研發(fā)超音頻寬帶正弦波電源的歷史意義

?許多連續(xù)的周期性運動形式，都是按正弦規(guī)律變化的，如車輪滾動時任意點的運動軌跡、單擺及弦振動、汽缸內活塞的往復運動和壓電陶瓷材料的長度變化等等，電工學也不例外。?????
??? 能量轉換的形式極為重要，其內容將涉及執(zhí)行程序和輔助功能，二者的融會貫通成為系統(tǒng)的核心，能量通過轉換將發(fā)生質的變化。內燃機將燃料能轉換成扭矩后傳送于水泵（負載），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；當負載換成了陸上行走裝置時則變成了汽車。倘使汽油和發(fā)動機換成食物、牲口或人力的話，將以別樣的風光走上節(jié)省能源之路。由于應用領域的不同，負載特征差異極大，于是拓展了將一種能源轉換為另一種能源的過程形式，典型的事例為將燃料能轉換為電能的發(fā)電機組，由燃料能轉換為動能（鍋爐）；又由動能轉換為扭矩（汽輪機）；再由扭矩通過發(fā)電機最終轉換為電能的發(fā)電廠僅僅完成了能量轉換。頻率為50Hz的交流市電業(yè)已成為標準，各類用電器具的匹配都趨向這一標準，從而形成為產業(yè)和后續(xù)的產業(yè)鏈。緣于輸電工程和用電單元的需求，電力變壓器承擔了改變電源電壓為目的的能量轉換。當應用需要改變電源頻率時，電動機與發(fā)電機的組合能夠完成能量轉換，當又需要更高的應用頻率時，普通發(fā)電機由于受制于物體機械運動速度而無法實現，能量轉換的內容和形式必將發(fā)生變化。顯然，因為負載必須匹配能量源及轉換環(huán)節(jié)，又因為同時必須配合執(zhí)行程序及輔助功能和附件，所以，忽略整體構造和分散連結的差異，一般說來這一推理無疑是合乎邏輯的。當然，狹義的理解則為簡單或復雜化。
??? 在交流傳動場合，多數負載需要輸入的是正弦波電流，由于高頻率應用領域的需求，同時隨著電力電子技術和功率半導體器件的迅速發(fā)展，通過對靜態(tài)變流器技術的研究，在能量轉換過程中，超音頻正弦波輸出和能夠連續(xù)變頻的電源將能夠實現。
??? 電工學認為，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。因此在工程應用中，嚴格的說，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，而功率半導體器件工作于模擬狀態(tài)時，影響轉換效率的器件內阻損耗劇增，于是，用開關量取代模擬量成為必由之路，并歸結為脈沖電路的運行過程，同時也體現了設計或構思的目的與手段。
??? 能夠得以實施的形式就其輸出波形的基本結構分為調幅波和調寬波及其組合。
??? 脈沖幅值調制法（Pulse Amplitude Modulation? 簡稱PAM）的基本概念是利用多個相同但輸出電壓幅值不同的方波（矩形波）逆變器，使其依次錯開給定的相位角，然后做相當于正弦函數值的幅值疊加，形成面積等效于正弦波的階梯形正弦化電流輸出，連續(xù)的階梯或電平數越多則輸出波形的精度就越高。因為幅值的改變通常都依賴于變壓器或阻抗變換器，而高頻率電感元件的匝數極少，不是線性的正弦函數的運算結果必然會出現分數匝，由于很難處理分數匝數而不被普遍采用。
??? 始于1975年推廣應用的正弦波脈寬調制（Sinusoidal pulse Width Modulation 簡稱SPWM）技術是一種基于面積等效理念的能量轉換形式，其原理十分簡單而且直觀。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，并越來越多的與其他科學領域相互交叉和滲透，且朝著高性能、高效率、大容量、低污染和模塊化的方向邁進。
??? 正弦脈寬調制法（SPWM）的基本概念是將每一正弦周期內的多個脈沖作自然或規(guī)則的寬度調制，使其依次調制出相當于正弦函數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（正弦調制波）與所含調制輸出的脈沖總數之比即為載波比，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頻率，在高頻率應用場合會帶來很大的開關損耗，甚至沒有器件可供選擇，所以，載波比必須作首要的權衡。
