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電力電子電路

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電力電子電路始見於20世紀30年代,包括由氣體閘流管和汞弧整流管組成的低頻變流電路和由高頻電子管組成的變流電路。

1 電力電子電路 -電力電子電路

利用電力電子器件對工業電能進行變換和控制的大功率電子電路。因為電路中無旋轉元、部件,故又稱靜止式變流電路,以區別於傳統的旋轉式變流電路(由電動機和發電機組成的變流電路)。電力電子電路始見於20世紀30年代,包括由氣體閘流管和汞弧整流管組成的低頻變流電路和由高頻電子管組成的變流電路。它們構成了第一代電力電子電路。60年代由晶閘管組成了第二代電路,泛稱半導體電力電子電路(又稱半導體變流電路)。80年代,由於可關斷晶閘管(GTO)和雙極型功率晶體管(GTR)等新型器件的實用化,又逐漸在不同領域中取代了普通晶閘管並形成第三代電路。由於它們具有控制極關斷和工作頻帶較寬的優點,使電力電子電路具有更佳的技術和經濟性能,獲得了更為廣泛的應用。  

特點  與傳統的旋轉式變流電路相比,靜止式變流電路具有無磨損、低雜訊、高效率、易於實現自動控制和生產、無須專門的地基建設等優點,因而在國際範圍已基本上取代了前者。   

與低頻變流電路相比,半導體變流電路有工作頻帶寬、系統響應快、易於實現小型輕量化並且工作壽命長等優點,故技術經濟性能明顯優於前者。各國均已不再生產由氣體閘流管等離子器件組成的變流電路及其裝置。  

與高頻電子管電路相比,半導體變流電路的顯著優點是損耗小,變換效率高,但由於前者的容量等級和工作頻帶尚高於目前已經實用化的半導體器件,因而至20世紀80年代,半導體變流電路只能在小容量範圍取代前者。可以預計,隨著高頻大功率半導體器件的出現和實用化(如大功率靜電感應晶閘管,簡稱SITH),半導體高頻變流電路終將取代高頻電子管變流電路。   

由於電力電子電路所處理的是大容量工業電能,高效低耗是這類電路的主要目標。為了減少電路內耗以提高電能轉換效率,電力電子器件工作於開關狀態,因此電力電子電路實質上是一種大功率開關電路;而為了實現對電能的控制,器件的開關狀態必須是可控的。因此,它又是一種器件工作狀態可由微弱信號進行控制的大功率開關電路。  

分類  電力電子電路有多種分類方法。   

按實現電能變換時電路功能分類,可分為4種。①整流電路(AC/DC變換電路):具有整流功能的電路。凡將交流電能轉換為直流電能的過程泛稱為整流。②逆變電路(DC/AC變換電路):具有逆變功能的電路。凡將直流電能轉換為交流電能的過程稱為逆變。③交流變換電路(AC/AC變換電路):能將交流電能的大小和頻率加以改變的電路。前者稱交流調壓電路;後者稱變頻電路。④直流變換電路(DC/DC變換電路):能將直流電能的大小和方向加以改變的電路。由於採用斬波控制方式,故又稱直流斬波電路。   

按電能轉換次數分類,可分為兩種。①基本變換電路:由一次轉換過程即可實現所需電能變換的電路。例如通過一個可控整流電路即可直接實現由交流電能到直流電能的變換和控制,故又稱直接變換電路。②組合變換電路:出於技術和經濟上的原因,採用多次轉換以實現所需電能的變換的電路。例如通過交流調壓和不控整流兩次轉換也可以實現由交流到直流電能的變換和控制。這種不同組合方式的多次變換電路又稱為間接變換電路。  

按組成電路的器件分類,可分為3種。①不控型變換電路:由不控型器件組成的電路。如由電力二極體組成的整流電路僅實現交流到直流間電能的變換,但電路對直流電能無控制能力。②半控型變換電路:由半控型器件(如普通晶閘管)組成的電路。由於這類器件無自關斷能力,故電路只在具備關斷晶閘管的條件時才能正常工作。③全控型變換電路:由全控型元件(自關斷器件)組成的電路。由於器件具有自關斷能力,全控型電路易於實現電能的變換和控制。它比半控型電路具有更佳的技術經濟指標。但多數全控型器件的開關容量尚低於半控型,故大容量變換電路尚需由半控型元件組裝。   

按控制方式分類,可分為4種。①相控電路:控制信號的變化表現為控制極脈衝相位的變化。傳統的整流電路即採用這種控制方式。②頻控電路:指信號的變化表現為控制極脈衝重複頻率的變化。傳統的無源逆變電路即採用這種控制方式。③斬控電路:控制信號的變化表現為控制極脈寬的變化。傳統的直流斬波電路即採用這種方式。④組合控制電路:電路採用上述3種基本控制方式組合而成的控制方式。如用於直接變頻電路的相頻控制方式就是相控和頻控方式的組合。   

按開關器件的工作頻率分類,可分為兩種。①低頻電路:開關元件按電網頻率(50赫或60赫)工作的電路,如傳統的相控整流電路和有源逆變電路等。②高頻電路:開關元件以遠高於電網頻率的載波頻率工作的電路,如採用脈衝寬度調製控制方式的電路。   

發展趨勢  電子技術發展異常迅速。微細加工技術的進步不僅對信息電子技術以巨大影響,同時也日益對電力電子技術產生作用。就電路而言,正沿著以下4個方向發展。   

①採用新型器件:新器件的出現和使用往往對整個變流技術產生深刻的影響。例如,正是由於氣體閘流管、晶閘管和功率晶體管的相繼問世,才促成了幾代電力電子電路的更迭。  

②採用新的控制方式和手段:新的控制方法會使電路達到更高的性能。例如交流電機採用矢量控制方法,使交流傳動系統的性能可與直流傳動相媲美。而這控制方法之所以能付之實用卻是依借微型計算機的普及。這表明,採用新的控制手段會使昔日無法實現的控制方式成為可能。
  

③採用新的電路結構:變流電路的趨勢是向理想變換電路靠近。以往各種傳統電路由於各種原因的影響,其性能與理想狀態存在種種差距。依借最佳電路拓撲,採用更合理的電路結構,可以使變流器的性能臻於理想化,如丘克電路(見單象限直流變換電路)。   

④採用新的分析方法和調試手段:由於包含非線性開關元件,電力電子電路實質上是一種時變非線性電路,因而分析時相當繁複。以往為了適應工程的要求,不得不作出種種簡化,其結果是降低了分析的精確性。大容量變流電路由於元件繁多、規模龐大,調試工作帶有很高的不安全性和不確定性。隨著計算機輔助分析 (CAN)、輔助設計(CAD)和輔助調試(CAT)技術的發展,數字和物理模擬技術的進步,使電力電子電路的分析、設計和調試工作已日趨完善。

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