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日期:2008-10-14 10:04:19 

一、电力电子技术及特点

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术,它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成,故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理,而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心,伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。

电力电子技术可以理解为功率强大,可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术,它与传统的电子技术相比,其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压,而且要考虑在大功率情况下,器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题,对于大功率的电子电路,器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。

电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的,“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同,只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述,可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。

电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分,它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源,从两种电路的分析方法上讲也是一致的,只是两者应用的目的不同,前者用于电力变换,后者用于信息处理。

电力电子技术广泛应用于电气工程中,这就是电力电子学和电力学的主要关系。电力学就是电工科学或电气工程,各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电以及高性能交、直流电源等电力系统和电气工程中,因此,把电力电子技术归于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。电力电子技术的不断进步大大地推动了电气工程实现现代化的进程。

控制理论广泛用于电力电子技术中,它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善,可以满足人们的各种需求。电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术,是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。此外,控制理论和自动化技术是密不可分的,而电力电子装置又是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

二、电力电子技术的发展历史

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用,因此,电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史,如图2所示。


一般认为,电力电子技术的开始是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志的。但在晶闸管出现之前,电力电子技术就已经用于电力变换了。因此,晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期。

1876年出现了硒整流器。1904年出现了电子管,它能在真空中对电子流进行控制,并应用于通信和无线电,从而开创了电子技术之先河。1911年出现了金属封装水银整流器,它把水银封于管内,利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制,其性能与晶闸管类似。20世纪30~50年代,是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动。

20世纪50年代初,1953年出现了锗功率二极管;1954年出现了硅二极管,普通的半导体整流器开始使用;1957年诞生了晶闸管,一方面由于其变换能力的突破,另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制,使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组,进而使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式,具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此,其优越的电气性能和控制性能,在工业上引起一场技术革命。

在以后的20年内,随着晶闸管特性不断提高,晶闸管已经形成了从低电压、小电流到高电压、大电流的系列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件,如快速晶闸管(FST)、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、光控晶闸管(LTT)等器件,大大地推动各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用,促进了工业技术的进步,形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件,也称为传统电力电子技术阶段。

晶闸管通过对门极的控制可以使其导通,而不能使其关断,因此属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压这2个方面,晶闸管系列器件仍然有一定的发展余地,但因下述原因阻碍了它们的继续发展:①由于它是半控器件,要想关断它必须用强迫换相电路,结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以及可靠性下降;②由于器件的开关频率难以提高,一般低于400Hz,大大限制了它的应用范围;③由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波,不但电路功率因数降低,而且对电网产生“公害”。随着工业生产的发展,迫切要求新的器件和变流技术出现,以便改进或取代传统的电力电子技术。

20世纪70年代后期,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(Power MOSFET)为代表的第二代自关断全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是,通过对门极(基极、栅极)的控制既可以使其开通,又可以使其关断。另外,这些器件的开关速度普遍高于晶闸管,可以用于开关频率较高的电路。全控器件优越的特性使其逐渐取代了变流装置中的晶闸管,把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。

和晶闸管电路的相位控制方式想对应,采用全控型器件的电路主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位。它使电路的控制性能大大改善,使以前难以实现的功能得以实现,对电力电子技术的发展产生了深远的影响。

20世纪80年代,出现了以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的第三队复合型场控半导体器件,另外还有静电感应式晶体管(SIT)、静电感应式晶闸管(SITH)、MOS晶闸管(MCT)等。这些器件不仅有很高的开关频率,一般为几十到几百千赫兹,而且有更高的耐压性,电流容量大,可以构成大功率、高频的电力电子电路。

20世纪80年代后期,电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化,按照电力电子电路的各种拓扑结构,将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中,这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现在已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件(PIC),它将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上,开辟了电力电子器件智能化的方向,应用前景广阔。目前经常使用的智能化功率模块(IPM),除了集成功率器件和驱动电路以外,还集成了过压、过流和过热等故障检测电路,并可将监测信号传送至CPU,以保证IPM自身不受损害。

新型电力电子器件呈现出许多优势,它使得电力电子技术发生了突变,进入了现代电力电子技术阶段。现代电力电子技术的主要特点是:

