电力电子器件及变频技术的发展和应用研究.docx

电力电子器件及变频技术的发展和应用研究 摘要：在21世纪科学技术飞速发展的今天，我国在电力电子技术及变频技术领域的应用和研究也取得了令世人瞩目的成就，但同时也面临着新的机遇和挑战，本文着重对电力电子器件及变频技术的发展和应用进行了探讨研究。 关键词：电子器件；变频技术；发展应用 引言 现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了物质和技术条件。以微处理技术、PWM控制芯片和电力电子开关器件为基础，以正弦波脉宽调制(SPWM)技术、矢量变换技术 、直接转矩控制和网络通信技术为基础的全数字化控制技术作为控制手段。交流变频技术经历了一个由传统交交直接变频到交直交变频再到矩阵交交变频的过程。 一、电力电子器件的应用的现状和趋势 （一）在新能源和电力系统中的应用 电力系统是电力电子技术应用中最重要和最有潜力的市场领域，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用。从用电角度来说，要利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率;从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。 （二）在轨道交通和电动汽车中的应用 电力电子技术在轨道交通牵引系统中的应用主要分为三个方面：主传动系统、辅助传动系统、控制与辅助系统中的稳压电源。在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向现代交流传动。电力电子器件容量和性能的提高、封装形式的改进，以及功能单元的模块化设计技术促进了传动系统装置的简约化，促进牵引电传动系统、辅助系统和控制与辅助电流稳压电源的发展。 （三）工业电机节能应用 电动机作为电能最大的消费载体，具有很大的节电潜力。我国“十五”和“十一五”计划都将电机系统节能列为节能的重点项目。而随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制。 （四）在消费类电子中的应用 电力电子技术在消费类电子中的应用主要集中于各类家电中电机的驱动、感应加热、照明驱动和各类个人电子用品电源管理，家用电器依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。 （五）在国防军工中的应用 电力电子技术及电力电子器件已日益广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、交通运输业中，特别是与国家安全和国防有关的先进能源技术、激光技术、空天技术、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域，电力电子技术是关系到上述领域中的核心技术所在。电力电子在现代化国防中得到越来越广泛的应用，所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及到电力电子核心技术。 二、变频技术的成长史 目前变频技术飞速发展。一开始，它只能改变频率却不能改变电压。之后，吸引了人们的目光的是脉宽调制变压变频调速研制成功了。到了上世纪80年代，PWM模式优化问题又唤起了人们探索研究的欲望，从而衍生出移相载波PWM技术、调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术等优化模式。普遍应用于产业的各个领域的VVVF变频器机械特性硬度好、易控制，可以符合一般传动的平滑调速要求。但是这种控制方式的缺点是在低频率工作时可导致输出最大转矩变小。矢量控制变频调速是通过三相、二相将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流，等效成同步旋转坐标系下的直流电，对异步电动机的控制是通过直流电动机的控制来实现的。而直接转矩控制把各个琐碎的步骤简洁了，是在定子坐标系下对交流电动机进行分析的数学模型，通过电动机的磁链和转矩来实行控制。 谐波电流大、输入功率因数低、需要大的储能电容等各种劣势VVVF变频、矢量控制变频和直接转矩控制变频都具有，所以矩阵式交E交变频受到人们的喜爱，是因为它能弥补这些缺点。 三、电力电子器件带来的危害和应对策略 （一）谐波抑制对策 高压变频器由于变换功率大，开关频率一般比较小，因此，输出谐波成分比较大，如果采用常规的正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术都难以解决输出谐波大的问题。输出电压谐波会在一定程度上影响电机的运行，导致电机的转矩脉动，使额外的损耗增加，而输入谐波则会影响电网。近些年，围绕怎样有效抑制、减少谐波电流，让电机能够更加平稳的运行，并且减少损耗，在电路结构与控制技术等方面提出了一些不同的整流和逆变方案，形成了多样化的大功率变频技术。现阶段普遍采用多脉动整流、变压器耦合输出、多电平和单元级联技术，形成了以多脉动整流拓扑或多电平拓扑为输入级、以变压器耦合输出或多电平输出拓扑为输出级的大功率变频器主电路。如美国罗宾康公司及我国利德华福等公司采用的单元串联多电平技术，采用多组低电压小功率IGBT，PWM变频单元串联输出实现高压大功率集成。因为采用的是功率单元进行串联，如图1所示，所以不会出现元件之间的动态和静态均压的问题，各变频单元由一个多绕组的隔离变压器供电，从技术上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。除此之外，一些新型的脉宽调制技术也在不断的发展和研究中，如清华大学赵争鸣等提出的混合PWM方法，即低频时采用空间矢量脉宽调制（SVPWM），高频时采用特定消谐（SHEPWM），避免了高频时SVPWM谐波特性变差和SHEPWM在低频时存储量大的缺点，充分发挥了二者的优点，使变频器在整个工作范围内都可以有效抑制低次谐波，得到较好的输出波形。 图1 功率单元串联多电平逆变 （二）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，现阶段零电流开关(ZCS)与零电压开关(ZVS)电路备受人们的关注。方法为： （1）将电感串联在开关器件上，这样能够对开关器件导通时的di/dt进行抑制，让器件上无电压、电流重叠区存在，使正关损耗有效减少； （2）开关器件上并联电容，在器件关断后抑制du/dt上升，器件上没有电压、电流重叠区，从而使开关损耗减少； （3）器件上反并联二极管，在导通二极管期间，开关器件呈零电压、零电流状态，这时候驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。 现下，运用比较多的软件开关技术有部分谐振PWM和无损耗缓冲电路。 （三）功率因数补偿 最早的方法是通过同步调相机来进行功率因数补偿，但是它产生的噪声和造成的损耗都很大，响应的速度较缓慢，运行维护也繁杂，因此无法适应而渐渐被舍弃。后来的方式是使用饱和电抗器的静止无功补偿装置，克服了同步调相机的部分劣势，可以依然没法改变噪声和损耗都很大的致命缺点，并且还有非线性电路和不能分相调节以补偿负载的不平衡等问题，同样无法主导潮流。还有一种方式方法是用静止无功发生器。它以体积小!成本低!调节速度快!运行范围宽，而且可大大减少补偿电流中谐波含量的优点迅速成为动态无功补偿装置发展方向的代表。 四、电力电子技术未来的发展 世界的发展都离不开电力电子技术，电力电子技术未来的发展前景和方向是异常广阔的，其发展主要体现在以下几个方面： （1）进一步研究和应用材料，使器件的功率、频率以及温度的范围有所提高，降低器件的价格。 （2）系统的集成化，获得更高的集成化，提高可靠性。 （3）多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。 （4）柔性交流输电技术是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛运用。 （5）电力电子技术的智能化功率模块的提高。 （6）体积小、功耗低、重量轻、无功率的全半导体变流系统的设计。 （7）节能环保电动车的研发制造。设计更高效有用的家用电器产品。从上面可以看出，设备和系统的发展应用热点是：变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、柔性交流输电、新能源、太阳能、风能及燃料电源等。 结语 目前变频技术凭借效率高、调速范围宽、精度高、平滑性好等优点广泛应用电机的拖动，尤其是针对空调系统、给水系统中风机和泵类负载时，可以获得很好的节能效果。对电梯恒转矩负载可以保证电