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简单地说, 电力电子装置是一个采用功率半导体器件的高效的能量变换工具。图1-1 给出了一个电力电子装置的示意图。
电气传动是电力电子装置的一个特殊门类。图1-2 给出了电气传动的框图。电气传动用于驱动系统、发电装置(风力机)、工业和商业的传动, 例如用于加热通风和空调装置中, 以及运动控制。在电气传动中, 机电能量变换器的控制是纳入电力电子变流器的控制范畴中的, 而从控制的视角来看, 机电能量变换器是一个非常精密的负载。大多数涉及电力电子变流器技术的研究机构也从事电气传动技术的研究, 因为这个领域一直是电力电子变流器的最大应用领域之一(体现在已安装的表观功率上) 。尽管在光伏装置和计算机电源中, 电力变流器的应用不断增加, 但是可以预期, 传动将依然占主导地位。大多数专家预言, 当前的传动产业市场将继续扩大, 并将打入新兴市场, 例如风力机, 更多的电动船舶和飞行器, 以及电动交通工具, 即火车、有轨电车、无轨电车、汽车、轻便摩托车以及自行车等。
当考虑现代电力电子变流器的运行原理和拓扑时, 从图1-1 所示的普通电力电子变流器的框图中能看到更多的详细情况。从根本上讲, 制造电力电子变流器需要三种类型的元器件:
1、有源器件, 即功率半导体器件, 它能开通和关断变流器中的能流。这种器件工作在关断状态(正向阻断或反向阻断) 或是工作在开通状态(导通)。
2、无源元件, 即变压器、电感器和电容器, 它们在变流器装置中暂时储存能量。根据其工作频率、电压、冷却方式和集成的水平, 来选用不同的磁性材料、电介质和绝缘材料。对于给定的额定功率, 变流器较高的工作(开关) 频率就能用较小的无源元件。
3、控制单元, 即模拟和数字电子设备, 信号变换器、处理器和传感器, 用它们控制变流器中的能量流, 使内部变量(电压、电流) 跟随计算的参考信号而变动, 这个信号按照外部的指令保证变流器所需的性能(这个指令是通过数字通信链路获得的)。现在大多数控制单元也给出状态信息和装置电平的诊断功能。
作为电力电子变流器应该高效地变换电能(效率大约为95%), 功率器件不能选择线性工作状态。更确切地说, 器件是以开关方式工作的。因此, 在电源领域里做一个区分, 电力变流器被称为“开关型电源”。它是用来控制和变换流过变流器的电能的, 所有电力变流器背后的基本构思是把连续的能量流切割成能量小包, 处理这些小包, 并输送能量, 在输出端使之又重新成为另一种连续的能流。所以, 电力变流器是真正的功率信息处理机。在这种情况下, 所有变流器拓扑必须遵守基本的电路理论原理。最重要的原理是, 电能只能通过开关网络进行有效交换, 即当能量是在两个元件之间交换时, 储存在电容器或电压源中的能量应该被转移到电感器或电流源中。
正如在指导准则和标准, 例如IEEE519—1992和IEC61000-3-6中所描述的, 为了保护电源和负载, 在变流器的输入端和输出端的能流必须是连续的,而且几乎不受谐波和电磁噪声干扰的。为了使能流连续, 滤波器是必要的。需要指出的是, 在许多应用场合, 滤波器可能是电源或者负载的组成部分。为了尽可能降低滤波器的成本, 可采用国际标准, 并提高效率。逆变器、DC-DC 变流器和整流器的控制单元倾向于在固定的开关频率下开关功率器件, 采用有时被称为占空比控制的脉宽调制(PWM) 技术。基本的电路理论和元器件设计表明, 提高开关频率可使无源元件和滤波器缩小。因此, 所有的变流器设计都要力求做到在提高开关频率的同时, 尽可能减少变流器的总成本。然而, 正如下一部分将要讨论的那样, 提高开关频率会影响变流器的效率。因此, 在所用的材料和生产成本以及效率之间,必须找到一个平衡。注意, 效率也决定了变流器整个寿命周期内变流过程中的能源成本。
电力电子变流器有各种各样的分类方法。现在用电力电子技术的知识, 将电能从交流变成直流(整流器), 从直流变成直流(DC-DC 变流器), 以及从直流变回到交流(逆变器) 都是可以的。