(1)       全控化

全控化是由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件,是电力电子器件在功能上的重大突破。自关断器件实现了全控化,取消了传统电力电子器件的复杂换相电路,使电路大大简化。

(2)       集成化

集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同,所有的全控型器件都是由许多单元器件并联在一起,集成在一个基片上。

(3)       高频化

高频化是指随着器件集成化的实现,同时也提高了器件的工作速度,例如GTR可工作在10kHz频率以下,IGBT工作在几十千赫兹以上,功率MOSFET可达数百千赫兹以上。

(4)       高效率化

高效率化体现在器件和变换技术这2个方面,由于电力电子器件的导通压降不断减少,降低了导通损耗;器件开关的上升和下降过程加快,也降低了开关损耗;器件处于合理的运行状态,提高了运行效率;变换器中采用的软开关技术,使得运行效率得到进一步提高。

(5)       变换器小型化

变换器小型化是指随着器件的高频化,控制电路的高度集成化和微型化,使得滤波电路和控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集成化,减少了主电路的体积。控制器和功率半导体器件等,采用微型化的表面贴技术使得变换器的体积得到了进一步减少,功率为10kV·A,体积只有信用卡那样大。

(6)       电源变换绿色化

电力电子技术中广泛采用PWM脉宽调制技术、SPWM正弦波脉宽调制和消除特定次谐波技术,采用多重化技术,使得变换器的谐波大为降低,同时也使变换器的功率因数得到提高,进而使得变换电源绿色化。

(7)       改善和提高供电网的供电质量

近年来出现的静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器等新型电力电子装置,具有优越的无功功率和谐波补偿的性能,因此大大提高了电网的供电质量。

(8)       电力电子器件的容量和性能的优化

电力电子器件的现有发展水平,如表1所示。近年来,新型半导体材料的研究正在取得不断地突破,碳化硅(SiC)、金刚石等新材料用于电力电子器件,特别是金刚石器件与硅器件相比,功率可提高106个数量级,频率可提高50倍,导通压降降低一个数量级,最高结温可达600℃。

电力电子器件的发展水平
器件名称 
国外研制水平 
国内研制水平

普通整流管 
8kV/5kA(f=400Hz) 
6kV/3.5kA

普通晶闸管(SCR) 
12kV/1kA,8kV/6kA 
5.5kV/3kA

快速晶闸管 
2.5kV/1.6kA(Tq=8~50μs) 
2kV/1.5kA(Tq=30μs)

光控晶闸管(LASCR) 
6kV/6kA,8kV/4kA 
4.5kV/2kA

可关断晶闸管(GTO) 
9kV/2.5kA,6kV/6kA(f=1kHz) 
4.5kV/2.5kA

集成门极换流晶闸管(IGCT) 
6kV/1.6kA 

静电感应晶闸管(SITH) 
4kV/2.5kA(f=100kHz) 
1kV/150A

电力晶体管(GTR) 
模块:1.8kV/1kA(f=2kHz) 
模块:1.2kV/400A

功率MOSFET 
60A/200V(2MHz),500V/50A(100MHz) 
1kV/35A

绝缘栅双极晶体管IGBT 
单管:4.5kV/1kA

模块:3.5kV/1.2kA

(UF=1.5~2.2V,f=50kHz) 
单管:1kV/50A

模块:1.2kV/200A

电子注入增强栅极晶体管IEGT 
4.5kV/1kA 

MOS控制晶闸管MCT 
1kV/100A(UF =1.1V, Tq=1μs) 
1kV/75A

智能功率模块IPM和功率集成电路PIC 
IPM:1.8kV/1.2kA 
600V/75A


 

三、电力电子技术的应用

电力电子技术是以功率处理和变换为主要对象的现代工业电子技术,当代工、农业等各领域都离不开电能,离不开表征电能的电压、电流、频率、波形和相位等基本参数的控制和转换,而电力电子技术可以对这些参数进行精确的控制与高效的处理,所以电力电子技术是实现电气工程现代化的重要基础。

电力电子技术应用范围十分广泛,国防军事、工业、能源、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统以及家用电器等无不渗透着电力电子技术的新成果。下面是简单的介绍:

