关于电子变频技术若干问题的研究

关于电子变频技术若干问题的研究
[摘要]电力电子器件和变频技术的发展过程，以及变频技术在家用电器的应用给变频技术的应用也带来谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题，提出相关的谐波抑制方法及提高电源系统功率因数的措施。

[关键词]变频技术谐波功率因数
【中图分类号】tm921.5
随着电力电子、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展趋势。

变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。

变频技术是交流调速的核心技术，电力电子和计算机技术又是变频技术的核心，而电力电子器件是电力电子技术的基础。

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。

一、变频技术的发展过程
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。

电力电子器件的更新促使电力变换技术的不断发展。

起初，变频技术只局限于变频不能变压。

20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（pwm-vvvf）调速研究引起了人们的高度重视。

20世纪80年代，作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，如：调制波纵向分割法、同相位载波pwm技术、移相载波pwm 技术、载波调制波同时移相pwm技术等。

vvvf变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流ia、ib、ic通过三相――二相变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流iml、itl，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

vvvf变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交交变频应运而生。

二、变频技术与家用电器
现代社会，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、ih（感应加热）饭堡、变频洗衣机等。

家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。

首先是电冰箱，由于它处于全天工作，采用变频制冷后，压缩机
始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引的噪声，节能效果更加明显。

其次，空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。

近年来，新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化，而且利用高速运行能实现快速冷冻。

在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，新流行的洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容；电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热，没有燃气和电加热的炽热部分，因此不但安全，还大幅度提高加热效率，其工作频率高于听觉之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声。

三、电力电子装置带来的危害及对策
（一）谐波与电磁干扰的对策
1.谐波抑制。

为了抑制电力电子装置产生的谐波，一种方法是进行谐波补偿，即设置谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。

传统的谐波补偿装置是采用ic调谐滤波器，它既可补偿谐波，又可补偿无功功率。

其缺点是，补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使lc滤波器过载甚至烧毁。

此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也不够理想。

电力电子器件普及应用之后，运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。

其原理是，从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基
波分量。

这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。

大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术：将多个方波叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的阶梯波。

重数越多，波形越接近正弦，但电路结构越复杂。

小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数，一般采用二极管整流加pwm斩波，常称之为功率因数校正（pec）。

典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。

2.电磁干扰抑制。

解决emi的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt，目前比较引入注目的是零电流开关（zcs）和零电压开关（zvs）电路。

方法是：（1）开关器件上串联电感，这样可抑制开关器件导通时的di/dt，使器件上不存在电压、电流重叠区，减少了正关损耗；（2）开关器件上并联电容，当器件关断后抑制du/dt上升，器件上不存在电压、电流重叠区，减少了开关损耗；（3）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。

目前较常用的软件开关技术有部分谐振pwm和无损耗缓冲电路。

（二）功率因数补偿
早期的方法是采用同步调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电机，利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。

然而，由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢。

因此，在很多情况下已无法适应快速无功功率
补偿的要求。

随着电力电子技术的不断发展，使用scr、gto和igbt 等的静止无功补偿装置得到了长足发展，其中以静止无功发生器最为优越。

它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采取多重化、多电平或pwm技术等措施后，可大大减少补偿电流中谐波含量。

更重要的是，静止无功发生器使用的抗器和电容元件小，大大缩小装置的体积和成本。

静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。

电力电子技术将成为21世纪重要的支柱技术之一，变频技术在电力电子技术领域中占有重要的地位，近年来在中压变频调速和电力牵引领域中的发展引人注目。

随着全球经济一体化及我国加人世界贸易组织，我国电力电子技术及变频技术产业将出现前所未有的发展机遇。

参考文献：
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[2]梁进秋，微光机电系统国内外研究进展，光机电信息，2000（8）.
[3]宋云夺编译，光机电一体化业的未来，光机电信息，2003（12）.。