電力電子技術論文.

1、集寧師范學院物理系畢業(yè)設計引言電力電子技術是應用與電力領域的電子技術，具體地說，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，主要用于電力變換。目前所用的電力電子器件均為半導體制成，故也稱電力半導體器件。通常把電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術兩個分支。電力電子器件的制造技術是電力電子技術的根底，而變流技術那么是電力電子技術的核心。電力電子又稱“功率電子學英文：Power Electronics，簡稱PE，是應用于電力領域，使用電力電子元件對電能進行變換和控制的電子技術。電力電子技術分為電力電子元件制造技術和變流技術。一般認為，1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶體管是電力電

2、子技術誕生的標志。1974年，美國的W. Newell提出：電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而行成。這一觀點被全世界普遍接受。電力電子技術的開展史隨著1902年第一個整流器的問世,進而引入了功率電子學這個概念。原始整流器是一個內(nèi)含液態(tài)汞的陰極放電管。這個汞蒸氣型的整流器,可以將數(shù)千安培的交流電轉換為直流電,其容忍電壓也高達一萬伏特以上。從1930年開始,這種原始的整流器開始匹配一個類似于通管技術的點陣式(或晶格結構)類比控制器,從而實現(xiàn)了直流電流的可控制性(引燃管,閘流管)。由于正向可通過的電壓約為20伏特,進而乘于正向可通過的電流就產(chǎn)生了可觀的電功率損失,由此而來的投資和運

3、營本錢等等也會相應的增加。因而這種整流器在現(xiàn)今的功率電子技術方面并不會得到廣泛的應用。隨著半導體在整流方面的應用,第一個半導體整流器(硒和氧化亞銅整流器)被創(chuàng)造出來。1957年,通用電氣研發(fā)出第一種可控式功率型半導體,后來命名為晶閘管。之后進一步地研發(fā)出多種類型的可控式功率型半導體。這些半導體如今也在驅動技術方面得到廣泛應用。1 電力電子技術的應用電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現(xiàn)代控制技術為支撐的技術平臺。經(jīng)過50年的開展歷程,它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設備發(fā)行、電能質量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應用。最成功地應用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術是直流輸電(

4、HVDC)。自20世紀80年代,柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后,電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究得到了極大的關注,多種設備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用。 自20世紀80年代,柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后,電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究得到了極大的關注,多種設備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的根本原理和應用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié),列舉電力電子技術的應用研究和現(xiàn)狀。 1.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應用 電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設備,電力電子技術的應用以改善這些設備的

5、運行特性為主要目的。 1.1.1 大型發(fā)電機的靜止勵磁控制 靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式,具有結構簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點,被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié),因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié),給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。 1.1.2 水力、風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁 水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量,當水頭的變化幅度較大時(尤其是抽水蓄能機組),機組的最正確轉速變隨之發(fā)生變化。風力發(fā)電的有效功率與風速的三次方成正比,風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率,可使機組變速運行,通過調(diào)整轉子勵磁電流的頻率,使其與

6、轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。 1.1.3 發(fā)電廠風機水泵的變頻調(diào)速 發(fā)電廠的廠用電率平均為8%,風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%,且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器,實施風機水泵的變頻調(diào)速,可以到達節(jié)能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟,國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家,并不完整的系列產(chǎn)品,但具備高壓大容量變頻器設計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多,國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。 1.2 在輸電環(huán)節(jié)中的應用 電力電子器件應用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命,大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性。 1.2.1 直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDC

7、 Light)技術 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點,對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng),高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器,標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。 1.2.2 柔性交流輸電(FACTS)技術 FACTS技術的概念問世于20世紀80年代后期,是一項基于電力電子技術與現(xiàn)代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術,可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制,大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。 20世紀90年代以來,國外在研究開發(fā)的根底上開始將FACTS技術