1、  一般工业电机调速

工业中大量应用各种交、直流电动机。直流电动机具有良好的调速性能,为其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来,由于电力电子变频技术的迅速发展,使得交流电动机的调速性能可与直流电动机相媲美,因此,交流调速技术得到了广泛应用,并且占据主导地位。

作为节能控制主要采用交流电动机的变频调速,它带来了巨大的节能效益。在各行各业中,风机、水泵多用异步电动机拖动,其用电量占我国工业用电的50%以上,全国用电量的30%。控制风量或水流量,过去是靠控制风门或节流阀的转用,而电机的转速不变。由于风门或节流阀转角的减小,却增大了流体的阻力,因此功率消耗变化甚小,结果造成在小风量或小水流时电能的浪费。我国的风机、水泵,全面采用变频调速后,每年节电可达数百亿度。家用电器的空调,采用变频调速技术,可节电30%以上。

2、  交通运输

电气化铁道中私广泛采用电力电子技术,电气机车中的直流机车采用整流装置供电,交流机车采用变频装置供电。如直流斩波器广泛应用于铁道车辆,磁悬浮列车中电力电子技术更是一项关键的技术。

新型环保绿色电动汽车和混合动力电动汽车(EV/HEV)正在积极发展中。汽车是靠汽油引擎运行而发展起来的机械,它排出大量二氧化碳和其他废气,严重的污染了环境。绿色电动车的电机是以蓄电池为能源,靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制,其蓄电池的充电也离不开电力电子技术。显而易见,未来电动车将取代燃油汽车。

飞机、船舶需要各种不同要求的电源,因此航空、航海都离不开电力电子技术。

3、  电力系统

发达国家在用户最终使用的电能中,有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中,是离不开电力电子技术的。

高压直流输电,其送电端的整流和受电端的逆变装置都是采用晶闸管变流装置,它从根本上解决了长距离、大容量输电系统无功损耗问题。

柔性交流输电系统(FACTS),其作用是对发电-输电系统的电压和相位进行控制。其技术实质类似于弹性补偿技术。FACTS技术是利用现代电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重大措施,已成为当今发达国家电力界研究的热点。FACTS技术(包括系统应用技术及控制器技术)已被国内外的一些权威性的输电技术专家、学者称为未来输电系统新时代的3项支撑技术(FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术)之一,或是“现代电力系统中的3项(如新时代技术、智能控制、基于全球卫星定位系统)具有变革性影响的前沿性课题之一”。

无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义。晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容量(TSC)都是重要的无功补偿装置。静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更优越的无功和谐波补偿的性能,减少或消除由于传统变流装置对电网产生的公害,大大地改善了供电质量,使得电源电网得到净化。

4、  电源

电力电子技术的另一应用领域是在各种各样的电源中。电器电源需求是千变万化的,因而电源的需求和种类非常多。下面介绍几种特种电源。

近年来,国内外在高频逆变整流焊机的研究方面,取得了实质性进展。由于采用高频逆变,体积和重量都有明显减少,既节能,又便于使用。

通信的电源是一种DC/DC高频开关电源,也适用于其他领域。通信事业的发展大大推动了通信用电源的发展。1992年,全国邮电部门全年用电达到25亿度。由于交换机总量的增加,用电量也大幅度增加,可见邮电部门年耗电量是非常可观的。高频开关电源的使用,大大减小了电源体积和开关损耗。

不间断电源(UPS)在现代社会中的作用越来越重要,用量也越来越大。目前,UPS在电力电子产品应用中已占有相当大的数额。

小型化开关电源,在办公自动化设备、计算机设备、电子产品、工业测控、电子仪器和仪表中被广泛采用。由于运用了高频技术,实现了开关电源的小型化。

在军事应用中主要是雷达脉冲电源、声纳及声发射系统、武器系统及电子对抗等系统电源。

航天、航海、矿山及科学研究等各个领域为了人的生存和工作,都离不开各种能源,所以这些都离不开电力电子技术。

5、  照明

在各个国家,照明用电占发电量的数量也是比较大的,其中美国占24%,中国占12%。白炽灯发光效率低、热损耗大,故现在广泛使用日光灯。但日光灯必须有镇流器启辉,全部电流都要流过镇流器的线圈,因而无功电流较大,不能节能。电子镇流器的出现,较好的解决了这个问题。电子镇流器就是一个AC-DC-AC变换器。在相同功率的情况下,电子镇流器比普通镇流器的体积小,可减少无功和有功损耗。另外,采用电力电子技术可实现照明的电子调光,也可节约能源,因此被称为节能灯。

