有關(guān)電力電子技術(shù)

1、有關(guān)電力電子技術(shù)我們平常所說的電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和把握的技術(shù)。其中電力電子器件是指用半導(dǎo)體材料制成的功率電子器件，從1957年美國通用電氣公司研制的第一個晶閘管以來，到現(xiàn)在以進(jìn)展了不同類型的器件。晶閘管是通過對門極的把握能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。70年月后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件快速進(jìn)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的把握既可使其開通又可使其關(guān)斷。由于GTR和MOSFET的優(yōu)缺點是互補(bǔ)的（GTR具有開關(guān)容量大和導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點，而MO

2、SFET驅(qū)動電路的平均功率很小，工作頻帶寬、SOA大等優(yōu)點），而絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，所以在80年月后期， IGBT為代表的復(fù)合型器件快速進(jìn)展起來。此后，20世紀(jì)90年月消滅的集成門極換流晶閘管(IGCT)，結(jié)合了IGBT的高速開關(guān)特性和GTO的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗特性與一體，具有電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、牢靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗等特點，而且造成本低，成品率高，有很好的應(yīng)用前景。隨著集成技術(shù)的進(jìn)步，功率模塊漸漸向智能化方向進(jìn)展，也即模塊內(nèi)部除主電路功率器件之外，還包含相應(yīng)的各種接口電路、愛護(hù)電路（包含電流、過電壓、欠電壓和過熱等愛護(hù)）和驅(qū)動電路

3、，故稱智能模塊（IPM）。若進(jìn)一步將把握電路也包含在內(nèi)便稱為功率集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)進(jìn)展的一個重要方向。PWM是諸多斬波把握方式中的一種，它維持開關(guān)周期恒定并通過功率器件的占空比把握輸出量的大少，最初應(yīng)用于直流變換電路，而后將這種方式與頻率把握相結(jié)合，產(chǎn)生了應(yīng)用于逆變電路；通過轉(zhuǎn)變調(diào)制信號頻率實現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)整；用轉(zhuǎn)變調(diào)制信號復(fù)制實現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)整。由于PWM把握方式在DC/DC和DC/AC變換領(lǐng)域中所顯示出來的優(yōu)點，人們開頭嘗試將它推廣應(yīng)用到了整流電路和溝通變換電路。在整流電路中接受PWM把握方式、功率器件改為IGBT等全控型器件，就可以解決用SCR構(gòu)成并

4、接受相位把握方式所產(chǎn)生的網(wǎng)策功率因數(shù)低、諧波含量高等有害于網(wǎng)間負(fù)載及電網(wǎng)質(zhì)量的缺點。在溝通變換電路中接受PWM把握方式，可以在不同程度上克服電網(wǎng)頻率低、輸出電壓諧波含量高、把握時滯長和裝置程度大等弱點。由此可見，PWM技術(shù)已成為全部電能變換電路均可應(yīng)用的一種普遍技術(shù)。對器件所在電路進(jìn)行改造以實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)稱為軟開關(guān)技術(shù)，它是當(dāng)今電力電子技術(shù)的進(jìn)展前沿之一。實現(xiàn)軟開關(guān)的主要技術(shù)措施有：1）主要借助器件把握信號時序的合理支配以實現(xiàn)軟開關(guān)，此類電路泛稱把握型軟開關(guān)電路；2）在電路中增設(shè)無源或有源緩沖電路以實現(xiàn)軟開關(guān)，此類電路泛稱緩沖型軟開關(guān)電路；3）在直流測設(shè)置諧振電路，將直流電壓轉(zhuǎn)變成高占空比的高

5、頻脈沖列，后續(xù)電路器件的狀態(tài)更迭若保持在直流輸入電壓的零壓期中進(jìn)行，電路便能實現(xiàn)軟開關(guān)，此類電路泛稱直流諧振型軟開關(guān)電路。其中緩沖軟開關(guān)電路的作用是改善器件的開關(guān)軌跡，以抑制EMI，減低開關(guān)中必需承受的電流和電壓應(yīng)力，從而降低開關(guān)損耗；把握型軟PWM電路是指依藉把握方法以實現(xiàn)軟PWM開關(guān)的電路，由于具有簡潔牢靠的特點，得到各方面重視；直流諧振軟PWM電路是指接受了直流諧振環(huán)的電路，它也是基于集中換流的思想，與SCR電路有肯定的關(guān)聯(lián)，但還未廣泛應(yīng)用。由此看出，高頻化是軟開關(guān)技術(shù)一種必定的進(jìn)展方向，但應(yīng)依據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，合理選擇開關(guān)頻率會減輕軟開關(guān)技術(shù)所必需面對的壓力。電力電子電路指由半導(dǎo)體電力

