1、电力电子技术论文班级：机自10-1F 学号序号：39 吕博文引言电力电子技术是应用与电力领域的电子技术，具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，主要用于电力变换。目前所用的电力电子器件均为半导体制成，故也称电力半导体器件。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称PE，是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。一般认为，1957年美国
2、通用电气公司研制出第一个晶体管是电力电子技术诞生的标志。1974年，美国的W. Newell提出：电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。电力电子技术的发展史随着1902年第一个整流器的问世,进而引入了功率电子学这个概念。原始整流器是一个含液态汞的阴极放电管。这个汞蒸气型的整流器,可以将数千安培的交流电转换为直流电,其容忍电压也高达一万伏特以上。从1930年开始,这种原始的整流器开始匹配一个类似于通管技术的点阵式(或晶格结构)类比控制器,从而实现了直流电流的可控制性(引燃管,闸流管)。由于正向可通过的电压约为20伏特,进而乘于正向可通过的电流就产生了
3、可观的电功率损失,由此而来的投资和运营成本等等也会相应的增加。因而这种整流器在现今的功率电子技术方面并不会得到广泛的应用。随着半导体在整流方面的应用,第一个半导体整流器(硒和氧化亚铜整流器)被发明出来。1957年,通用电气研发出第一种可控式功率型半导体,后来命名为晶闸管。之后进一步地研发出多种类型的可控式功率型半导体。这些半导体如今也在驱动技术方面得到广泛应用。1 电力电子技术的应用电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程,它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力
4、系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代,柔性交流输电(FACTS)概念被提出后,电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注,多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。 自20世纪80年代,柔性交流输电(FACTS)概念被提出后,电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注,多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节,列举电力电子技术的应用研究和现状。 1.1 在发电环节中的应用 电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备
5、,电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。 1.1.1 大型发电机的静止励磁控制 静止励磁采用晶闸管整流自并励方式,具有结构简单、可靠性高及造价低等优点,被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节,因而具有其特有的快速性调节,给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。 1.1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁 水力发电的有效功率取决于水头压力和流量,当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组),机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比,风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率,可使机组变速运行,
6、通过调整转子励磁电流的频率,使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。 1.1.3 发电厂风机水泵的变频调速 发电厂的厂用电率平均为8%,风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%,且运行效率低。使用低压或高压变频器,实施风机水泵的变频调速,可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟,国外有众多的生产厂家,并不完整的系列产品,但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多,国有不少院校和企业正抓紧联合开发。 1.2 在输电环节中的应用 电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”,大幅度改善了电力网的稳定运行特性。1.2.1 直流输电(HV
7、DC)和轻型直流输电(HVDC Light)技术 直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点,对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网,高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器,标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。 1.2.2 柔性交流输电(FACTS)技术FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期,是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术,可实现对交流输电功率潮流的灵活控制,大幅度提高电力系统的稳定水平。 20世纪90年代以来,国外在研究开发
