超音頻寬帶正弦波電源

研發(fā)超音頻寬帶正弦波電源的歷史意義

?許多連續(xù)的周期性運(yùn)動(dòng)形式，都是按正弦規(guī)律變化的，如車輪滾動(dòng)時(shí)任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、單擺及弦振動(dòng)、汽缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和壓電陶瓷材料的長(zhǎng)度變化等等，電工學(xué)也不例外。?????
??? 能量轉(zhuǎn)換的形式極為重要，其內(nèi)容將涉及執(zhí)行程序和輔助功能，二者的融會(huì)貫通成為系統(tǒng)的核心，能量通過轉(zhuǎn)換將發(fā)生質(zhì)的變化。內(nèi)燃機(jī)將燃料能轉(zhuǎn)換成扭矩后傳送于水泵（負(fù)載），二者再加上執(zhí)行程序及輔助功能和附件后，從而生成了抽水機(jī)；當(dāng)負(fù)載換成了陸上行走裝置時(shí)則變成了汽車。倘使汽油和發(fā)動(dòng)機(jī)換成食物、牲口或人力的話，將以別樣的風(fēng)光走上節(jié)省能源之路。由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，負(fù)載特征差異極大，于是拓展了將一種能源轉(zhuǎn)換為另一種能源的過程形式，典型的事例為將燃料能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)組，由燃料能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能（鍋爐）；又由動(dòng)能轉(zhuǎn)換為扭矩（汽輪機(jī)）；再由扭矩通過發(fā)電機(jī)最終轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電廠僅僅完成了能量轉(zhuǎn)換。頻率為50Hz的交流市電業(yè)已成為標(biāo)準(zhǔn)，各類用電器具的匹配都趨向這一標(biāo)準(zhǔn)，從而形成為產(chǎn)業(yè)和后續(xù)的產(chǎn)業(yè)鏈。緣于輸電工程和用電單元的需求，電力變壓器承擔(dān)了改變電源電壓為目的的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)應(yīng)用需要改變電源頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的組合能夠完成能量轉(zhuǎn)換，當(dāng)又需要更高的應(yīng)用頻率時(shí)，普通發(fā)電機(jī)由于受制于物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度而無法實(shí)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換的內(nèi)容和形式必將發(fā)生變化。顯然，因?yàn)樨?fù)載必須匹配能量源及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，又因?yàn)橥瑫r(shí)必須配合執(zhí)行程序及輔助功能和附件，所以，忽略整體構(gòu)造和分散連結(jié)的差異，一般說來這一推理無疑是合乎邏輯的。當(dāng)然，狹義的理解則為簡(jiǎn)單或復(fù)雜化。
??? 在交流傳動(dòng)場(chǎng)合，多數(shù)負(fù)載需要輸入的是正弦波電流，由于高頻率應(yīng)用領(lǐng)域的需求，同時(shí)隨著電力電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，通過對(duì)靜態(tài)變流器技術(shù)的研究，在能量轉(zhuǎn)換過程中，超音頻正弦波輸出和能夠連續(xù)變頻的電源將能夠?qū)崿F(xiàn)。
??? 電工學(xué)認(rèn)為，周期性的非正弦波交流是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波可以分解為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。因此在工程應(yīng)用中，嚴(yán)格的說，任何正弦波均可理解為畸變波向正弦波的逼近。