6、電子器件組成的電路，按電路的作用可分為主電路和把握電路兩部分，其中主電路又稱功率電路，它依靠功率器件的開關(guān)性能和電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電能變換；把握電路是依據(jù)接受的把握策略和工具對把握信號進(jìn)行必要的加工處理以形成功率器件把握極信號，實現(xiàn)對電能的變換和把握。我們常說的電能變化電路為：直流變換電路、溝通變換電路、逆變電路和整流電路。凡將直流電能參數(shù)加以變換的電路泛稱為直流變換電路。直流變換電路按輸入輸出電壓可分為降壓型電路（凡輸出電壓平均值低于其輸入電壓平均值的電路）、升壓型電路和升/降壓型電路。按是否帶有隔離變壓器可以分為隔離型電路和非隔離型電路。隔離型電路是指輸入與輸出間具有電隔離的直流交換電路，實現(xiàn)隔

7、離最常用的方法是接受磁耦合，即帶有輸出變壓器。隔離型電路種類很多，按輸出變壓器繞組極性課分為反激式和正激式電路；非隔離型電路常用的拓?fù)溆校篵uck,boost,buck/boost,cuk,sepic,zeta。按工作范圍可分為單象限、雙象限和四象限電路。其中單象限電路中的單象限降壓型電路在有關(guān)資料中也成Buck電路，如圖1-1所示，單象限升壓型電路在有關(guān)資料中也稱Boost電路，與Buck電路 圖1-1 單象限降壓型主電路 圖1-2 單象限升壓型主電路在拓?fù)渖鲜菍ε嫉模鐖D1-2所示。以上單象限直流變換電路的特點是輸出電壓平均值U0隨占空比D值而變，但不管D為何值，U0的極性始終為正，即電路

8、運(yùn)行于外特性的第一象限。這對于直流開關(guān)電源一類設(shè)備是能夠滿足要求的，但對直流調(diào)速系統(tǒng)和不間斷電源系統(tǒng)等設(shè)備不能完全滿足要求，因而進(jìn)展了多象限直流變換電路。所謂電流雙象限電路是指輸出電流平均值I0的幅值和極性均隨把握電壓us而變，但輸出電壓平均值U0的極性卻始終為正，即電路僅運(yùn)行于第一和其次象限。當(dāng)負(fù)載為直流電動機(jī)時，可構(gòu)成具有再生制動力量的不行逆調(diào)速系統(tǒng)，如車牽引系統(tǒng)，當(dāng)電路工作于第一象限時，電動機(jī)運(yùn)行于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)；當(dāng)減速或停車時，電路則轉(zhuǎn)到其次象限，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)處于正轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，將電動機(jī)儲能反饋回電源以節(jié)省電能。所謂電壓雙象限電路是電路輸出電壓平均值U0的幅值和極性均隨把握信號us而變，但輸

9、出電壓平均值I0的極性卻始終為正，即電路可工作在第一象限和第四象限。但負(fù)載為直流電動機(jī)可構(gòu)成適用于位負(fù)載的調(diào)速系統(tǒng)，如卷揚(yáng)機(jī)提升機(jī)構(gòu)的電力拖動系統(tǒng)便屬于這一類。對于帶抵制型負(fù)載的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，前述各種變換電路都無法滿足，從而進(jìn)展了能在四象限內(nèi)運(yùn)行的直流變換電路。直流變換電路可用于構(gòu)成直流調(diào)速電源和開關(guān)電源等。PWM直流變換電路的應(yīng)用能夠客服傳統(tǒng)相頻電路的缺點，更適合于車輛電力傳動和各種伺服系統(tǒng)；而對于開關(guān)電源，由于接受開關(guān)頻率較高的斬控開關(guān)方式，直流變換電路克服了電源存在的效率低、體積大和牢靠性差等缺點，成為廣泛應(yīng)用的新型開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源（簡稱開關(guān)電源）。凡能將直流電能轉(zhuǎn)換成溝通電能的變

10、換電路泛稱逆變電路，在應(yīng)用中構(gòu)成靜止式溝通電源系統(tǒng)。逆變電路中以公共電網(wǎng)為負(fù)載的稱為有緣逆變電路，反之，直接向用電負(fù)載供電的則稱為無源逆變電路。逆變電路依據(jù)直流電源輸出濾波器的形式不同可分為電壓源和電流源兩類，前者在直流端并聯(lián)電容，抑制電壓紋波，使直流電源近似為電壓源，另一方面為來自溝通側(cè)的無功電流供應(yīng)通路，后者在直流側(cè)串聯(lián)大電感以抑制電流紋波，使直流側(cè)近似為電流源，同時為來自逆變側(cè)無功電壓重量供應(yīng)支撐，維持電路電壓平衡，保證無功功率傳輸。電壓源單相全橋式電路如1-3所示，單相半橋式電路如1-4所示。由圖可見，全橋電路是有兩個半橋電路組成，后者雖然電路簡潔，但輸出電壓低，適用于小容量場合；前者

