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电力电子电路

电力电子电路利用电力电子器件对工业电能进行变换和控制的大功率电子电路。因为电路中无旋转元、部件,故又称静止式变流电路,以区别于传统的由电动机和发电机组成的变流电路的旋转式变流电路。

电力电子器件组成的、用以对工业电能进行变换和控制的大功率电子电路。由于电路中无旋转元、部件,故又称静止式变流电路,以区别于传统的旋转式变流电路(由电动机和发电机组成的变流电路)。两者相比,电力电子电路无磨损、低噪声、高效率,易于实现自动控制和生产,不需建造专门的地基。因而,20世纪60年代以后,已在世界范围基本上取代了旋转式变流电路。

由于电力电子电路所处理的是大容量工业电能,高效低耗是这类电路的主要目标。为减少电路内耗,电力电子器件工作于开关状态,因此电力电子电路实质上是一种大功率开关电路。为实现对电能的控制,器件的开关状态必须是可控的,因此它又是一种器件工作状态可由微弱信号进行控制的大功率开关电路。

电力电子电路按实现电能变换时电路的功能可分为整流电路(将交流电能转换为直流电能)、逆变电路(将直流电能转换为交流电能)、交流变换电路(包括交流调压电路和变频电路)、直流变换电路(改变直流电能的大小和方向)。按电能转换次数可分为基本变换电路和组合变换电路。前者经一次转换即可实现所需电能的变换,又称直接变换电路;后者经多次转换以实现所需电能的变换,又称间接变换电路。按组成电路的器件可分为不控型变换电路(由不控型器件组成,电路对变换的电能无控制能力)、半控型变换电路(由半控型器件组成,只能在电路具备关断晶闸管的条件下才能正常工作)、全控型变换电路(由自关断器件组成,比半控型电路具更佳的技术经济指标,但开关容量低于半控型)。电力电子电路按控制方式可分为4种:①相控电路。控制信号的变化表现为控制极脉冲相位的变化。②频控电路。信号的变化表现为控制极脉冲重复频率的变化。③斩控电路。控制信号的变化表现为控制极脉宽的变化。④组合控制电路。采用上述3种控制方式组合而成的控制方式。按电路中开关器件的工作频率可分为开关元件按电网频率(50或60赫)工作的低频电路和开关元件以远高于电网频率的载波频率工作的高频电路。

电力电子电路经历了20世纪30年代由气体闸流管和汞弧整流管组成的低频变流电路和由高频电子管组成的变流电路(统称第一代电力电子电路),60年代由晶闸管组成的半导体变流电路(第二代电力电子电路),80年代由可关断晶闸管(GTO)和双极型功率晶体管(GTR)等新型器件组成的第三代电力电子电路。由于它们具有控制极关断和工作频带较宽的优点,使电力电子电路具有更佳的技术和经济性能,获得了更为广泛的应用。电力电子电路正沿4个方向发展:①采用新型器件。②采用新的控制方式和手段。③采用新的电路结构。④采用新的分析方法和调试手段。

与传统的旋转式变流电路相比,静止式变流电路具有无磨损、低噪声、高效率、易于实现自动控制和生产、无须专门的地基建设等优点,因而在国际范围已基本上取代了前者。

与低频变流电路相比,半导体变流电路有工作频带宽、系统响应快、易于实现小型轻量化并且工作寿命长等优点,故技术经济性能明显优于前者。各国均已不再生产由气体闸流管等离子器件组成的变流电路及其装置。

与高频电子管电路相比,半导体变流电路的显著优点是损耗小,变换效率高,但由于前者的容量等级和工作频带尚高于目前已经实用化的半导体器件,因而至20世纪80年代,半导体变流电路只能在小容量范围取代前者。可以预计,随着高频大功率半导体器件的出现和实用化(如大功率静电感应晶闸管,简称SITH),半导体高频变流电路终将取代高频电子管变流电路。

电力电子电路有多种分类方法。

按实现电能变换时电路功能分类,可分为4种。

整流电路(AC/DC变换电路):具有整流功能的电路。凡将交流电能转换为直流电能的过程泛称为整流。

整流电路(rectifying circuit)把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后,主电路多用硅整流二极管晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

