【正文】 70/70 本章小結(jié) ■ 電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)滲透到了工業(yè)乃至民生的每一個角落，在電力電子發(fā)展的早期，的確需要不斷尋找新的用途，時至今日，如果要找出一個使用電能的領(lǐng)域完全不用電力電子技術(shù)恐怕已經(jīng)很困難了；本章講述了電力電子技術(shù)在電力傳動、各種交直流電源、電力系統(tǒng)、焊接和照明等各方面的應(yīng)用；因為電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍如此之廣，本章的內(nèi)容就難免掛一漏萬，只能涉及到電力電子技術(shù)應(yīng)用的一部分內(nèi)容，但也是用的最多的部分。 圖 1045 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖 69/70 焊機(jī)電源 圖 1046 一種弧焊電源的外特性曲線 ◆ 弧焊電源的輸出電壓電流特性依據(jù)不同的焊接工藝有不同的要求，圖 1046為一種弧焊電源的外特性曲線；弧焊電源的控制電路將檢測電源的輸出電壓及電流，調(diào)整逆變電路開關(guān)器件的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)所需的控制特性。 圖 1045 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖 68/70 焊機(jī)電源 ■ 弧焊電源的結(jié)構(gòu)和基本工作原理 ◆ 工頻市電電壓首先經(jīng)過 射頻干擾 (RFI)濾波器 濾波后被整流為直流，再經(jīng) DC/AC逆變器 變換為高頻交流電，經(jīng)變壓器 降壓隔離后再經(jīng)過整流和濾波得到平滑的直流電。 ◆ 電弧焊機(jī)是通過產(chǎn)生電弧使金屬融化而實(shí)現(xiàn)焊接；電阻焊機(jī)是使焊接金屬通過大電流，利用工件表面接觸電阻產(chǎn)生發(fā)熱而融化實(shí)現(xiàn)焊接。 ◆ 在電網(wǎng)電壓波動的情況下，保持燈功率和光輸出的恒定。 ◆ 發(fā)光效率高，熒光燈的發(fā)光效率 (簡稱光效 )和供電的頻率有關(guān)，即隨工作頻率的增加而增加。 ◆ 為使電子鎮(zhèn)流器安全可靠地工作，還要設(shè)計輔助電路，比如從鎮(zhèn)流器輸出到 DC/AC逆變電路引入 反饋網(wǎng)絡(luò) ，通過控制電路以保證與高頻產(chǎn)生器頻率同步化；或者采用 異常狀態(tài)保護(hù)電路 ，將電子鎮(zhèn)流器地輸出信號采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動等異常狀態(tài)，則通過控制電路使振蕩器停振，關(guān)斷高頻變換器輸出，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。 圖 1044 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖 65/70 電子鎮(zhèn)流器 ◆ DC/AC逆變器 的功能是將直流電壓變換成高頻電壓，逆變電路全控型開關(guān)器件，開關(guān)頻率一般為 20～ 70kHz，主要有半橋式逆變電路和推挽式逆變電路兩種形式。 ◆ 工頻市電電壓在整流之前，首先經(jīng)過 射頻干擾 (RFI)濾波器 濾波， RFI濾波器一般由電感和電容元件組成，用來阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的高次諧波反饋到輸入交流電網(wǎng)，以抑止對電網(wǎng)的污染和對電子設(shè)備的干擾，同時也可以防止來自電網(wǎng)的干擾侵入到電子鎮(zhèn)流器。 63/70 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 電子鎮(zhèn)流器 焊機(jī)電源 64/70 電子鎮(zhèn)流器 ■ 在各種氣體放電燈中采用電子鎮(zhèn)流器已成為廣泛采用的節(jié)能措施，傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流器是電感式的，電感鎮(zhèn)流器的構(gòu)造本身就會產(chǎn)生渦流，發(fā)生功耗，加之使用的矽鋼片的材料質(zhì)量、制作工藝都會加劇這一功耗使鎮(zhèn)流器發(fā)熱。 ◆ 采用的典型電力電子裝置有 SVC、 SVG、 APF和動態(tài)電壓恢復(fù)器 DVR等電能質(zhì)量控制裝置以外，還包括由反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的固態(tài)切換開關(guān)（ Solid State Transfer Switch—— SSTS）等。 ◆ 采用的典型電力電子裝置有 SVC 、 SVG 、晶閘管投切串聯(lián)電容器（ Thyristor Switched Series Capacitor—— TSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（ Thyristor Controlled Series Capacitor—— TCSC）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（ Static Synchronous Series Compensator——SSSC）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（ Unified Power Flow Controller—— UPFC）等。 ◆ 電力電子裝置包括 SVC和 SVG， APF，用來補(bǔ)償電壓暫低的動態(tài)電壓恢復(fù)器（ Dynamic Voltage Restorer—— DVR），以及用來綜合補(bǔ)償多種電能質(zhì)量問題的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器、并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器和通用電能質(zhì)量控制器（ Universal Power Quality Controller—— UPQC）等。 ? 串聯(lián)型 APF通過變壓器連在電源和負(fù)載間，相當(dāng)于一個 受控電壓源 ，既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。 ◆ 與 LC無源濾波器相比，有源濾波能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率和阻抗的影響。 ■ 有源電力濾波器（ Active Power Filter—— APF） ◆ 有源電力濾波器的思想最早提出于上世紀(jì) 60年代末，1976年確立了有源電力濾波器的完整概念和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上世紀(jì) 80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)， PWM逆變技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。 ■ ＬＣ調(diào)諧濾波器 ◆ 是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。 ? SVG的補(bǔ)償目標(biāo)已由早期的以對輸電系統(tǒng)的補(bǔ)償為主，擴(kuò)展到了對配電系統(tǒng)補(bǔ)償，甚至負(fù)荷補(bǔ)償?shù)雀鱾€層次。 58/70 無功功率控制 ◆ SVG發(fā)展的共同特點(diǎn) ? SVG的主電路由早期的以多重化的方波變流器為主要形式，已發(fā)展為以 PWM變流器為主要形式。 ? SVG還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的 有功功率 。 ? SVG的調(diào)節(jié)速度更快，而且在采取 多重化或 PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。 ? 