??? 由于正弦交流電源是典型的模擬量，而功率半導(dǎo)體器件工作于模擬狀態(tài)時(shí)，影響轉(zhuǎn)換效率的器件內(nèi)阻損耗劇增，于是，用開關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖電路的運(yùn)行過程，同時(shí)也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)或構(gòu)思的目的與手段。
??? 能夠得以實(shí)施的形式就其輸出波形的基本結(jié)構(gòu)分為調(diào)幅波和調(diào)寬波及其組合。
??? 脈沖幅值調(diào)制法（Pulse Amplitude Modulation? 簡(jiǎn)稱PAM）的基本概念是利用多個(gè)相同但輸出電壓幅值不同的方波（矩形波）逆變器，使其依次錯(cuò)開給定的相位角，然后做相當(dāng)于正弦函數(shù)值的幅值疊加，形成面積等效于正弦波的階梯形正弦化電流輸出，連續(xù)的階梯或電平數(shù)越多則輸出波形的精度就越高。因?yàn)榉档母淖兺ǔ６家蕾囉谧儔浩骰蜃杩棺儞Q器，而高頻率電感元件的匝數(shù)極少，不是線性的正弦函數(shù)的運(yùn)算結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)分?jǐn)?shù)匝，由于很難處理分?jǐn)?shù)匝數(shù)而不被普遍采用。
??? 始于1975年推廣應(yīng)用的正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse Width Modulation 簡(jiǎn)稱SPWM）技術(shù)是一種基于面積等效理念的能量轉(zhuǎn)換形式，其原理十分簡(jiǎn)單而且直觀。通過30多年的努力，成為一門新興并蓬勃發(fā)展的電力電子技術(shù)，并越來越多的與其他科學(xué)領(lǐng)域相互交叉和滲透，且朝著高性能、高效率、大容量、低污染和模塊化的方向邁進(jìn)。
??? 正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）的基本概念是將每一正弦周期內(nèi)的多個(gè)脈沖作自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當(dāng)于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，形成等幅不等寬的正弦化電流輸出。其中每周基波（正弦調(diào)制波）與所含調(diào)制輸出的脈沖總數(shù)之比即為載波比，理論上載波比越大輸出精度也越高，但過大的載波比也意味著極高的開關(guān)頻率，在高頻率應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)帶來很大的開關(guān)損耗，甚至沒有器件可供選擇，所以，載波比必須作首要的權(quán)衡。
??? 然而，由于SPWM控制中載波比的存在，使其難以提高正弦量輸出的頻率值，又由于非線性造成大占空比這一問題，功率器件的頻率特征則相當(dāng)于在更高的頻率環(huán)境中運(yùn)行，必須降額使用，因而也限制了系統(tǒng)頻率的提高，所以，控制方法相應(yīng)不易取得理性的進(jìn)步，故單純型單脈沖方波交流逆變電源仍為目前應(yīng)用主流。
??? 單純型方波交流電源的應(yīng)用效果是不理想的，例如交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作于圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)輸入方波交流電流時(shí)，其效率將降低5%～7%,功率因數(shù)下降8%左右，而電流卻增加了10%，并導(dǎo)致發(fā)熱量提高，噪聲增大和對(duì)環(huán)境及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾或污染。由于方波電源與正弦理論計(jì)算值誤差偏移很大，低次諧波含量造成的電磁干擾（EMI）污染環(huán)境及電網(wǎng)，對(duì)負(fù)載和器件的沖擊影響可靠性和壽命，更不利于改善系統(tǒng)性能。尤其在大容量場(chǎng)合，其弊端則有增無減。
??? 超音頻正弦應(yīng)用在節(jié)能和環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢(shì)，其效率能提臻至95%左右，特別是當(dāng)負(fù)載工作于諧振狀態(tài)時(shí)，諧振條件易于建立，諧振頻率必將落在理論計(jì)算值的左右近旁。應(yīng)用于電磁感應(yīng)加熱如熱水器、開水爐、灶具、電鍋爐、淬火及退火設(shè)備、石油輸送管道的無明火加熱及煉鋼電爐之類的高能耗企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。由于SPWM波具有多脈沖結(jié)構(gòu)的屬性，輸出正弦量的諧波含量相對(duì)較少，由此造成的公害也相應(yīng)減少。