逆变电路(DC/AC变换电路):具有逆变功能的电路。凡将直流电能转换为交流电能的过程称为逆变。

逆变电路是与整流电路(Rectifier)相对应,把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上,即交流侧接有电源时,称为有源逆变;当交流侧直接和负载链接时,称为无源逆变。

逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中,蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就需要逆变电路。另外,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛,其电路的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

交流变换电路(AC/AC变换电路):能将交流电能的大小和频率加以改变的电路。前者称交流调压电路;后者称变频电路。

直流变换电路(DC/DC变换电路):能将直流电能的大小和方向加以改变的电路。由于采用斩波控制方式,故又称直流斩波电路。

按电能转换次数分类,可分为两种。

①基本变换电路:由一次转换过程即可实现所需电能变换的电路。例如通过一个可控整流电路即可直接实现由交流电能到直流电能的变换和控制,故又称直接变换电路。

②组合变换电路:出于技术和经济上的原因,采用多次转换以实现所需电能的变换的电路。例如通过交流调压和不控整流两次转换也可以实现由交流到直流电能的变换和控制。这种不同组合方式的多次变换电路又称为间接变换电路。

按组成电路的器件分类,可分为3种。

①不控型变换电路:由不控型器件组成的电路。如由电力二极管组成的整流电路仅实现交流到直流间电能的变换,但电路对直流电能无控制能力。

②半控型变换电路:由半控型器件(如普通晶闸管)组成的电路。由于这类器件无自关断能力,故电路只在具备关断晶闸管的条件时才能正常工作。

③全控型变换电路:由全控型元件(自关断器件)组成的电路。由于器件具有自关断能力,全控型电路易于实现电能的变换和控制。它比半控型电路具有更佳的技术经济指标。但多数全控型器件的开关容量尚低于半控型,故大容量变换电路尚需由半控型元件组装。

按控制方式分类,可分为4种。

①相控电路:控制信号的变化表现为控制极脉冲相位的变化。传统的整流电路即采用这种控制方式。

②频控电路:指信号的变化表现为控制极脉冲重复频率的变化。传统的无源逆变电路即采用这种控制方式。

③斩控电路:控制信号的变化表现为控制极脉宽的变化。传统的直流斩波电路即采用这种方式。

④组合控制电路:电路采用上述3种基本控制方式组合而成的控制方式。如用于直接变频电路的相频控制方式就是相控和频控方式的组合。

按开关器件的工作频率分类,可分为两种。

①低频电路:开关元件按电网频率(50赫或60赫)工作的电路,如传统的相控整流电路有源逆变电路等。

②高频电路:开关元件以远高于电网频率的载波频率工作的电路,如采用脉冲宽度调制控制方式的电路。

电子技术发展异常迅速。微细加工技术的进步不仅对信息电子技术以巨大影响,同时也日益对电力电子技术产生作用。就电路而言,正沿着以下4个方向发展。

新型器件

新器件的出现和使用往往对整个变流技术产生深刻的影响。例如,正是由于气体闸流管、晶闸管和功率晶体管的相继问世,才促成了几代电力电子电路的更迭。另外宽禁带半导体器件的研发被视为进一步提高性能的手段。美国也成立了新一代宽禁带研究中心对此进行研究。

新的控制方式

新的控制方法会使电路达到更高的性能。例如交流电机采用矢量控制方法,使交流传动系统的性能可与直流传动相媲美。而这种控制方法之所以能付之实用却是依借微型计算机的普及。这表明,采用新的控制手段会使昔日无法实现的控制方式成为可能。

新的电路结构

变流电路的趋势是向理想变换电路靠近。以往各种传统电路由于各种原因的影响,其性能与理想状态存在种种差距。依借最佳电路拓扑,采用更合理的电路结构,可以使变流器的性能臻于理想化,如丘克电路(见单象限直流变换电路)。

新的分析方法和调试

由于包含非线性开关元件,电力电子电路实质上是一种时变非线性电路,因而分析时相当繁复。以往为了适应工程的要求,不得不作出种种简化,其结果是降低了分析的精确性。大容量变流电路由于元件繁多、规模庞大,调试工作带有很高的不安全性和不确定性。随着计算机辅助分析 (CAN)、辅助设计(CAD)和辅助调试(CAT)技术的发展,数字和物理仿真技术的进步,使电力电子电路的分析、设计和调试工作已日趋完善。

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