第1章 概述
1.1 变频技术
简单地说，变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电之后再把交流电变成直流电。在这些变化过程中，一般只是频率发生变化。
变频技术是能够将电信号的频率，按照对具体电路的要求而进行变换的应用型技术。其主要类型有以下几种：
1）交—直变频技术（整流技术）。它通过二极管整流、二极管续流或晶闸管、功率晶体管可控整流而实现交—直流转换。这种转换多属于工频整流。
2）直—直变频技术（斩波技术）。它通过改变功率半导体器件的通断时间，即改变脉冲的频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。
3）直—交变频技术，电子学中称为振荡技术，电力电子学中称为逆变技术。振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电（甚至电磁波）。逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。
4）交—交变频技术（移相技术）。它通过控制功率半导体器件的导通与关断时间，实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。
表1-1为变频技术的类型表。
表1-1 变频技术的类型表
现在人们一说起变频技术，往往首先想到的是变频调速技术。其实这只是变频技术的一个重要应用领域。它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电，主要应用在控制交流异步电动机的拖动系统中，可产生巨大的节能效果和使自动化程度大大地提高。实际上变频技术应用的范围是非常广的。
变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术和自动控制理论等的不断发展而发展，现已进入了一个崭新的时代，其应用也越来越普及。从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。在运输、石油、家用电器和军事等领域得到了广泛的应用。如超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人；采油的调速、超声波驱油；变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、变频电冰箱；军事通信、导航、雷达和宇航设备的小型化电源等。
1.2 变频技术的发展
纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子元器件的发展为基础的。第一代以晶闸管为代表的电力电子元器件出现于20世纪50年代。1956年，贝尔实验室发明了晶闸管；1958年，通用电气公司推出商品化产品。它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大功率的变换。但其开关频率低，只能导通而不能自动关断。
第二代电力电子器件以功率晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管为代表，在20世纪60年代发展起来。它是一种电流型自关断的电力电子器件，可方便地实现变频、逆变和斩波，其开关频率只有1～5kHz。
第三代电力电子器件以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和功率场效应晶体管（MOSFET）为代表，在20世纪70年代开始应用。它是一种电压（场控）型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极（栅极、门极）信号控制导通和关断的功能。其开关频率达到了20kHz甚至200kHz以上，为电气设备的高频化、高效化和小型化创造了条件。
第四代电力电子器件，出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路（PIC）和20世纪90年代的智能功率模块（IPM）、集成门极换流晶闸管（IGCT）。它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率传递、保护、传感及测量等电路功能。
图1-1所示为电力电子器件“树”。
图1-2所示为各种电力电子器件的外形图。
图1-3所示为几种典型的电力电子器件的功率与频率关系图。
图1-1 电力电子器件“树”
经过几十年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，它包含交流电路、电力半导体器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。电力电子技术对人类的文明起到了巨大的推动作用，如今它已无领域不在，无行业不用，以至于离开了电力电子技术，人们的生活将黯然失色。
电力电子技术的发展，取决于主要的电力电子元器件，例如电子开关元器件，整流元器件和控制元器件，这使电子技术涵盖了从低到高的频率范围，从小到大的功率范围，成为包括微电子技术，无线电电子技术和电力电子技术的一个整体。
电力电子技术的发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。应用的技术有：脉宽调制（PWM）、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电机矢量控制、直接力矩控制、模糊控制和自适应控制等。未来电力电子技术最大的挑战是怎样把电力电子设备做成普遍化、大众化，将电力电子器件设计标准化。电力电子技术的很重要应用是在交通方面，如航天、电动汽车、混合式电动汽车、用燃料电池的电动汽车等。
电力电子技术的应用对环保起到了相当大的作用。预计今后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，因此，电力电子技术在21世纪将起到更大的作用。
图1-2 各种电力电子器件的外形图
图1-3 几种典型的电力电子器件的功率与频率
电力电子技术的发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。应用的技术有：脉宽调制（PWM）、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等。
随着电力电子技术的发展，变频技术的发展方向是：
1）交流变频向直流变频方向转化。直流变频是指以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电动机始终处于最佳运行状态。直流变频摒弃了交流变频技术的交流—直流—交流—变转速方式的交流电动机的循环工作方式，采用先进的交流—直流—变转速方式的数字电动机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中的转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制及平稳高效地运转。同时，避免了交流变频电动机电磁噪声较大的缺点，噪声更低。
2）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。
3）缩小装置的尺寸。紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器和高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。
4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模块有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得软件设计更便捷。图形编程的控制技术也有很大的发展。
5）模拟器与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的应用，对变频技术的应用、变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
总之，变频技术的发展趋势，是朝着高度集成化、高频化、模块化、采用表面安装技术、转矩控制高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。
1.3 习题
1.什么是变频技术？
2.变频技术的类型有哪几种？
3.简述电力电子技术的重要性。
4.简述变频技术的发展趋势。