6、  新能源开发和利用

传统的发电方式是火力、水利以及后来兴起的核能发电。能源危机后,各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风能发电的发展较快,燃料电池更受关注。太阳能、风能发电受环境条件的制约,发出的电能质量较差。利用电力电子技术可以进行能量储存和缓冲,改善电能质量。同时,采用变速恒频发电技术,可以将新能源发电与电力系统联网。

太阳能、风能、生物质能、海洋潮汐能及超导储能等可再生能源,已形成一个新兴产业。与其他发电方式比较,可再生能源发电不排放任何有害特质,也不存在居民迁移问题。因此,发展和利用绿色能源是洁净生态环境,改善电力结构的重要措施,未来的结构应该是一个持久的、可再生的、干净的体系。新能源是近期能源的补充,也是未来能源的基础。

7、  环境保护

随着工业、农业迅速发展,特别是火力发电和水泥业的发展对自然环境的污染越来越严重。为了净化环境,提高人们的生活质量,在某些行业采用高压静电除尘措施是十分有效的,其关键也是微机和电力电子技术。

总之,电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索到国防,从军事到国民经济的各个领域,再到人们的衣食住行,无处不应用电力电子技术。这就是激发一代又一代专家、学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术的巨大魅力之处。

四、电力电子技术的未来发展方向和前景

电力电子技术已进入各个领域,未来的广阔前景和发展方向,主要体现在下面几个方面:

(1) 新材料的进一步研究和应用,扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围,减少器件的体积和降低价格。因此,可以大大改进系统性能和降低成本,使它的应用范围越来越广。

(2) 改进器件和装置封装形式,实现系统集成,以获得更高的集成化和可靠性。

(3) 使用无需吸收电路并且关断延时小的集成门极换流晶闸管(IGCT),使得在大功率应用场合的器件选择越来越容易。

(4) 多电平逆变器大功率逆变器中的应用。

(5) 体积小、重量轻、损耗小、无无功率的全半导体变流系统的设计。

(6) 采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。

(7) 采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制。

(8) 自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。

(9) 改善动力系统供电质量,柔性交流输电技术将得到越来越广泛运用。

(10)   高效、轻便、绿色的电动车供不应求。

(11)   发展更高效的家用电器产品。

电力电子技术是目前发展较为迅速的一门学科,是高新技术产业发展的主要基础技术之一,是传统产业改造的重要手段。可以预言,随着各学科新理论、新技术的发展,电力电子技术的应用具有十分广泛的前景。

五、电力电子技术研究的内容

电力电子技术研究的内容包括3个方面:电力电子器件、变换器主电路和控制电路;作为一门学科,电力电子学所研究的内容包括器件与系统2大部分;但在工程应用中,只需了解如何合理地选择和使用电力电子器件来组成各种变换装置。因此,本书研究的内容侧重于器件的基本原理、特性和参数选择,以及由它们组成的变换主电路拓扑、控制方式及保护措施。下面是对基本情况的简单介绍。

1、  电力电子器件

电力电子器件用于大功率变换和控制时,与信息处理用器件不同:一是必须具有承受高电压、大电流的能力;二是以开关方式运行。因此,电力电子器件也被称为电力电子开关器件。电力电子器件种类繁多,分类方法也不同。按照开通、关断的控制可分为3类:

(1) 不控型

不控型器件的一端是阳极,另一端是阴极。其开关的工作状态取决于施于器件阳极、阴极间的电压,正向导通,反向关断,流过的电流是单向的。因为其开通和关断不能按需要控制,所以这类器件被称为不控型器件,常用的有大功率二极管、快恢复二极管等。

