變頻

20世紀60年代後半期開始，電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO(門極可關斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應管)、SIT(靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)發展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術的不斷發展。20世紀70年代開始，脈寬調製變壓變頻(PWM—VVVF)調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣，並得出諸多優化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代後半期開始，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器已投入市場並廣泛應用。

變頻器一般是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

VVVF變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由於輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

矢量控制變頻調速的做法是：將非同步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當於直流電動機的勵磁電流；It1相當於與轉矩成正比的電樞電流)，然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對非同步電動機的控制。

矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由於轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較複雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。並且變頻技術所應用到的行業越來越廣泛，和能源相關的行業都能用到. 舉例：生活中空調，冰箱，洗衣機等等，工業：起重機等等

直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多複雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流迴路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由於矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。

家用電器開始逐步變頻化，出現了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應加熱)飯堡、變頻洗衣機等。

家用電器則依託變頻技術，主要瞄準高功能和省電。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優點。

首先是電冰箱，由於它處於全天工作，採用變頻製冷后，壓縮機始終處在低速運行狀態，可以徹底消除因壓縮機起動引起的雜訊，節能效果更加明顯。

其次，空調器使用變頻后，擴大了壓縮機的工作範圍，不需要壓縮機在斷續狀態下運行就可實現冷、暖控制，達到降低電力消耗，消除由於溫度變動而引起的不適感。近年來，新式的空調器已採用無刷直流電動機實現變頻調速，其節能效果較交流非同步電動機變頻又提高約10%—15%。為了進一步提高裝置的效能，近年來，日本的空調器又逐步從單純的PWM控制改為PWM十PAM混合控制方式。即較低速時採用PWM控制，保持U/f為一定；當轉速大於一定值時，將調製度固定在最大值附近，通過改變直流斬波器的導通占空LL，提高逆變器輸入直流電壓值，從而保持變頻器輸出電壓和轉速成比例，這一區域稱為PAM區。採用混合控制方式后，變頻器的輸入功率因數、電機效率、裝置綜合效率都比單獨PWA4控制時有較大幅度的提高。

新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現靜音化，而且利用高速運行能實現大幅度時快速冷凍；在洗衣機方面，過去使用變頻實現可變速控制，提高洗凈性能，新流行的洗衣機除了節能和靜音化外，還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內容；電磁烹任器利用高頻感應加熱使鍋子直接發熱，沒有燃氣和電加熱的熾熱部分，因此不但安全，還大幅度提高加熱效率，其工作頻率高於聽覺之上，從而消除了飯鍋振動引起的雜訊；IH電飯煲得到的火力比電加熱器更強，而且利用變頻可以進行火力微調，只要合理設計加熱感應線圈，可得到任意的加熱布局，炊飯性能上了一個檔次；變頻微波爐利用高頻電能給磁控管必要的升壓驅動，電源結構小，爐內空間更寬敞，新式微波爐能任意調節電力，並根據不同食品選擇最佳加熱方式，縮短時間，降低電耗；照明方面，熒光燈使用高頻照明，可提高發光效率，實現節能，無閃爍，易調光，頻率任意可調，鎮流器小型輕量。變頻技術正在給形形色色的家電帶來新的革命，並將給用戶帶來更大的福音。今後變頻技術還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓撲電路、濾波及屏蔽技術的進步而發展。家用太陽能發電系統還將給家電增添新的能源。

電力電子裝置中的相控整流和不可控二極體整流使輸入電流波形發生嚴重畸變，不但大大降低了系統的功率因數，還引起了嚴重的諧波污染。另外，硬體電路中電壓和電流的急劇變化，使得電力電子器件承受很大的電應力，並給周圍的電氣設備及電波造成嚴重的電磁干擾(EMl)，而且情況日趨嚴重。許多國家都已制定了限制諧波的國家標準，國際電氣電子工程師協會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也分別於1984年和1993年制定了限制諧波的有關規定。

1、諧波抑製為了抑制電力電子裝置產生的諧波，一種方法是進行諧波補償，即設置諧波補償裝置，使輸入電流成為正弦波。

傳統的諧波補償裝置是採用lC調諧濾波器，它既可補償諧波，又可補償無功功率。其缺點是，補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生並聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，效果也不夠理想。但這種補償裝置結構簡單，目前仍被廣泛應用。

電力電子器件普及應用之後，運用有源電力濾波器進行諧波補償成為重要方向。其原理是，從補償對象中檢測出諧波電流，然後產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。它已得到人們的重視，並將逐步推廣應用。

另一種方法是改革變流器的工作機理，做到既抑制諧波，又提高功率因數，這種變流器稱單位功率因數變流器。

大容量變流器減少諧波的主要方法是採用多重化技術：將多個方波疊加以消除次數較低的諧波，從而得到接近正弦的階梯波。重數越多，波形越接近正弦，但電路結構越複雜。

幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數變流器主要採用PWM整流技術。它直接對整流橋上各電力電子器件進行正弦PWM控制，使得輸入電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同。這樣，輸入電流中就只含與開關頻率有關的高次諧波，這些諧波次數高，容易濾除，同時也使功率因數接近1。採用PWM整流器作為AC/DC變換的 PWM逆變器，就是所謂的雙PWM變頻器。它具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數接近1，輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點。這種變頻器可實現四象限運行，從而達到能量的雙向傳送。

小容量變流器為了實現低諧波和高功率因數，一般採用二極體整流加PWM斬波，常稱之為功率因數校正(PEC)。典型的電路有升壓型、降壓型、升降壓型等。

2、電磁干擾抑制解決EMI的措施是克服開關器件導通和關斷時出現過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt，目前比較引入注目的是零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)電路。方法是：