設(shè)電網(wǎng)電壓和 SVG輸出的交流電壓分別用相量 和 表示，改變 的幅值及其相對于 的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制 SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了 SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。 圖 1040 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖 a）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型橋式電路 56/70 無功功率控制 ◆ SVG（采用電壓型橋式電路）的工作原理 ? 由于運(yùn)行效率的原因迄今投入實(shí)用的 SVG大都采用電壓型橋式電路。 ? 采用電壓型橋式電路的 SVG如圖 1040a，直流側(cè)采用的是 電容 ，還需再串聯(lián)上連接 電抗器 才能并入電網(wǎng)。 55/70 無功功率控制 ■ 靜止無功發(fā)生器 ◆ 靜止無功發(fā)生器 SVG在本書中專指由自換相的電力電子橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。 和 160176。 ◆ 圖 1039給出了 ?分別為 120176。 b) ?=135176。 。 圖 1038 晶閘管控制電抗器 (TCR)電路 電抗器中所含電阻很小，可以近似看成純電感負(fù)載，因此 ? 的移相范圍為90176。 53/70 無功功率控制 ■ 晶閘管控制電抗器（ TCR ） ◆ 晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載的一個典型應(yīng)用，圖 1038所示為 TCR的典型電路，可以看出是 支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路 。 52/70 無功功率控制 圖 1037 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的 TSC ◆ 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的 TSC ? 由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時 uC總會維持在電源電壓峰值。 ? 一般來說，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為 電源電壓峰值 ，這時電源電壓的變化率為零 ，因此在投入時刻 iC為零 ，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。 ◆ 圖 1035是 TSC的基本原理圖，可以看出 TSC的基本原理實(shí)際上是就是 用交流電力電子開關(guān)來投如或者切除電容器 ，兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把電容 C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能出現(xiàn)的沖擊電流；在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時投入或切斷會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量， TSC實(shí)際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補(bǔ)償器。 50/70 無功功率控制 ■ 在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，可以 提高功率因數(shù) ， 穩(wěn)定電網(wǎng)電壓 ， 改善供電質(zhì)量 。 ◆ 更有利于系統(tǒng)控制。 ◆ 更有利于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。 ? 直流輸電線導(dǎo)體沒有 積膚效應(yīng) 問題，相同輸電容量下直流輸電線路的占地面積也小。 49/70 高壓直流輸電 ■ 高壓直流輸電的優(yōu)勢 ◆ 更有利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離和大容量的電能傳輸或者海底或地下電纜傳輸。 ? 雙極是指其輸電線路兩端的每端都由兩個額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導(dǎo)線，分別為正極和負(fù)極，每端兩個換流器的串聯(lián)連接點(diǎn)接地。 48/70 高壓直流輸電 圖 1034 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) ? 在受端電能又經(jīng)過 晶閘管逆變器 由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到各個用戶。 ■ 原理和典型結(jié)構(gòu) ◆ 原理 ? 發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器（換流變壓器）將電壓升高后送到 晶閘管整流器 ，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳌? ◆ 單級 PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。 45/70 單級功率因數(shù)校正技術(shù) ■ 單級 PFC電路的特點(diǎn) ◆ 單級 PFC電路減少了主電路的開關(guān)器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。 ? 開關(guān)關(guān)斷時，輸入電源與 L1一起給 C1充電，反激變壓器同時向副邊電路釋放能量。 44/70 單級功率因數(shù)校正技術(shù) 圖 1033 典型的 boost型單級 PFC AC/DC變換器 ■ 單級 PFC變換器 ◆ 適合于 小功率電源 ，以 單相變換器 為主，主要性能指標(biāo)包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于 電路的拓?fù)湫问?。 ◆ 控制電路通常只有一個輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路。 43/70 單級功率因數(shù)校正技術(shù) ■ 單級 PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件與后級 DCDC變換器中的開關(guān)元件合并和復(fù)用 ，將兩部分電路合而為一。 ■ 單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡單，僅有 1個全控開關(guān)器件。 ◆ 由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，能適應(yīng)世界各國不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。 ABCC+SLALBLCD1 D3D5D2D4D6D7iAiBiCttoSotiATo nIA P圖 1031 三相單開關(guān) PFC電路 圖 1032 三相單開關(guān) PFC電路的工作波形 42/70 功率因數(shù)校正電路的基本原理 ■ 開關(guān)電源中采用有源 PFC電路帶來以下好處 ◆ 輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。 41/70 功率因數(shù)校正電路的基本原理 ? 在分析中略去了電流波形中非陰影部分，因此實(shí)際的電流波形 同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關(guān) S關(guān)斷 后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同 正弦波的近似程度高，其波形畸變小。 ◆ 工作原理 ? S開通后，電感電流值均從零開始線性上升（正向或負(fù)向）， S關(guān)斷后，三相電感電流通過 D7向負(fù)載側(cè)流動，并迅速下降到零。 *du3