【正文】 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 72/21 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(gè)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(shí)至今日，如果要找出一個(gè)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(dòng)、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?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(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 D C / A C高 高 高高 高高 高 高高 高 高L C高 高 高高 高 高高 高高 高R F I高 高 高高 高 高 高曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 71/21 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 D C / A C高 高 高高 高高 高 高高 高 高L C高 高 高高 高 高高 高高 高R F I高 高 高高 高 高 高曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 70/21 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(dòng)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(jì)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(hào)采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動(dòng)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 P F C 高 高高 高 高D C / A C高 高 高高 高 高 高高 高高 高 高高 高 高高 高R F I高 高 高高 高 高 高曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 67/21 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(shí)也可以防止來自電網(wǎng)的干擾侵入到電子鎮(zhèn)流器。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 65/21 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 電子鎮(zhèn)流器 焊機(jī)電源 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 66/21 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(huì)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(huì)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(dòng)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（ TSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（ TCSC）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（ SSSC）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（ 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(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（ 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（ 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(gè) 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(dòng)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(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)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€(gè)層次。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 60/21 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(shí)短時(shí)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 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 58/21 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)。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 57/21 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(dòng)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。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 55/21 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(gè)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 。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 54/21 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(shí) uC總會(huì)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(shí) 電源電壓的變化率為零 ，因此在投入時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)投入或切斷會(huì)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(dòng) 態(tài)無功功率補(bǔ)償器。 20世紀(jì) 70年代，逐漸被靜止無功補(bǔ)償裝置取代 — 專指使用晶閘管器件的補(bǔ)償裝置：晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器以及這兩者的混合裝置；或者晶閘管控制電抗器與固定電容器或機(jī)械投切電容器混合使用的裝置。 ■ 無功補(bǔ)償電容器 是傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，其阻抗固定，不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化，不能實(shí)現(xiàn)對無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 ? 通過對換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。 ? 更容易解決 同步 、 穩(wěn)定性 等等復(fù)雜問題。 ? 短距離送電可采用基于 全控型電力電子器件 的電壓型變流器，性能更優(yōu)。 ? 不受輸電線路的 感性和容性參數(shù) 的限制。 ? 兩極獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，這樣就提高了運(yùn)行的可靠性，也有利于分期建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。 ◆ 典型結(jié)構(gòu) ? 圖 1034是典型的采用 十二脈波換流器 的雙極高壓直流輸電線路。 ? 經(jīng) 直流輸電線路 輸送到電能的接受端。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 47/21 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 高壓直流輸電 無功功率控制 電力系統(tǒng)諧波抑制 電能質(zhì)量控制 、 柔性交流輸電與 定制電力技術(shù) 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 48/21 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) ■ 高壓直流輸電（ High Voltage DC Transmission—— HVDC） 是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開始的應(yīng)用領(lǐng)域， 20世紀(jì) 50年代以來，當(dāng)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來越受到人們的關(guān)注。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路 ◆ 單級(jí) PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí) PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí) PFC變換器僅在小功率時(shí)整個(gè)裝置的成本和體積才具有優(yōu)勢，對于大功率場合，兩級(jí) PFC變換器比較適合。 ? 開關(guān)的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負(fù)載一定的情況下， C1兩端電壓在工作過程中基本保持不變，開關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的 100Hz波動(dòng)由 C1進(jìn)行平滑濾波。 ◆ 工作原理 ? 開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)給升壓電路中的 L1儲(chǔ)能，同時(shí) C1通過開關(guān)給 反激變壓器 儲(chǔ)能。 ◆ 有些單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。 ■ 單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn) ◆ 開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。 ◆ 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí) DCDC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。 ◆ 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對線路、開關(guān)、連接件等電流容量的要求。 ◆ 該電路工作于 電流斷續(xù)模式 ，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于 3~6kW的中小功率電源中。 ? 在每一個(gè)開關(guān)周期中， 電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖 ，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè) S關(guān)斷后電流 iA下降很快， iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣 iA平均值與輸入電壓成