(2) 半控型

半控型器件是三端器件,除了阳极和阴极外,另增加了一个控制门极。它的开通不仅需要在阳、阴极间加正向电压,而且还必须在门极和阴极间加正向控制功率信号。然而这类器件一旦开通,就不能通过门极控制关断,只能通过在阳、阴极间加反向电压,或减少阳极电流到某一个值使其关断,所以称为半控型器件。这类器件主要有晶闸管(SCR)及其派生器件。

(3) 全控型

全控型器件也是具有控制端的三端器件,但控制极不但可控制开通,而且也能控制其关断,故称为全控型器件。由于不需要外部提供关断条件,仅靠自身控制就可关断,所以也被称为自关断器件。这类器件种类很多,在现代电力电子技术应用中起发展主导作用。这类器件主要有电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(Power MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。

按照电力电子器件的驱动性质,可以将器件分为电压型和电流型2种。电流型器件需要较大的驱动电流才能使器件导通,而电压型器件只需足够的电压和很小的驱动电流就可以导通。

在应用器件时,选择电力电子器件一般需要考虑的是:器件的容量(额定电压和额定电流值)、过载能力、关断控制方式、导通压降、开关速度、驱动性质和驱动功率等。

2、  电力电子变换器的主电路

以电力电子器件为核心,采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制,这就是变流电路。变换器拓扑结构实质是将有源和无源电力电子器件,按照一定的规律连接的电路。在不同的拓扑中,不控、半控及全控器件可同时存在或独立存在。为了防止电力电子器件因过流、过压而造成损坏,应该采用器件并联或串联,器件上并联续流二极管及缓冲吸收电路等措施。变流拓扑还应该包括电流、电压及温度传感器。

现代电力电子技术的主要研究方向之一是变换器主电路的拓扑优化。拓扑优化可以理解为:在变换器设计中,合理选择确定网络中各元件的位置,以便实现功能和性能指标要求且最经济。拓扑优化的目标为高频化、高效率、高功率因数和低变换损耗。高频化加软开关技术和PWM控制方式,既可以减少变换器体积、重量和开关损耗,又能提高波形质量、功率因数和变换效率。

变换过程也是主电路研究的问题之一。电力电子变换器在工作时,各开关器件轮流交替导通向负载提供电能,因此流向负载的电能一定要从一个或一组元件向另一个或另一组元件转移,这个过程叫做换相或换流。一般来讲,换流方式有以下4种:

(1) 器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。在采用GTR,IGBT等全控型器件的电路中,其换流方式即为器件换流。这种换流方式可以应用于各种电力电子电路中。

(2) 电网换流

由电网提供换流电压称为电网换流。这种换流方式只适合交流供电的场合,可应用于不控或半控开关器件组成的交流电路中,不适于没有交流电网的无源逆变电路。

(3) 负载换流

由负载提供换流电压或电流称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合,都可以实现负载换流。当同步电动机工作于容性状态时,也可以实现负载换流。

(4)强迫换流

由外部电路向导通器件强行提供反向封锁电压,这种换流方式需要附加换流电路,通常利用附加电容上所存储的能量来实现,因此也称为电容换流。由电容直接提供换流电压的方式,称为直接耦合强迫换流。通过电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流的方式,则称为电感式强迫换流。

3、  电力电子变换的基本类型

负载性质不同,供电要求也不同,应用电力电子技术组成变流装置也应不同。按其功能可分为AC/DC变换、DC/AC变换、AC/AC变换和DC/DC变换。在某些装置中,可能同时存在多种变换形式。

(1)AC/DC变换

把交流电压变换成固定或可调的直流电压,称为AC/DC变换。该变换装置称为整流器,整流器种类繁多。传统的是利用晶闸管和相控技术,依靠电网电压换流。晶闸管相控整流的优点是控制简单、运行可靠,适于超大功率应用。它的缺点是产生低次谐波,对电网产生影响,造成电网严重污染。同时呈现感性负载,功率因数低。以前,功率补偿采用笨重的无源滤波器。20世纪80年代后期,开始采用PWM技术和有源滤波器,它同时兼有滤波和无功补偿的功能。高功率因数整流器克服了相控整流的缺点,可以使电网的电压和电流相位相同。

