【正文】 gh pressure sodium lamp electronic ballast 69 ? 變頻空調(diào)器 （ Frequency Conversion Air－ Condition）是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一 。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說(shuō)信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。 在配電網(wǎng)系統(tǒng) ， 電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電 、 瞬時(shí)電壓跌落 、 閃變等 ， 以進(jìn)行電能質(zhì)量控制 ， 改善供電質(zhì)量 ? 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置 62 電子裝置用電源 ? 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的 直流電源 （ DC Power Supply）供電。 晶閘管控制電抗器 （ Thysistor Controlled Reactor－ TCR） 、 晶閘管投切電容器 （ Thysistor Controlled Capacitor－ TSC） 都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置 。近年發(fā)展起來(lái)的 柔性交流輸電（ Flexible AC Transmission－FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 毫不夸張地說(shuō) ， 離開電力電子技術(shù) ， 電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的 。 據(jù)估計(jì) ， 發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中有 60%以上至少經(jīng)過(guò)一次電力電子變流裝置的處理 。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器 （ Frequency Inverter）和 斬波器 （ Chopper）驅(qū)動(dòng)并控制 ? 飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù) 58 ? 如果把電梯也算做交通運(yùn)輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。 在未來(lái)的磁懸浮列車中 ， 電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 。電鍍裝置也需要整流電源 （ Rectifying Power Supply） 56 交通運(yùn)輸 ? 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù) ? 電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置 ， 交流機(jī)車采用 變頻裝置（ Frequency Inverter） 。 一般工業(yè) ? 直流電動(dòng)機(jī) （ DC Electromotor） 有良好的調(diào)速性能 ， 給其供電的 可控整流電源 （ Controlled Rectifying Power Supply） 或 直流斬波電源 （ DC Chopping Power Supply） 都是電力電子裝置 直流電動(dòng)機(jī) 可控整流電源 55 ? 近年來(lái)電力電子 變頻技術(shù) （ Frequency Inversion Technique） 的迅速發(fā)展 ， 使 交流電機(jī) （ AC Electromotor） 的調(diào)速性能可與直流電機(jī)媲美 ，交流調(diào)速技術(shù) （ AC Speed Control Technique） 大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位 。 ? 變換器中的電線具有非常大的自感，這個(gè)自感的作用主要表現(xiàn)在開關(guān)器件電壓尖峰的大小和延續(xù)時(shí)間，減少電路自感是解決的主要辦法，如電源回路采用三明治結(jié)構(gòu)連接，即減少回路面積從而減少自感 。 ? 緩沖電路可以分為關(guān)斷緩沖和開通緩沖電路，關(guān)斷緩沖又叫做 抑制電路，用于吸收開關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電壓。 ? 特別要注意變換器接通、斷開以及過(guò)電壓時(shí)的開關(guān)器件保護(hù)。 53 3 、開關(guān)器件保護(hù) ? 開關(guān)器件保護(hù)（ protection of switching device）就是要限制開關(guān)應(yīng)力在安全值以內(nèi)，并進(jìn)行功率傳輸。保險(xiǎn)可能是一條細(xì)線，在過(guò)電流時(shí)燒斷，也可能使半導(dǎo)體元件，它在正常條件下為低阻抗器件，在過(guò)電流條件下為永久性的高阻抗。 