8、用于實際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小,設備結構簡單,控制方便,本錢較低,所以較早得到應用。 1.3 在配電環(huán)節(jié)中的應用 配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求,還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。電力電子技術和現(xiàn)代控制技術在配電系統(tǒng)中的應用,即用戶電力(Custom Power)技術或稱DFACTS技術,是在FACTS各項成熟技術的根底上開展起來的電能質量控制新技術。可以將DFACTS設備理解為FACTS設備的縮小版,其原理、結構均相同,功能也相似。由于潛在需求巨大,市場介入相對容易,開發(fā)投入和生產(chǎn)本錢相對較低,隨著電力

9、電子器件價格的不斷降低,可以預期DFACTS設備產(chǎn)品將進入快速開展期。 1.4 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用 1.4.1 變負荷電動機調(diào)速運行 電動機本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個方面,通過變負荷電動機的調(diào)速技術節(jié)電又是另一個方面,只有將二者結合起來,電動機節(jié)電方較完善。目前,交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應用。首先是風機、泵類等變負荷機械中采用調(diào)速控制代替擋風板或節(jié)流閥控制風流量和水流量具有顯著的效果。國外變負荷的風機、水泵大多采用了交流調(diào)速,我國正在推廣應用中。 變頻調(diào)速的優(yōu)點是調(diào)速范圍廣,精度高,效率高,能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速。在調(diào)速過程中轉差損耗小,定子、轉子的銅耗也不大,節(jié)電率一

10、般可達30%左右。其缺點主要為:本錢高,產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。 1.4.2 減少無功損耗,提高功率因數(shù) 在電氣設備中,變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載,這些設備在運行時不僅消耗有功功率,而且還消耗無功功率。因此,無功電源與有功電源一樣,是保證電能質量不可缺少的局部。在電力系統(tǒng)中應保持無功平衡,否那么,將會使系統(tǒng)電壓降低 ,設備破壞,功率因數(shù)下降,嚴懲時會引起電壓崩潰,系統(tǒng)解裂,造成大面積停電事故。所以,當電力網(wǎng)或電氣設備無功容量缺乏時,應增裝無功補償設備,提高設備功率因數(shù)。 2、晶閘管參數(shù)的選擇 電力電子晶閘管亦即過去國內(nèi)稱為可控硅，國外簡稱為SCR元件，是硅整流裝置中最主要的器件，它的

11、參數(shù)選擇是否合理直接影響著設備運動性能。合理地選用可控硅可提高運行的可靠性和使用壽命，保證生產(chǎn)和降低設備檢修本錢費用。就樂山冶金機械軋輥廠使用較多的磁選和電機車設備選用晶閘管有關電參數(shù)作出論述。在一般情況下，裝置生產(chǎn)廠圖紙?zhí)峁┑木чl管的參數(shù)最主要兩項：即額定電流(A)和額定電壓(V)，使用部門提出的器件參數(shù)要求也只是這兩項，在變頻裝置上的快速或中頻晶閘管多一個換向關斷時間(tg)參數(shù)，在一般情況下也是可以的。但是從提高設備運行性能和使用壽命的角度出發(fā)，我們在選用晶閘管器件時可根據(jù)設備的特點對晶閘管的某一些參數(shù)也作一些挑選。根據(jù)晶閘管的靜態(tài)特性，對晶閘管器件參數(shù)的選擇提出如下幾點討論。晶閘管在門

12、極無信號，控制電流Ig為0時，在陽(A)一一陰(K)極之間加(J2)處于反向偏置，所以，器件呈高阻抗狀態(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)，假設增大UAK而到達一定值VBO，晶閘管由阻斷突然轉為導通，這個VBO值稱為正向轉折電壓，這種導通是非正常導通，會減短器件的壽命。所以必須選擇足夠正向重復阻斷峰值電壓(VDRM)。在陽一一陰極之間加上反向電壓時，器件的第一和第三PN結(J1和J3)處于反向偏置，呈阻斷狀態(tài)。當加大反向電壓到達一定值VRB時晶閘管的反向從阻斷突然轉變?yōu)閷顟B(tài)，此時是反向擊穿，器件會被損壞。而且VBO和VRB值隨電壓的重復施加而變小。在感性負載的情況下，如磁選設備的整流裝置。在關斷的時候會產(chǎn)

