一、電力電子器件的發(fā)展過(guò)程

上世紀(jì)50年代末晶閘管在美國(guó)問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我國(guó)70年代將其列為節(jié)能技術(shù)在全國(guó)推廣。然而，SCR畢竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開關(guān)器件，在交流傳動(dòng)和變頻電源的應(yīng)用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(PowerMOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等，它們的共同特點(diǎn)是既控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，是全控型開關(guān)器件，由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當(dāng)前，IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。

許多國(guó)家都在努力開發(fā)大容量器件，國(guó)外已生產(chǎn)6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一種將IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的新型器件，已有1000A/4500V的樣品問(wèn)世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開通時(shí)相當(dāng)于晶閘管，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于晶體管，從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達(dá)幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經(jīng)推出的IGCT可達(dá)4500一6000V，3000一3500A。MCT因進(jìn)展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在器件制造方面比在應(yīng)用方面有更大的差距。高功率溝柵結(jié)構(gòu)IGBT模塊、IEGT、MOS門控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國(guó)外有了最新發(fā)展?？梢韵嘈?，采用GaAs、SiC等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)“理想器件”的追求，將是21世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢(shì)。

高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國(guó)電力電子技術(shù)發(fā)展新熱點(diǎn)。GTO和IGCT，IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，必將為21世紀(jì)世界電力電子新技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

二、變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換

技術(shù)的不斷發(fā)展。起初,變頻技術(shù)只局限于變頻不能變壓。20世紀(jì)70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,如:調(diào)制波縱向分割法、同相位載波PWM技術(shù)、移相載波PWM技術(shù)、載波調(diào)制波同時(shí)移相PWM技術(shù)等。

VVVF變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單,機(jī)械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時(shí),由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。

矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過(guò)三相——二相變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iml、Itl,然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī),因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算;它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制,也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流回路需要大的儲(chǔ)能電容,再生能量又不能反饋回電網(wǎng),即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此,矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。

三、變頻技術(shù)與家用電器

20世紀(jì)70年代,家用電器開始逐步變頻化,出現(xiàn)了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調(diào)、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應(yīng)加熱)飯堡、變頻洗衣機(jī)等[4]。

20世紀(jì)末期期,家用電器則依托變頻技術(shù),主要瞄準(zhǔn)高功能和省電。

首先是電冰箱,由于它處于全天工作,采用變頻制冷后,壓縮機(jī)始終處在低速運(yùn)行狀態(tài),可以徹底消除因壓縮機(jī)起動(dòng)引的噪聲,節(jié)能效果更加明顯。其次,空調(diào)器使用變頻后,擴(kuò)大了壓縮機(jī)的工作范圍,不需要壓縮機(jī)在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行就可實(shí)現(xiàn)冷、暖控制,達(dá)到降低電力消耗,消除由于溫度變動(dòng)而引起的不適感。近年來(lái),新式的變頻冷藏庫(kù)不但耗電量減少、實(shí)現(xiàn)靜音化,而且利用高速運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)快速冷凍。

在洗衣機(jī)方面,過(guò)去使用變頻實(shí)現(xiàn)可變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機(jī)除了節(jié)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(nèi)容;電磁烹任器利用高頻感應(yīng)加熱使鍋?zhàn)又苯影l(fā)熱,沒(méi)有燃?xì)夂碗娂訜岬臒霟岵糠?因此不但安全,還大幅度提高加熱效率,其工作頻率高于聽覺(jué)之上,從而消除了飯鍋振動(dòng)引起的噪聲。