金屬氧化物變阻器 MOV，又稱壓敏電阻，是一個(gè)非線性電阻器，它由被絕緣膜隔離的金屬氧化物粒子組成，電壓高時(shí)，絕緣膜導(dǎo)電，從而限制變換器的輸入電壓。正常情況下，硒二極管流過(guò)很小的電流，當(dāng)一個(gè)浪涌電壓到來(lái)時(shí)，硒二極管擊穿流過(guò)很大的電流以限制其兩端的電壓，從而保護(hù)變換器免受瞬態(tài)高電壓損害。 變換器保護(hù) 浪涌電壓保護(hù) 浪涌保護(hù)（ surge voltage protection），通常用硒二極管（ selenium diode）或金屬氧化物變阻器 MOV（ metal oxide varistors）來(lái)保護(hù)變換器免受輸入瞬態(tài)浪涌電壓的破壞?；児β室驍?shù)的定義為： 其中， 為輸入電流（網(wǎng)側(cè)電流）的基波電流， … ,為輸入電流的 2次諧波電流、 3次諧波電流、 … 諧波電流。 ? 功率因數(shù) PF（ power factor）定義：交流輸入有功功率與視在功率的比值： ? ?cos?R M S R M SPPPFS V I?? ?50 一般認(rèn)為輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，那么只有輸入電流的基波分量影響有功功率，即 被定義為相移功率因數(shù)（ displacement power factor），描述了負(fù)載的電抗特性。為了校正功率因數(shù)，通常在感性負(fù)載兩端并聯(lián)移相電容，用容性無(wú)功功率補(bǔ)償感性無(wú)功功率。此諧波頻率稱之為不希望的最低諧波頻率。 ? 不希望的最低諧波頻率（ lowest undesired harmonic frequency）。 有效值定義：某非直流電壓（電流）加在一個(gè)電阻上，產(chǎn)生的功率如果和另一個(gè)直流電壓（電流）加在同一電阻上的功率相等（同樣時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同），這個(gè)直流電壓或電流被稱為這個(gè)非直流電壓或電流的有效值： ? 峰峰值（ peakpeak ripple）。即一個(gè)周期波形積分平均值，平均電壓值又稱為直流電壓值。變換器的輸入和輸出波形一般來(lái)說(shuō)都不是正弦信號(hào)，諧波曲線是指交流電壓、電流或瞬時(shí)功率的幅值和頻率關(guān)系。所謂的反射特性，是指輸出對(duì)輸入電壓和電流的影響。正向傳輸特性是指輸出變量和輸入變量的關(guān)系，主要有電壓傳輸特性，和電流傳輸特性。 ? 輸出短路時(shí)的輸入電源電流； ? 沖擊（浪涌 surge）保護(hù)； ? 突加重載和卸載時(shí)變換器輸出端的瞬態(tài)電壓； ? 開關(guān)器件兩端的最高電壓和最高電壓變化率； ? 開關(guān)器件兩端的最高電流和最高電流變化率； ? 變換器接通和斷開時(shí)輸出端的最大瞬態(tài)電壓和名義輸出電壓之差。 變換器應(yīng)具有如下特征： ? 輸出電壓（電流）和給定值和波形相同； ? 輸出電壓（電流）對(duì)負(fù)載、輸入電壓（電流）和器件參數(shù)變化不敏感； ? 輸入電源失真最小，輸出電壓（電流）失真最??； ? 控制靈敏，控制范圍大； ? 功耗最小，瞬態(tài)階段阻抗最大； ? 儲(chǔ)能最少。 變換器特性和指標(biāo) 變換器工作有兩個(gè)階段： :瞬態(tài)階段（ transient phase）和穩(wěn)態(tài)階段（ steadystate phase）。這是因?yàn)槿绻鞒隽魅腚娙莸钠骄娏鞣橇?，那么電容電壓將泵升到無(wú)窮大，所以： ? 與電感一樣，穩(wěn)態(tài)時(shí)，周期結(jié)束時(shí)的電容電壓與周期開始時(shí)的電容電壓相等。 ? 因此，在電力電子變換器中，電容和單向開關(guān)不能并接在一起，無(wú)論何時(shí)需要這種連接，開關(guān)斷開時(shí)，必須提供阻塞二極管與電容串接在一起，防止萬(wàn)一開關(guān)閉和形成短路。這是因?yàn)槿绻姼袃啥说钠骄妷悍橇?，那么電感電流將增大到無(wú)窮大，所以： ? 穩(wěn)態(tài)時(shí)，周期結(jié)束時(shí)的電感電流與周期開始時(shí)的電感電流相等。 di dt167。 ? 因此，在電力電子變換器中，電感和單向開關(guān)不能串接在一起，萬(wàn)一需要這種連接，開關(guān)斷開時(shí)，必須提供電感電流連續(xù)的通道。 41 變換器中電感連接 ? 電感電流的突然變化會(huì)引起 ，從而導(dǎo)致電感兩端產(chǎn)生很高的電壓，也影響到電路中相關(guān)的元件。所謂專用芯片也稱為適合特定用途的 IC，目前有許多公司相繼開發(fā)出了應(yīng)用于不同用途的控制芯片，專用芯片的特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單容易，控制規(guī)律采用硬件實(shí)現(xiàn)。 ? 交流電流負(fù)載；如恒轉(zhuǎn)距應(yīng)用的感應(yīng)同步電機(jī)。 ? 直流電壓負(fù)載；如恒轉(zhuǎn)速應(yīng)用的直流電機(jī)、電池充電過(guò)程。 ? 容性負(fù)載；如電容、激光、顯示器等。由于閉合磁路中磁通 相等，線圈電壓、匝數(shù)和磁通關(guān)系式為： ? 由能量守恒定律，變壓器輸入能量 ? 