浅谈电力电子技术及其应用

浅谈电力电子技术及其应用摘要：电力电子技术是20世纪后期诞生并发展起来的一门新技术，它不断地创新发展、应用实践，在短短的几十年，电力电子技术已经成为除计算机技术之外的又一未来科学技术支柱。文章主要介绍电力电子技术的基础器件和控制电路及其广泛的应用。关键词：电力电子技术电力电子器件控制电路应用电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。从概念上可以看得出电力电子技术就是通过电力电子器件实现对电能的变换以达到我们可以控制和使用电能的目的。所以它应该主要包括两个部分即电力电子器件技术和电力变换控制技术。1电力电子器件电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。随着技术的发展和成熟，以半导体为材料的电力半导体器件取代了电真空器件成为了电力电子器件的绝对主力。其按照被控制信号的控制程度可以分成不可控型、半控型和全控型。1.1不可控型——电力二极管不能用控制信号控制其通断的电力电子器件，不需要驱动电路，只有两个端子，就是我们通常所说的电力二极管，其导通或关断是由它所在电路承受的电压或电流决定的。电力二极管是由一个PN结（P为阳极，N为阴极）和两端引线以及封装组成的。电力二极管具有正向导通反向截止的特性即给二极管外加正向电压并达到一定数值后二极管导通，其压降在1V左右，相当于短路状态，当外加电压撤销或者反向时，二极管内部电流十分的微小，压降很大，相当于断路。1.2半控型——晶闸管晶闸管又称可控硅，是由两个PN结和散热器组成，有三个端子分别为A阳极，K阴极，G门极。当晶闸管外加正向电压且门极有触发电流时，晶闸管导通，即使撤销门极触发电流，晶闸管依然维持导通状态，只有当外加电压反向或者其他手段使晶闸管电流为零时它才关断，所以被称为半控型电力电子器件。随着全控型器件的出现，半控型晶闸管逐渐被代替，但是由于半控型晶闸管能承受很高的电压和电流容量，所以在大容量的场合它依然有着重要的地位。1.3全控型全控型器件也是晶闸管。在半控型晶闸管出现以后，随着技术的进步，我们渐渐研究出了既可以控制其导通又可以控制其关断的新型晶闸管即全控型晶闸管，它的典型代表有门极可关断型晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管FET、绝缘栅双极晶体管IGBT。2电力变换控制技术我们通常所说的电力是指交流和直流两种，从公用电网上得到的是交流，从蓄电池或者干电池得到的时直流，但它们往往不能直接被我们利用，需要变换一下，一般常见的变换有四种即交流变直流（AC—DC）、直流变交流（DC—AC）、交流变交流（AC—AC）、直流变直流（DC—DC）。所以电力变换技术也被称作变流技术，它是通过电力电子器件组成各种电力变换电路来实现和控制的。电力电子技术主要用于电力变换，所以变换技术是电力电子技术的核心。2.1交流变直流（AC—DC）交流变直流就是我们常说的整流，这是电力电子技术变流技术中最常用的一种电路，也是电力电子电路的基础。整流电路按相数分类可分为单项、三相和多项，按组成器件可分为不可控、半控和全控，我们常见的有单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。它们的电路结构不同但是分析方法相似，这里我们就讨论一下单相桥式全控整流电路。图2-1-1为带电阻性负载的单相桥式全控整流电路和波形图。图中四个器件全是晶闸管。图2-1-1单相桥式全控整流电路（电阻性负载）由图中可以看出负载上在u2正、负两个半波内均有电流流过，使直流电压、电流的脉动程度比单相半波得到了改善，一周期内脉动两次（两个波头），脉动频率为工频的两倍。因为桥式整流电路正负半波均能工作，使得变压器副边绕组在正、负半周内均有电流流过，直流电流平均值为零，因而变压器没有直流磁化问题，绕组及铁心利用率较高。单相桥式可控整流电路直流电压Ud为(2-2)可以看出，它是半波可控整流电路Ud的两倍。当α＝0时，晶闸管全导通（θ＝π），Ud＝Ud0＝0.9U2，最大。当α＝π时，晶闸管全关断（θ＝0），Ud＝0，最小，所以单相桥式可控整流电路带电阻负载时的移相范围为180°。输出直流电流平均值Id为(2-3)输出直流电流有效值，亦即变压器次级绕组电流有效值I2为(2-4)VT1、VT4与VT2、VT3两对晶闸管在对应的时刻相互交替导通关断，因此流过晶闸管的直流平均电流IdT为输出直流电流平均值Id的一半(2-5)流过晶闸管的有效电流IT为(2-6)晶闸管承受的最大反向峰值电压为相电压峰值。2.2直流变交流（DC—AC）将直流变换成交流叫做逆变，它是与整流相对应的。逆变分有源逆变和无源逆变两种，将交流侧接到电网上相当于有电源称作有源逆变，交流侧直接接负载时称作无源逆变，而我们常见的多指无源逆变。逆变电路广泛用于交流电机变频调速传动、有源电力滤波器、不间断电源、感应加热装置、电力系统中的静止无功发生器等，当我们用直流电源如蓄电池、干电池、太阳能电池等向交流负载供电时，也需要逆变电路。逆变电路根据直流侧电源性质可以分为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。电流从一个支路向另一个支路转移叫做换流，换流在很多电路中都有体现，但尤其是在逆变电路中体现的更全面和集中。2.2.1换流DC—AC变换原理可用图2-2-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压u0左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压u0，如图2-2-1（b）所示。这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压u0，如图2-2-1（c）波形所示。控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。