1 引言
電力電子學(xué)在工業(yè)自動化、能量系統(tǒng)、能量生產(chǎn)及儲備，以及間接地對環(huán)境污染控制方面，其價(jià)值是極其巨大的。由于工藝技術(shù)的成熟和成本的降低，電力電子學(xué)的應(yīng)用正在推廣，例如，開關(guān)電源(smps)，ups電源、電化學(xué)作業(yè)、加熱和照明、靜態(tài)無功(var)補(bǔ)償;有源濾波、高壓直流系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和變頻電機(jī)拖動。電機(jī)傳動可能形成最流行和最復(fù)雜的電力電子學(xué)的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，隨動系統(tǒng)和機(jī)器人，泵和風(fēng)機(jī)、造紙和紡織廠、軋鋼廠、送風(fēng)系統(tǒng)、變速加熱泵和空調(diào)、運(yùn)輸系統(tǒng)及船舶推進(jìn)系統(tǒng)等。
在用電設(shè)備節(jié)能中，通過更有效的用電，當(dāng)今電力電子學(xué)的重要意義正在與日俱增。全球能源消耗正在突飛猛進(jìn)地增長，以改進(jìn)人們的生活標(biāo)準(zhǔn)，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)的國家。大量的這種能量通過燃燒礦物燃料得到，如煤、天然氣和石油，它們除產(chǎn)生城市污染問題外，還產(chǎn)生全球溫室效應(yīng)。借助電力電子學(xué)，用電設(shè)備能量效率的改進(jìn)，不僅降低了電消耗，而且還間接地幫助了環(huán)境污染問題的減少。據(jù)估計(jì)，通過電力電子學(xué)的廣泛應(yīng)用，大約可節(jié)電15%。在美國，電機(jī)傳動方面的耗電占生產(chǎn)電的60%。而它們的75%是用于各種泵和風(fēng)機(jī)。通過對大部分泵和風(fēng)機(jī)的控制可以獲利，能通過可控的變速電力電子學(xué)節(jié)能。采用電力電子技術(shù)多出的成本可以在一定周期內(nèi)回收，回收期的長短取決于電的成本。一個應(yīng)用示例是變速空調(diào)及加熱泵拖動可達(dá)到節(jié)能30%。據(jù)估計(jì)，在美國，生產(chǎn)電力的20%消耗在照明上。借助電力電子學(xué)的幫助，采用高頻熒光燈可在傳統(tǒng)熒光燈上節(jié)能20%。
2 電力半導(dǎo)體器件
今日電力電子學(xué)的進(jìn)步主要是依靠電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)展。當(dāng)然，除器件演進(jìn)外，變流集成技術(shù)的發(fā)明，脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)，控制和估計(jì)技術(shù)，數(shù)字信號處理器，asic芯片，控制硬件和軟件等等對這種進(jìn)展也作出過貢獻(xiàn)。隨著20世紀(jì)50年代末可控硅整流器件的出現(xiàn)，固態(tài)電力電子學(xué)開始進(jìn)入了現(xiàn)代階段，其他器件也相繼問世，如三端雙向可控硅開關(guān)元件，晶閘管(gto)(1958)，雙極性功率晶管(bpt或bjt)(1975)，金屬氧化物場效應(yīng)功率晶體管(mosfet)(1975)，隔離柵雙極性晶體管(igbt)(1985)，靜態(tài)感應(yīng)晶閘管(sit)(1975)，集成門極換向晶閘管(igct)(1987)等。
當(dāng)新的和先進(jìn)的器件演進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，現(xiàn)有器件的電壓、電流額定參數(shù)和電特性開始顯著地改進(jìn)。事實(shí)上，器件隨著變流器一同演進(jìn)。在20世紀(jì)的最后10年，控制和系統(tǒng)的演進(jìn)是如此的壯觀，以致我們定義它為“電力電子學(xué)的十年”。