● ● 開關器件上串聯電感，這樣可抑制開關器件導通時的di/dt，使器件上不存在電壓、電流重疊區，減少了開關損耗；

● ● 開關器件上並聯電容，當器件關斷後抑制du/dt上升，器件上不存在電壓、電流重疊區，減少了開關損耗；

● ● 器件上反並聯二極體，在二極體導通期間，開關器件呈零電壓、零電流狀態，此時驅動器件導通或關斷能實現ZVS、ZCS動作。

● ● 部分諧振PWM。為了使效率盡量與硬開關時接近，必須防止器件電流有效值的增加。因此，在一個開關周期內，僅在器件開通和關斷時使電路諧振，稱之為部分諧振。

● ● 無損耗緩衝電路。串聯電感或並聯電容上的電能釋放時不經過電阻或開關器件，稱無損耗緩衝電路，常不用反並聯二極體。

在電機控制中主開關器件多採用 IGBT，IGBT關斷時有尾部電流，對關斷損耗很有影響。因此，關斷時採用零電流時間長的ZCS更合適。

是採用同步調相機，它是專門用來產生無功功率的同步電機，利用過勵磁和欠勵磁分別發出不同大小的容性或感性無功功率。然而，由於它是旋轉電機，雜訊和損耗都較大，運行維護也複雜，響應速度慢，因此，在很多情況下已無法適應快速無功功率補償的要求。

另一種方法是採用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應速度快的優點，但由於其鐵心需磁化到飽和狀態，損耗和雜訊都很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調節以補償負載的不平衡，所以未能佔據靜止無功補償裝置的主流。

隨著電力電子技術的不斷發展，使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發展，其中以靜止無功發生器最為優越。它具有調節速度快、運行範圍寬的優點，而且在採取多重化、多電平或PWM技術等措施后，可大大減少補償電流中諧波含量。更重要的是，靜止無功發生器使用的電抗器和電容元件小，大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發生器代表著動態無功補償裝置的發展方向。

變頻空調器按工作原理可以分為交流變頻和直流變頻兩種方式。自從1997年中國第一台變頻空調器誕生，此間變頻空調器的變頻方式經歷了從交流變頻到直流變頻的技術革新曆程。

1、公式

交流變頻依據原理：n=60f（1-s）/p

n—電機的轉速（r/min）；

s—轉差率（%）；

f—頻率（Hz）；

p—磁極對數。

從上式可以看出，交流變頻是通過改變變頻壓縮機的供電頻率，在p與s不變的情況下，壓縮機的轉速會隨頻率的變化而變化。

交流變頻原理如圖所示，是把220V、50HZ工頻交流電轉換為310V直流電源，並把它送到逆變器（大功率晶體管開關組合），又稱功率模塊，為其提供工作電壓；同時根據室溫和設定溫度的溫差，通過微處理器運算，產生一個控制信號（PWM脈衝信號），也送入逆變器；然後由三相逆變器將直流電轉變為頻率可調的三相交流電（合成波形近似正弦波），驅動變頻壓縮機運轉，使壓縮機電機的轉速隨電源頻率的變化做相應地變化，從而調節製冷（熱）量。

2、變頻器的結構與原理

● ● PWM控制，又稱電壓、頻率比例調製方式。在調節頻率的同時， 不改變脈衝電壓幅度的大小， 而是改變脈衝的占空比， 可以實現變頻也變壓的效果。 這種方法 稱 為PWM（Pule Width Modulation） 調製，PWM調製可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。

● ● 逆變器。 這一部分指的是完成直流到交流的逆變過程，用於驅動變頻壓縮機運轉的三相逆變器。 如圖所示，變頻空調通常採用6個絕緣柵極晶體管構成大功率晶體管開關組合，又稱功率模塊。 6個晶體管的狀態決定了電機繞組中電流的方向， 而開關動作的快慢決定了通入電機繞組中電流的頻率；開關脈衝依次控制它們通斷 ，切換一次后，電機就轉動一周；如果每秒鐘切換100次，則電機的轉速就是100r/s。 在實際應用中，多採用變頻模塊加上外圍的電路 （如開關電源電路）組成。

1、直流變頻原理

我們把採用無刷直流電機作為壓縮機電機的空調器稱為“直流變頻空調”，這樣稱呼從概念上來說是不確切的，因為直流變頻空調器的變頻方式與交流變頻一樣，也採用的是交—直—交方式，供給壓縮機的電壓還是交流電，但人們已經習慣將採用無刷直流電機的變頻空調器稱為直流變頻空調器。直流變頻空調器關鍵在於採用了無刷直流電機作為壓縮機電動機。直流變頻空調器分為兩類：一類是只有壓縮機電機採用無刷直流電機；另一類是不只壓縮機，室內風機、室外風機都採用了無刷直流電機，這就是全直流變頻空調器。所以，直流變頻空調器相對與交流變頻空調器而言，具有更大的節能優勢。

直流電機轉速公式n=U/Cφ

n為電機的轉速（r/min）；

C為電極常數，與電機構造有關；

U為定子輸入電壓（V）；

φ為磁極磁通。

從上式可以看出，直流變頻空調器通過改變壓縮機的供電電壓，從而改變壓縮機的轉速，進而改變製冷（熱）量。如圖所示，直流變頻空調器控制原理與交流變頻空調器基本一樣，所不同的是交流變頻技術調節的是頻率，而直流變頻技術調節的是電壓。

2、變頻器的結構與原理

直流與交流變頻主電路差別不大，變頻模塊之前電路完全相同；如圖所示不同之處在於交流變頻壓縮機無反饋控制信號，而直流變頻壓縮機有三相轉速反饋控制信號。