图2-2-1DC—AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流2.2.2电压源型逆变电路电压源型逆变电路是采用电容作储能元件，图2-2-2为一单相桥式电压源型逆变电路原理图。电压源型逆变电路有如下特点：图2-2-2电压源型逆变电路2-2-3无功二极管的作用1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变电路低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。2）由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。图2-2-3绘出了一个周期内负载电压u、负载电流u的理想波形，按u、i极性分区内导通的元件及功率的流向（P0，功率从直流流向交流；P0，从交流流向直流），用以说明VD对无功传递的重要作用。2.2.2电流源型逆变电路电流源型逆变电路采用电感作储能元件，图2-2-4为一单相桥式电流源型逆变电路原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。电流源型逆变电路有如下特点：1）直流回路串以大电感Ld作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变电路高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流确定，波形接近矩形；电压波形与负载有关，在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。2）由于直流环节电流Id不能反向，只有改变逆变电路两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置反馈二极管。2.3直流变直流（DC—DC）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电称作直流斩波电路或斩波器。直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，是电力电子技术的热点之一，有着好的发展前景。最基本的斩波电路有降压斩波电路和升压斩波电路。2.3.1斩波器DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图2-3-1所示。如果开关K导通时间为ton，关断时间为toff，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间ton、toff的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。图2-3-1DC-DC变换器原理电路及工作波形(a)原理电路；(b)工作波形斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。时间比控制是DC-DC变换中采用最多的控制方式，它是通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小。在恒值（恒压或恒流）控制或波形控制中，常采用瞬时值控制的斩波方式。采用瞬时值控制时斩波器功率器件的开关频率较高，非恒值波形控制中开关频率也不恒定，此时要注意功率器件的开关损耗、最大开关频率的限制等实际应用因素，确保斩波电路的安全、可靠工作。2.3.2降压斩波电路如图2-3-2所示，它是一种降压型斩波电路，即其输出电压平均值U0恒小于输入电压E，主要应用于开关稳压电源，直流电机速度控制，以及需要直流降压变换的环节。为获得平直的输出直流电压，输出端采用了L-C形式的低通滤波电路。2.3.2升压斩波电路如图2-3-3所示，它是一种升压型斩波电路，其输出电压平均值U0要大于输入电压E，主要用于开关稳压电源、直流电机能量回馈制动中。根据功率开关器件VT的开关频率、储能电感L、滤波电容C的数值，电感电流iL或负载电流i0可能连续或断续，此时变换器的特性不同。图2-3-3Boost变换器2.4交流变交流（AC—AC）AC—AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流—交流电力变换技术。只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电路、或交流无触点开关。从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交—交变频器，它有别于交—直—交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。2.4.1交流调压电路交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图2-4-1(a)）或双向晶闸（图2-4-1（b）），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图2-4-2所示。图2-4-1交流调压电路（a）通断控制通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。（b）相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波。（c）斩波控制斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。2.4.2单相交流调压电路交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路，然而单相是三相的基础。单相交流调压电路原理图如图2-4-1所示，其工作情况与负载性质密切相关。1．电阻性负载纯电阻负载时交流调压电路输出电压u0、输出电流i0波形