可控硅晶閘管被用于大功率低頻應(yīng)用領(lǐng)域，如hvds系統(tǒng)，靜態(tài)相位控制型的靜態(tài)無功(var)補(bǔ)償，循環(huán)換流器和負(fù)載整流逆變器同步機(jī)拖動。目前，器件額定值可達(dá)到8000v和4000a，abb公司近期介紹的可控硅晶閘管ac開關(guān)電壓額定值為2.8kv-6.5kv，電流額定值3000-6000a。
由于可控硅晶閘管電壓源型變頻器市場的推動作用,導(dǎo)致了大容量gto的出現(xiàn)。目前，大容量電壓源型變頻器應(yīng)用的gto可達(dá)額定值6000v，6000a。功率mosfet已達(dá)到額定值，但它的初衷是用在高頻開關(guān)電源和輕便型儀表中。1998年，采用英凌飛技術(shù)(infineon technology),德國介紹了僅損失20%導(dǎo)電性而降低開關(guān)損耗的coolmos(600v)。然而用它的體二極管存在難題。由于高端igbt和低端功率mos的出現(xiàn)，bjt問世后逐漸地被廢棄。igbt的發(fā)明在功率半導(dǎo)體體器的歷史進(jìn)程中是重要的里程碑。商用igbt可達(dá)3500v，1200a，而在實(shí)驗(yàn)室測試條件下可達(dá)到6.5kv至10kv。減少導(dǎo)電性的溝道柵igbt可達(dá)到1200v，600a。從大量賣主那里買到的igbt智能式功率模塊600v，50-300a和1200a，50-150a，以達(dá)到覆蓋150馬力交流拖動應(yīng)用的范圍。
igct(也稱gct)基本上是具有注入柵驅(qū)動器的硬驅(qū)動gto，而設(shè)計(jì)是600v，6000a，(10kv器件是在試驗(yàn)室的測試值)。目前，abb公司介紹了用于電流型的逆變拖動，其換向阻斷igct為6000v，800a。硅碳化物(sic)大容量間隙功率半導(dǎo)體器件對下一代功率器件在高載流子靈活性、高電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性、強(qiáng)輻射剛度指標(biāo)方面有高度的保證。這些器件可被制造成有更高的電壓，更高的溫度，更高的頻率，和更低的導(dǎo)電壓降的設(shè)備。sic二極管可商用，在未來，其它器件用于商用也是有期望的。
3 變換器
基于不控整流原理工作的傳統(tǒng)二極管和相位控制的可控硅整流晶閘管變換器是最原始類型的變換器。整流變換器的可控硅整流晶閘管已普遍地用于調(diào)寬(mw)交流電機(jī)拖動。
由于電流波形失真變換器的相位控制產(chǎn)生波形失真的問題，此外，相位控制引起功率因數(shù)降低，嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定,出以方便消除諧波問題?；趐wm電壓型變換器原理的靜態(tài)無功(var)補(bǔ)償和有源濾波器(svc)，已分別研制出以解決功率因數(shù)和諧波問題。最近日本鐵路系統(tǒng)采用基于多步電壓型變換器原理的gto安裝了48mva的svc。因?yàn)閜wm變換器能以換流和整流兩種模式工作，它們能解決諧波和功率因數(shù)的相控變換器和循環(huán)變換器問題。在全世界，電壓型pwm變換器已建立并成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，正弦和空間矢量pwm技術(shù)被廣泛地應(yīng)用，但后者對隔離負(fù)載(如交流電動機(jī))具有改進(jìn)pwm質(zhì)量和較高的欠調(diào)制范圍的優(yōu)點(diǎn)。igbt通常用于中低功率的變換器，然而gto(及新近的igct)用在較高的功率級。寧可在高壓高功率應(yīng)用的三級變換器拓樸結(jié)構(gòu)，如同它給出二級逆變器一樣的pwm頻率一樣好的諧波性能。一個例子是幾年前麻省理工學(xué)院介紹的軋鋼廠10mva gto三級逆變同步電機(jī)拖動。在許多應(yīng)用方面，電流型變換器比電壓型變換器更具競爭性。在工業(yè)上大功率整流負(fù)載晶閘管逆變器同步電機(jī)拖是非常流行的。本質(zhì)上，它具有采用自控?fù)Q向器件(gto或igct)的雙向電壓型變換器那樣的同樣特點(diǎn)。