等于輸出能量： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 24 F e b 20 05 S he e t of F i l e : D : \ D e s i gn E x pl or e r 9 9 S E \ l i h on db D r a w n B y :N1 N2v1 v2i1 i2圖 110 變壓器 39 7 、負(fù)載 ? 負(fù)載可以分為： ? 阻性負(fù)載；其模型可用純電阻代替，純電阻負(fù)載的變換器一般在低頻工作，如加熱器、電爐、烤箱等。 ? 變壓器由磁芯、骨架和繞組組成，磁芯構(gòu)成閉合磁路，繞組至少兩個(gè)以上，分別稱為原邊繞組和副邊繞組或初級(jí)和次級(jí)繞組。 ? 智能功率集成電路 （ Smart Power Integrated Circuit－SPIC）：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 ? 智能功率模塊 （ Intelligent Power Module－ IPM） 則專指 IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成 ，也稱 智能 IGBT（ Intelligent IGBT） 。 ? 功率集成電路 （ Power Integrated Circuit－ PIC） ：把驅(qū)動(dòng) 、 控制 、 保護(hù)電路和功率器件集成在一起 ， 構(gòu)成功率集成電路 （ PIC） 。 ? 與 IGBT 相對(duì)應(yīng) ， MOS控制晶閘管 （ MOS Controlled Transistor－ MCT） 和 集成門極換流晶閘管 （ Intelligent GateCommutated Thyristor － IGCT ） 等都是 MOSFET和GTO的復(fù)合 ， 它們也綜合了 MOSFET和 GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn) 。 36 復(fù)合型器件（ 80年代后期） ? 以 絕緣柵極雙極型晶體管 （ Insulated － Gate Bipolar Transistor － IGBT ） 為代表 ,IGBT 是 電力場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET） 和 雙極結(jié)型晶體管 （ Bipolar Junction Transistor－ BJT） 的復(fù)合 。 ? 這些器件大大推進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展 。 35 全控型器件時(shí)代（ 70年代后期） GTO 可關(guān)斷晶閘管 以 BJT(GTR) 電力雙極型晶體管 為代表： PowerMOSFET 電力場(chǎng)效應(yīng)管 ? 這些器件可以通過(guò)門極 （ 或柵極 、 基極 ） 控制開通和關(guān)斷 。 ? 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的 。 ? 晶閘管因其電氣性能和控制性能優(yōu)越 ， 很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 ， 應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大 。 ? 開關(guān)控制信號(hào)可能是一個(gè)門檻電壓或電流，超過(guò)這個(gè)門檻就導(dǎo)通，也可能是一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)。 ? 雙極性開關(guān)（ bipolar switch），就是開關(guān)在斷態(tài)時(shí)既可以承受正向電壓也可以承受反向電壓，如閘刀、可控硅（ Silicon Controlled Rectifier : SCR）。 ? 雙向開關(guān)（ bidirectional switch），就是開關(guān)在通態(tài)時(shí)電流可以雙向流動(dòng)，如閘刀。理想開關(guān)就是：當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通、流過(guò)電流時(shí)，其端電壓為零；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷、流過(guò)電流為零。理想電流源的源阻抗無(wú)窮大，因此流出其端子的電流與端電壓無(wú)關(guān)。理想電壓源的源阻抗為零，因此其端電壓和電流無(wú)關(guān)。 32 電壓源和電流源，如圖 18所示。 ? ? 010 tCC C C cdvi C v V i d td t C? ? ? ? ?? ? ? ?0100t sC C c C Iv V i d t V tCC? ? ? ??dt0CCdv idt C??31 電源 變換器的能量由輸入電源提供，電源可以有多種劃分方法，如：電壓源，電流源；直流電源，交流電源；總是提供恒定幅度電壓的電源稱為直流電壓源（ dc voltage source）。電容的電壓電流關(guān)系為： 當(dāng)以恒定電流充電時(shí)，可寫為 即恒流源向電容充電時(shí)，電容兩端電壓線性增加。 電感的電壓電流關(guān)系為： 在 時(shí)間內(nèi)，流過(guò)一個(gè)大電感的電流可以認(rèn)為是常數(shù)，這是因?yàn)椋?