8、的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小,设备结构简单,控制方便,成本较低,所以较早得到应用。 1.3 在配电环节中的应用 配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求,还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用,即用户电力(Custom Power)技术或称DFACTS技术,是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版,其原理、结构均相同,功能也相似。由于潜在需求巨大,市场介入相对容易,开发投入
9、和生产成本相对较低,随着电力电子器件价格的不断降低,可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。 1.4 在节能环节的运用 1.4.1 变负荷电动机调速运行 电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面,通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面,只有将二者结合起来,电动机节电方较完善。目前,交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速,我国正在推广应用中。 变频调速的优点是调速围广,精度高,效率高,能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小,定子、
10、转子的铜耗也不大,节电率一般可达30%左右。其缺点主要为:成本高,产生高次谐波污染电网。 1.4.2 减少无功损耗,提高功率因数在电气设备中,变压器和交流异步电动机等都属于感性负载,这些设备在运行时不仅消耗有功功率,而且还消耗无功功率。因此,无功电源与有功电源一样,是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡,否则,将会使系统电压降低 ,设备破坏,功率因数下降,严惩时会引起电压崩溃,系统解裂,造成大面积停电事故。所以,当电力网或电气设备无功容量不足时,应增装无功补偿设备,提高设备功率因数。 2、晶闸管参数的选择 电力电子晶闸管亦即过去国称为可控硅，国外简称为SCR元件，是硅整流装置
11、中最主要的器件，它的参数选择是否合理直接影响着设备运动性能。合理地选用可控硅可提高运行的可靠性和使用寿命，保证生产和降低设备检修成本费用。就冶金机械轧辊厂使用较多的磁选和电机车设备选用晶闸管有关电参数作出论述。在一般情况下，装置生产厂图纸提供的晶闸管的参数最主要两项：即额定电流(A)和额定电压(V)，使用部门提出的器件参数要求也只是这两项，在变频装置上的快速或中频晶闸管多一个换向关断时间(tg)参数，在一般情况下也是可以的。但是从提高设备运行性能和使用寿命的角度出发，我们在选用晶闸管器件时可根据设备的特点对晶闸管的某一些参数也作一些挑选。根据晶闸管的静态特性，对晶闸管器件参数的选择提出如下几点
12、讨论。2.1选择正反向电压晶闸管在门极无信号，控制电流Ig为0时，在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置，所以，器件呈高阻抗状态，称为正向阻断状态，若增大UAK而达到一定值VBO，晶闸管由阻断突然转为导通，这个VBO值称为正向转折电压，这种导通是非正常导通，会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。在阳一一阴极之间加上反向电压时，器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置，呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时晶闸管的反向从阻断突然转变为导通状态，此时是反向击穿，器件会被损坏。而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下，如磁
13、选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压(=-Ldidt)，如果电路上未有良好的吸收回路，此电压将会损坏晶闸管器件。因此，器件也必须有足够的反向耐压VRRM。晶闸管在变流器(如电机车)中工作时，必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作，所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上，考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素，在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。2.2选择额定工作电流参数晶闸管的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT，即在环境温度为+40和规定冷却条件，器件在阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不少于l70的电路中，当稳定
14、的额定结温时所允许的最大通态平均电流。而一般变流器工作时，各臂的可控硅有不均流因素。晶闸管在多数的情况也不可能在170导通角上工作，通常是少于这一角度。这样就必须选用晶闸管的额定电流稍大一些，一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。2.3选择门极(控制级)参数晶闸管门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间，这段时问称开通时间tgt，它是由延迟时间td和上升时间tx组成，tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90时起)到通态阳极电流IA达到终值的10那瞬为止的时间隔，tr是阳极电流从l0上升到90所经历的时间。可见开通时间tgt与晶闸管门极的可触发电压、电流有