??? 超音頻正弦應(yīng)用在改善系統(tǒng)性能和節(jié)約原材料消耗方面也具特色，如方波交流電流輸入于脆性的壓電陶瓷材料作點(diǎn)頻激振時(shí)，其沖擊作用非但易使材料開裂，同時(shí)也影響正常使用壽命和可靠性，而且更大功率的用途也受到限制。尤其在高頻應(yīng)用的特殊條件下，貯能和濾波元件的容量都將大副減少，電感元件的體積、重量和導(dǎo)電材料的消耗也同時(shí)降低 ，對(duì)節(jié)約資源、提高生產(chǎn)效率和降低成本方面也都大有幫助，對(duì)于器件和負(fù)載的沖擊也變得柔和。又如船用聲納電源，據(jù)悉目前世界各國(guó)的聲納頻率都在2.5kHz～25kHz之間，將方波電源換成正弦電源之后，除了提高可靠性外，既改善了性能又能增大輸出功率，還能提高使用頻率和實(shí)現(xiàn)變頻及掃頻形式的頻率捷變，對(duì)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。
??? 超音頻正弦電源的跨學(xué)科應(yīng)用也不可小覷，高頻應(yīng)用和綜合應(yīng)用有時(shí)能獲得意想不到的特殊效果。當(dāng)高頻淬火的冷卻介質(zhì)配合施于機(jī)械超音頻功率時(shí)，可減少工件內(nèi)應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，甚至可以實(shí)現(xiàn)低碳鋼淬火；冷拔線材時(shí)給拉絲模具施于機(jī)械超聲力后，能降低拉拔牽引力40%左右進(jìn)而提高生產(chǎn)線速度數(shù)倍。
??? 中小功率的超音頻電源在機(jī)械及輕工方面也有著廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)械加工的超聲焊接、鉚切與成形、精密切削及模具研磨和超聲清洗等；化工醫(yī)藥方面能完成超聲粉碎、分散、勻化、滲透、乳化、霧化、除垢及殺菌消毒功能；臨床應(yīng)用如激振碎石、腫瘤的聚焦燒蝕手術(shù)以及按摩美容保健理療等；其他如塑料、輕紡、食品及農(nóng)作物育種等用途也不勝枚舉，甚至建筑行業(yè)的靜音混凝土振搗和基礎(chǔ)夯實(shí)也可能獲得應(yīng)用。
??? 另外，方法論的確立必然得益于鄰近領(lǐng)域的變革，將職能系統(tǒng)的局部功能移植至現(xiàn)有應(yīng)用，同樣有利于拓展其空間，例如單脈方波的高頻端領(lǐng)域的研發(fā)等。
??? 寬范圍變頻正弦波電源在科研和國(guó)防領(lǐng)域同樣具有很大的潛力。由于這一應(yīng)用頻段在頻譜的空白位置，所以，研究課題量將是極大的。
??? 由于超音頻寬頻帶正弦逆變電源使用效果有其特殊的屬性，不易形成通用的電源標(biāo)準(zhǔn)，而在特定條件下的應(yīng)用是必不可少的，尤其這一電源不僅是通常所說的電源管理，其中包含有PWM共地低壓電源、PWM懸浮低壓電源與負(fù)偏置低壓電源和可調(diào)功率的能量供給高壓電源，與負(fù)載匹配之后引入反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)、調(diào)節(jié)等輔助功能，集合成的職能系統(tǒng)將能完成期望的各種不同的任務(wù)。
??? 有別于仿真的工程實(shí)踐涉及安全、成本、可靠性、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)工藝性、一致性及質(zhì)量控制等眾多思考，因而，實(shí)驗(yàn)將是有針對(duì)性的。有人認(rèn)為電力電子技術(shù)是二十一世紀(jì)僅次于計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究課題之一，面對(duì)人類遭遇能源、資源和環(huán)境危機(jī)的同時(shí)，也將促進(jìn)電力電子技術(shù)和功率器件的不斷提高，超音頻寬頻帶功率正弦波電源的開發(fā)拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域的范圍而具有廣闊的前景和深遠(yuǎn)意義。電源技術(shù)的升級(jí)有待各界致力。