变频技术发展综述Word格式文档下载.docx

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比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。

　　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起的噪声，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，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高约10％—15％。

为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM十PAM混合控制方式。

即较低速时采用PWM控制，保持U／f为一定；

当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空LL，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。

采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高[1]。

　　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大幅度时快速冷冻；

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；

IH电饭堡得到的火力比电加热器更强，而且利用变频可以进行火力微调，只要合理设计加热感应线圈，可得到任意的加热布局，炊饭性能上了一个档次；

变频微波炉利用高频电能给磁控管必要的升压驱动，电源结构小，炉内空间更宽敞，新式微波炉能任意调节电力，并根据不同食品选择最佳加热方式，缩短时间，降低电耗；

照明方面，荧光灯使用高频照明，可提高发光效率，实现节能，无闪烁，易调光，频率任意可调，镇流器小型轻量[3]。

变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。

今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。

家用太阳能发电系统还将给家电增添新的能源[3]。

一．变频技术发展现状

变频技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。

随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。

交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等），并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。

交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。

变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。

变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科[2]。

20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。

随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。

功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。

从20世纪60年代后期开始，电力电子器件经历了从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的转变过程。

与此同时，变频调速控制技术也发生了由VVVF变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。

最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。

70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。

80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。

进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT（绝缘栅双极型晶体管InsolatedGateBipolarTransistor）、IGCT（集成门极换流型晶闸管IntegratedGateCommutatedThyristor）等的发展及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP（数字信号处理器DigitalSignalProcessor）的诞生和发展（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。

目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。

随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动，不间断电源和有源滤波器的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深入研究。

所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列。

来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。

自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。

PWM技术用于变频器的控制，可以明显改善变频器输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。

PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制，PWM整流器现在已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1的目标。

人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。

目前已经提出并得到应用的PWM控制方案就不下数十种，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；

从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。

目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。

不少方法已趋成熟，并有许多已在实际中得到应用[6]。

二．变频技术与家用电器

采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高[4]。

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；

今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展，家用太阳能发电系统还将给家电增添新的能源。

三．变频技术国内外现状对比

A.国外现状

在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。

在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。

在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10~2600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100~900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。

在小功率交流变频调速技术反面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化[6]。

国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。

（1）市场的大量需求。

随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。

（2）功率器件的发展。

近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

（3）控制理论和微电子技术的发展。

矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；

16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。

（4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产[6]。

B.国内现状

从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年。

在大功率-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。

而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。

在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。

国内交流变频调速技术产业状况表现如下[6]。

（1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。

（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。

（3）相关配套产业及行业落后。

（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

四．变频技术发展难点及对策

1．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lC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。

但这种补偿装置结构简单，目前仍被广泛应用。

　　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。

它已得到人们的重视，并将逐步推广应用[4]。

　　另一种方法是改革变流器的工作机理，做到既抑制谐波，又提高功率因数，这种变流器称单位功率因数变流器。

　　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。

　　几千瓦到几百千瓦的高功率因数变流器主要采用PWM整流技术。

它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。

这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1。

采用PWM整流器作为AC／DC变换的PWM逆变器，就是所谓的双PWM变频器。

它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。

这种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送[7]。

　　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，减少了开关损耗；

　　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。

　　目前较常用的软开关技术有：

　　①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。

　　②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。

　　2、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。

　　另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。

它具有静止型和响应速度快的优点，但由于其铁心需磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

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电抗器和电容元件小，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[5]。

五、变频技术的发展方向

（1）交流变频向直流变频方向转化

直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。

它摒弃了交流变频技术的交流－直流－交流－变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流－直流－变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。

同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。

（2）控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展

采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。

如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。

而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。

同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。

此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。

（3）功率器件向高集成智能功率模块发展

虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。

智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。

以变频空调为例，我国的变频空调几乎100％采用IPM方式[6]。

五、变频技术发展前景

变频调速技术作为高新技术、基础技术、和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。

我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下。

（1）应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。

（2）大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。

（3）规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产[7]。

参考文献:

[l]肖凤明，王清兰，朱长庚．变频空调器微电脑控制电路分析与速修技巧[M]．北京：

机械工业出版社，2004.1．

[2]刑振禧．高级制冷设备维修工.[M]．北京：

机械工业出版社，200l.05．

[3]尹选模．电冰箱与空调器.[M].北京：

中国商业出版社，1997，08．

[4]刘锦波.电机与拖动[M].北京：

清华大学出版社，2006.

[5]李爱文.现代逆变技术及其应用[M].北京：

科学出版社，2000.

[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：

机械工业出版社，2003.

[7]陈伯时.电气传动系统的智能控制[J].北京：

机械工业出版社，1997.

[8]王兆义.变频器应用与专业技能入门与精通.北京：

机械工业出版社，2010.

[9]张宗桐.变频器应用与配套技术.北京：

中国电力出版社，2008.06.01

[10]郭艳萍.变频器应用技术.北京：

北京师范大学出版社，2009-2-1