15、关，与可控硅结温，开通前阳极电压、开通后阳极电流有关，普通晶闸管的tgt10s以下。在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百s以上(阳极电流的上升慢)。在选用可控硅时，特别是在有串并联使用时，应尽量选择门极触发特征接近的晶闸管用在同一设备上，特别是用在同一臂的串或并联位置上。这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配，使tgt较长的可控硅管受损，并联运行时tgt较短的晶闸管管将分配更大的电流而受损，这对晶闸管器件是不利的。所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致，也就是配对使用。在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中
16、，如电机调速等，可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT2V,可触发电流IGT：150mA)以保证不出现误导通，在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。在磁选矿设备中，特别是旧的窄脉冲触发电路中，可选择一些VG、IG低一些的管子，如VGT1.5V、IGT在100mA以下。可减少触发不通而出现缺相运行。以上所述说明在某些情况下应对VGT和IGT参数进行选择。(以上举例对500A的可控硅参考参数)2.4选择关断时间(tg)晶闸管在阳极电流减少为0以后，如果马上就加上正向阳极电压，即使无门极信号，它也会再次导通，假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的
17、反向偏置电压，也不会误导通，这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。从电流过O到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是晶闸管的关断时间tg，由反向恢复时间t和门极恢复时间t构成，普通晶闸管的tg约150-200s，通常能满足一般工频下变流器的使用，但在大感性负载的情况下可作一些选择。在中频逆转应用，如中频装置、电机车斩波器，变频调速等情况中使用，一定要对关断时间参数作选择，一般快速晶闸管(即kk型晶闸管)的关断时间在10-50s，其工作频率可达到1K-4KHZ；中速晶闸管(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100s，其工作频率可达几百至lKHZ，即电机车的变频频率。2.5选
18、择电压上升率(ddt)和电流上升率(didt)当晶闸管在阻断状态下，如在它的两端加一正向电压，即使所加电压值未达到其正向最大值断峰值电压VDRM，但只要所加的电压的上升率超过一定值，器件就会转为导通，这是PN结的电容引起充电，起到了触发作用，式使晶闸管误导通。不同规格的晶闸管都规定了不同的ddt值，选用时应加以注意，选择足够的ddt的晶闸管管。一般500A的晶闸管ddt在100-200Vs。电机车工作频率在几百HZ以选用KK或KPK晶闸管应选用ddt200-1000Vs之间。当门极加入触发脉冲后，晶闸管首先在门极附近的小区域导通再逐渐扩大，直至全部结面导通，因此如在刚导通时阳极电流上升太快，即
19、可能使PN结的局部烧坏。所以对晶闸管的电流上升率应作一定的选择，器件通态电流上升率(didt)应能满足电路的要求。普通的可控硅(500A)的didt在50一300As，在工频条件下，如磁选机didt在50As以下就可以满足使用；在变频条件下如电机车didt必须在100As以上。当阳极电压高而且在峰值时触发的情况下对ddt和didt的要求都比较高，除了应使设备避免在这种状态下运行外，对晶闸管的ddt和didt同时也要选择使用，选高一点参数的使用，另外开通时直接接有大电容容量回路时,也必须选用较大didt的晶闸管器件。2.6选择掣住电流IL和维持电流IH当晶闸管门极触发而导通，若阳极电流IA尚未达
20、到掣住电流IL值时，触发脉冲一旦消失，晶闸管便又恢复阻断状态，若IAIL，虽去掉门极脉冲信号，仍维持晶闸管导通。对如磁选装置等的电感性负载应加以注意。负载电流(亦即阳极电流)增长的快慢对于门极脉冲消失后晶闸管是否能继续导通很重要，负载电流增长快时，在脉冲未消失前，IAIL，脉冲消失后不影响IA的流通，若IA增长慢，脉冲消失时IA在保证晶闸管可靠触发并维持导通方面，据了解，有些半导体材料生产厂引人了日本的线路技术；“宽脉冲列触发线路”，该脉冲列幅度前沿陡、宽度大(脉冲列宽l80，一般窄脉冲只有30一50，强触发脉冲也只有约90)，所触发快速、可靠，而且由于是脉冲列，所以功耗特别小(强触发的宽脉冲
21、功耗特别大是一个重要的缺点)。该电路的脉冲列宽有效地保证了可控硅的维持导通，对晶闸管的维持电流参数可以不作要求。据了解该电路还有稳压或稳流或稳电流密度运行的选择，有限定电流运行性能及过流封锁保护，有积分“柔软启动”特性，减小对晶闸管的冲击电流，并保留过温和失压等开关信号的封锁保护接口，大大提高了设备使用的可靠性使用寿命，大宝山铁矿等的磁选机用该电路后都取得了极好的效果。 在选择晶闸管器件参数的时候应根据不同的场合，线路和负载的状态而对一些特定的参数多给予选择的考虑，方可使设备运行更良好，更可靠和寿命更长。结语 总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产
22、品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国有20多亿人民币的市场需求,吸引了国外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。参考文献:1 黄俊.电力电子变流技术M.机构工业，1992. 2 任万强.晶闸管高功率因数可调节荧光灯电子镇流器J.中国照明电气，2007,(4). 3 王武.晶闸管串联调压电容无功补偿装置特性及试验J.电力电子技术，2006,(5). 4 翔.基于晶闸管的三相三线交流调压电路分析与仿真J.皖西学院学报，2006,(2).