11、 圖1-3 單相全橋式電路 圖1-4 單相半橋式電路輸出電壓提高一倍，適用于容量相對較高的場合。逆變電路依據(jù)把握方式不同，可分為方波電路和PWM電路（包含單極性電路和雙極性電路）；依據(jù)輸出相數(shù)不同，可分為單相電路和三相電路。由此，產(chǎn)生的比較典型的組合有單相方波逆變電路、單相SPWM逆變電路、三相方波逆變電路和三相SPWM逆變電路。其中雙極PWM技術(shù)輸出的電壓波形取值僅為vi和-vi，而單極PWM技術(shù)輸出的波形能瞬間取值為vi、-vi和0三個值之一。方波逆變電路具有輸出電壓不行調(diào)、輸出電壓諧波含量高和直流電壓利用率低等特點；而SPWM逆變電路雖然具有輸出電壓可調(diào)和諧波含量低等優(yōu)點，但也存在以下弱

12、點：1）直流電壓利用率低，2）功率器件開關(guān)損耗大，3）電路工作優(yōu)化技術(shù)。將斬控技術(shù)與頻控方式相結(jié)合產(chǎn)生的PWM逆變電路，因兼具調(diào)壓變頻功能，輸出諧波含量又得以減小， PWM把握技術(shù)在逆變電路中得以廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。利用全控型器件組成的逆變電路簡稱全控型逆變電路或直稱IGBT逆變電路、IGCT逆變電路等。由于這類電路和半控型電路比較有功密高、性能好和噪音低等優(yōu)點，因而在各個領(lǐng)域上取代了SCR和GTO電路，也是逆變電路的進(jìn)展方向之一。逆變器的一些應(yīng)用，如：溝通調(diào)速傳動（ADS）、不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、靜態(tài)無功補(bǔ)償、柔性溝通數(shù)電系統(tǒng)（FACTS）。

13、將一種溝通電能轉(zhuǎn)換成具有另種參數(shù)溝通電能的過程稱為溝通變換，凡能實現(xiàn)這種變換的電路泛稱溝通變換電路（AC/AC變換電路）。依據(jù)變換參數(shù)不同，溝通變換可分為電壓變換和頻率變換兩大類，只轉(zhuǎn)變電壓幅值而不轉(zhuǎn)變頻率的變換電路為溝通調(diào)壓電路，既轉(zhuǎn)變頻率又調(diào)壓的變換電路稱為變頻電路。變頻電路又分為直接變頻電路和間接變頻電路：間接變頻電路又稱為含中間直流環(huán)節(jié)的變頻電路，它先將工頻電網(wǎng)溝通電能經(jīng)整流器變換為直流電能，再由逆變器轉(zhuǎn)換為另一種頻率的溝通電能。這種電路由于結(jié)構(gòu)簡潔，技術(shù)比較成熟，生產(chǎn)上已得到普遍應(yīng)用，但由于功率變換級數(shù)多，造成了整機(jī)效率不高。直接變頻指無直流中間環(huán)節(jié)的單極電路結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點正與間接式

14、電路互補(bǔ)，是現(xiàn)在變流技術(shù)的一個進(jìn)展方向。依據(jù)能量能否在溝通電源和負(fù)載之間雙向流淌，溝通變換電路可分為雙向溝通變換電路和單相溝通變換電路。由半空型器件構(gòu)成的直接變頻電路容量大，可用于同步電動機(jī)和異步電動機(jī)的電力傳動系統(tǒng)（作為VVVF電源）；對于容量較小的恒壓恒頻電源（CVCF電源），傳統(tǒng)的PWM逆變電路已難以滿足要求，為此進(jìn)展了無工頻輸出變壓器的高頻鏈電源結(jié)構(gòu)，但此結(jié)構(gòu)還存在功率變換級數(shù)太多和功率單相傳輸?shù)热觞c。為了解決上述問題，就可以接受具有雙向功率傳遞力量的直接變頻電路，且是由有IGBT等全控型器件組成的電路。AC-AC變換器主要包括溝通電壓把握器和周波變流器，其中溝通電壓把握器主要應(yīng)用于燈

15、光調(diào)整中有效電壓或有效電流的把握、家庭或工業(yè)加熱把握、風(fēng)機(jī)速度把握、異步電動機(jī)的軟啟動和靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鏖_關(guān)等；周波變流器應(yīng)用于對于恒頻輸入的大功率低速可逆電動機(jī)的傳動和像變速恒頻系統(tǒng)，對于輸入頻率可變的恒頻電源等。凡能直接將溝通電能變換成直流電能的電路泛稱為整流電路。在全部電能基本轉(zhuǎn)換中，整流是最早消滅的一種。依據(jù)電路器件開關(guān)頻率的凹凸，整流電路可分為高頻電路和低頻電路兩大類。對于整流電路，相控式電路屬于低頻電路，它是全部半導(dǎo)體變流電路中歷史最長、技術(shù)最成熟且應(yīng)用最廣泛的一種電路；PWM整流電路屬于高頻電路，它是接受PWM把握方式和全控型器件組成的電路，在不同程度上解決傳統(tǒng)低頻整流電路存在的問題，得到國內(nèi)外的重視，是一種新型電路。隨著微機(jī)及數(shù)字信號處理器（DSP）性能的提高、SVPWM技術(shù)的日漸成熟，也由于其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與逆變電路格外相像（因此逆變電路獲得成功的閱歷和技術(shù)都可以順當(dāng)?shù)匾浦驳絇WM整流電路），PWM整流電路終將成為整流電路的