变频技术发展综述

1变频技术发展综述班级：08电气（2）班姓名：XX学号：08302300XX摘要：家电由于具有高效、节能、舒适静噪等明显效果，因而其性能优势已逐渐在消费领域彰显出来。文章讨论了变频技术在家电产品中的应用情况，指出变频家电是新一代家用电器的发展趋势，变频技术已成为最具发展前景的焦点技术。关键词：空调；变频技术；变频空调；PWM变频技术在家用电器中的运用引言20世纪70年代，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、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。20世纪90年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。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2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3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。4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20世纪70年代，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、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。20世纪90年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。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5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[4]。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。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6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]。7（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