在近期文獻(xiàn)中，軟開關(guān)變換器有巨大的增長。傳統(tǒng)的電壓型和電流型變換器基于硬開關(guān)原理工作，而軟開關(guān)變換器基于零電壓或零電流(或兩者)開關(guān)原理，它的優(yōu)點(diǎn)是使器件開關(guān)損失最小，減少緩沖電路的體積，器件可靠性提高，減少了dv/dt強(qiáng)度，減少了電磁干擾(emi)問題，清除了拖動電機(jī)的承載電流和在逆變器電機(jī)之間長距離連接電纜電機(jī)端的電壓升高效應(yīng)(這些在硬開關(guān)變換器中是固有的問題)。雖然軟開關(guān)變換器已普遍用在高頻線路smps和諧振逆變器，但對交流電機(jī)拖動它們幾乎不在市場上出現(xiàn)。超功率電路元件、控制的復(fù)雜性和過分的要求或許是退位的理由。abb公司近期在電機(jī)端應(yīng)用lc低通濾波器，以解決在基于交流1000級拖動igct硬開關(guān)中的某些問題。
4 電機(jī)與傳動
電機(jī)的演進(jìn)，已使傳動系統(tǒng)以低速工作，并且奇跡般地比功率半導(dǎo)體設(shè)備和變換器更低。在高性能傳動方面，電機(jī)構(gòu)成一個非常復(fù)雜的機(jī)組。今天，對傳動系統(tǒng)工程而言，關(guān)于建模、控制、狀態(tài)和參數(shù)估計(jì)等的預(yù)先研究已成為激動人心的課題。由于用改進(jìn)的功率半導(dǎo)體設(shè)備的低成本變頻器，先進(jìn)的dsp，功能強(qiáng)大的asic芯片，先進(jìn)的控制和估計(jì)技術(shù)，交流傳動等的出現(xiàn)，感應(yīng)式和同步式電機(jī)傳動兩者都已廣泛地被應(yīng)用。然而，在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，用電壓型變頻器的籠式感應(yīng)電機(jī)拖動是最受歡迎的。在多調(diào)制寬度(mw)應(yīng)用方面，采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的slip power recovery拖動已被廣泛地在有限制的速度控制范圍應(yīng)用。同步電機(jī)拖動有改進(jìn)效率的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。然而，它的生命周期成本較低。此外，對變換器而言，功率因數(shù)為1或超前的功率因數(shù)運(yùn)行提供了很多優(yōu)點(diǎn)。大功率拖動(如軋鋼廠和船舶推進(jìn)裝置)應(yīng)用線繞式同步機(jī)(pwsm)，根據(jù)感應(yīng)電壓波形，通常分成梯形波和正弦波同步機(jī)。用變頻器位置傳感器和可控的梯形波同步電機(jī)拖動，因?yàn)樗c直接電動機(jī)性能類似，被定義成無刷直流電動機(jī)(bldm)。pmsm拖動被廣泛地用于纖維繞線廠、伺服系統(tǒng)、機(jī)器、ev/hv等領(lǐng)域。
5 控制和估計(jì)