??? 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于在更高的頻率環(huán)境中運行，必須降額使用，因而也限制了系統(tǒng)頻率的提高，所以，控制方法相應不易取得理性的進步，故單純型單脈沖方波交流逆變電源仍為目前應用主流。
??? 單純型方波交流電源的應用效果是不理想的，例如交流電動機內部工作于圓形旋轉磁場，當輸入方波交流電流時，其效率將降低5%～7%,功率因數下降8%左右，而電流卻增加了10%，并導致發(fā)熱量提高，噪聲增大和對環(huán)境及電網產生干擾或污染。由于方波電源與正弦理論計算值誤差偏移很大，低次諧波含量造成的電磁干擾（EMI）污染環(huán)境及電網，對負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。尤其在大容量場合，其弊端則有增無減。
??? 超音頻正弦應用在節(jié)能和環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢，其效率能提臻至95%左右，特別是當負載工作于諧振狀態(tài)時，諧振條件易于建立，諧振頻率必將落在理論計算值的左右近旁。應用于電磁感應加熱如熱水器、開水爐、灶具、電鍋爐、淬火及退火設備、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)的經濟和社會效益十分顯著。由于SPWM波具有多脈沖結構的屬性，輸出正弦量的諧波含量相對較少，由此造成的公害也相應減少。
??? 超音頻正弦應用在改善系統(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頻激振時，其沖擊作用非但易使材料開裂，同時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、重量和導電材料的消耗也同時降低 ，對節(jié)約資源、提高生產效率和降低成本方面也都大有幫助，對于器件和負載的沖擊也變得柔和。又如船用聲納電源，據悉目前世界各國的聲納頻率都在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現變頻及掃頻形式的頻率捷變，對探測技術的發(fā)展具有現實意義。
??? 超音頻正弦電源的跨學科應用也不可小覷，高頻應用和綜合應用有時能獲得意想不到的特殊效果。當高頻淬火的冷卻介質配合施于機械超音頻功率時，可減少工件內應力和微裂紋的產生，甚至可以實現低碳鋼淬火；冷拔線材時給拉絲模具施于機械超聲力后，能降低拉拔牽引力40%左右進而提高生產線速度數倍。
??? 中小功率的超音頻電源在機械及輕工方面也有著廣泛的應用，例如機械加工的超聲焊接、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；臨床應用如激振碎石、腫瘤的聚焦燒蝕手術以及按摩美容保健理療等；其他如塑料、輕紡、食品及農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夯實也可能獲得應用。
??? 另外，方法論的確立必然得益于鄰近領域的變革，將職能系統(tǒng)的局部功能移植至現有應用，同樣有利于拓展其空間，例如單脈方波的高頻端領域的研發(fā)等。
??? 寬范圍變頻正弦波電源在科研和國防領域同樣具有很大的潛力。由于這一應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準，而在特定條件下的應用是必不可少的，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懸浮低壓電源與負偏置低壓電源和可調功率的能量供給高壓電源，與負載匹配之后引入反饋環(huán)節(jié)和保護、調節(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。
??? 有別于仿真的工程實踐涉及安全、成本、可靠性、穩(wěn)定性及結構工藝性、一致性及質量控制等眾多思考，因而，實驗將是有針對性的。有人認為電力電子技術是二十一世紀僅次于計算機技術的研究課題之一，面對人類遭遇能源、資源和環(huán)境危機的同時，也將促進電力電子技術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)拓寬了應用領域的范圍而具有廣闊的前景和深遠意義。電源技術的升級有待各界致力。