虽然有些变流器能直接将交流电变成交流电(矩阵变流器和周波变流器), 但绝大多数AC-AC 变流是用整流器和逆变器的串联来完成的。因此, 大多数变流器至少具有一个直流环节, 在不同的变流阶段暂时储存能量, 如图1-3 所示, 根据所用的直流环节的类型, 变流器可分成为电流源和电压源交流器。电流源变流器用一个电感器以磁能的形式来储存能量, 并且在直流环节中以近似于恒定的电流工作。相对应地电压源变流器用一个电容器来保持直流电压的恒定。
对于交流电源和负载, 变流器具有电网电流或负载电流的基本分量过零的有利条件。这些变流器被称为电网换相变流器或负载换相变流器, 并常见于可控整流器和大功率谐振变流器以及使用晶闸管的同步电机传动中。图1-4 给出了一个三相桥式整流器。详细的分析显示, 这些变流器产生网侧谐波和相当大的滞后的无功功率 。因此,为了保持大功率供电的质量,需要大型滤波器和无功功率(被称为VAR) 补偿电路。由于这些滤波器会产生损耗, 并且需要相当多的授资成本, 电网换相(整流器) 电路慢慢地逐步被淘汰, 而选择用有源关断功率半导体器件的强迫换相电路来替代。这些功率半导体器件是功率晶体管(MOSFET, IGBT) 或者可关断晶闸管(GTO、IGCT)。有源整流器电路(实际上逆变器工作在整流模式)可以不要无功补偿器, 并且减少或者不要谐波滤波器。
然而, 不仅仅变流器的类型(整流器、逆变器、直流变直流的变流器), 而且所选择的拓扑的类型(电压源或者电流源) 对所需的半导体器件的特性和类型也有重大的影响。图1-5 给出了一个三相电流源逆变器和一个三相电压源逆变器的电路, 并指出了这些器件运行上的差别。
在电流源变流器中, 器件需要有正向和反向阻断能力。这些器件被称为对称电压阻断器件。虽然对称阻断关断器件的确存在, 但实际上, 反向阻断能力通常是与有源关断半导体开关(晶体管或可关断晶闸管) 以串联方式连接或者集成一个二极管来实现的。因此,在这种情况下, 与不对称阻断的器件相比较, 必须允许有更高的导通损耗。根据功率半导体开关的原理, 对称阻断关断器件(具有集成的反向阻断pn结) 的设计以某种方式与晶闸管为基础的结构有关。因为这些器件更适合于大功率应用(电压在2. 5kV 以上), 某些大功率变流器制造商在大功率(10MVA 以上) 电流源变流器中仍然在使用对称器件(GCT)。这种变流器的主要优势是电流源变流器能耐受住内部和外部的短路。
电压源变流器需要一个逆导器件, 因为在它们的交流终端必定要驱动感性负载。所以为了避免电压尖峰, 当器件关断电流时, 需要续流通道。通过连接或者集成一个反并联的二极管到关断器件上, 半导体开关的反向导通或续流能力就能实现。因为附加的结与主关断器件不是串联的, 所以在变流器的电流通道上不会产生附加的电压降。因此, 用现代的器件工艺, 电压源变流器比电流源变流器有更高的效率, 特别在部分负载的情况下 。确实在部分负载下电流源变流器在变流器的直流环节中仍然有一个大的循环电流, 而电压源工作在电流降低了的情况下, 甚至工作在直流环节电容器带着满电压的情况下。
实际上, 由于直流环节电容器比直流环节电感器损耗低, 所以电压源变流器的尺寸比电流源变流器可以小很多。此外, 大部分的负载和电源是感性的(在开关频率下)。因此, 电压源变流器不需要附加的阻抗或者滤波器, 而电流源变流器在它的输出端, 则需要电容器。考虑到所有这些工程的细节, 人们能够理解发展电压源变流器比发展电流源变流器更为有利。器件制造商对于这个市场前景已经作出了反应, 他们充分利用能更好兼顾导通和开关损耗的非对称晶体管和晶闸管, 从而大大提高效率和降低冷却成本。图1-5a 给出了大多数电压源变流器的拓扑, 这种拓扑采用两电平臂对。这种拓扑已经通用, 器件制造商已提供集成在单个模块上的完整的相位引线作为基本组件单元, 被称为电力电子组件(PEBB), 以此来降低制造成本和改善可靠性(参看第14 章)。因为电力电子学正在成为一个成熟的领域,可以说, 在不远的将来, 绝大多数新型变流器的设计(功率额定值从几毫伏安到几千兆伏安) 会是电压源型的变流器。
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2024-May-12
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