當(dāng)今，先進(jìn)的傳動控制和無傳感器的估計(jì)技術(shù)是令人神往和富挑戰(zhàn)性的研究課題。雖然簡單的電壓/頻率控制已廣泛地被用于工業(yè)，在現(xiàn)代高性能直流拖動控制方面，面向場矢量控制的出現(xiàn)給帶來復(fù)興。盡管這類控制復(fù)雜，在未來它被期望是通用的。自適應(yīng)控制方法，如自校正控制(stc)，模型參數(shù)自適應(yīng)控制(mrac)，可調(diào)模式(sm)或變結(jié)構(gòu)控制(vs)，能方便地用在矢量控制方面。無傳感器的速度矢量控制再次成為流行的研究發(fā)展(r&d)課題。當(dāng)然無傳感器的速度矢量控制的商用拖動在市場已經(jīng)可用了。感應(yīng)電動機(jī)的速度估計(jì)問題已被提出，它涉及到滑差信號的綜合，模型參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)(mras)速度自適應(yīng)磁通觀測器(luenberger observer)，外推卡爾曼濾波，槽諧波和機(jī)器中輔助信號注入。在所有方法中，需要強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)械參數(shù)的變化是一個難以克服的困難，特別當(dāng)速度趨于零時(shí)。
在文獻(xiàn)中，一類增強(qiáng)性能的標(biāo)量控制，稱作dtc(直接轉(zhuǎn)矩控制，或直接轉(zhuǎn)矩和磁通控制)，它已在近來受到大量關(guān)注。由于與矢量控制和接近矢量控制性能相比，其控制簡單，在工業(yè)上已得到應(yīng)用。
近年來，人工智能技術(shù)(ai)，特別是模糊邏輯(fl)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)在電力電子學(xué)系統(tǒng)已顯示出很好的應(yīng)用前景。基于fl或ann，它能給出有負(fù)載擾動的非線性參數(shù)變化系統(tǒng)的魯棒性能和無須數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模糊邏輯已經(jīng)應(yīng)用于拖動的速度控制，磁通可編程效率的優(yōu)化控制，送風(fēng)和光電系統(tǒng)，矢量控制的可變增調(diào)節(jié)，電力電子學(xué)中的機(jī)器參數(shù)失真波形估計(jì)，診斷，非線性補(bǔ)償?shù)鹊?。ann是ai的更一般化形式，前饋和現(xiàn)流行的反饋ann已在磁滯帶和空間矢量pwm控制器，拖動反饋信號估計(jì)，模型辨識和自適應(yīng)拖動控制，多維空間查表，無時(shí)延濾波診斷，fft波形特征分析，失真電力電子波形估計(jì)等等方面ann已得到應(yīng)用。
6 結(jié)論
本文給出了在電力電子學(xué)和變頻交流拖動方面簡要而綜合的新近進(jìn)展回顧。拖動包括功率半導(dǎo)體元件，變換器，電機(jī)，拖動，控制和估計(jì)方法。學(xué)科的領(lǐng)域是龐大的，文中不可能覆蓋一些細(xì)節(jié)。除了在工業(yè)自動化和能源系統(tǒng)日益增長的應(yīng)用之外，當(dāng)人們更加強(qiáng)調(diào)“綠色動力”生產(chǎn)(如風(fēng)和光電系統(tǒng))、電氣和混合運(yùn)輸工具、燃料電池動力生成、聯(lián)合系統(tǒng)中大量的能源儲存和柔性交流傳動(fact)系統(tǒng)時(shí)，電力電子學(xué)的價(jià)值將正在增長。當(dāng)今，我們有一個正在增大的使人感到恐怖的能源危機(jī)柵網(wǎng)，在這種情況下，遠(yuǎn)離柵網(wǎng)的電力生產(chǎn)不僅要非?？煽慷乙皇軄碜钥植婪肿幽繕?biāo)的影響。在能源生產(chǎn)、電氣設(shè)備節(jié)能和環(huán)境污染控制方面，任何國家的能源政策，電力電子學(xué)的作用被足夠地強(qiáng)調(diào)的時(shí)代現(xiàn)在到來了。對美國，這是特別真切的，那里能源的胃口是貪得無厭。
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