在直流电机调速中,直接用全控功率器件组成PWM整流器,不仅能控制直流电机调速,而且使交流电源侧线电流为正弦波,并且保持功率因数为1。

(2)DC/AC变换

把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电,称为DC/AC变换。该种变换又称为逆变器。按照直流电源的性质可分为电压型和电流型2种。按控制方式可分为六阶梯方波逆变器,PWM逆变器的软开关逆变器。按换流性质可分为电网换流有源和自关断器件构成的无源逆变。

逆变常常和变频的概念联系在一起,变频电路有交-直-交和交-交变频2种。

逆变电路广泛应用于各种电源中,蓄电池、太阳能电池、干电池等直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就需应用逆变电路。另外交流电机调速的逆变器、高中频感应加热电源、不间断电源等,其核心部分都是逆变电路。
(3)AC/AC变换

把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交流频率、电压,称为AC/AC变换。这种变换电路通常称为变频器,也称为周波变换器。传统的交-交变频采用晶闸管相控技术,可运行于有环流或可控环流模式。为了提高变频器的功率因数需要加电容进行补偿。

新型交-交变频器是在PWM变换理论基础上发展起来的矩阵式变换器,电路所用的开关器件是全控型的,9个开关器件构成矩阵,控制方式不是相控而是斩控方式。其优点是:在所有工作范围内,总可保持功率因数为1。

(4) DC/DC变换

    把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压,称为DC/DC变换,也称为直流斩波。习惯上,DC/DC变换还包括DC/AC/DC变换。按照电路的结构及功能,这种变换器可分为降压式Buck斩波器、升压式Boost斩波器、升降压Buck-Boost斩波器、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器,共6种。按照电路拓扑结构可分为不带隔离变压器和带隔离变压器的直-直变换器这2种类型。

    DC/DC变换广泛应用于计算机、通信以及各类仪器仪表的电源中,也应用于直流电机调速及金属焊接等。

    开关电源可减小变换器体积、重量、开关损耗并提高了性能和可靠性,因此是DC/DC变换的主要发展方向。

4、  电力电子电路的控制

控制电路的主要作用是:为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号。驱动信号是根据控制指令,按照某种控制规律及控制方式而获得的。控制电路应该包括时序控制、保护电路、电气隔离和功率放大等电路。

(1) 电力电子电路的控制方式

电力电子电路的控制方式一般按照器件开关信号与控制信号间的关系分类,分类情况如下:

①     相控方式

相控方式是指器件导通的相位,受控于控制信号幅度的变化,通过改变器件的导通相位角度来改变输出电压的大小。晶闸管相控整流和交流调压电路就是采用这种控制方式。

②     频控方式

频控方式是指开关器件的工作频率,受控于控制信号的频率,改变控制信号的频率,输出电压的频率也随之改变。这种控制方式多用于DC/AC变换电路中。

③     斩控方式

斩控方式是指利用控制电压的幅值(调制电压的幅值),来改变一个开关周期中器件导通的占空比,器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行,如PWM控制。在自关断器件投入使用之前,这种控制方式仅用于直流电压控制器。现在采用自关断器件,这种控制方式可实现各种形式的电能变换和控制,并获得比移相控制、频率控制更好的性能。

(2) 电力电子电路的控制理论

控制理论运用取决于被控对象和控制效果的要求。为了使电力电子变换系统获得较高的稳态精度和动态性能,必须采用相应的控制规律或控制策略。对线性负载常采用PI和PID控制规律。对交流电机这样的非线性控制对象,最典型的是采用基于坐标变换解耦的矢量控制算法。为了使复杂的非线性、时变、多变量、不确定、不确知等系统,在参量变化的情况下获得理想的控制效果,变结构控制、模糊控制、基于神经元网络和模糊数学的各种现代智能控制理论,在电力电子技术中已获得广泛应用。

(3) 控制电路的组成形式

早期的控制电路采用数字或模拟的分立元件构成,随着专用大规模集成电路和计算机技术的迅速发展,复杂的电力电子变换控制系统,已采用DSP、现场可编程器件FPGA、专用控制等大规模集成芯片以及微处理器构成控制电路。这些新型控制电路大大地降低了系统的复杂程度,提高了系统的控制能力以及可靠性和设计的灵活性。

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