研究效果[5]。电力电子器件从控制晶闸管、双极型功率晶体管、SIT（静电感应晶体管）、金属氧化物场效应管、SITH（静电感应晶闸管）、门极可关断晶闸管、晶闸管、控制晶体管转变为现在的HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）与绝缘栅双极型晶体管，管件的换代进一步发展了变频技术[6]。

VVVF变频器的在操作上不复杂，硬度也能达到标准的要求，可以适应普通传动的平滑调速，已得到许多行业的使用者所认可，并被使用。但操作中的输出电压在低频时数值不大，在很大程度上被电阻压降所影响着，因此减小了输出最大转矩[7]。还有它的静态调速性能与动态转矩性能都还存在一定的不足，机械特性与直流电动机相比硬度也较小。所以学者们又开发出矢量控制变频调速。

矢量控制法的问世意义非同小可。可是在现实使用当中，因为电动机参数决定着系统的特性，转子磁链观测所出现的误差较大，且所用矢量旋转变换在等效直流电动机的作用之下变得不简单，使所进行的控制不可能取得满意的效果。

直接转矩控制变频技术是由德国鲁尔大学的Dcpenbrock教授在1985年研究成的。矢量控制所出现的问题基本都能用此技术处理，并以先进的操作理念、不十分复杂的组成结构、完好地动静态性能得到了大范围的应用。现在，在电力机车带动的大功率交流传动中已经开始使用此技术[8]。

2.家用电器方面变频技术的应用

一是电冰箱，因为它的工作比较长，压缩机在其变频制冷后，运行状态可保持在低速，这样一来，由压缩机所引起的噪声现象基本上就不存在了，非常有利于节能。

二是空调器，压缩机的工作范围在其变频后得到增加，改变了以往压缩机进行冷、暖操作需要在断续状态才行的状况，使电力资源利用率提高，由温度变化而产生的不舒服也消失了。目前在空调器上的变频调速已通过无刷直流电动机进行，与以往的电动机变频相比，在节能方面又提高了约十分之一。为了使设备的功效能更大地提高，日本现在的空调器又开始使用PWM+PAM的一体操作法，此法取代了原来的单一PWM操作。就是PWM操作用在速率不高时，使U/f恒定。若转速超过规定的值时，调到接近最大值，为使逆变器输入直流电压值增加，须先将直流斩波器的导通占空比调整，以使变频器转速随输出电压的增大而增加，它被叫作PAM区[9]。实行一体操作法后，变频器的装置综合效率、输入功率因数、电机效率与以往PWM控制相比提高程度十分明显。

变频技术的出现给家电使用者带来了极大的方便，是对各种家电的一种技术上的革新。将来家用太阳能发电系统还会在能源上给家电带来支持。随着新型电力变换拓扑电路、电力电子器件、屏蔽及滤波技术的更新，变频技术还会发展。

3.变频技术的问题以及措施探讨

电力电子设备中的不可控二极管整流与相控整流极大地改变了电流波形，它不但产生谐波污染的现象，还使设备的功率因数降低。

3.1 谐波调控

要调控电力电子设备引起的谐波，首先是经由安谐波补偿装置，也就是谐波补偿，将输入电流转为正弦波。

其次应用单位功率因数变流器，对变流器的内部进行改造，在使其功率因数提高的同时，又调控了谐波。

多重化技术对大容量变流器的谐波具有消除作用：即通过叠加方波以把次数不高的谐波减少，使得到阶梯波在正弦附近。随着重数增加，电路构造变得不再简单，波形会离正弦更近。

PWM整流技术一般用于数百至数千瓦的高功率因数变流器上。它的相位和电源相电压相位一致，输入电流几乎等于正弦波，经由正弦PWM控制着整流桥上的各器件。如此，则高次谐波成为输入电流中唯一的谐波，这些谐波可使功率因数几乎为1，且方便滤除。PWM逆变器采用PWM整流器，也即通常所指的双PWM变频器。它的优点是，电流频率与输入电压不变，电流频率与输出电压不一定，电流波形是正弦，功率因数几乎为1。此类变频器运行能达到四象限，可以双向来传送能量。

3.2 电磁干扰的抑制对策

解决EMI的主要对策是避免开关器件导通以及关断的时候出现的过大电流上升率di/dt以及电压上升率du/dt，目前两种比较有效的方式包括零电流开关（ZCS）以及零电压开关（ZVS）电路的应用。

（1）实现零电流开关（ZCS）以及零电压开关（ZVS）的方法：

可以通过在开关器件上串联电感的手段，这样的手段可以显著抑制开关器件导通时的电流上升率di/dt，使器件上不存在电压、电流重叠区，这样的结果就会减少开关损耗，从而抑制电磁干扰;

也可以通过在开关器件上并联电容的手段，采用这样的方式当器件关断后抑制电压上升率du/dt上升，也会使得器件上不存在电压、电流重叠区，从而减少了开关损耗;

器件上反并联二极管。在二极管导通期间，开关器件呈零电压、零电流状态，此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。

（2）目前较常用的软开关技术：

部分谐振PWM。为了使效率尽量与硬开关时接近，必须防止器件电流有效值的增加。因此，在一个开关周期内，仅在器件开通和关断时使电路谐振，称之为部分谐振。

无损耗缓冲电路。串联电感或并联电容上的电能释放时不经过电阻或开关器件，称无损耗缓冲电路，常不用反并联二极管。

在电机控制中主开关器件多采用IGBT、IGBT关断时有尾部电流，对关断损耗很有影响。因此，关断时采用零电流时间长的ZCS更合适。

4.结束语

随着科技的发展，电力电子器件以及变频技术在现代社会扮演着越来越重要的作用。本文介绍电力电子器件以及变频技术的发展历程，着重介绍了变频技术在家用电器中的应用，并在此基础上分析了变频技术的发展带来的谐波以及电磁干扰等问题，最后针对变频技术带来的问题提出了相应的抑制谐波以及抑制电磁干扰的措施。

参考文献

[1]颜发根，刘健群，陈兴.电力电子器件及其在制造业中的应用[J].机械制造，2004（42）483：78-81.

[2]陈纯.计算机图像处理技术与算法[M].北京：清华大学出版社，2012：57.

[3]朱志刚译.数字图像处理[M].北京：电子工业出版社，2013：20.

[4]刘瑞新.电力电子器件应用简介[M].北京：机械工业出版社，2012：7.

[5]郁有文，常健.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013：36.

[6]汤竞南，沈国琴.电力电子器件实例简介[M].北京：人民邮电出版社，2014：77.