13、生很高的電壓(=-Ldidt)，如果電路上未有良好的吸收回路，此電壓將會損壞晶閘管器件。因此，器件也必須有足夠的反向耐壓VRRM。晶閘管在變流器(如電機車)中工作時，必須能夠以電源頻率重復地經(jīng)受一定的過電壓而不影響其工作，所以正反向峰值電壓參數(shù)VDRM、VRRM應保證在正常使用電壓峰值的2-3倍以上，考慮到一些可能會出現(xiàn)的浪涌電壓因素，在選擇代用參數(shù)的時候,只能向高一檔的參數(shù)選取。晶閘管的額定電流是在一定條件的最大通態(tài)平均電流IT，即在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件，器件在阻性負載的單相工頻正弦半波，導通角不少于l70的電路中，當穩(wěn)定的額定結溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。而一般變流器工作時，各

14、臂的可控硅有不均流因素。晶閘管在多數(shù)的情況也不可能在170導通角上工作，通常是少于這一角度。這樣就必須選用晶閘管的額定電流稍大一些，一般應為其正常電流平均值的1.5-2.0倍。2.3選擇門極(控制級)參數(shù)晶閘管門極施加控制信號使它由阻斷變成導通需經(jīng)歷一段時間，這段時問稱開通時間tgt，它是由延遲時間td和上升時間tx組成，tr是從門極電流脈沖前沿的某一規(guī)定起(比方門極電流上升到終值的90時起)到通態(tài)陽極電流IA到達終值的10那瞬為止的時間隔，tr是陽極電流從l0上升到90所經(jīng)歷的時間?？梢婇_通時間tgt與晶閘管門極的可觸發(fā)電壓、電流有關，與可控硅結溫，開通前陽極電壓、開通后陽極電流有關，普通晶

15、閘管的tgt10s以下。在外電路回路電感較大時可達幾十甚至幾百s以上(陽極電流的上升慢)。在選用可控硅時，特別是在有串并聯(lián)使用時，應盡量選擇門極觸發(fā)特征接近的晶閘管用在同一設備上，特別是用在同一臂的串或并聯(lián)位置上。這樣可以提高設備運行的可靠性和使用壽命。如果觸發(fā)特性相差太大的可控硅在串聯(lián)運行時將引起正向電壓無法平均分配，使tgt較長的可控硅管受損，并聯(lián)運行時tgt較短的晶閘管管將分配更大的電流而受損，這對晶閘管器件是不利的。所以同一臂上串或并聯(lián)的可控硅觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流要盡量一致，也就是配對使用。在不允許可控硅有受干擾而誤導通的設備中，如電機調(diào)速等，可選擇門極觸發(fā)電壓、電流稍大一些的管子(如可

16、觸發(fā)電壓VGT2V,可觸發(fā)電流IGT：150mA)以保證不出現(xiàn)誤導通，在觸發(fā)脈沖功率強的電路中也可選擇觸發(fā)電壓、電流稍大一點的管。在磁選礦設備中，特別是舊的窄脈沖觸發(fā)電路中，可選擇一些VG、IG低一些的管子，如VGT1.5V、IGT在100mA以下。可減少觸發(fā)不通而出現(xiàn)缺相運行。以上所述說明在某些情況下應對VGT和IGT參數(shù)進行選擇。(以上舉例對500A的可控硅參考參數(shù))2.4選擇關斷時間(tg)晶閘管在陽極電流減少為0以后，如果馬上就加上正向陽極電壓，即使無門極信號，它也會再次導通，假設在再次加上正向陽極電壓之前使器件承受一定時間的反向偏置電壓，也不會誤導通，這說明可控硅關斷后需要一定的時間

17、恢復其阻斷能力。從電流過O到器件能阻斷重加正向電壓的瞬間為止的最小時聞間隔是晶閘管的關斷時間tg，由反向恢復時間t和門極恢復時間t構成，普通晶閘管的tg約150-200s，通常能滿足一般工頻下變流器的使用，但在大感性負載的情況下可作一些選擇。在中頻逆轉應用，如中頻裝置、電機車斬波器，變頻調(diào)速等情況中使用，一定要對關斷時間參數(shù)作選擇，一般快速晶閘管(即kk型晶閘管)的關斷時間在10-50s，其工作頻率可到達1K-4KHZ；中速晶閘管(即KPK型晶閘管)的關斷時間在60-100s，其工作頻率可達幾百至lKHZ，即電機車的變頻頻率。2.5選擇電壓上升率(ddt)和電流上升率(didt)當晶閘管在阻斷

18、狀態(tài)下，如在它的兩端加一正向電壓，即使所加電壓值未到達其正向最大值斷峰值電壓VDRM，但只要所加的電壓的上升率超過一定值，器件就會轉為導通，這是PN結的電容引起充電，起到了觸發(fā)作用，式使晶閘管誤導通。不同規(guī)格的晶閘管都規(guī)定了不同的ddt值，選用時應加以注意，選擇足夠的ddt的晶閘管管。一般500A的晶閘管ddt在100-200Vs。電機車工作頻率在幾百HZ以內(nèi)選用KK或KPK晶閘管應選用ddt200-1000Vs之間。當門極參加觸發(fā)脈沖后，晶閘管首先在門極附近的小區(qū)域內(nèi)導通再逐漸擴大，直至全部結面導通，因此如在剛導通時陽極電流上升太快，即可能使PN結的局部燒壞。所以對晶閘管的電流上升率應作一定

19、的選擇，器件通態(tài)電流上升率(didt)應能滿足電路的要求。普通的可控硅(500A)的didt在50一300As，在工頻條件下，如磁選機didt在50As以下就可以滿足使用；在變頻條件下如電機車didt必須在100As以上。當陽極電壓高而且在峰值時觸發(fā)的情況下對ddt和didt的要求都比擬高，除了應使設備防止在這種狀態(tài)下運行外，對晶閘管的ddt和didt同時也要選擇使用，選高一點參數(shù)的使用，另外開通時直接接有大電容容量回路時,也必須選用較大didt的晶閘管器件。當晶閘管門極觸發(fā)而導通，假設陽極電流IA尚未到達掣住電流IL值時，觸發(fā)脈沖一旦消失，晶閘管便又恢復阻斷狀態(tài)，假設IAIL，雖去掉門極脈沖

20、信號，仍維持晶閘管導通。對如磁選裝置等的電感性負載應加以注意。負載電流(亦即陽極電流)增長的快慢對于門極脈沖消失后晶閘管是否能繼續(xù)導通很重要，負載電流增長快時，在脈沖未消失前，IAIL，脈沖消失后不影響IA的流通，假設IA增長慢，脈沖消失時IA在保證晶閘管可靠觸發(fā)并維持導通方面，據(jù)了解，有些半導體材料生產(chǎn)廠引人了日本的線路技術；“寬脈沖列觸發(fā)線路，該脈沖列幅度前沿陡、寬度大(脈沖列寬l80，一般窄脈沖只有30一50，強觸發(fā)脈沖也只有約90)，所觸發(fā)快速、可靠，而且由于是脈沖列，所以功耗特別小(強觸發(fā)的寬脈沖功耗特別大是一個重要的缺點)。該電路的脈沖列寬有效地保證了可控硅的維持導通，對晶閘管的維持電流參數(shù)可以不作要求。據(jù)了解該電路還有穩(wěn)壓或穩(wěn)流或穩(wěn)電流密度運行的選擇，有限定電流運行性能及過流封鎖保護，有積分“柔軟啟動特性，減小對晶閘管的沖擊電流，并保存過溫和失壓等開關信號的封鎖保護接口，大大提高了設備使用的可靠性使用壽命，廣東大寶山鐵礦等的磁選機用該電路后都取得了極好的效果。 在選擇晶閘管器件參數(shù)的時候應根據(jù)不同的場合，線路和負載的狀態(tài)而對一些特定的參數(shù)多給予選擇的考慮，方可使設備運行更良好，更可靠和壽命更